Genleşme ve Büzülme nedir ?

Bir cismin hacminin sıcaklıkla birlikte artmasına genleşme, azalmasına da büzülme denir.

Hemen hemen bütün maddeler ısındığı zaman genleşir, soğuduğu zaman büzülür. Ama sıcaklığa bağlı bu hacim değişikliği gazlarda en yüksek, sıvılarda daha az, katılarda ise en düşük düzeydedir. Üstelik bütün gazların genleşme miktarı aşağı yukarı aynı olduğu halde sıvılarda ve katılarda maddeye göre değişir. Örneğin 1 metre uzunluğundaki bir demir çubuk 100°C'ye kadar ısıtıldığında uzunluğu 1 mm kadar artarken, aynı sıcaklıkta bir pirinç çubuk bunun yaklaşık iki katı uzar.


Sıvılar arasında da genleşmesi çok yüksek olan alkol cıvadan hemen hemen yedi kat fazla genleşir. Bazı metallerin genleşme özelliğinden eskiden beri değişik uygulamalarda yararlanılır. Örneğin at arabalarının tahta tekerleklerine aşınmayı önlemek üzere demir çember geçirilmesi demirin genleşme özelliğine dayanır. Tekerleğin çevresinden daha küçük yapılan demir çember soğukken yerine oturtulamaz. Ama ısıtılarak genleştirildikten sonra zorlanarak tekerleğin çevresine yerleştirilir ve soğuyunca büzülerek tahta tekerleği sıkıca kavrar. Tren vagonlarının tekerleklerine takılan çelik çemberler de aynı yöntemle yerine yerleştirilir. Buzdolaplarında, elektrikli ütülerde ve kalorifer, şofben gibi ısıtma aygıtlarında sıcaklığı ayarlamak için kullanılan termostatların çalışma ilkesi de genellikle metallerin genleşme farklılıklarına dayanır. Termostatta, biri az, öbürü çok genleşen iki ayrı metalin yan yana kaynaklanmasıyla yapılmış çift metalli bir çubuk vardır. Bu çubuk, sıcaklık istenen dereceye geldiği anda elektrik devresini keser, sıcaklık düşünce yeniden devreyi tamamlar.


Termometrelerde ve evlerdeki ısıtma düzeneklerinde de sıvıların genleşme özelliğinden yararlanılır.

Genleşme, genişleme anlamından gelir. Sıcaklığı artırılan bir cismin uzunluk ya da hacminin değişmesi olayıdır.
Katıları, sıvıları ya da gazları oluşturan tanecikler, ortalama konumları çevresinde sürekli çalkalanma halindedirler. Bu cisimlerden birine ısı biçiminde enerji verilirse, bu enerji kinetik enerji ye dönüşür; dolayısıyla, kinetik enerjisi artan tanecikler daha şiddetle çalkalanır ve daha geniş alana yayılmaya çalışırlar; yani sıcaklığı yükselen cisim (katı, sıvı, gaz) aynı zamanda genleşir. Sıcak bir cisim ışınını başka bir maddeye gönderirse o maddenin kapladığı alan (hacmi) genişler ve yayılır.

Dışarıdan ısı alan maddenin taneciklerinin kinetik enerjisi, dolayısıyla taneciklerin titreşim hızı artar. Tanecikler birbirinden uzaklaşmaya başlar. Bu olaya genleşme adı verilir. Tersine olarak madde dışarıya ısı verdiğinde (madde soğutulduğunda) maddenin taneciklerinin kinetik enerjilerinin azalmasına neden olur. Buna da büzülme denir.

Maddelerin genleşmesi ya da tersine büzülmesi sırasında büyük kuvvetlerin ortaya çıkması, tren raylarında, köprü gibi yapılarda hasarlara neden olmaktadır. Bu yüzden tren raylarının eklenti yerlerinde boşluklar bırakılır, köprüler demir makaralar üzerine oturtulur. Çevremizdeki bu tür yapıları gözlemleyerek genleşme ile ilgili bir çok örnekler bulabiliriz. En çok genleşen madde ise metaldir.

1-) Metallerde Genleşme​

a) Boyca genleşme​

Bir metal çubuğun önceki ilk boyu, olsun. Bu metal boyu uzayarak son boyu l0 olur.
Boyca uzama miktarı (Δl);

ΔL =l-l0 = l0.λ.Δt

bağıntısıyla bulunur. Burada,

l0: Metalin ilk boyu 900000 cm'dir.

Bu;

Δt = tson-tilk

Metalin ısıtılmadan önceki sıcaklığı ile ısıtıldıktan sonraki sıcaklığının farkıdır.

b) Yüzeyce genişleme​

Bir metal levhanın ısıtılmadan önceki ilk yüzeyi S0 olsun. Bu metal levhayı ısıttığımızda, yüzey artarak son yüzeyi

ΔS = S-S0=S0.2 λ.Δt

bağıntısıyla hesap edilir. Burada;

S0: Metalin ilk yüzü.
2λ: Yüzeyce genleşme katsayısı (Boyca genleşmenin iki katıdır.)

Sıcaklık farkı;

Δt = tson-tilk

c) Hacimce genişleme​

Metal bir kürenin ısıtılmadan önceki ilk hacmi V1 olsun. Bu metal küreyi ısıttığımızda son hacmi V olur. Hacimce genleşme miktarı ΔV, bağıntısıyla hesap edilir.

Formül:

ΔV=V1.3λ.Δt

Burada;

V0: Metal kürenin ilk hacmi.
3λ: Hacimce genleşme katsayısı (Dikkat edilirse boyca genleşme katsayısının üç katıdır.)

Sıcaklık farkı;

Δt = tson-tilk

2. Sıvılarda genleşme​

Sıvıların ısıtılmadaki davranışlarını, katılarda olduğu gibi inceleyemeyiz. Çünkü, sıvıları katılar gibi şekillendirmek, örneğin boru haline getirmek imkânsızdır. Bu yüzden, sıvıların, bir kap içinde incelenmeleri gerekir. Ayırt edici bir özelliktir.

Sıvıların genleşmesinden sıvılı termometrelerde, sıcak su kazanlarında, termosifonlarda ve kalorifer sistemlerinde yararlanılır. Sıvıların genleşme miktarı aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır.

Bağıntıda ΔV sıvının hacimce genleşme miktarı, V sıvının ilk hacmi, a sıvının hacimce genleşme katsayısıdır.

3. Gazlarda genleşme​

Gazlarda genleşme her gazda aynıdır. Gazlar en çok genleşen maddelerdir.