در این مطلب میخواهیم به بررسی آزمایش انبساط مایعات بپردازیم. پس با ما همراه شوید.
جالب است بدانید همواره دو پدیده مهم در فیزیک وجود دارد که با از دست دادن گرما اتفاق می افتد، به این دو پدیده انبساط و انقباض گفته می شود. ما در زندگی روزمره خود با بسیاری از مثال های انبساط و انقباض روبرو هستیم که در حال رخ دادن هستند. وقتی ماده ای در پاسخ به تغییرات دما میل به تغییر شکل، مساحت، حجم و چگالی خود پیدا می کند، بدون آنکه تغییر فازی اتفاق بیفتد انبساط رخ داده است.
این مورد در صورتی است که با گرم شدن ماده مولکول های تشکیل دهنده آن با ایجاد حرکت و ارتعاش بیشتر، با فاصله بیشتری نسبت به هم قرار می گیرند که در نتیجه ماده بزرگتر شده و دچار انبساط خواهد شد.
لازم به ذکر است، موادی نیز به صورت استثنا وجود دارند که با افزایش دما به جای اینکه دچار انبساط شوند منقبض می شوند که این تغییرات در محدوده دمایی خیلی محدودی در این مواد اتفاق می افتد. همچنین ضریب انبساط حرارتی از تقسیم انبساط نسبی به نام تنش بر تغییر دما به دست می آید. وقتی انرژی ذرات بالا می رود حرکت آنها با سرعت بیشتری انجام شده و در نتیجه نیروهای بین مولکولی ضعیف و کوچکتر خواهند شد که در نتیجه باعث بزرگتر شدن ماده و منبسط شدن آنها می شود.
همچنین پاسخ مواد در مقابل کاهش دما که به صورت کوچک شدن اندازه ی آن هاست، انقباض حرارتی نامیده می شود که یک تغییر فیزیکی ساده است. با کاهش دما، انرژی گرمایی اتم ها از دست رفته و ارتعاش و نوسان آن ها کمتر می شود. در نتیجه حرکت اتم ها خیلی کند و نزدیک به هم می شود. پس با انقباض حرارتی، مساحت و حجم مواد کم می شود و این اتفاق بر عکس چیزی است که در انبساط حرارتی رخ می دهد.
می توان گفت انبساط و انقباض دو پدیده ای هستند که بر عکس هم رفتار می کنند. در ادامه برای درک بیشتر این مطلب ما به بررسی آزمایش انبساط مایعات خواهیم پرداخت و مراحل انجام این آزمایش را نیز توضیح خواهیم داد. پس با ما همراه شوید.
حتما آزمایش انرژی گرمای دست را مطاله کنید.
مواد مورد نیاز برای آزمایش انبساط مایعات
- میله و پایه فلزی، گیره نگهدارنده با شاخک گیره
- لوله آزمایش
- پتاسیم پرمنگنات
- آب
- نحوه انجام انبساط مایعات
در ابتدا نیاز است که بدانید در صورت نداشتن میله، می توانید از یک پایه ی فلزی و گیره ی نگهدارنده با شاخک گیره استفاده نمایید. همچنین اگر درپوش سوراخ دار و لوله شیشه ای ندارید نیز می توانید در پوش چوب پنبه ای را سوراخ کرده، و به جای میله شیشه ای از نی صاف پلاستیکی یا میله خودکار استفاده کنید.
مراحل انجام کار آزمایش انبساط مایعات
1- برای آزمایش انبساط مایعات وسایل را به هم متصل کنید.
2- در ادامه مقداری از پتاسیم پرمنگنات را درون آب ریخته تا ارغوانی شود و به آسانی در سطح آب دیده شود.
3- حالا داخل لوله آزمایش را پر از آب رنگی کرده و درپوش را محکم بر دهانه آن قرار می دهیم و به تمام قسمت های لوله گرما انتقال می دهیم.
4- در هنگام آزمایش انبساط مایعات ابتدا مشاهده می کنیم لوله بر اثر حرارت گرم شده و منبسط می شود. با ادامه حرارت دادن آب درون لوله آزمایش گرم شده و منبسط می شود. چرا که انبساط مایعات از جامدات بیشتر است و آب از لوله شیشه ای بالا می رود.
پرسش :
- بعد از گرم کردن لوله آزمایش، ارتفاع آب درون لوله چه تغییری میکند؟ چرا؟
- وقتی آب درون لوله آزمایش را گرم میکنیم، ارتفاع آب درون لوله چه تغییری میکند؟ چرا؟
پاسخ :
- کمتر میشود. چون براثر گرما ابتدا لوله آزمایش گرم و منبسط میشود و سطح آب درون لوله شیشهای کمی پایین میآید.
- بیشتر می شود. چون بر اثر گرما حجم آب افزایش مییابد و انبساط حجمی مایعات بیشتر از جامدات است.
کاربرد انبساط مایعات
دقت کنید آزمایش انبساط مایعات برای مطالعه خواص انبساطی به کار برده می شود که بیشتر تحت شرایط مختلف دما و فشار استفاده می شود. شما با انجام این آزمایش قادر خواهید بود تا درک بهتری از خواص فیزیکی و حرارتی به دست آورید تا بتوانید از آنها در زمینه های مختلف استفاده کنید. از کاربردهای مهم آزمایش انبساط مایعات می توان به موارد زیر اشاره نمود:
1-بهبود فرآیندهای صنعتی که از مایعات استفاده می کنند، مانند صنایع شیمیایی و پتروشیمی
2-کنترل و اندازه گیری حجم و فشار مایعات در دستگاه ها و تجهیزات مختلف
3-تحقیقات در زمینه سیالات، مهندسی و مکانیک سیالات
4-طراحی و بهبود سیستم های خنک کننده در صنایع مختلف مانند صنایع خودرو و صنایع الکتریکی
نکات ایمنی در هنگام انجام آزمایش انبساط مایعات
همچنین رعایت نکات ایمنی در هنگام انجام آزمایش انبساط مایعات امری بسیار ضروری و حیاطی است. برخی از این نکات شامل موارد زیر می باشد:
1- آموزش و آشنایی با روش های انجام آزمایش در مواقع اضطراری
2- نیاز است که دقت بیشتری در اندازه گیری دما و فشار و استفاده از تجهیزات اندازه گیری داشته باشید.
3- درهنگام انجام آزمایش انبساط مایعات از لیوان ها و وسایل مخصوص برای نگهداری و انتقال مواد شیمیایی استفاده کنید.
4- ابتدا از تهویه مناسب در محیط آزمایشگاه و ایجاد فضای ایمن برای انجام آزمایش اطمینان خاطر داشته باشید.
5- بهتر است قبل از انجام آزمایش آشنایی کاملی با روش انجام آزمایش و استفاده از مواد شیمیایی مورد استفاده داشته باشید.
6- در آخر توصیه می کنیم که تجهیزات حفاظتی مانند دستکش و عینک را فراموش نکنید.
نتیجه گیری
با انجام آزمایش انبساط مواد به این نتیجه می رسیم که این آزمایش بیانگر افزایش حجم مایعات بر اثر گرما است، به این معنی که گرما حجم مواد را تغییر می دهد که به این پدیده قانون انبساط و انقباض گفته می شود. چرا که تقریبا همه مواد در اثر گرما بزرگتر و بر اثر سرما کوچکتر می شوند. همچنین وقتی جسمی در اثر گرما جای بیشتری را اشغال نماید و بزرگتر شود می گوییم منبسط شده است و هنگامی که جسم در اثر سرما فضای کمتری را اشغال کند می گوییم منقبض شده است.
بطور مثال اگر بادکنکی را به دهانه یک بطری شیشه ای خالی ببندیم و بطری را درون ظرف آب داغ قرار دهیم بادکنک باد میشود. حال باید علت این پدیده را انبساط هوای درون بادکنک بر اثر گرما بدانیم. در صورتی که اگر بطری را درون مخلوط آب و یخ بگذاریم بادکنک دوباره چروکیده میشود. البته میزان تغییر حجم مواد (انبساط و انقباض) یکسان نمی باشد، بلکه به نوع ماده بستگی دارد. در ادامه سوالی که ممکن است در هنگام انجام آزمایش برای شما پیش بیاید این است که چرا گرما سبب انبساط می شود؟
همانطور که میدانید مواد از ذره های ریزی به نام اتم یا مولکول تشکیل شده اند که بر اساس نظریه ملکولی وقتی دمای ماده ای بالا می رود جنبش مولکولی آن زیادتر می شود و وقتی دما کاهش پیدا می کند جنبش مولکولی آن نیز کمتر می شود. حال با افزایش جنبش مولکول ها برخورد مولکول ها بیشتر شده و در نتیجه از هم دور می شوند که با دور شدن مولکول ها از هم فضاهای خالی بین آنها بیشتر می شود بنابراین حجم ماده بیشتر می شود.
