§ 2. Залежність розмірів фізичних тіл від температури

Якщо ви досить уважні, то, можливо, звертали увагу ось на що. Влітку електричні дроти провисають набагато сильніше, ніж узимку, тобто влітку вони виявляються довшими. якщо набрати повну пляшку холодної води та поставити її відкритою в тепле місце, то згодом частина води з пляшки виллється, адже, нагріваючись, вода розширюється. Повітряна кулька, винесена з кімнати на мороз, зменшується в об'ємі. Спробуємо розібратися, чому так.

рис. 2.1. нагріваючись, повітря в колбі розширюється, й деяка його частина виходить із колби — біля отвору трубки утворюються бульбашки повітря

переконуємося в тепловому розширенні твердих тіл, рідин і газів

Нескладні досліди й численні спостереження переконують у тому, що, як правило, тверді тіла, рідини й гази під час нагрівання розширюються, а під час охолодження — стискуються.

теплове розширення газів легко спостерігати за допомогою колби, заповненої повітрям. Шийку колби щільно закоркуємо, а в корок уставимо скляну трубку. Зануримо скляну трубку в посудину з водою. тепер досить узятися за колбу рукою і в такий спосіб нагріти її — через деякий час повітря в колбі, розширюючись, виходитиме у вигляді бульбашок із трубки під водою (рис. 2.1).

Для спостереження теплового розширення рідин наповнимо колбу підфарбованою водою та закоркуємо так, щоб частина рідини потрапила у скляну трубку, розміщену в корку (рис. 2.2, а). Зафіксуємо, на якому рівні розташована рідина в трубці, й опустимо колбу в посудину з гарячою

рис. 2.2. Дослід, який демонструє, що під час нагрівання рідина розширюється. Закорковану колбу з рідиною в трубці (а) помістили в посудину з гарячою водою. Рівень рідини в трубці спочатку трохи знизився (б), а через деякий час — значно підвищився (в)

водою. Спочатку рівень води в колбі трохи знизиться (рис. 2.2, б), і це можна пояснити тим, що спочатку нагрівається й розширюється колба, а вже потім, нагріваючись, розширюється вода. Через деякий час переконаємося, що з нагріванням колби й води в ній рівень рідини в трубці помітно підвищиться (рис. 2.2, в). Отже, рідини, як і гази, під час нагрівання розширюються.

теплове розширення твердих тіл можна продемонструвати за допомогою пристрою, який винайшов нідерландський фізик Вільгельм Якоб Ґравезанд (1688-1742). Пристрій являє собою мідну кульку, яка легко проходить крізь пригнане до неї кільце. Нагріємо кульку в полум’ї спиртівки — нагріта кулька крізь кільце не проходитиме (рис. 2.3, а). Після охолодження кулька знову легко пройде крізь кільце (рис. 2.3, б).

Як, на вашу думку, чи пройде кулька крізь кільце, якщо нагріти не кульку, а кільце?

З'ясовуємо причину теплового розширення

У чому ж причина збільшення об’єму тіл під час нагрівання, адже кількість частинок (молекул, атомів, йонів) речовини зі збільшенням температури не змінюється?

Теплове розширення рідин і твердих тіл молекулярно-кінетична теорія пояснює так. Зі збільшенням температури збільшується швидкість руху частинок речовини, в результаті чого збільшується середня відстань між частинками і, відповідно, збільшується об’єм тіла. І навпаки, зі зниженням температури тіла рух частинок стає повільнішім, міжмолекулярні проміжки зменшуються і зменшується об’єм тіла.

Характеризуємо теплове розширення тіл

Зрозуміло, що не всі тіла під час нагрівання на ту саму температуру розширюються однаково. Дослідним шляхом з’ясовано, що тверді тіла та рідини розширюються набагато менше, ніж гази.

Теплове розширення тіла залежить від речовини, з якої тіло виготовлене. Візьмемо алюмінієву трубку за кімнатної температури та виміряємо її довжину. Потім нагріємо трубку, пропускаючи крізь неї гарячу воду. Через деякий час можна переконатися, що довжина трубки трохи збільшилась. Замінивши алюмінієву трубку на скляну такої самої

рис. 2.3. Пристрій Ґраве-занда, за допомогою якого ілюструють теплове розширення твердих тіл: а — у нагрітому стані кулька не проходить крізь кільце; б — після охолодження кулька крізь кільце проходить

довжини, побачимо, що за умови однакового збільшення температури скляна трубка видовжується набагато менше, ніж алюмінієва.

Слід зазначити, що існують речовини, об’єм яких на певних інтервалах температур під час нагрівання зменшується, а під час охолодження — збільшується. До таких речовин належать вода, чавун і деякі інші. Вода, наприклад, під час охолодження стискується, як і більшість речовин. Однак починаючи з температури 4 °С (точніше 3,98 °С) і до замерзання (0 °С) вода розширюється. Саме завдяки цій властивості води річки, моря й океани не промерзають до дна навіть у сильні морози. Вода за температури 4 °С має найбільшу густину, тому опускається на дно водойми. Густина ж води за температури 0 °С є меншою, тому вона залишається на поверхні та замерзає — перетворюється на лід (рис. 2.4). Оскільки густина льоду менша за густину води, то лід розташовується на поверхні води та надійно захищає водойму від глибокого промерзання. такі властивості води та льоду мають неабияке значення для життя різноманітних водоростей, риб та інших істот у водоймах.

Поміркуйте, який вигляд мали б водойми, якби вода, як і більшість речовин, під час охолодження завжди зменшувалася б в об’ємі, а густина льоду була би більшою за густину води.

Знайомимося з тепловим розширенням у природі й техніці

Здатність тіл змінювати свої розміри під час змінення температури відіграє дуже важливу роль у природі. Про важливість теплового розширення води ви вже дізналися. Розглянемо ще декілька прикладів.

Поверхня Землі прогрівається нерівномірно. У результаті повітря поблизу її поверхні розширюється теж нерівномірно. Цей факт — один із чинників утворення вітру, що зумовлює зміну погоди. Нерівномірне прогрівання води в морях і океанах спричиняє виникнення течій, які суттєво впливають на клімат. Різке коливання температури в гірських районах викликає розширення та стискання гірських порід. Оскільки це відбувається нерівномірно, виникають тріщини, що спричинюють руйнування гір, а отже, зміну рельєфу.

Явище теплового розширення широко використовується в техніці та побуті. Так, для автоматичного вимикання та вмикання електричних пристроїв використовують біметалічні пластинки, що складаються із двох смуг, виготовлених із різних металів, які

по-різному розширюються під час нагрівання (рис. 2.5). теплове розширення повітря допомагає рівномірно прогріти квартиру, остудити продукти в холодильнику, провітрити помешкання. А от чому і як це відбувається, ви дізнаєтеся після вивчення § 6 підручника.

теплове розширення слід обов’язково брати до уваги під час будівництва мостів (рис. 2.6) і ліній електропередач, прокладання труб опалення, укладання залізничних рейок, виготовлення залізобетонних конструкцій і в багатьох інших випадках.

Дія якого відомого вам приладу ґрунтується на тепловому розширенні рідин?

Підбиваємо підсумки

Тверді тіла, рідини й гази під час нагрівання, як правило, розширюються. Винятками є вода, чавун і деякі інші речовини. Тверді тіла та рідини розширюються набагато менше, ніж гази. Зміна розмірів тіла внаслідок зміни температури залежить від речовини, з якої це тіло виготовлене.

Причина теплового розширення полягає в тому, що зі збільшенням температури збільшується швидкість руху частинок речовини (атомів, молекул, йонів) і в результаті збільшується середня відстань між частинками.

Явище теплового розширення широко використовують і враховують у техніці й побуті. Воно відіграє дуже важливу роль у природі.

Контрольні запитання

1. Наведіть приклади на підтвердження того, що тверді тіла, рідини й гази розширюються під час нагрівання. 2. Опишіть досліди, які демонструють теплове розширення газів, рідин, твердих тіл. 3. У чому причина збільшення об’єму тіл під час нагрівання? 4. Від чого (крім температури) залежить зміна розмірів тіл під час їх нагрівання або охолодження? 5. У чому особливості теплового розширення води?

6. Наведіть приклади застосування теплового розширення в техніці.

Вправа № 2

1.    Виберіть усі правильні відповіді. Коли тіло охолоджується, то зменшується:

а)    швидкість руху його частинок;    в) кількість частинок тіла;

б)    відстань між його частинками;    г) розміри частинок тіла.

2.    Як зміниться об’єм повітряної кульки, якщо її перенести з холодного приміщення в тепле? Поясніть свою відповідь.

3.    Згадайте дослід із мідною кулькою, яка внаслідок нагрівання застрягає в кільці (див. рис. 2.3). Як змінилися внаслідок нагрівання: об’єм кульки; маса кульки; її густина; середня швидкість руху атомів?

4.    Чому на точних вимірювальних приладах зазначають температуру?

5.    Що може трапитись, якщо налити в склянку окріп? Поясніть свою відповідь з точки зору теплового розширення тіл.

. 6. Металева кулька падає на підлогу з певної висоти. Які перетворення механічної енергії відбуваються під час падіння кульки? Куди «зникає» механічна енергія кульки після удару об підлогу?

Експериментальні завдання

1. «Теплові терези». Виготовте «терези», які реагують на різницю температур (див. рисунок).

Для цього:

1)    візьміть сталеву в’язальну спицю та пропустіть її крізь обрізок морквини;

2)    з обох боків спиці застроміть у морквину дві булавки, а на кожний кінець спиці насадіть невелику морквину так, щоб більша частина морквини була розташована знизу;

3)    установіть булавки гострими кінцями на дно склянки і, пересуваючи морквини, зрівноважте «терези».

Розташуйте під одним із плечей «терезів» запалену свічку — через деякий час це плече опуститься; приберіть свічку — плече повернеться до початкового положення. Поясніть спостережуване явище.

2. Як за допомогою дощечки, молотка та двох цвяшків продемонструвати, що розмір монети в 5 копійок у результаті нагрівання збільшується? Виконайте відповідний дослід, обов’язково використовуючи щипці, пінцент або пасатижі. Поясніть спостережуване явище.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар