1
ผศ.บัญญัติ นิยมวาส
ความร้อนกับการขยายตัวของสาร
เคยสงสัยหรือไม่ครับว่าทําไมเวลาหน้าร้อน ประตูหอ้ งของคุณจะปิ ดยากขึนกว่าปกติ (หาก
เป็ นประตูไม้นะครับ) และทําไมรางรถไฟจึงไม่ตอ่ เป็ นเส้นเดียวกันโดยตลอด ทําไมจึงต้องเว้น
ช่องว่างเล็กๆ เอาไว้ระหว่างรางแต่ละเส้น
เนืองจากว่า วัตถุเมือได้รบั ความร้อนจะเกิดการขยายตัว ทําให้ความยาว พืนทีหน้าตัด และ
ปริมาตรของ วัตถุเพิมขึนมากกว่าเดิม ในทางตรงกันข้ามถ้าวัตถุคายความร้อนออก (วัตถุมี
อุณหภูมิเย็นลง) ย่อมทําให้เกิดการหดตัว ความยาว พืนทีหน้าตัด และปริมาตรลดน้อยลง
ข้อสังเกตุทควรทราบ
ี
1. วัตถุชนิดเดียวกันหากมีความยาวเท่ากัน เมือได้รบั ความร้อนปริมาณเท่ากัน วัตถุจะขยายตัว
ออก (ความยาว หรือ พืนทีหน้าตัด) เท่ากัน
2. วัตถุตา่ งชนิดกันหากมีความยาวเท่ากัน เมือได้รบั ความร้อนปริมาณเท่ากัน วัตถุจะขยายตัว
ออก (ความยาว หรือ พืนทีหน้าตัด) ไม่เท่ากัน
สามารถทําการทดลองง่ายๆ โดยการนําเหล็กมา 2 แท่ง ความยาวเท่ากัน เพิมความร้อนให้แท่ง
เหล็กทัง 2 ในปริมาณทีเท่ากัน เมือวัดความยาวสุดท้ายจะต้องเท่ากัน หากใช้เหล็ก กับทองแดง
ทีความยาวเท่ากัน แทนที การทดลองดังกล่าว ก็จะพบว่า เหล็กและทองแดง มีความยาว
สุดท้ายต่างกัน
การทีวัตถุขยายตัวไม่เท่ากันนี เนืองจากว่าวัตถุแต่ละชนิดมีคณ
ุ สมบัติคา่ หนึงทีไม่เท่ากัน
จะแปรเปลียนไปตามวัตถุแต่ละชนิด ซึงสามารถเรียกคุณสมบัตอิ นั นีว่า "สัมประสิทธิการ
ขยายตัวตามยาว" การขยายตัวตามยาวของวัตถุใดๆ หมายถึงการทีวัตถุนนขยายตั
ั
วออกไป
ทางด้านใดด้านหนึง ตามความยาวเมือวัตถุนนได้
ั รบั ความร้อน
2
ผศ.บัญญัติ นิยมวาส
นิยามของสัมประสิทธิการขยายตัวตามยาว ( a ) คือ ความยาวของวัตถุทีเพิมขึนจากความยาว
เดิม 1 หน่วย เมือวัตถุนนมี
ั อณ
ุ หภูมิเพิมขึน 1 หน่วยองศา สามารถเขียนเป็ นสูตรได้ดงั นี
a = (L-Lo)/Lot
เมือ
L เป็ นความยาวของวัตถุเมือขยายตัวแล้ว
Lo เป็ นความยาวเดิมของวัตถุ
t เป็ นอุณหภูมขิ องวัตถุทเพิ
ี มขึน
หากต้องการคํานวณหาความยาว (L) ของวัตถุเมือขยายตัวแล้ว หลังจากได้รบั ความร้อนจน
อุณหภูมิสงู ขึน t องศาเซลเซียส ได้จากสูตรต่อไปนี
L=Lo(1+ a t)
ตารางต่อไปนีแสดงค่าสัมประสิทธิการขยายตัวตามยาวของสารบางชนิด
สาร
สัมประสิทธิการขยายตัวตามยาว
o -1
C
นิกเกิล
12.8*10-6
ตะกัว
27.1*10-6
ทองแดง
14.9*10-6
ทองเหลือง
19.2*10-6
เหล็ก
11.4*10-6
อะลูมิเนียม
23.8*10-6
3
ผศ.บัญญัติ นิยมวาส
ตัวอย่างเช่น ถ้าแท่งทองแดง เดิมความยาว 1 เมตร ให้ความร้อนจนแท่งทองแดงมีอณ
ุ หภูมิ
เพิมขึนจาก 20 oC เป็ น 60 oC จะสามารถหาความยาวของแท่งทองแดงได้ดงั นี
L=Lo(1+ a t)
เมือ
Lo = 1 m
a = 14.9*10-6
t = 60-20 = 40 oC
ดังนัน
L=1*(1+ 14.9*10-6*40)
L= 1.000596 m
ซึงจากตัวอย่างจะเห็นว่าความยาวทีเพิมขึนไม่มากนักอาจจะไม่มากจนสามารถสังเกตุได้ดว้ ย
ตาและความรูส้ กึ ของคนเราแต่หากว่า ความยาวเริมต้นมีคา่ มากกว่านีและจําเป็ นจะต้องนํา
ชินส่วนทีทําจากทองแดงไปประกอบกับวัสดุอืนซึงมีคา่ ค่าสัมประสิทธิการขยายตัวตามยาว
ต่างกัน เมือชินส่วนดังกล่าวได้รบั ความร้อนก็จะขยายตัวและแน่นอนจะมีการขยายตัวทีไม่
เท่ากัน ซึงอาจจะก่อให้เกิดความเสียหายกับชินงานนันๆ ได้ ดังเช่นกรณีประตูทผมกล่
ี
าวไว้
ข้างต้นก็เพราะ ประตูหอ้ งนอนผมจะเปิ ดและปิ ดยากกว่าปกติเมือถึงช่วงหน้าร้อน ก็เพราะ
เหตุผลดังกล่าว เพราะว่าทังกรอบประตู และตัวประตูตา่ งก็ขยายตัวเมือได้รบั ความร้อน (ซึงส่ง
ถ่ายผ่านผนังบ้านเข้ามาในเวลากลางวัน) ซึงประตูกจ็ ะขยายตัว ออกไปทัง 4 ด้าน (ซ้าย ขวา
บน และล่าง) ส่วนกรอบประตูก็เช่นเดียวกันจะขยายตัวเข้ามาภายในทําให้การเปิ ดปิ ดประตูก็
จะลําบากมากขึน (ต้องออกแรงกันนิดหน่อยครับ) ส่วนรางรถไฟทีเว้นช่องว่างเอาไว้ ก็สามารถ
อธิบายได้ในทํานองเดียวกันครับ