Soojuspaisumine

Gaaside soojuspaisumist on lihtne kontrollida. Selleks on vaja klaaspudel keerata suuga allapoole ja panna pudeli suu vette. Kui nüüd peopesadega pudelit soojendada, hakkab õhk pudelis paisuma ja sealt mullidena läbi vee väljuma. Kui soojendamine lõpetada, tungib veidi vett pudelisse, sest jahtumisel tõmbub õhk kokku.

Klaaspudelit saab kasutada ka vee soojuspaisumise vaatlemiseks. Seda katset tuleb teha aga eriti hoolikalt ja olla tähelepanelik, sest vee ruumala muutub küllaltki vähe. Teeme katse vedeliku jahtumise kohta. Selleks valame pudeli ääreni täis kuuma vett. Vee jahtumisel on veetaseme langus pudelis märgatav.

Tasub teada, et vesi on oma soojuspaisumiselt erandlik. Alates temperatuurist 0 °C kuni temperatuurini 4 °C tõmbub vesi kokku, seejärel aga hakkab temperatuuri tõusmisel paisuma. Kuna antud massi korral vee ruumala muutub, siis sõltub vee tihedus temperatuurist. Vesi on kõige tihedam temperatuuril 4 °C, sest külm vesi säilitab mõnel määral jääle omase kristallilise struktuuri.

Vee tihedus on suurim temperatuuril 4 °C. Tiheduse ühik on 1 kg/m³.

Tahke keha soojuspaisumist saab vaadelda järgmise katsega, mida on kujutatud alloleval joonisel.

Katseseade tahke keha soojus­paisumise vaatlemiseks

Katse korraldamiseks on vaja suurt ja väikest õmblusnõela. Seejärel on tarvis valmistada lauatükist ja kahest puuklotsist joonisel kujutatud alus. Nüüd tuleb läbi suure õmblusnõela silma panna väike nõel, suruda suure nõela teravik vastu klotsi ja torgata väike nõel läbi suure nõela silma klotsi külge kinni. Seejuures peab väike nõel olema tihedalt vastu suure nõela silma teravikupoolset nurka. Kui nüüd suurt nõela kuumutada, paisub see, pikeneb veidi ja lükkab väikese nõela kaldu.

Tahkete kehade ja vedelike soojuspaisumisel esineb seaduspärasus: keha ruumala muut on võrdeline keha temperatuuri muuduga. Tahke keha korral on enamasti oluline tema teatud mõõtme, näiteks pikkuse muutumine temperatuuri muutumisel. Sel juhul väljendatakse soojus­paisumist iseloomustav seaduspärasus järgmiselt: keha pikenemine on võrdeline keha temperatuuri muuduga.

Tahked kehad võivad pikenemist takistavatele kehadele avaldada suurt rõhku.

Näiteks terasvarda soojendamisel 50 °C võrra võib varras avaldada rõhku kuni 1 · 10⁸ Pa. See on 1000 korda suurem kui atmosfäärirõhk. Varras ristlõikepindalaga 1 cm² avaldab pikenemist takistavatele kehadele jõudu 10 000 N. Võrdluseks võib öelda, et 1000-kilogrammise (ühetonnise) massiga koormise tõstmisel tuleb rakendada jõudu 9800 N. Need arvud on praktiliselt võrdsed.

Klaasanum võib puruneda, kui sellesse valada kuuma vett. Kuuma vee tõttu soojenev koht paisub ja avaldab seetõttu anuma jahedamale osale suurt rõhku. Kuna klaas on rabe, siis anum purunebki. On aga eriline klaasiliik – kvartsklaas, mis ei purune ka tulikuuma vee mõjul, sest kvarts paisub soojenemisel väga vähe. Metall­anumad kuumutamisel ei purune, sest metallid pole rabedad ja on hea soojusjuhtivusega.

Soojuspaisumise seaduspärasustega tuleb arvestada ehitiste juures ja masinate valmistamisel.

Sildade ehitamisel asetatakse silla otsad rullidele ja silla ning teetammi vahele jäetakse paisumispilu. Paisumispilud jäeti omal ajal ka raudteerööbaste vahele. Nüüd neid enamasti ei jäeta. Rööpad kinnitatakse tugevalt raudbetoonliipritele ja nende otsad keevitatakse kokku. Suvisel päikesepaistel satuvad need küll tugeva mehaanilise surve ja talvel külmaga tõmbe alla, kuid tugev kinnitus ei lase neil paigalt nihkuda ega kõverduda. Sellisel teel sõidab rong sujuvalt ja praktiliselt müravabalt.

Raudbetoon koosneb betoonist, mida on tugevdatud teras­varrastega. Temperatuuri muutumisel ei purune raudbetoon just seetõttu, et betoon ja teras paisuvad temperatuuri muutudes ühepalju.

Tavalises elektripirnis (hõõglambis) on elektrivoolu juhtimiseks pandud läbi klaaskesta kaks traati. Voolu sisselülitamisel soojenevad pirni klaasballoon ja traadid. Et pirn ei puruneks, peavad klaas ja traat paisuma soojenemisel täpselt ühepalju.

Selle tagamiseks valmistatakse need traadid volframist. Volframtraat ja klaas paisuvad soojenemisel võrdselt.

Ainete soojuspaisumise nähtust kasutatakse ka termomeetrites, mida me vaatame järgmises punktis.