Hvorfor udvides faste stoffer og sammentrækkes med ændringer i temperatur?

Det molekylære billede:

* varme og molekylær bevægelse: Temperaturen er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi af molekylerne i et stof. Når du opvarmer et fast stof, øger du den kinetiske energi fra dens molekyler. Dette betyder, at molekylerne vibrerer mere kraftigt og bevæger sig længere fra hinanden.

* Intermolekylære kræfter: Molekyler i et fast stof holdes sammen af ​​stærke intermolekylære kræfter (som ioniske bindinger, kovalente bindinger eller metalliske bindinger). Disse kræfter modstår ekspansionen forårsaget af øget molekylær bevægelse, men de kan ikke helt forhindre den.

* udvidelse: Når molekylerne vibrerer mere kraftigt, skubber de mod hinanden og øger den gennemsnitlige afstand mellem dem. Denne øgede afstand fører til en samlet udvidelse af det faste stof.

* sammentrækning: Omvendt, når du afkøler et fast stof, reducerer du den kinetiske energi fra dens molekyler. Dette reducerer vibrationen og giver de intermolekylære kræfter mulighed for at trække molekylerne tættere sammen, hvilket resulterer i sammentrækning.

Nøglepunkter:

* Termisk ekspansionskoefficient: I hvilken grad en solid udvides eller kontrakter med temperaturændringer varierer afhængigt af materialet. Dette kvantificeres ved dens termiske ekspansionskoefficient. Nogle materialer (som stål) udvides mere end andre (som glas) til den samme temperaturændring.

* Praktiske applikationer: Den termiske udvidelse af faste stoffer har mange praktiske anvendelser:

* broer og bygninger: Udvidelsesfuger er indarbejdet i broer og bygninger for at imødekomme ændringerne i længde på grund af temperatursvingninger, hvilket forhindrer skade.

* termometre: Væsker udvides mere end faste stoffer. Dette er grunden til, at væske-i-glas-termometre fungerer.

* bimetalliske strimler: Disse strimler er lavet af to metaller med forskellige termiske ekspansionskoefficienter. Når de opvarmes, bøjer strimlen sig på grund af de forskellige ekspansionshastigheder, der danner grundlaget for termostater og andre enheder.

I det væsentlige er ekspansionen og sammentrækningen af ​​faste stoffer med temperaturændringer en direkte konsekvens af samspillet mellem den øgede molekylære bevægelse forårsaget af varme og de modstående kræfter af intermolekylære bindinger.