تئوری

اگر در منزل خود در آهنی داشته باشیم، ملاحظه می‌‌کنیم که در زمستان که هوا سرد می‌‌شود، در به راحتی بسته نمی‌‌شود و یا اگر به ریلهای راه آهن نگاه کنیم، ملاحظه می‌‌کنیم که به صورت یکپارچه ساخته نشده است. همه این موارد حاکی از آن است که برخی فلزات در اثر تغییر دما دچار انقباض یا انبساط می‌‌شود.

به عنوان مثال ، اگر یک میله فلزی را مورد توجه قرار دهیم، متوجه می‌شویم که این میله هنگام گرم شدن ازدیاد طول و هنگام سرمای شدید ، کاهش طول پیدا می‌‌کند. بر این اساس در مورد هر فلزی یک ضریب انبساط طولی تعریف می‌‌شود. این ضریب مقدار افزایش طول فلز را به ازای افزایش دما به اندازه واحد بیان می‌‌کند.

وسایل لازم

• یک پایه اصلی که روی دو ریل به فاصله 50 سانتیمتری از یکدیگر قرار دارند و یک صفحه مدرج در یک طرف آن نصب شده است.
  
  
• دو یاتاقان (یا محور) که یکی از آنها آزاد بوده و عقربه‌ای به آن متصل است که می‌‌تواند روی صفحه مدرج حرکت نماید و دومی ‌به گیره‌ای بسته شده است که در وسط آن سوراخی در حدود قطر لوله‌های فلزی مورد آزمایش نصب شده است. سر متصل به عقربه لوله توسط گیره دیگری که دارای یک سوراخ برای قرار دادن سر لوله و یک پنجره در جهت دیگر ، برای طرز قرار گرفتن آن بوده و به سطح تحتانی آن کاغذ سمباده چسبیده شده ، محکم می‌‌گردد. این گیره به هنگام آزمایش روی یاتاقان آزاد قرار می‌‌گیرد.
  
  
• در دو سر لوله مورد آزمایش دو شیار دایره‌ای به فاصله 50 سانتیمتر از هم تعبیه شده است که به هنگام آزمایش بایستی این شیارها زیر پیچ متصل به گیره‌ها قرار گیرند.
  
  
• یک بالون که تا نیمه از آب در حال جوش (آب بالون توسط یک چراغ گازسوز گرم می‌‌شود) پر شده و بوسیله یک لوله پلاستیکی به درون لوله‌های فلزی هدایت می‌‌گردد و به این ترتیب گرمای لازم برای گرم شدن فلزات را تامین می‌‌کند.

شرح آزمایش

ابتدا چراغ گازسوز زیر بالن را روشن می‌‌کنیم. سپس لوله مورد آزمایش را نصب می‌‌کنیم به گونه‌ای که یک سر لوله در سوراخ گیره پنجره‌دار طوری قرار داده می‌‌شود که شیار لوله زیر نوک پیچ قرار گیرد و پیچ در این حال روی شیار محکم گردد. بدین ترتیب یک سر لوله ثابت می‌‌شود. سپس سطح پائینی گیره را که به آن کاغذ سمباده چسبانده شده است، طوری روی یاتاقان عقربه‌دار قرار می‌‌دهیم که شیار لوله تقریبا بر محور یاتاقان منطبق گردد. بدین ترتیب این سر لوله به همراه گیره برای حرکت آزاد خواهد بود.

سر دیگر لوله را به داخل گیره دومی ‌فرو برده و پیچ مربوطه را محکم می‌‌کنیم که البته در این وضع نوک پیچ روی شیار لوله خواهد افتاد. در این حال عقربه روی محور را با دست روی نقطه صفر صفحه مدرج تنظیم می‌‌کنیم. وقتی که بخار آب حاصل شد، سر لوله پلاستیکی بخار آب را به انتهای لوله فلزی می‌‌بندیم. در این حال بخار از درون لوله عبور کرده و آن را گرم می‌‌کند. از آنجا که لوله فلزی از یک طرف (طرف متصل به لوله پلاستیکی) کاملا درگیر و ثابت بوده و در طرف دیگر آزاد است، لذا انتظار داریم که در اثر انبساط این سر لوله با گیره خود حرکت کند. اما وجود نیروی مالش زیاد بین سطح تحتانی گیره و محور زیر آن سبب می‌‌شود که به جای گیره ، محور مزبور و به همراه آن عقربه دوران کند.

اندازه قوسی که این محور می‌‌زند، درست برابر با انبساط طولی لوله است. کار گرم کردن را تا جائی ادامه می‌‌دهیم که عقربه روی صفحه مدرج متوقف گردد. اگر شعاع یا طول عقربه را برابر 100 میلیمتر و فاصله هر دو نقطه مدرج روی صفحه را 2 میلیمتر فرض کنیم، مقدار قوسی که عقربه روی صفحه مدرج می‌‌زند، 50 برابر Δl (مقدار انبساط لوله) خواهد بود. لذا برای تعیین مقدار انبساط (Δl) کافی است که عدد خوانده شده روی صفحه مدرج را بر عدد 50 تقسیم کنیم تا مقدار Δl برحسب میلیمتر حاصل شود.

حال اگر درجه آزمایشگاه را با Δt (درجه بخار آزمایشگاه که با استفاده از ترمومترهایی که داخل بالن در حال جوش و روی دیوار آزمایشگاه قرار دارد، معلوم می‌‌گردد.) فرض کنیم و λ ضریب انبساط طولی و l طول لوله باشد، در این صورت از رابطه مقدار ضریب انبساط طولی مشخص می‌‌گردد. چون ضریب انبساط طولی عددی فوق‌العاده کوچک است، لذا عدد حاصل را می‌‌توان به شکل توانهای منفی از ده نوشت.

مباحث مرتبط با عنوان

• ترمومتر
• دما
• ضریب انبساط طولی
• فلز