Γιατί τα αντικείμενα διαστέλλονται όταν θερμαίνονται και συστέλλονται όταν ψύχονται

Η διαστολή με τη θερμότητα και η συστολή με το κρύο είναι μια βασική ιδιότητα των αντικειμένων, δηλαδή, ο όγκος ενός αντικειμένου θα διαστέλλεται όταν θερμαίνεται και ο όγκος του θα συρρικνώνεται όταν ψύχεται. Τα περισσότερα αντικείμενα στον κόσμο έχουν αυτήν την ιδιότητα.

Η ύλη αποτελείται από άτομα και τα άτομα κινούνται συνεχώς, και η ταχύτητα της κίνησης θα αλλάζει με τη θερμοκρασία, που είναι ο θεμελιώδης λόγος για τα αντικείμενα να διαστέλλονται με τη θερμότητα και να συστέλλονται με το κρύο. Για ένα στερεό, η βασική του μονάδα είναι ένα πλέγμα σωματιδίων (άτομα ή ιόντα), τα οποία δονούνται γύρω από τις θέσεις ισορροπίας τους στο πλέγμα. Αυτό το είδος δόνησης δεν είναι μια απλή αρμονική δόνηση με συμμετρία αριστερά-δεξιά, αλλά μια αναρμονική δόνηση.

Όταν το στερεό θερμαίνεται, η δόνηση του σωματιδίου εντείνεται και λόγω της ύπαρξης αναρμονικού φαινομένου, η θέση ισορροπίας του σωματιδίου θα μετακινηθεί, με αποτέλεσμα την αύξηση της μέσης απόστασης μεταξύ γειτονικών σωματιδίων, οπότε ο όγκος του στερεού γίνεται μεγαλύτερος. Αντίθετα, όταν η θερμοκρασία μειώνεται, η μέση απόσταση μεταξύ των σωματιδίων μειώνεται λόγω της εξασθένησης της δόνησης των σωματιδίων και ο όγκος του στερεού γίνεται μικρότερος.

Συχνά βλέπουμε τη συρρίκνωση των στερεών. Για παράδειγμα, ο μεταλλικός σίδηρος έχει το χαρακτηριστικό της θερμικής διαστολής και συστολής, επομένως πρέπει να κρατάμε ένα συγκεκριμένο κενό κατά την τοποθέτηση σιδηροτροχιών για να μην πιέζονται και να παραμορφώνονται οι ράγες λόγω θερμικής διαστολής και επιμήκυνσης όταν αυξάνεται η θερμοκρασία. Ομοίως, το τσιμέντο που στρώνεται στο δρόμο θα διαστέλλεται με τη ζέστη και θα συστέλλεται με το κρύο, οπότε θα διαπιστώσουμε ότι θα υπάρχει κενό σε κάθε διάστημα στο δρόμο.

Τα υγρά διαστέλλονται επίσης με τη θερμότητα και συστέλλονται με το κρύο. Για παράδειγμα, τα θερμόμετρα που χρησιμοποιούνται συνήθως χρησιμοποιούν τις ιδιότητες θερμικής διαστολής και συστολής του υγρού υδραργύρου (ή αλκοόλης). Η διαστολή αερίου με τη θερμότητα και η συστολή με το κρύο μπορεί επίσης να δει παντού. Εάν πατηθεί κατά λάθος η μπάλα του πινγκ πονγκ και ξεφουσκώσει, απλώς βάλτε την σε βραστό νερό και το ξεφουσκωμένο μέρος θα διογκωθεί, υποδεικνύοντας ότι ο αέρας στην μπάλα του πινγκ πονγκ γίνεται μεγαλύτερος μετά τη θέρμανση.

Ωστόσο, η θερμική διαστολή και συστολή του αερίου μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε ένα χώρο του οποίου ο όγκος μπορεί να αλλάξει (όπως το αέριο σε ένα μπαλόνι), επειδή εάν το αέριο απελευθερωθεί σε ένα σταθερό χώρο, θα γεμίσει ολόκληρο το χώρο, τότε εάν Αν αυξήσουμε τη θερμοκρασία, το μέγεθος αυτού του χώρου δεν θα αλλάξει, αλλά η πίεση του αερίου θα αυξηθεί.