§ 4. Залежність розмірів фізичних тіл від температури

Особливості теплового розширення твердих тіл, рідин і газів

Теплове лінійне та об'ємне розширення

ОСОБЛИВОСТІ ТЕПЛОВОГО РОЗШИРЕННЯ ТВЕРДИХ ТІЛ, РІДИН І ГАЗІВ. Для вивчення особливостей теплового розширення твердого тіла виконаємо дослід. Металеву кульку на підвісі пропустимо через кільце (рис. 4.1, а). Нагріємо кульку в полум’ї спиртівки та спробуємо повторити дослід. Кулька застрягає й не проходить через кільце (рис. 4.1, б).

Отже, при підвищенні температури тверді тіла розширюються. Це пояснюється тим, що під час їх нагрівання збільшуються проміжки між молекулами та інтенсивність коливань молекул або атомів, що містяться у вузлах кристалічних ґраток. При рівномірному нагріванні тверде тіло розширюється в усіх напрямах.

Унаслідок теплового розширення дроти ліній електропередач провисають сильніше ніж взимку, а викрутити гвинт із нагрітої деталі стає значно важче. Тому особливості розширення твердих тіл під час нагрівання потрібно враховувати в різних конструкціях та механізмах. Так, на стиках трамвайних або залізничних рейок

залишають проміжки, щоб під час нагрівання (влітку або внаслідок руху потягу) рейки не деформувалися внаслідок розширення.

Щоб урахувати розширення металевих конструкцій мосту влітку, його з’єднання роблять не зовсім щільними (рис. 4.2.).

Разом із тим властивість твердих тіл неоднаково розширюватися під час нагрівання може бути корисною. У попередньому параграфі ви ознайомилися з металевим термометром, у якому використовуються біметалева пластинка. Її принцип дії ґрунтується на нерівномірному розширенні під час нагрівання складових, виготовлених із різних металів. Розширення біметалевої пластинки при її нагріванні внаслідок перевантаження електричної мережі забезпечує спрацювання автоматичного побутового запобіжника, який розмикає електричне коло (рис. 4.3).

Між тепловим розширенням рідин і твердих тіл є значні відмінності. Виконаємо дослід. У товстостінну колбу, закриту корком із тонкою скляною трубкою, наллємо зафарбовану воду так, щоб вона частково потрапила в трубку (4.4, а).

При нагріванні колби зафарбована вода буде підніматися по трубці (рис. 4.4, б) тому, що при підвищенні температури рідина розширюється у всіх напрямах. У цьому досліді потрібно врахувати, що нагрівається не тільки вода, а й скляна колба. Хоча скло теж розширюється, вода розширюється значно більше. Можна припустити, що рідини розширюються значно сильніше, ніж тверді тіла, але менше, ніж гази. Якби вода й скло розширювалися однаково, то рівень води в тонкій трубці не змінився б.

Розглянемо особливості теплового розширення газів. Виконаємо дослід. Порожню товстостінну скляну колбу з корком з’єднаємо трубкою з відкритим демонстраційним манометром (рис. 4.5, 2).

Нагріваючи колбу помітимо, що рівень манометричної рідини змінюється (рис. 4.5, 3) внаслідок зростання тиску повітря в колбі. Якщо колбу помістити в посудину з льодом (рис. 4.5, 1), то цей рівень зміниться в іншому напрямі. Під час нагрівання колби підвищується температура повітря в ній, і воно тисне на рідину в трубці манометра, її рівень змінюється. При охолодженні повітря в колбі рівень рідини в трубці змінюється в протилежний бік, тобто зі зниженням температури повітря стискається. Таким чином, при підвищенні температури газу його тиск на стінки посудини збільшується (газ розширюється), а при охолодженні — зменшується.

При підвищенні температури збільшується середня кінетична енергія руху молекул або атомів газу. Молекули сильніше та частіше стикаються зі стінками посудини. Наслідком цього і є збільшення тиску газу. Ця властивість газу дає можливість встановити залежність між зміною температури й зміною тиску газу за умови, що об’єм газу є сталим.

«ТЕПЛОВЕ ЛІНІЙНЕ ТА ОБ’ЄМНЕ РОЗШИРЕННЯ. Оскільки тверді тіла, на відміну від рідин та газів, зберігають сталу форму, розглядають їх лінійне розширення під час нагрівання. Розширення твердих тіл значно менше, ніж рідин та газів. Так, залізний стрижень завдовжки 1 м видовжується внаслідок розширення на 1,2 мм, якщо його нагріти до температури 100 °С, а стовпчик рідинного термометра, зануреного в киплячу воду, піднімається на кілька сантиметрів.

Теплове лінійне розширення твердих тіл залежить від роду речовин, з яких вони складаються. Тому при конструюванні різних пристроїв тіла добирають так, щоб вони розширювалися однако-

во. Так, залізобетон не руйнується внаслідок розширення металевих конструкцій за рахунок того, що бетон теж розширюється.

На практиці було встановлено, що за порівняно невеликих змін температури твердого тіла його лінійні розміри змінюються пропорційно зміні температури.

Зміна лінійних розмірів твердого тіла прямо пропорційна змінам температури.

При невеликих змінах температури відносне видовження

Коефіцієнт пропорційності « називають тепловим, або температурним, коефіцієнтом лінійного розширення (видовження) тіла. Його значення залежить від природи речовини, а також температури.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення а показує, на скільки зміниться довжина твердого тіла відносно початкової довжини при зміні температури на 1 °С.

Лінійні розміри тіла, температура якого змінилася на величину At, обчислюються за формулою

Для практичних потреб необхідно розраховувати також теплове об’ємне розширення рідин і твердих тіл. У невеликому інтервалі температур зміна об’єму рідин і твердих тіл прямо пропорційна змінам температури:

Коефіцієнт пропорційності о.уназивають тепловим, або темпе-ратурним, коефіцієнтом об'ємного розширення тіла.

Значення температурного коефіцієнта залежить від природи речовини.

Температурний коефіцієнт об’ємного розширення O_v показує, на скільки зміниться об’єм тіла відносно початкового об’єму при зміні температури на1°С.

Об’єм тіла, температура якого змінилася на величину At_tоб-

TTWP ТТТПР TTkP Я ДЯ гЬпптчс v ттпто

Значення температурного коефіцієнта об’ємного розширення вказує на особливості зміни об’єму рідини. Якщо нагріти спирт і ртуть до температури 100 °С, то об’єми цих рідин зміняться по-різному: об’єм спирту збільшиться на 11 %, а ртуті — лише на близько 1,8 %.

Коефіцієнт об’ємного розширення рідини може бути від’ємним (наприклад, для води при температурі від 0 до +4 °С).

Головне в цьому параграфі

Тверді тіла, рідини та гази розширюються або стискаються при зміні їх температури.

Під час нагрівання твердого тіла збільшується інтенсивність коливань молекул у вузлах кристалічних ґраток. Відстань, на яку вони зміщуються під час коливань від середніх положень, зростає, тіло набуває більшого об’єму. При рівномірному нагріванні тверде тіло розширюється в усіх напрямах.

При підвищенні температури рідини розширюються значно сильніше, ніж тверді тіла, але менше, ніж гази. Збільшення об’єму спостерігається з подальшим підвищенням температури.

У разі підвищення температури газу збільшується його тиск на стінки посудини (газ розширюється), а при охолоджені тиск зменшується.

Лінійні розміри тіла, температура якого змінилася на величину At, обчислюються за формулою / =/₀ (1+α, ·Δί) ·

Об’єм рідини, температура якої змінилася на величину At, обчислюється за формулою V = V₀ (l+a_F ·Δί).

Запитання для самоперевірки

1.    Поясніть особливості теплового розширення твердих тіл і рідин при зміні температури.

2.    На підставі молекулярно-кінетичних уявлень про будову речовини поясніть зростання тиску газу при збільшенні температури.

3.    Чим зумовлене лінійне та об’ємне теплове розширення тіл?

4.    Від чого залежить тепловий коефіцієнт лінійного розширення? Тепловий коефіцієнт об’ємного розширення?

5.    За якою формулою розраховуються лінійні розміри тіла при зміні температури?

6.    За якою формулою визначається об’єм рідини при зміні температури?

7.    Наведіть приклади негативного впливу теплового розширення тіл у техніці та запропонуйте шляхи його зменшення.

8.    Наведіть приклади використання теплового розширення тіл у техніці.

Домашній експеримент

Порожню пластмасову пляшку об’ємом 0,5 л без пробки покладіть у холодильник (можна в морозильник) на 2—3 год. У прозору склянку налийте воду, підігріту до 40—50 °С. Дістаньте пляшку й поставте її горлом у воду. Спостерігайте що відбувається.

Запишіть та поясніть.

Вправа до § 4

1(c). Температуру стального стрижня завдовжки 50 см збільшили на 200 °С. Визначте довжину стрижня після нагрівання, якщо температурний коефіцієнт лінійного розширення сталі

4(д). До якої температури потрібно охолодити 10 л гліцерину, взятого за температури 50 ^cC, щоб його об'єм дорівнював 9.8 л? (10 °С).

5(в). Цистерну об'ємом 70 м³ завантажують бензином на нафтопереробному заводі при температурі 35 °С. На скільки відсотків заповненою виявиться цистерна, якщо її розвантажуватимуть за температури 5 °С? Температурний коефіцієнт об’ємного роз-

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко