ข่าว  “หวาดเสียว! พบรอยแยกบนสะพานข้ามวงเวียนหลักสี่”  พร้อมกับมีผู้ใช้ทวิตเตอร์โพสต์ภาพพื้นสะพานแยกออกจากกัน คำถามคือ  เหตุใดมีรอยแยก ?  และมีอันตรายมากน้อยเพียงใด ?  เมื่อรอยแยกนี้กว้างขึ้น

พลังแห่งความร้อนนั้นมีมากมายหลายอย่างและมนุษย์นำผลจากพลังนี้มาใช้อย่างกว้างขวาง เมื่อทำการทดลองใส่ความร้อนให้กับน้ำกับน้ำแข็งที่อยู่ร่วมกันที่ประมาณ 0 ํC ดังรูป

ความร้อนที่ใส่เข้าไปในช่วงแรกจะทำให้น้ำแข็งเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลวโดยไม่มีการเปลี่ยนอุณหภูมิ และปริมาณความร้อนที่ใส่เข้าไปมีความสัมพันธ์กับพลังงานจลน์ของโมเลกุลต่าง ๆ เพิ่มขึ้น จึงทำให้เปลี่ยนสถานะ ดังนั้น ความร้อนจึงเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่เปลี่ยนเป็นพลังงานรูปแบบอื่นได้ และเปลี่ยนมาจากพลังงานรูปอื่นได้เช่นกัน

เมื่อใส่พลังงานความร้อนให้กับน้ำแข็งจะเกิดการหลอมเหลว (Fusion) จนน้ำแข็งหลอมเหลวเป็นน้ำหมดที่ประมาณ  0 ํC เมื่อยังคงใส่ความร้อนต่อไปพลังงานความร้อนจะทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้น (วัดโดยใช้เทอร์มอมิเตอร์) เมื่อดูจากรูปจะเห็นของเหลวในกระเปาะด้านล่างเป็นสีเงินซึ่งเป็นเทอร์มอมิเตอร์ชนิดใช้ปรอท ส่วนกระเปาะสีแดงเป็นชนิดใช้แอลกอฮอล์ ดังรูป

สำหรับน้ำเทอร์มอมิเตอร์จะขึ้นไปถึงประมาณ  100 ํC น้ำจะเริ่มเดือดกลายเป็นไอ (Vaporization) อุณหภูมิจะคงที่ที่ 100 ํC พลังงานความร้อนที่ใส่เข้าไปใช้ในการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวกลายเป็นไอมีความสัมพันธ์ คือ

เมื่อเปลี่ยนอุณหภูมิ

Q คือ พลังงานความร้อนที่ให้หรือคายออกจากวัตถุที่มีมวล m

มีความจุความจำเพาะ C และอุณหภูมิเปลี่ยนไป

เมื่อเปลี่ยนสถานะ

เมื่อใส่พลังงานความร้อน Q ให้กับวัตถุมวล m ที่มีความร้อนแฝงจำเพาะเป็น L

สรุปพลังงานความร้อนทำให้สารเปลี่ยนอุณหภูมิกับสถานะ จากการทดลองที่ผ่านมาเทอร์มอมิเตอร์ในการทดลองบอกอุณหภูมิได้โดยการขยายตัวของลำของเหลวในท่อขนาดสม่ำเสมอที่อยู่ในหลอดแก้ว เช่น เส้นปรอทของเทอร์มอมิเตอร์ กระเปาะปรอทในท่อขนาดเล็กจะขยายตัวสูงขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น จนมีคำพูดที่ใช้กันว่า “ร้อนจนปรอทแตก” เนื่องจากเดิมเทอร์มอมิเตอร์ส่วนใหญ่ใช้ปรอท ดังนั้น ความร้อนมีผลทำให้สารขยายตัว ปรอทและแอลกอฮอล์ในเทอร์มอมิเตอร์เป็นการขยายของสารเชิงเส้น มีความสัมพันธ์ คือ

สารมีความยาวเดิม L₀ มีสัมประสิทธิ์ขยายตัวเชิงเส้นเป็น α เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป ΔT ทำให้ขยายตัวเท่ากับ ΔL หรือการขยายตัวเชิงปริมาตรเท่ากับ ΔV เมื่อสารมีปริมาตร V₀ มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป ΔT มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงปริมาตรเท่ากับ β คือ

ปรอทมี β = 1.82 x 10^-4 ( ํC)^-1 ในขณะที่แอลกอฮอล์มี  β = 1.12 x 10^-4 ( ํC)^-1 เดิมจึงใช้ปรอททำเทอร์มอมิเตอร์ แต่ก็สังเกตได้ยากเนื่องจากมีสีเงินและเป็นสารอันตรายจึงเปลี่ยนเป็นแอลกอฮอล์แทน เนื่องจากใส่สีต่าง ๆ ได้และปลอดภัยกว่า

เรานำสมบัติการขยายตัวเชิงความร้อนของสารมาประยุกต์ใช้ประโยชน์ เช่น เมื่อทำแผ่นโลหะสองชนิดติดกัน เช่น แผ่นทองเหลืองที่มี α =  19 x 10^-6 ( ํC)^-1 กับแผ่นเหล็กที่มี α =  11 x 10^-6 ( ํC)^-1 ทำเป็นแผ่นโลหะคู่ (Bimetallic strip) แล้วทำให้แผ่นโลหะคู่ได้รับความร้อน ดังรูป

จากรูปเป็นการทดลองการใช้ประโยชน์จากการขยายตัวของแผ่นโลหะคู่เป็นเทอร์มอมิเตอร์ นอกจากนั้นยังใช้เป็นตัวตัดเชิงความร้อนหรือตัวควบคุมอุณหภูมิ (Thermostat) ดังรูป

หลักการ คือ เมื่อแผ่นโลหะคู่ได้รับความร้อนแผ่นทองเหลืองขยายตัวมากกว่าแผ่นเหล็ก จึงทำให้แผ่นโลหะคู่งอโค้งไปทางแผ่นโลหะที่ขยายตัวน้อยกว่าคือ แผ่นเหล็ก ทำให้เข็มของเทอร์มอมิเตอร์เบนไปตามอุณหภูมิ หรือทำให้ตัวตัดวงจร (ซึ่งทำหน้าที่เป็น switch ตัดวงจรกับสัมผัส) ทำงาน

กลับมาไขปริศนาของรอยแยกบนสะพานที่เป็นต้นเหตุ หากสังเกตแต่ละช่วงบนทางด่วนหรือสะพานจะเห็นมีรอยแยกฟันปลาทำด้วยโลหะเป็นตัวเชื่อมแต่ละท่อนของสะพาน ดังรูป

รอยเชื่อมที่มีรอยแยกเป็นฟันปลาทำด้วยโลหะนี้มีเพื่อป้องกันการแตกของแท่งคอนกรีตสะพานที่เกิดจากการขยายตัวเชิงความร้อน โดยเฉพาะประเทศไทยที่มีวันที่มีอากาศร้อนกับวันที่ร้อนกว่า ๆ ไปเรื่อย ๆ รวมทั้งการหดตัวในฤดูหนาว และในทางวิศวกรรมจะมีการป้องกันในทุกโครงสร้าง เพียงแต่โครงสร้างนี้อาจมีการเสื่อมของระบบรองรับตัวเชื่อม จึงต้องซ่อมบำรุงรักษานั่นเอง