بلاك فرايدي من جو اكاديمي الفصل الثاني ب 50 دينار والاول مجانا, مادتين فصل ثاني ب 70دينار, وال3 مواد فصل تاني ب 100 دينار

درس الدرس الثالث : التمدد الحراري

•• التمدد الحراري للمواد الصلبة والسائلة والغازية

Thermal Expansion of Solids, Liquids and Gases

تفسير التمدد الحراري للمواد 

وفقًا لنموذج الحركة الجزيئية  تتحرك جُسيمات المواد الصلبة والسائلة حركة اهتزازية مستمرة ، إضافة لوجود حركة انتقالية لجُسيمات السائل، فتتابعد بعضها قليلًا وتتمدد. ويكون التمدد الحراري للمواد السائلة أكبر منه للمواد الصلبة . أما الغازات التي تكون أصلًا المسافات بين جُسيماتها كبيرة؛ فيكون تمددها هو الأكبر.


• التمدد الحراري الطولي

لظاهرة التمدد الحراري دور مهم في العديد من التطبيقات الهندسية ؛ إذ يحرص المهندسون على ترك فراغات أو وضع فاصل تمدد حراري في المباني والطرق الخرسانية ومسارات السكك الحديدية والجسور وغيرها ... للسماح لها بالتمدد والتقلص بحرية عند تغير درجة الحرارة ، من دون أن يؤدي إلى تلفها أو انهيارها . 
الشكل: يسمح فاصل التمدد (الفراغ أو المادة اللينة) في الجسرلمادة الجسر وسطح الطريق بالتمدد في الأيام الشديدة الحرارة ، والتقلص في الأيام شديدة البرودة بحرية من دون تقوّس الجسر أو انهياره أو تشققه.


الشكل : يُملأ فاصل التمدد الرأسي بين قطع الطوب في البناء بمادة لينة (مرنة) تسمح للطوب بالتمدد أو التقلص بتغير درجة حرارته.  


تُسمى الزيادة في طول سلك فلزي رفيع عند رفع درجة حرارته التمدد الطولي Thermal linear expansion .

تُظهر التجارب أن الغير في طول ساق أو سلك فلزي رفيع يتناسب طرديًا مع التغير في درجة حرارته ، كما يتناسب التمدد الطولي للساق أو السلك الرفيع طرديًا مع طوله ؛ فتمدد ساق فلزية من الحديد طولها4m) ) يساوي أربعة أضعاف مقدار تمدد ساق مماثلة طولها  ( 1 m)  عند رفع درجة حرارتيهما بالمقدار نفسه.
فإذا كان لدي سلك طوله   عند درجة حرارة  ، وأصبح طوله   عند درجة حرارة   ؛ فإنني أستخدم المعادلة الآتية لحساب الزيادة في طول الجسم عند تمدده أو النقصان في طوله عند تقلصه :
 

أما ألفا a   فتمثل معامل التمدد الطولي لمادة السلك. وهو يختلف من مادة إلى أخرى، ووحدة قياسه   أو 


من المادة عند رفع درجة حرارتها بمقدار 1C (1m(  ويُعرف بأنه يساوي مقدار الزيادة في طول 

ـ يوضح الجدول التالي معاملات التمدد الطولي لمواد مختلفة عند درجة حرارة الغرفة . ويلاحظ من الجدول أن مقدار معامل التمدد الطولي للفلزات يكون أكبر من مقداره للمواد الأخرى.

الشكل: معاملات التمدد الطولي لمواد مختلفة عند درجة حرارة الغرفة.



• تطبيقات على التمدد الطولي

من الجدول أعلاه تلاحظ أن معامل التمدد الطولي يختلف من مادة إلى أخرى ؛ إذ تتمدد الأطوال المتساوية من هذه المواد وتتقلص بمقادير مختلفة للتغير نفسه في درجة الحرارة.. 
ولهذا الاختلاف في معاملات التمدد إيجابيات وسلبيات . فمثلًا ، يجب على المهندسين مراعاة الاختلاف في معاملات تمدد المواد عند تصميمهم الجسور والمباني والسكك الحديدية وغيرها ..  فمثلًا ، في الأسمنت المُسلح تُستخدم قضبان من الحديد مع الخرسانة (الأسمنت والحصى وغيرها) من أجل تقويتها ؛ لذا يجب أن يكون لهما معامل التمدد نفسه ، وإلا تصدّع البناء عند تعرضه بشكل مستمر لارتفاع درجة حرارته وانخفاضها بتغير درجة حرارة الجو.

ـ من التطبيقات المهمة للاختلاف في معاملات تمدد المواد صناعة الشريط الثنائي الفلزّ Bimetalic strip  الذي يُستخدم في منظم الحرارة Thermostat . يتكون الشريط الثنائي الفلزّ من شريطين فلزّيين مختلفين ، لهما الطول نفسه ومُثبتين معًا ، يكون عادة من الحديد والنحاس ، وعند تسخين الشريط يتمدد النحاس بمقدار أكبر من تمدد الحديد بسبب الاختلاف في معامل التمدد الحراري الطولي للفلزّين ، وبما أن الشريطين مثبتان معًا ؛ فإنّ الشريط الثنائي الفلزّ ينحني نحو الحديد ، بحيث يكون النحاس على السطح الخارجي للشريط.

الشكل: شريط ثنائي الفلزّ، من الحديد والنحاس بدرجة حرارة الغرفة. 

الشكل: ينحني الشريط نحو الحديد عند تسخينه. 


ـ يحافظ منظم الحرارة على ثبات درجة حرارة الغرفة أو الجهاز الكهربائي المستخدم فيه ، يوضح الشكل التالي منظم حرارة يستخدم شريطًا ثنائي الفلز في دائرة التسخين الكهربائي لمكواة كهربائية . فعندما تصل درجة الحرارة عنصر التسخين إلى الدرجة المطلوبة ، ينحني الشريط بعيدًا عن نقطة التوصيل الكهربائي . وعندما يبرد الشريط الثنائي الفلز فإنه يعود إلى وضعه الابتدائي (مستقيمًا) فيلامس نقطة التوصيل الكهربائي ويُغلق الدائرة الكهربائية ، وتعمل المكواة مرة أخرى.

الشكل : يُستخدم الشريط الثنائي الفلزّ في مُنظم الحرارة في المكواة الكهربائية.