التمدد الحراري للمواد الصلبة - كتاب الفيزياء - الصف 12 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

التمدد الحراري للمواد الصلبة Thermal Expansion of Solidsمن الإجراءات المعتادة عند تصميم الجسور الخرسانية والفولاذية على الطرق السريعة، أن يترك المهندسون فجوات صغيرة (فواصل)، تسمى وصلات التمدد بين أجزاء الجسور، وذلك للسماح بتمدد أجزاء الجسر في أيام الصيف الحارة. تتمدد الأجسام بمقدار يسير فقط عندما تتعرض للتسخين، ولكن هذا المقدار اليسير قد يكون عدة سنتيمترات في حالة جسر طوله 100m ، وإذا أغفلت فجوات التمدد هذه في التصميم فقد يتقوس الجسر أو تتحطم أجزاؤه. وقد تحطم درجات الحرارة العالية كذلك مسارات السكك الحديدية التي تُغفل فيها وصلات التمدد، انظر الشكل 20-1. وتصمم بعض المواد - ومنها زجاج الأفران التي تستخدم في الطبخ في التجارب المختبرية لتتمدد بأقل ما يمكن. وتصنع مرايا التلسكوبات الكبيرة من مادة السيراميك، والتي تصمم لتعمل دون تمدد حراري يذكر.ولكي تفهم تمدد المواد الصلبة السخنة، تصور المواد الصلبة مجموعة من الجزيئات المتصلة معًا من خلال نوابض، حيث تمثل النوابض قوى التجاذب بين الجزيئات؛ فعندما تصبح الجزيئات قريبة جدًا بعضها من بعض فإن النابض يدفعها بعيدًا. وعندما تسخن المادة الصلبة تزداد الطاقة الحركية لجزيئاتها وتبدأ في الاهتزاز السريع، وتتحرك متباعدة بعضها عن بعض، مما يُضعف قوى التجاذب بين الجزيئات فتهتز باضطراب أكثر من السابق؛ بسبب زيادة درجة الحرارة، ويزداد متوسط التباعد بين الجزيئات، فتتمدد المادة الصلبة.يتناسب التغير في طول المادة الصلبة طرديًا مع التغير في درجة حرارتها، كما هو موضح في الشكل 21-1. فإذا ازدادت درجة حرارة جسم صلب بمقدار 20 °C فإن تمدده يساوي ضعف تمدده عندما تكون الزيادة في درجات حرارته بمقدار 10 °C. ويتناسب التمدد أيضًا طرديًا مع طول الجسم؛ لذا يتمدد قضيب طوله 2m ضعف تمدد قضيب طوله 1m عند التغير نفسه في درجة الحرارة. ويمكن إيجاد الطول الجديد L₂ للمادة الصلبة عند درجة حرارة T₂ باستخدام المعادلة الآتية، حيث L₁ الطول عند درجة الحرارة T₁؛ أما ألفا α،فمعامل التمدد الطولي للمادة.L₂ = L₁ + α L₁ (T₂ - T₁)2025 - 1447--- VISUAL CONTEXT --- **FIGURE**: الشكل 20-1 لقد تسببت درجات الحرارة العالية أيام الصيف الحارة في تقوس مسارات سكة الحديد. Description: A photograph showing a railway track that has buckled and curved significantly due to high temperatures, illustrating the phenomenon of thermal expansion in solid materials. The track is set in a natural, forested environment. Context: This figure visually demonstrates the practical consequences of thermal expansion, specifically how high temperatures can cause railway tracks to deform if expansion joints are not properly accounted for in their design. It supports the textual explanation of thermal expansion in solids.