§ 4. Залежнiсть розмiрiв вiд температури

Залежність розмірів тіл від температури

Нагрівання твердих тіл, рідин і газів. Ви знаєте, що внаслідок нагрівання тверді тіла можуть плавитися, а рідини — кипіти. Нагрівання приводить до зміни агрегатного стану. Чому і як це відбувається? Що змінюється у структурі речовини? Щоб дати відповіді на ці запитання, спочатку розглянемо ті зміни, що відбуваються в речовині перед початком переходу в інший агрегатний стан.

Унаслідок певних особливостей у внутрішній будові твердих тіл, рідин і газів їхній процес нагрівання має як деякі відмінності, так і спільні ознаки. Спільною ознакою є те, що під час нагрівання збільшується швидкість теплового руху молекул, а отже, і їхня середня кінетична енергія, що у свою чергу приводить до збільшення середньої відстані між молекулами. Іншими словами, речовини, нагріваючись, розширюються. Ступінь розширення речовини буде залежати від її внутрішньої будови.

Найбільшого розширення під час нагрівання зазнають гази. Продемонструємо розширення повітря на такому досліді (мал. 18). Підігріте повітря, розширюючись, виходить через відвідну трубку, про що свідчить поява бульбашок повітря у скляній посудині з водою. Під час охолодження газ стискається.

Вам, можливо, доводилося спостерігати за зміною об’єму гумової кульки, наповненої повітрям, якщо її перенести взимку з теплої кімнати на вулицю.

Подібний дослід можна провести самостійно: добре надуту повітряну кульку покласти на деякий час у холодильник. Ви побачите, що розміри кульки зменшаться, при цьому маса повітря, що в ній міститься, — не зміниться.

Властивість газів багаторазово збільшувати свій об’єм унаслідок нагрівання широко використовується (наприклад, політ на повітряній кулі, робота двигунів внутрішнього згорання). Утворення

вітру також є наслідком розширення повітря. Оскільки атмосферне повітря прогрівається нерівномірно, то є області, де розширення відбувається інтенсивніше, що й зумовлює горизонтальне переміщення повітряних мас — вітер (мал. 19).

Теплове розширення характерне і для рідин. Так, на залежності об’єму спирту від температури ґрунтується дія спиртових термометрів. Рідини завдяки нагріванню розширюються значно менше, аніж гази, але значно більше, ніж тверді тіла.

Можливо, ви спостерігали руйнування скляної банки, коли в неї наливають окріп. Це пояснюється тим, що її стінки прогріваються не одразу. Спочатку прогрівається внутрішня частина стінки і при цьому розширюється, а зовнішня частина, що ще не встигла прогрітися, «протидіє» цьому — скляна банка тріскається.

Але на уроках хімії вам, мабуть, уже доводилося спостерігати, як у скляних колбах кип’ятять воду на пальнику. Як ви думаєте, чому не тріскається хімічна колба? Товсті чи тонкі в неї стінки?

Відмінність у тепловому розширенні твердих тіл і рідин необхідно враховувати при конструюванні термометрів, адже під час нагрівання розширюється не тільки рідина (ртуть або спирт), а й скляна трубочка, в якій вона міститься. Якщо ви ще самостійно не дали відповіді на попереднє запитання — то, можливо, при ретельному огляді будови термометра вам це вдасться. Мабуть, ви помітили, що рідина в термометрах міститься в дуже тоненьких трубочках.

Демонстрацію теплового розширення рідини можна провести подібно до того, як ми демонстрували розширення повітря (мал. 20). Наповнимо колбу гасом по самі вінця. Закриємо її пробкою, у яку вставлено тонку скляну трубку, і доллємо гасу, щоб він зайняв певну частину трубки. Під час нагрівання рівень рідини (гасу) у вузькій трубці збільшується. Ми скористались гасом тому, що він розширюється в п’ять разів більше, ніж вода.

Найпоширенішою рідиною є вода, яка має багато особливостей, що виділяють її з-поміж інших рідин. Зокрема, для води характерне непритаманне іншим рідинам розширення під час охолодження. Охолоджуючись, вода спочатку (як і всі рідини) стискується, досягаючи максимальної густини при 4 °С (точніше, при 3,98 °С),

а потім починає розширюватись, хоч її температура продовжує знижуватися. Ця властивість зумовлена будовою молекули води (взаємним розташуванням двох атомів Гідрогену й атому Оксигену).

Нерівномірне прогрівання (а отже, і розширення) води в морях і океанах приводить до утворення течій, які суттєво впливають на клімат відповідної місцевості.

Теплове розширення твердих тіл можна спостерігати на такому досліді (мал. 21). Візьмемо металеву кульку й кільце. Кільце має бути таких розмірів, щоб кулька ледве проходила крізь нього. Нагріємо кульку. Після цього кулька вже не проходить крізь кільце. (Якщо кульку залишити на кільці на певний час, то згодом, охолонувши, вона знову проходитиме крізь нього).

У природі розширення твердих тіл можна побачити на прикладі прогрівання гірських порід. Оскільки ступінь розширення залежить як від температури, так і від виду гірської породи, то розширення й стиснення відбуваються нерівномірно. Це призводить до руйнування гір й утворення тріщин.

Теплове розширення твердих тіл необхідно враховувати інженерам, конструкторам й архітекторам, які проектують будівлі, споруди та різноманітні деталі машин і механізмів. Принцип дії біметалевого термометра ґрунтується на розширенні пластин, що складаються з двох різних металів.

Підбиваємо підсумки

Під час нагрівання збільшується швидкість теплового руху молекул, а отже — і їхня середня кінетична енергія, що у свою чергу приводить до збільшення середньої відстані між молекулами і, як наслідок, — до збільшення об’єму тіла.

Теплове розширення тіл залежить як від зміни температури, так і від того, з якої речовини воно виготовлене.

1.    Які приклади, що підтверджують теплове розширення твердих тіл, рідин і газів, ви знаєте?

2.    Який дослід може продемонструвати теплове розширення рідин?

3.    Що спричинює збільшення об’єму тіл під час нагрівання?

4.    Від чого, окрім температури, залежить зміна розмірів тіл під час їхнього нагрівання або охолодження?

ПОЯСНІТЬ

1.    Чому стоматологи не радять їсти дуже гарячу їжу?

2.    Як у досліді, що зображений на малюнку 21, унаслідок нагрівання змінилися: об’єм кулі; маса кулі; густина кулі; середня швидкість руху атомів металу?

3.    Яка з наведених фізичних величин, що характеризують тіло, не залежить від температури (маса молекул; тиск газу в посудині; об’єм тіла; густина тіла; швидкість руху молекул)?

1.    Візьміть порожню пластикову пляшку з-під води та покладіть її в холодильник (або в морозильник). Вийміть пляшку через 20-30 хв й одразу надягніть на її шийку повітряну кульку. Поставте пляшку в миску з теплою водою (мал. 22, а). Спостерігайте, що буде відбуватись. Поясніть.

2.    Візьміть велику банку. Пропарте її (налийте невелику кількість гарячої води і злийте). Робіть усе акуратно, щоб не зазнати опіків!

Наберіть у повітряну кульку води й покладіть на горловину банки (мал. 22, б). Спостерігайте, що відбудеться згодом. (Можна намалювати на кульці очі, ніс, рот — буде кумедніше).

Без води неможливе існування живих організмів . У будь-якому організмі вода > є середовищем, де відбуваються хімічні реакції, що забезпечують його життєдіяльність . Не тільки здатність розчинювати різні речовини, без яких не можуть жити організми, а й багато інших властивостей води роблять її найціннішою, най-необхіднішою для життя речовиною . Процес нагрівання води супроводжується характерною особливістю: при нагріванні від 0 до 4 °С її об’єм зменшується! Відповідно збільшується її густина . Максимальну густину вода має за температури 4 °С . З подальшим підвищенням температури об’єм води починає збільшуватись, а густина зменшуватись .

Така, на перший погляд, незначна різниця в ''') густині води відіграє велике значення для життєдіяльності мешканців водойм. З наближенням зими і пониженням температури повітря, вода біля поверхні водойм починає охолоджуватися. Її густина при цьому зростає і верхні шари води опускаються вниз. Переміщення теплих і холодних шарів відбувається доти, поки температура майже всієї води під льодом стане рівною 4 °С .

Зимова циркуляція води у водоймах важлива ще й тим, що охолоджуючись і опускаючись до дна, верхні шари несуть із собою розчинений у воді кисень і глибинна частина водойми стає придатною для життя . Багато риб, які влітку плавали у верхніх шарах, взимку переміщуються до дна .

Теплове розширення враховують під час проектування різних споруд . Оскільки температура повітря в наших широтах протягом року може змінюватися від -30 до +30 °С, то такі зміни температури спричинюють значні видовження й стискання .

Щоб уникнути руйнування, споруди, мости, трубопроводи будують з окремих секцій, з’єднуючи їх так, щоб вони могли щільно притискались у спеку й достатньо розходитись у холодну пору року. Розгляньте фотографії й поясніть особливості конструкцій мостів, залізниці, трубопроводу.

Слід враховувати й те, що різні речовини характеризуються різними коефіцієнтами лінійного й об’ємного розширення . Наприклад, бетон і залізо майже однаково розширюються під час нагрівання . Тому їх так широко використовують у будівництві . Якби бетон і залізо розширювалися по-різному, це призвело б до руйнувань будинків . Ще один приклад: емаль, якою покривають посуд, і метал, з якого його виготовляють, повинні мати однакові коефіцієнти лінійного розширення . Інакше емаль буде облущуватися під час нагрівання .

Властивість матеріалів по-різному змінювати свої розміри також застосовують у техніці . Наприклад, якщо з’єднати дві пластинки з різних металів (наприклад, залізо та мідь), то при нагріванні вони вигинаються по-різному: та що розширюється більше — завжди міститься з випуклої сторони . Такі пластинки називають біметалевими . Вони мають широке застосування: у біметалевих термометрах, в електричних чайниках тощо .

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Засєкіна