Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

В случае жидкостей и твердых тел изменение в объеме в зависимости от температуры весьма невелико и фактически неразличимо глазом. Таким образом, стальной прут длиной в один метр при нагревании его от температуры таяния льда до температуры кипения воды увеличится в длине на один миллиметр, то есть на одну тысячную часть. Так как расширяющийся прут обладает объемом, то другие измерения также увеличатся на одну тысячную часть, и если стальной прут обладает круглым сечением с радиусом в один сантиметр, то этот радиус увеличится на одну сотую миллиметра.

Несмотря на то что такие изменения крайне невелики, не следует недооценивать их значительность. Длинные металлические прогоны типа тех, что используют в мостах, или длинные рельсы типа тех, что используют на железнодорожных путях, расширятся и согнутся под горячим летним солнцем, если жестко закрепить оба их конца. Чтобы избежать этого, между сопряженными деталями оставляют небольшое свободное пространство, куда они могли бы расшириться. Даже незначительное изменение в длине маятника часов слегка изменит его период, поскольку этот период зависит от его длины. Ошибка в измерении времени, которая этим вызвана, является совокупной и создает необходимость периодической корректировки часов летом, несмотря на то что при более холодных температурах они показывают точное время.

При одном и том же изменении температуры разные материалы расширяются по-разному. Сплав железа и никеля (в соотношении от 5 до 3), например, расширяется только на одну десятую того, что показали бы железо или сталь. По этой причине такой сплав весьма полезен, чтобы делать из него измерительные ленты, прутки стандартной длины и так далее. Поскольку его длина более постоянная, чем таковая у большинства металлов, торговое название для этого сплава — инвар [59] От английского слова, означающего «неизменяемый». (Примеч. пер.) .

Стекло расширяется в зависимости от температуры почти в той же степени, что сталь. Если стеклянный сосуд подвергнуть значительному температурному воздействию, одна часть этого сосуда будет расширяться (или сокращаться), в то время как другая часть, на которую температура еще не воздействует, останется в прежнем состоянии. По абсолютному значению, это расширение или сокращение будет весьма невелико, но его будет достаточно для того, чтобы создать внутреннее напряжение, которому силы сцепления стекла не способны противостоять, поэтому стекло треснет.

Одним из путей решения этой проблемы является использование относительно тонкого стекла, чтобы при нагревании одной части сосуда другая часть также нагревалась достаточно быстро [60] Для того чтобы нагреть все стекло, требуется значительное время. поскольку оно обладает очень низкой теплопроводностью. . Более удачный путь состоит в том, чтобы использовать борсодержащее стекло, обычно известное под торговым названием «пирекс», который при том же изменении температуры изменит свой объем только на треть от того, насколько изменяется обычное стекло. Поэтому пирексное стекло гораздо более устойчиво к изменениям температуры; они вызывают в нем гораздо меньшие внутренние напряжения. Таким образом, не требуется приносить в жертву температурной стабильности ни его толщину, ни механическую прочность. Кварц обладает еще меньшей тенденцией к изменению своего объема в зависимости от температуры (меньшей даже, чем у инвара), а потому еще более пригоден для этой цели. Кварцевый сосуд можно нагреть «докрасна», затем погрузить в ледяную воду, и он выйдет из этого испытания неповрежденным.

Однако, несмотря на поразительные эффекты, которые вызывает это небольшое изменение объема, они остаются ничтожными по фактическому размеру. Чтобы использовать их для измерения температуры, нужно каким-то образом их усилить, в противном случае для измерения температур они становятся непригодными. К счастью, для усиления небольших объемных расширений существуют достаточно простые методы.

Один метод состоит в том, чтобы спаять вместе ленты из двух различных металлов, например железную и медную. При данном изменении температуры изменение в объеме (и поэтому в длине) медной ленты составит величину почти в два раза большую, чем у железной ленты того же размера. Если две металлические ленты не спаять вместе, медь расширится под влиянием увеличения температуры и выскользнет из-под железа, которое расширится крайне незначительно, и станет гораздо длиннее, хотя изначально обе полоски были равной величины. Если же вместо нагрева мы применим охлаждение, то опять же, сократившись, медная полоска станет короче железной, несмотря на то что изначально они были равной длины; медь сильно уменьшается с охлаждением, а железо — на весьма ничтожную величину; таким образом, медная полоска проскользнет под железную.