انبساط و انقباض (Expansion and Contraction)

عملیه های انبساط و انقباض از جمله خصوصیات مهم فزیکی در مواد بوده که بیشتر وابسته به تغییرات درجه حرارت و فشار می باشند. عملیه های ذکر شده سبب تغییر در ترتیب ذرات تشکیل دهنده مواد گردیده که در نتیجه سبب ازیاد و یا کاهش حجم جسم می گردد.

انقباض (Contraction): تغییر فزیکی در یک ماده که باعث کاهش حجم ماده میشود.

علت وقوع پدیده انقباض چیست؟‌

حرارت یا گرما عامل ایجاد انقباض است،‌ که بنام انقباض حرارتی هم گویند. اما در انقباض و انبساط گازات حرارت و فشار هر دو اثر گذار میباشد.

انقباض حرارتی (Thermal contraction)

در انقباض حرارتی حجم یک جسم در اثر کاهش درجه حرارت جسم کوچک میشود. وقتی که ماده سرد میشود (حرارت خود را از دست میدهد) جنبش و حرکت مالیکولی ماده کم و در نتیجه فاصله بین آن ها کمتر می شود، بنابر آن حجم و فضایی کمتر را اشغال میکند، در چنین حالت می گوییم که جسم منقبض (Contracted) شده است. با وجود مواد گوناگون در طبیعت و خواص متفاوت هر یک باعث شده است تا انقباض ماده در حالات مختلف متفاوت باشد.

انقباض حرارتی با کاهش طول،‌ مساحت یا حجم ماده که با سرد شدن رخ میدهد همراه میباشد که این پروسه برعکس انبساط حرارتی است. در انبساط حرارتی با افزایش درجه حرارت در یک ماده، طول، سطح، یا حجم ماده افزایش می یابد.

انقباض و نظریه مالیکولی

نظریه مالیکولی

• همه مواد از مالیکول ساخته شده است
• مالیکول ها از همدیگر فاصله دارند.
• مالیکول های یک ماده به یکدیگر، قوه جاذبه یا دافعه وارد میکند.
• مالیکول ها همیشه در حال حرکت هستند.

زمانیکه جسم حرارت خود را از دست میدهد حرکت مالیکول ها کم و فاصله بین آن ها کاهش یافته در نتیجه فضای کمتری را اشغال میکند که در این حالت میگوییم که جسم انقباض نموده است.

انبساط (Expansion)

پدیده معکوس انقباض، انبساط است که باعث افزایش حجم و ابعاد ماده میشود. جسم انبساط شونده را منبسط (Expanded) میگویند.

قانون انبساط و انقباض در فزیک عبارت است از کوچک و یا بزرگ شدن حجم و ابعاد مواد در اثر حرارت، به این ترتیب که ماده در اثر گرفتن حرارت بزرگتر و در اثر از دست دادن حرارت کوچکتر میشوند. میزان تغییر در حجم ماده یکسان نیست و به نوع ماده بستگی خواهد داشت.

انقباض و منبسط شدن یک ماده به ویژگی های مالیکولی و اتمی آن بستگی دارد

انواع انبساط

انبساط حرارتی (Thermal expansion)

بزرگ شدن شکل، حجم و مساحت ماده  توسط حرارت را انبساط حرارتی می نامند. در مایعات و جامدات قوه جذب بین اتم ها و مالیکول های شان وجود دارند که این قوه باعث می شوند که اتم ها و مالیکول ها در کنار هم دیگر قرار بگیرند. تغییر شرایط محیطی مانند افزایش درجه حرارت  باعث برهم  خوردن این تعادل و افزایش فاصله بین اتم ها میشوند. عکس العمل مواد مختلف در مقابل درجه حرارت با یکدیگر متفاوت است، بنابر آن برای هر ماده یک ضریب انبساط حرارتی تعریف شده است.

ضریب انبساط : عبارت از نسبت تغییرات طول یا حجم بر واحد درجه حرارت را نشان میدهد.

• انبساط خطی یا طولی (Leaner or Longitudinal Expansion) تغییرات طول در مقایسه با طول اصلی.
• انبساط حجمی یا مکعبی (volumetric or Cubic Expansion) تغییرات حجم نسبت به حجم اولیه.
• انبساط سطحی (Surface Expansion) تغییرات مساحت نسبت به مساحت اصلی.

انقباض در جامدات (Contraction in Solid): انقباض در جامدات را توسط مثال واضح میسازیم مثلا؛ یک گیلاس شیشه ای خیلی داغ را زیر آب سرد قرار میدهیم، گیلاس ترک میخورد و میشکند، دلیل آن این است که سطح بیرونی گیلاس در تماس مستقیم با آب سرد نسبت به سطح داخلی آن بیشتر منقبض شده و منجر به شکستن گیلاس میشود.

انبساط در جامدات (Expansion in solid): مواد جامد تمایل دارند که شکل خود را با افزایش درجه حرارت حفظ کند بنأ با افزایش درجه حرارت تغییر بسیار اندکی در حجم و شکل مواد جامد به وجود می آید،‌ در نتیجه انبساط حجمی و سطحی در این حالت مواد جزيی است.

انبساط در مواد جامد به شکل طولی است اما مایعات تمایل دارند که شکل ظرف حاوی شان را حفظ کنند، بنابر این ضریب انبساط حرارتی حجمی در مایعات توصیف میشود.

تصویر ذیل نشان دهنده عملیه انبساط در حالت جامد مواد می باشد

تصاویر ذیل عملیه های انقباض و انبساط در یک گلوله فلزی را نشان می دهد. طوریکه در شکل (الف) گلوله فلزی در حالت منقبض شده قرار داشته و از حلقه فلزی عبور نموده اما در شکل (ب) همین گلوله بعد از انبساط از عین حلقه عبور نمی کند.

در این ویدیو عملیه های انبساط و انقباض در جامدات با استفاده از یک فعالیت عملی ساده، نشان داده شده است.

انقباض در مایعات: با یک تجربه ساده دیگر می توان انقباض در مایعات را مشاهده کرد. مقدار آبی که در یک ظرف میباشد با سرد شدن آب میتوان آن را در داخل ظرف کوچکتری انتقال داد زیرا آب منقبض شده و حجم کمتری را اشغال میکند. مایعات نسبت به جامدات بیشتر منقبض می شود.

انبساط در مایعات: در مایعات میزان انبساط حرارتی بیشتر از جامدات است، علت این امر در ضعیف بودن قوه جذب بین مالیکول های مایعات میباشد،‌ بنابر آن مالیکول های مایعات با سرعت بیشتری در حال حرکت می باشند. مایعات شکل مشخصی ندارند در هر ظرف که انداخته شود شکل همان ظرف را میگیرند. که این خواص باعث عدم اهمیت انبساط خطی و سطحی در مایعات می شود. وابسته بودن به درجه حرارت برای انبساط حرارتی جامدات، به استثنای حرارت های پایین،‌ کم بوده ولی انبساط مایعات با سرعت های مختلف در درجه حرارت های مختلف متفاوت است.

برای درک بهتر موضوع انقباض و انبساط در مایعات فعالیت عملی اجرا شده در ویدیو ذیل را بیننده باشید.

انبساط و انقباض در گازات: انبساط و انقباض در گازات به تغییرات حجم گاز تحت تاثیر تغییرات درجه حرارت و فشار اشاره دارد. این پدیده‌ها بر اساس قوانین ترمودینامیکی و معادلات حالت گازها قابل توضیح و پیش‌بینی هستند.

در این ویدیو عملیه های انبساط و انقباض در هوا نشان داده شده است.