امثلة على الانكماش الحراري

حينما تُجمد غالبية المواد السائلة فهي تتعرض إلى الاتكماش الحراري، إذ أنه وحينما تتعرض السوائل لدرجات حرارة قليلة مُحددة فسريعًا ما يتم تحولها إلى الشكل الصلب، وبعض المواد السائلة عندما تكون في هذا الوضع فإن أعداد جزيئاتها تقل نتيجة تعرضهم إلى عملية تُعرف باسم عملية (الانكماش الحراري).

ومن الجدير بالذكر أنه حينما يتم تعرض المواد السائلة إلى انخفاض درجات الحرارة بحيث تكون الحرارة مُختلفة عن الحرارة الطبيعية، فعندما تتجمد يتم تحويلها نتيجة الانكماش الحراري.

تجميد الماء والانكماش الحراري

إن

الفرق بين التمدد الحراري والإنكماش الحراري

هي أن بعض المواد يحدث بها تمدد نتيجة ارتفاع درجة الحرارة، أما الانكماش الحراري هو أن هناك بعض المواد التي تنكمش نتيجة تعرضها للحرارة، كما أن غالبية السوائل يكون لها سلوك بسيط للغاية حينما يتم تبريدها عند ضغط ثابت إذ تنكمش العقود السائلة كما يتم تبريدها، ونتيجة لأن الجزيئات يكون تحركها بصورة أبطأ، فتصبح أقل قدرة من حيث التغلب على القوى الجاذبة بين الجزيئات والتي تقوم بتقريبها من بعضها، إلى أن تصل السوائل إلى درجة حرارة التجمد وتبدأ في التصلب مما يترتب عليه تقلصها أكثر إذ أن المواد الصلبة البلورية في الغالب ما تكون معبأة بإحكام.

في حين أن المياه واحدة من الاستثناءات القليلة لذلك النمط، فحينما يتم تبريد المياه السائلة، فإنها تتقلص كما يتوقع الجميع إلى أن تصل درجة الحرارة إلى ما يقرب من أربع درجات مئوية، وبعد هذا يتمدد بصورة طفيفة إلى أن يصل إلى مرحلة التجمد، وعندما يتجمد فإنه يتمدد بنسبة 9٪ تقريبًا.

ويرجع أصل ذلك النمط الغير طبيعي إلى بنية جزيء المياه، إذ يوجد ميل كبير إلى تكوين شبكة من الروابط الهيدروجينية، إذ تكون كل ذرة هيدروجين في خط بين ذرتين من الأكسجين، ويزيد ميل الترابط الهيدروجيني قوة مع خفض درجة الحرارة نظرًا لوجود  طاقة حرارية أقل لزعزعة الروابط الهيدروجينية من موضعها، ومن الجدير بالذكر أن هيكل الجليد يرتبط كليًا بالهيدروجين، وتلك الروابط تقوم بإجبار الهيكل البلوري على أن يكون مفتوحًا للغاية.


[1]

لماذا تنكمش بعض المواد بالحرارة

إن غالبية المواد تتمدد نتيجة تعرضها للحرارة، في حين أن البعض القليل منها ينكمش، وقد قام المهندسون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) باكتشاف كيف تعمل إحدى تلك المواد الغريبة، ومن الجدير بالذكر أن المواد التي لا يحدث بها تمدد نتيجة تعرضها للحرارة لا يكون مجرد شذوذ عن القاعدة، إذ إنها تُفيد في عدد كبير من التطبيقات مثل الآلات الميكانيكية كالساعات التي لا بد أن تكون دقيقة جدًا، ومن المُمكن للمواد التي تنكمش أن تمنع التمدد في المواد التقليدية، وهذا ما يساعد الأجهزة في أن تُحافظ على ثباتها حتى عند وجود الحرارة.

وقد قام أستاذ علوم المواد والفيزياء التطبيقية وأحد مؤلفي الورقة البحثية (برنت فولتز) بتوضيح أنه: “عندما تقوم بتسخين مادة صلبة، فإن معظم الحرارة تذهب إلى اهتزازات الذرات”، وبالمواد العادية ينتج عن تلك  الاهتزازات التباعد في الذرات وتمدد المادة، وعلى الرغم من ذلك فإن كمية قليلة من المواد المعروفة التي تنكمش تمتلك هياكل بلورية مُميزة تجعلها تنكمش حينما تسخن، وهي عملية تُعرف باسم (التمدد الحراري السلبي)، بينما أنه تبعًا لتعقيد تلك الهياكل البلورية لم يستطع العلماء أن يروا كيف يمكن للحرارة في صورة الاهتزازات الذرية أن ينتج عنها انكماش. [2]

مثال على الانكماش الحراري

حينما يتم الحديث عن نسبة الانكماش فإن ما يتم التحدث عنه هو حجم مادة ما قبل الانكماش وبعده، وعلى سبيل المثال يُمكن القول بأن نسبة الانكماش 2: 1، (فيتم القول “2 إلى 1”)، وذلك يدل على أن المادة تبدأ بحجمين أكبر مما يتقلص إليه، ونسبة الانكماش مصطلح يتم استخدامه كثيرًا عند الحديث عن منتجات أنابيب الانكماش الحراري والبرودة، وفي التالي توضيح لها كأحد الأمثلة على عملية الانكماش الحراري: [3]

أنابيب الانكماش الحراري

إن أنابيب الانكماش الحراري عبارة عن أنبوب قابل للانكماش ينكمش حجمه حينما يتعرض إلى الحرارة، وتحدث عملية إنتاج أنابيب الانكماش الحراري عن طريق القيام بخطوتين، وهي تكون متاحة في مجموعة كبيرة من المواد حتى تتناسب مع أي تطبيق تقريبًا، إذ أنها تشتمل على الكثير من التطبيقات النافعة، والمثال على هذا توفير العزل الكهربائي إلى الأسلاك والتوصيلات، المفاصل والمحطات الطرفية، فضلًا عن تجميع العناصر المُفككة مثل الأسلاك وتعمل كأغطية واقية.

• 
  الخطوة الأولى من عملية تصنيع الأنابيب:
  
  تكون عملية بثق قياسية، وفيها يتم اختيار مادة الأنابيب وفقًا إلى صفات المادة حتى تتناسب مع البيئة التي سوف يتم استخدام الأنبوب فيها في النهاية، وتُخلط المادة الرئيسية مع مواد أخرى يتم إضافتها مثل الملونات ومثبتات الأشعة فوق البنفسجية.
• 
  الخطوة الثانية من عملية تصنيع الأنابيب:
  
  والتي في الغالب ما تكون مملوكة لكافة مصانع الأنابيب، وفيها يتم استعمال الحرارة والقوة في توسيع قطر الأنبوب، وبعد القيام بتلك الخطوة يتم السماح للأنبوب بأن يبرد إلى أن يصل لدرجة حرارة الغرفة وهو في الحالة الموسعة، وحينما يتعرض الأنبوب المبرد لقدر كافي من الحرارة فإنه ينكمش إلى الحجم الأصلي بشرط ألا يُقيد من القيام بهذا.

وحينما يتم استخدامه على أنه غطاء واقي فإن الانكماش الحراري يوفر الحماية الكاملة من التآكل، الانقطاع، الخدوش، حالات الصدمات البسيطة، ومن المُمكن أن يُستخدم مع أي تصميم للموصل تقريبًا، كما يمكن كذلك أن يُستخدم الانكماش الحراري من أجل صنع أختام دخول الكابلات حتى يتم توفير الحماية من البيئة المحيطة.

وتسمح هذه الحماية باستخدام المكونات في المناطق التي يمكن أن تتعرض فيها للرطوبة والمواد الكيميائية وكذلك الغبار والجسيمات الدقيقة الأخرى.

وتتقلص أنابيب الانكماش الحراري عن طريق تسخين المادة في فرن أو باستخدام مسدس هواء ساخن محمول باليد، ومن الممكن أن تُستخدم طرق غيرها كإمساك مسدس اللحام بالقرب من الأنبوب أو باستخدام ولاعة يدوية، ولكن لا يوصى بتلك الطرق. [4]

أمثلة على المواد التي تنكمش بالحرارة

إن بعض المواد البيولوجية تشتمل على كمية كبيرة من المياه، وعند القيام بتسخينها فإن المياه تتبخر إلى أن تنكمش المواد حتى تمليء الفراغات التي تشغلها المياه، ومن الأمثلة على حدوث ذلك ما يلي: [5]

• 
  
  يحدث دائمًا عند طهي الطعام.
  
  
• 
  
  يظل الخشب يفقد المياه لوقت طويل بعد أن يُقطع إلى ألواح، وتقل أبعاد الألواح.
  
  
• 
  
  لا بد من تعليق الجلد إلى أن يجف قبل تقطيعه، وإلا سوف ينكمش.
  
  
• 
  
  تنكمش ألياف القطن، الصوف، خيوط النسيج الطبيعية الأخرى بصورة بسيطة بواسطة تجفيفها بدرجة حرارة الغرفة في الهواء.
  
  
• تنكمش بعض المواد البلاستيكية، إذ تُضاف مادة الملدنات إلى البلاستيك حتى تجعله مرنًا، ومع تبخير الملدنات يصبح البلاستيك صلبًا وينكمش.
• من الممكن أن يحتوي بعض الفحم قليل الجودة على ما يصل إلى 30٪ من المياه، وتكون صلبة كالصخر حينما تُستخرج حديثًا، وعندما يتم ترك الفحم في العراء لشهر أو ما يقرب من هذا فإنه يخسر المياه ويتدمر الهيكل الصلب للفحم كاملًا، ويترتب على ذلك الانكماش انهياره وتكوين مسحوق على السطح نتيجة الجفاف.