Πώς βοηθά το ζεστό νερό στην αφαίρεση ενός μεταλλικού καπακιού από ένα γυάλινο βάζο;

Το ζεστό νερό βοηθά να αφαιρέσετε ένα μεταλλικό καπάκι από ένα γυάλινο βάζο προκαλώντας το μεταλλικό καπάκι να διαστέλλεται με ταχύτερο ρυθμό από το γυάλινο βάζο. Αυτό δημιουργεί ένα κενό μεταξύ του μεταλλικού καπακιού και του γυάλινου βάζου, το οποίο τελικά προκαλεί το άνοιγμα του καπακιού.

Το μεταλλικό καπάκι διαστέλλεται με ταχύτερο ρυθμό από το γυάλινο βάζο, το οποίο σχηματίζει ένα κενό μεταξύ του μεταλλικού καπακιού και του γυάλινου βάζου. Αυτό το κενό μεγαλώνει καθώς το μεταλλικό καπάκι διαστέλλεται, μέχρι να ανοίξει το καπάκι από το βάζο.

Χρησιμοποιήστε μια πετσέτα πιάτων. Χρησιμοποιήστε ένα μαχαίρι. Χτυπήστε το στον πάγκο. Χρησιμοποιήστε τα χέρια σας! Το Διαδίκτυο είναι γεμάτο συμβουλές για το πώς να ανοίξετε ένα επίμονο γυάλινο βάζο με μεταλλικό καπάκι. Ωστόσο, λίγη επιστήμη και λίγο ζεστό νερό μπορούν να σας γλιτώσουν από την προσπάθεια να κάνετε οτιδήποτε ιδιαίτερο. Το καπάκι μόλις ανοίγει. Voila!

Θερμική διαστολή είναι αυτό που συμβαίνει όταν περνάτε ένα βάζο κάτω από ζεστό νερό. Πώς όμως λειτουργεί η διαδικασία;

Θερμική επέκταση

Τα περισσότερα υλικά διαστέλλονται σε υψηλές θερμοκρασίες και συστέλλονται σε χαμηλές θερμοκρασίες. Το φαινόμενο με το οποίο τα υλικά διαστέλλονται όταν εκτίθενται στη θερμότητα είναι γνωστό ως θερμική διαστολή .

Μέσα στο υλικό

Όλα τα υλικά αποτελούνται από βασικά δομικά στοιχεία γνωστά ως άτομα. Εκατομμύρια άτομα αποτελούν ένα μόριο και ένα υλικό αποτελείται από πολλά τέτοια μόρια. Στα στερεά, αυτά τα μόρια είναι διατεταγμένα σε ένα συγκεκριμένο σχέδιο, γνωστό ως κρυσταλλική δομή. Συγκρατούνται σφιχτά μεταξύ τους μέσα στη δομή ως αποτέλεσμα ισχυρών ελκτικών δυνάμεων, γνωστών ως διαμοριακές δυνάμεις έλξης . Μέσα στην κρυσταλλική δομή, τα μόρια δονούνται συνεχώς μέσα στις σταθερές τους θέσεις.

Επίδραση της θέρμανσης

Η θερμότητα είναι η εσωτερική ενέργεια που μεταφέρεται από ένα σώμα σε υψηλή θερμοκρασία σε ένα σώμα σε χαμηλή θερμοκρασία. Αυτή η διαδικασία είναι επίσης γνωστή ως μεταφορά θερμικής ενέργειας . Όταν ένα υλικό θερμαίνεται ή λαμβάνει θερμότητα από μια πηγή όπως το ζεστό νερό, τα μόρια του υλικού απορροφούν αυτή τη θερμική ενέργεια.

Η θερμική ενέργεια κάνει στα μόρια ό,τι κάνει η καφεΐνη στους ανθρώπους – τους δίνει μια ενεργειακή ώθηση. Τα μόρια, που προηγουμένως απλώς δονούνταν γύρω από τις σταθερές τους θέσεις, τώρα θα αρχίσουν να αναπηδούν πάνω-κάτω με αυτή την πρόσθετη ενέργεια. Έτσι, κάθε μόριο καταλαμβάνει πλέον περισσότερο χώρο από ό,τι πριν για να φιλοξενήσει αυτές τις ενεργητικές δονήσεις, οι οποίες προκαλούν διαστολή του υλικού.

Επίδραση της κρυσταλλικής δομής

Τα μέταλλα έχουν οργανωμένη κρυσταλλική δομή, που σημαίνει ότι τα άτομα και τα μόρια στα μέταλλα καταλαμβάνουν συγκεκριμένες θέσεις. Επομένως, η θερμότητα κατανέμεται πιο ομοιόμορφα σε ολόκληρο το υλικό, επιτρέποντάς του να διαστέλλεται με ομοιόμορφο ρυθμό. Από την άλλη πλευρά, το γυαλί είναι εύθραυστο. Η κρυσταλλική δομή στο γυαλί αποτελείται από έναν αριθμό μικρών θυλάκων ατόμων και μορίων που διατάσσονται πολύ τυχαία. Αυτή η αποδιοργανωμένη διάταξη είναι γνωστή ως άμορφη δομή και λειτουργεί σαν τροχιά εμποδίου που εμποδίζει την ομοιόμορφη κατανομή της θερμικής ενέργειας σε όλο το υλικό.

Αριστερά:Μια διατεταγμένη κρυσταλλική δομή, Δεξιά:Μια διαταραγμένη άμορφη δομή
(Επεξεργασμένη εικόνα, αρχική πηγή:Cdang/Wikimedia Commons)

Μεταλλικό καπάκι εναντίον γυάλινο βάζο

Το μεταλλικό καπάκι και το γυάλινο βάζο απορροφούν διαφορετικές ποσότητες θερμικής ενέργειας και επομένως διαστέλλονται με διαφορετικούς ρυθμούς. Τα μέταλλα, ως καλοί αγωγοί της θερμότητας, μπορούν να απορροφούν τη θερμική ενέργεια από το ζεστό νερό πιο εύκολα. Το γυαλί, από την άλλη πλευρά, επειδή είναι κακός αγωγός της θερμότητας, δεν μπορεί επίσης να απορροφήσει τη θερμική ενέργεια. Φυσικά, το μεταλλικό καπάκι και το γυάλινο βάζο θα διαστέλλονται με διαφορετικούς ρυθμούς ως αποτέλεσμα.

Η μεταφορά θερμικής ενέργειας δεν συνεπάγεται απαραίτητα τη μεταφορά ύλης. Αν και καυτό νερό ρέει πάνω από το βάζο, ούτε το μεταλλικό καπάκι ούτε το γυάλινο βάζο απορροφούν καθόλου νερό. Απορροφούν μόνο τη θερμική ενέργεια που μεταφέρει το νερό μαζί του.

Το μεταλλικό καπάκι διαστέλλεται πιο γρήγορα από το γυάλινο βάζο (Πηγή εικόνας:Pixabay)

Η ποσότητα που υποδεικνύει την έκταση στην οποία ένα υλικό μπορεί να διαστέλλεται κατά τη θέρμανση είναι γνωστή ως συντελεστής θερμικής διαστολής . Το αλουμίνιο, το οποίο χρησιμοποιείται συνήθως για την κατασκευή καπακιών βάζων, έχει συντελεστή θερμικής διαστολής 23 × 10-6 ανά βαθμό Κελσίου. Αυτό σημαίνει ότι το αλουμίνιο διαστέλλεται κατά 0,000023 φορές τις αρχικές του διαστάσεις κάθε φορά που η θερμοκρασία αυξάνεται κατά ένα βαθμό Κελσίου! Αντίθετα, το γυαλί έχει συντελεστή θερμικής διαστολής μόνο 9 × 10-6 ανά βαθμό Κελσίου, που είναι πολύ χαμηλότερος από το αλουμίνιο.

Όπως ήταν αναμενόμενο, το μεταλλικό καπάκι διαστέλλεται με ταχύτερο ρυθμό από το γυάλινο βάζο, το οποίο σχηματίζει ένα κενό μεταξύ του μεταλλικού καπακιού και του γυάλινου βάζου. Αυτό το κενό μεγαλώνει καθώς το μεταλλικό καπάκι διαστέλλεται, μέχρι να ανοίξει το καπάκι από το βάζο.

Άλλα παραδείγματα θερμικής διαστολής

Ο Πύργος του Άιφελ είναι μια κλασική περίπτωση θερμικής διαστολής (Πηγή εικόνας:Pixabay)

• Ο Πύργος του Άιφελ είναι εξ ολοκλήρου κατασκευασμένος από σφυρήλατο σίδερο. Μπορεί να μην το γνωρίζετε, αλλά ο πύργος κερδίζει περίπου έξι ίντσες σε ύψος κάθε καλοκαίρι λόγω της θερμικής διαστολής του σιδήρου μέσα του!
• Όχι, το σπίτι σας δεν είναι στοιχειωμένο. Οι σωλήνες κάνουν μερικές φορές θορύβους που τρίζουν όταν κάνετε ένα ζεστό ντους, επειδή το ζεστό νερό κάνει τους σωλήνες να διαστέλλονται. Οι σωλήνες συστέλλονται μόλις κρυώσει το νερό, προκαλώντας αυτούς τους διακριτούς θορύβους.
• Τα σφραγίσματα δοντιών μπορεί συχνά να σας προκαλέσουν πονόδοντο. Όταν καταναλώνετε κάτι ζεστό, τα μεταλλικά σφραγίσματα διαστέλλονται με ρυθμό ταχύτερο από το σμάλτο των δοντιών, προκαλώντας ευαισθησία στα δόντια και πιθανή ενόχληση.