72036

1. Wstęp

Rozszerzalność cieplna (rozszerzalność termiczna) jest jedną z podstawowych właściwości fizycznych ciał stałych, ciekłych i gazowych, mającą duże znaczenie praktyczne, zarówno pozytywne jak i negatywne. Właściwość ta polega na zwiększaniu się objętości ciał w miarę wzrostu ich temperatury, gdy zachowane jest stałe ciśnienie. Rozszerzalność objętościową ciał stałych najczęściej się upraszcza sprowadzając problem do kontroli zmian ich długości i z tego powodu tym ciałom przypisywana jest zazwyczaj rozszerzalność liniowa jako wskaźnik rozszerzalności cieplnej. Należy zauważyć, że ta sama cecha związana jest także ze skurczem ciał w przypadku obniżania ich temperatury (również przy stałym ciśnieniu), ponieważ zjawisko rozszerzalności termicznej jest odwracalne. Zmiany objętości ciał wskutek zmiany temperatury mają znaczenie przy funkcjonowaniu wielu urządzeń. Przykładami mogą być balony sportowe na rozgrzane powietrze wznoszące się dzięki rozszerzalności tego gazu lub termometry cieczowe wykorzystujące zależność objętości cieczy od temperatury. Przykłady związane z rozszerzalnością ciał stałych zostaną podane oddzielnie, gdyż problem ten stanowi przedmiot niniejszego opracowania.

1.1. Siły międzyatomowe w ciałach stałych

Przez oddziaływania międzyatomowe należy rozumieć wiązania pojawiające się między atomami lub molekułami. Wiązanie jest efektem równowagi między siłami przyciągającymi i odpychającymi, jakie działają między atomami. Wiązania znajduje się w stanie równowagi, gdy obie siły się kompensują, tzn. są jednakowe pod względem wielkości, lecz mają przeciwny znak. Oddalanie atomów od siebie względem ich położenia równowagowego generuje siły przyciągające, natomiast, gdy są do siebie zbliżane pojawiają się siły odpychające. Oczywiście przy większych odległościach między atomami żadnych oddziaływań między nimi się nie obserwuje. Siły oddziaływujące na sąsiadujące ze sobą atomy przedstawia schematycznie Rysunek 1. Z rysunku można odczytać, że gdy atomy zbliżają się one do siebie siła odpychająca je gwałtownie wzrasta nie posiadając wartości maksymalnej. Natomiast w przypadku oddalania atomów od siebie, po przekroczeniu odległości odpowiadającej maksymalnej sile przyciągania wartość tej siły maleje do zera. Oznacza to, że różny jest charakter oddziaływań odpychających i przyciągających, poza oczywistą różnicą w znaku sił powodujących te oddziaływania.

Pochodzenie sił odpychających jest takie samo dla wszystkich typów wiązań atomowych: działanie tych sił jest efektem elektrostatycznego odpychania się jąder atomowych, gdy są one słabiej ekranowane przez elektrony, co ma miejsce w przypadku zbliżania atomów do siebie.

Działanie sił przyciągających jest uzależnione od rodzaju wiązania atomowego:

• w przypadku wiązań jonowych - przyciąganie elektrostatyczne jonów o różnych znakach; są to oddziaływania dalekiego zasięgu,

2