სითბური გაფართოება. წყლის ანომალია.

ჩვენ უკვე გავეცანით ატომის აღნაგობას და გავარკვიეთ, რომ მას დისკრეტული აგებულება აქვს. ვიცით, რომ ატომები დადებითად დამუხტული ბირთვისგან და მის გარშემო მოძრავი უარყოფითად დამუხტული ელექტრონებისგან შედგება. წინა სტატიებში ამ საკითხის შესწავლისას გამოვიყენეთ ცნობილი ექსპერიმენტი, რომლის მიხედვით ფოლადის ბურთულა გათბობისას ისე გაფართოვდა, რომ რგოლში აღარ გავიდა (სურ. 1).

სურ. 1.

სხეულების გათბობით მათი მოცულობის გაზრდის მოვლენას სითბურო გაფართოება ეწოდება. შევეცადოთ სხეულების შემადგენელი ნაწილაკების მოძრაობის და ურთიერთქმედების გათვალისწინებით ავხსნათ ეს მოვლენა. დიფუზიის შესწავლისას ავღნიშნეთ, რომ ტემპერატურის გაზრდით დიფუზიის სიჩქარე იზრდება. ეს კი ავხსენით მოლეკულების და ატომების მოძრაობის სიჩქარის ზრდით. ნაწილაკების მოძრაობის სიჩქარის გაზრდა ხელს უწყობს ნივთიერებათა ერთმანეთში შერევის მოვლენის ინტენსიურობის ზრდას, ანუ დიფუზიის ინტენსიურობას. სითბური გაფართოების მოვლენაც ამ მექანიზმით ხომ არ აიხსნება? სწორედ ასეა.

თავდაპირველად განვიხილოთ მყარი ნივთიერების შემთხვევა. როგორც უკვე ვიცით, მყარი ნივთიერებების  შემადგენელი ნაწილაკებს (მოლეკულები და ატომები) შორის მცირე მანძილია. ისინი ურთიერთქმედების (მიზიდვა-განზიდვის) გამო ერთმანეთს არ შორდებიან – განთავსებულნი არიან რაღაც კონკრეტულ „დისლოკაციის“ ადგილზე და ირხევიან. მათთვის ეს მდგომარეობა წონასწორობას წარმოადგენს და აქ  თავს „მშვენივრად“ გრძნობენ. სხვანაირად, მყარ ნივთიერებებს კრისტალური მესერი გააჩნია. სწორედ ამ მესრის კვანძწერტილებში არიან მოთავსებულნი ატომები. სურათის უკეთ წარმოსადგენად განვიხილოთ კრისტალური მესრის მოდელი – ზამბარებით ერთმანეთთან დაკავშირებულ ბურთულები. მოლეკულების და ატომების ურთიერთქმედების შესწავლისას ავღნიშნეთ, რომ ატომების (ბურთულების) ერთმანეთისგან დაშორებით გააქტიურდება მიზიდვის ძალა, ხოლო ბურთულების მიახლოვებით კი  – განზიდვის ძალა. ამდენად, ეს მოდელი კარგად ასახავს მყარ სხეულებში  ნაწილაკების განლაგების მექანიზმს (სურ. 2).

სურ. 2.

სხეულის ტემპერატურის გაზრდით ადგილი აქვს ნაწილაკების (ბურთულების) სიჩქარის გაზრდას, რაც თავის მხრივ გამოიწვევს მთლიანი სისტემის – კრისტალური მესრის რხევას. ეს აიხსნება იმით, რომ ნაწილაკების რხევის სიჩქარის გაზრდა, ზამბარის დრეკადობის (ურთიერთქმედების) გამო  გააქტიურებს ნაწილაკების რხევით მოძრაობას, ისინი მეტი მანძილით დაშორდებიან წონასწორობის მდგომარეობას და შესაბამისად, ერთმანეთს. ესეიგი სხეულის გათბობისას ნაწილაკებს შორის მანძილი გაიზრდება. ეს კი ნიშნავს იმას, რომ სხეულის მოცულობა გაიზრდება (სურ. 3).

სურ. 3.

ცდებით დასტურდება, რომ გათბობისას სითხეებიც ფართოვდება.  (სურ. 4).

სურ. 4.

სითხის მოლეკულები, მყარ სხეულის მოლეკულებთან შედარებით, ერთმანეთისგან შორს იმყოფებიან. მათ შორის მანძილი, როგორც ცნობილია, მოლეკულების ზომების რიგისაა. ამიტომ მათ შორის ურთიერთქმედების ხარისხი მყარ სხეულთან შედარებით დაბალია, მიზიდვა-განზიდვა გაცილებით სუსტია, ამიტომ სითხის გათბობისას ნაწილაკები შედარებით უფრო თავისუფლად ტოვებენ „დისლოკაციის“ ადგილს, ვიდრე მყარ სხეულში. თუმცა ეს „თავისუფლება“ მაინც ნივთიერების გვაროვნებაზეა დამოკიდებული. საბოლოოდ კი აქაც, სითხის შემთხვევაშიც, გათბობისას, ნაწილაკები მეტი სიჩქარით იწყებენ მოძრაობას, იზრდება დაჯახებების რიცხვი და  აღმოჩნდება, რომ თბილი სითხის ნაწილაკებს „არსებობისთვის“ მეტი სივრცე ჭირდება, ვიდრე ცივი სითხის ნაწილაკებს. ეს კი ნიშნავს, რომ სითხის მოცულობა გათბობისას იზრდება, ანუ სითხე ფართოვდება.

სწორედ სითბური გაფართოების მოვლენა უდევს საფუძვლად სითხიანი თერმომეტრების მოქმედებას (სურ. 5.)

სურ. 5.

სითბური გაფართობების მოვლენა ახასიათებს აირებსაც. თვისობრივი განსხვავება სითხის და აირის სითბურ გაფართოვებას შორის არ არსებობს. ანუ აირის სითბური გაფართოვების მექანიზმიც ისეთივეა, როგორიც სითხეში. განსხვავება არის მხოლოდ ის, რომ აირის ატომები ერთმანეთისგან შორს იმყოფებიან, მათ შორის მანძილი დიდია და ურთიერთქმედება –  სუსტი. შესაბამისად, გამთბარი აირის  ნაწილაკების სიჩქარე დიდია და მათი გადაადგილების „მასშტაბი“, სითხის ნაწილაკებთან შედარებით, დიდია. ამიტომ აირი გათბობისას, სითხესთან შედარებით,  მეტად ფართოვდება (სურ. 6).

 

 

ნახ. 6

სურ. 6 .

ამრიგად, ტემპერატურის გაზრდით სხეულის მოცულობა იზრდება, ხოლო ტემპერატურის შემცირებთ, მისი მოცულობა მცირდება. აქედან გამომდინარეობს, რომ ნივთიერებების თხევადიდად მყარ მდგომარეობაში გადასვლისას მოცულობა უნდა მცირდებოდეს. ეს უმეტეს შემთხვევაში  მართლაც ასეა, თუმცა არსებობს გამონაკლისი შემთხვევებიც, მაგალითად ყველამ ვიცით, რომ მინის წყლიანი თავდახურული ბოთლი საყინულეში არ უნდა შევდგათ, რადგან ის აუცილებლად გასკდება. ამის მიზეზი კი თურმე ის არის, რომ წყლის მოცულობა გაყინვისას იზრდება. ეს მოვლენა წყლის ანომალიის სახელწოდებით არის ცნობილი.

განვიხილოთ ეს მოვლენა უფრო დაწვრილებით. წყალი, მაგალითად, 20⁰C-დან 4⁰C-მდე გაციებისას, ჩვეულებისამებრ იკუმშება. 4⁰C-დან 0⁰C – მდე კი საპირისპიროდ იქცევა – ფართოვდება. შემდეგ, კიდევ უფრო გაციებისას, 0⁰C-დან ქვემოთ, მაგალითად, -5⁰C-მდე, ისევ იკუმშება. გათბობისასაც იგივე ხდება. მაგალითად, როგორც წესი, – 10⁰C-დან 0⁰C-მდე გათბობისას ფართოვდება, მაგრამ 0⁰C-დან 4⁰C-მდე, გაფართოვების ნაცვლად, იკუმშება. 4⁰C-ის ზემოთ გათბობისას ისევ ფართოვდება. ანუ კრიტიკული ტემპერატურული შუალედი არის სწორედ 0⁰C-დან 4 ⁰C -მდე. აქ წყალი ზოგადი კანონზომიერების საპირისპიროდ იქცევა.

ნახ. 7-ზე მოცემულია როგორ იცვლება 1კგ წლის მოცულობა ტემპერატურის 0⁰C-დან 10⁰C-მდე გათბობისას. ნახაზიდან ჩანს, რომ გრაფიკი 0⁰C-დან 4⁰C-მდე ჯერ დაბლა ეშვება, ანუ მოცულობა ამ დროს მცირდება, ხოლო 4⁰C-დან ზემოთ ტემპერატურის გაზრდისას, გრაფიკის შტო მიიწევს მაღლა, ანუ მოცულობა შესაბამისად, იზრდება.

ნახ. 7.

წყალი გამონაკლისის არ არის. ამგვარი ანომალია ახასიათებს გალიუმს, თუჯს, ბისმუტს.

წყლის ანომალიას განსაკუთრებული მნიშვნელობა აქვს წყლის ბინადართათვის. ამ საკითხს შემდეგ სტატიებში უფრო დაწვრილებით შევეხებით.

ამრიგად, ტემპერატურის გაზრდით ყველაზე მეტად აირები ფართოვდება, შემდეგ სითხეები და მყარი სხეულები, რასაკვირველია იმ მცირე გამონაკლისების გარდა, რაზეც უკვე ვისაუბრეთ.

ნივთიერებათა სითბური გაფართოების თავისებურებების გათვალისწინება ძალზედ მნიშვნელოვანია სამშენებლო საქმიანობაში, ასევე სხვადასხვა დანადგარის, ხელსაწყოს და მანქანის კონსტრუირებისას.

 

ლიტერატურა

 

  1. გიორგი გედენიძე, ეთერ ლაზარაშვილი. ფიზიკა VIII კლასი. 2012 წ;
  2. ქეთევან ტატიშვილი. ფიზიკა VIII კლასი. 2012 წ;
  3. ილუსტრაციები აღებულია ვებ-გვერდებიდან:

https://www.shutterstock.com/image-vector/diagram-balloon-showing-thermal-expansion-cold-1189928704

https://www.nextgurukul.in/wiki/concept/karnataka/class-8/physics/part-2-heat/anomalous-expansion-of-water/3958740

 

კომენტარები

comments