ميكانيكا الموائع

معامل التمدد الحجمي

بصورة عامة، تعتمد كثافة المائع على درجة الحرارة أكثر من اعتمادها على الضغط، ويعد تغير الكثافة مع درجة الحرارة مسؤولًا عن العديد من الظواهر الطبيعية كالرياح، والتيارات المحيطية، وارتفاع عمود الدخان في المداخن، ومبدأ عمل مناطيد الهواء الساخنة، وانتقال الحرارة عن طريق الحمل الحراري الطبيعي، وحتى صعود الهواء الساخن إلى الأعلى. وحتى يتم تحديد مقدار تأثير تغير الحرارة على الموائع، كانت الحاجة لإيجاد خاصية تمثل اختلاف كثافة المائع مع درجة الحرارة عند ثبات الضغط. والخاصية التي توفر هذه المعلومة هي معامل تمدد الحجم Coefficient Of Volume Expansion أو ما يعرف بخاصية توسع الحجم Volume Expansivity.

التمدد الحراري Thermal expansion:

تتغير حجوم المواد مع التغير في درجات الحرارة فيما يعرف بالتمدد الحراري Thermal Expansion، وتكون العلاقة بين التمدد ودرجة الحرارة علاقة طردية؛ لذلك كل ما ازدادت حرارة مادة ما ازداد حجمها، في المقابل العلاقة بين كثافة المادة ودرجة الحرارة هي علاقة عكسية، حيث تقل الكثافة كلما ازدادت الحرارة، وكمثال على ذلك، يرتفع  الهواء عندما يتم تسخينه للأعلى وذلك بسبب انخفاض الكثافة الخاصة به، وهذا ما يحدث في الموائع جميعها حيث أن المواد التي لديها كثافة أقل دائمًا ما ترتفع فوق المواد التي لديها كثافة أعلى، أمّا المواد الصلبة فيتمدد حجمها عند ازدياد الحرارة. ومن الجدير بالذكر، أن التمدد الحراري يعتمد على نوع المادة، إذ يختلف معامل تمدد الحجم باختلاف نوعها، فعلى سبيل المثال عند تعريض ميزان الحرارة الكحولي للحرارة؛ فإن الكحول يتمدد بداخله بشكل أكبر بكثير من تمدد الزجاج الذي يحتوي على الكحول.

إقرأ أيضا:الصمّامات؛ تصنيفها وأنواعها

معامل تمدد الحجم Coefficient of volume expansion:

يرمز لمعامل تمدد الحجم بالرمز بيتا ‘β’، وهو يعبر عن مقدار التغير في الحجم لكل وحدة حجم عند تغيّر درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة، والوحدة المستخدمة في التعبير عن معامل تمدد الحجم في نظام الوحدات العالمي هي 1/ºC  أو  1/K وذلك لأن ارتفاع درجة واحدة من كلاهما يعبر عنه بنفس القيمة.

من العلاقة أعلاه، يمكن استنتاج أنه كلما كانت قيمة ‘β’ كبيرة فإن ذلك يعني أن التغير في الحجم والكثافة يكون أكبر، حيث يزداد التغير في الحجم مع ازدياد قيمة المعامل وتقل كثافته بنفس الوقت. والعلاقة أدناه تمثل معامل تمدد الحجم عند التعبير عنه بمتغيرات محدودة:

إقرأ أيضا:الصمّامات؛ تصنيفها وأنواعها

الشكل أدناه يوضح التغيير الذي يحدث عند ارتفاع درجة الحرارة درجة واحدة لكلا المائعين واختلاف مقدار زيادة الحجم للموائع المختلفة ذات معامل التمدد الحجمي المختلف: 

من المهم حساب معامل التمدد الحجمي لمعرفة مقدار التغير في الحجم الذي سيحصل عند تغيير درجات الحرارة، وذلك للأخذ بعين الاعتبار أحجام الخزانات والمساحة التي يجب تركها في حال تخزين مائع ذو معامل تمدد كبير، وكذلك الأمر بالنسبة للمفاعلات وغيرها من المعدات التي يكون فيها تغيير كبير بالحرارة.  

إقرأ أيضا:الصمّامات؛ تصنيفها وأنواعها

شذوذ الماء Anomalous Expansion of Water:

جميع الموائع بشكل عام يزداد حجمها وتقل كثافتها مع ارتفاع درجات الحرارة، وكذلك الماء في درجات الحرارة الأعلى من 4 درجات مئوية، أما في درجات الحرارة بين (0 – 4) درجات مئوية فيزداد حجم الماء وتقل كثافته عند انخفاض درجات الحرارة وهو ما يعرف بشذوذ الماء Anomalous Expansion of Water، وهذا ما يتم ملاحظته في حالات البرودة عند الدرجات ما بين 0 حتى 4 درجات مئوية أو في الأقطاب الجنوبية والشمالية فإن الطبقة المتجمدة من الماء ترتفع إلى الأعلى لأن كثافتها تكون أقل من الماء السائل، وتوفر الطبقة العليا منها عازلًا من درجات الحرارة الباردة، فتبقى الحياة البحرية تحت الماء قائمة.

ومن الأمثلة على التمدد الحراري ومعامل تغير الحجم؛ المناطيد التي ترتفع عن طريق اختلاف الكثافة بين الهواء الساخن بداخلها والهواء البارد خارجها. وأيضًا تبريد الغرفة عن طريق مكيفات الهواء المعلقة أعلى الغرفة، والتي تقوم بتبريد الهواء في الأعلى وبالتالي تزداد كثافته فيهبط للأسفل ليرتفع فوقه الهواء ذو الحرارة الأعلى وتستمر هذه العملية حتى تتساوى الحرارة في جميع أنحاء الغرفة.

اعداد المحتوى :سارة البرغوثي
التدقيق العلمي : م. حمزة العمايرة
التدقيق اللغوي: م. ماجدة الشريقي
تصميم ورفع المقال: م. انس سلمان 

 

المراجع

[1] Cengel, Yunus, and John Cimbala. n.d. "FLUID MECHANICS fundamentals and applications." 44,46,47,99.

[2] Thermal Expansion of Solids and Liquids. https://courses.lumenlearning.com/physics/chapter/13-2-thermal-expansion-of-solids-and-liquids/.
السابق
الكيميائي والمهندس الكيميائي: الفروقات ومجالات العمل
التالي
القانون الصّفري في الديناميكا الحرارية

اترك تعليقاً