§ 4. Зміна розмірів фізичних тіл залежно від температури

Результати спостережень і досліджень свідчать, що тіла внаслідок нагрівання розширюються, а внаслідок охолодження стискаються. У випадку рідин і газів, які не мають власної форми, може йтися лише про зміну об’єму. Розширення чи стискання твердих тіл у разі підвищення або зниження температури відбувається в усіх напрямках зі змінами всіх лінійних розмірів тіл та їх об’ємів.

Для демонстрації розширення тіл унаслідок нагрівання голландський фізик Вільгельм Гравезанд (1688—1742 рр.) винайшов прилад, який складався з кулі, що підвішувалася над кільцем на ланцюжку або дротині і вільно проходила крізь його отвір. Куля, нагріта за допомогою спиртівки, не проходила крізь кільце і трималась на ньому, допоки не охолоне (мал. 1.12).

Тверді тіла, виготовлені з різних матеріалів, видовжуються по-різному. Переконатися у цьому можна, скориставшись приладом, який дає змогу одночасно фіксувати малі видовження трьох стрижнів (мал. 1.13). Стрижні однакової довжини і перерізу, але виготовлені з різних матеріалів (залізний, мідний та алюмінієвий), нагрівають одночасно. Видовжуючись, стрижні тиснуть на стрілки, відхилення яких свідчать про їхнє видовження. Виявляється, що мідний стрижень видовжується менше, ніж алюмінієвий, але більше, ніж сталевий.

Знання і врахування того, як тіла розширюються під час нагрівання, має важливе значення. У техніці й будівництві широко застосовують конструкції, виготовлені з різних матеріалів. Цеглу, залізобетонні плити й сталеві балки використовують під час будівництва різних споруд, а деталі з алюмінію, сталі, міді, нікелю, бронзи і пластмаси — в автомобілях, літаках та інших виробах. Щоб запобігти руйнуванню конструкцій унаслідок неоднакового розширення різних матеріалів під час нагрівання, їх добирають так, щоб за однакових змін температури вони видовжувалися (скорочувалися) однаково. Наприклад, греблі гідроелектростанцій будують із залізобетону. Залізобетонні конструкції греблі залежно від пори року вдень і вночі то нагріваються, то охолоджуються. Уявіть собі, що сталося б, якби залізна арматура розширювалася під час нагрівання істотніше, ніж бетон! Дуже скоро в греблі утворилися б тріщини, і через кілька років вона не змогла б протистояти тиску води.

Теплове розширення твердих тіл значно менше, ніж теплове розширення рідин, та в сотні чи й тисячі разів менше, ніж розширення газів. Проте незначне, здавалося б, розширення твердих тіл може призвести до серйозних наслідків. У разі нагрівання сталевого стрижня на 1 °С його довжина зростає лише трохи більше ніж на одну стотисячну частку. Щоб перешкодити такому видовженню стрижня перерізом 1 см², потрібно прикласти силу 200 Н.

Сили, що виникають унаслідок теплового розширення різних конструкцій, якщо їх не враховувати, можуть призвести до руйнувань і катастроф (мал. 1.14). Тому рейки залізничних колій укладають так, щоб між ними були проміжки (мал. 1.15). їх закріплюють на залізобетонних шпалах, що дає змогу зменшити кількість стиків та забезпечити більш плавний рух потягів. Паропроводи на теплових електростанціях та інші трубопроводи, які можуть нагріватися, облаштовують спеціальними компенсаторами, що дає змогу розширюватися тру-

бам (мал. 1.16). Будуючи мости, один з кінців їхніх прольотів кріплять до опори, а інший розташовують вільно або на спеціальних котках (мал. 1.17).

При цьому між прольотами залишають невеликий проміжок, інакше за зміни температури міст може зруйнуватися.

Теплове розширення доводиться враховувати, прокладаючи лінії електропередач, магістральні газові та нафтопроводи, а також виготовляючи точні вимірювальні прилади.

Ви знаєте, що звичайний скляний посуд часто тріскається, коли нагрівати в ньому рідину на відкритому вогні або електричній плитці. Це відбувається тому, що поверхні посуду, які контактують з рідиною і нагрівником, нагріваються й розширюються по-різному. Проте існують спеціальні сорти скла, які містять до 96 % кварцу. Таке скло у разі нагрівання дуже мало розширюється, тому в посуді, виготовленому з нього, можна кип’ятити воду. Воно не тріскається навіть, якщо після нагрівання до 1000 °С його помістити в холодну воду.

Із заліза і бетону створюють різні споруди, будують греблі гідроелектростанцій та ін., оскільки залізо й бетон однаково розширюються під час нагрівання та однаково стискаються під час охолодження. Однаково розширюються й стискаються також скло електричних лампочок і дротинки, які підводять електричний струм до спіралей.

Властивість різних металів по-різному змінювати свої лінійні розміри під час нагрівання застосовують для виготовлення біметалевих пластин. Дві металеві пластинки, виготовлені з матеріалів з різними температурними коефіцієнтами лінійного розширення, наприклад заліза й міді, з’єднують між собою — склепують у кількох місцях або зварюють (мал. 1.18). За кімнатної температури біметалева пластинка є рівною. Під час нагрівання мідь розширюється більше, ніж залізо, тому пластинка вигинається. На цьому явищі ґрунтується робота термореле — пристроїв, які вимикають живлення приладів,

коли їхня температура досягає певного значення, та автоматичних запобіжників. Після зниження температури термореле знову вмикає прилад. Термореле зазвичай використовують у прасках, інкубаторах, термостатах тощо.

Біметалева стрічка (стрічка виготовлена з двох різних металів), яку згорнуто в пружину й піддано термічній обробці в печі, “запам’ятовує” свою форму. При підвищенні температури пружина розкручується (або скручується) залежно від різниці коефіцієнтів теплового розширення використаних металів. Саме таку пружину використовують у металевих (біметалевих) термометрах.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Які досліди дають змогу продемонструвати розширення тіл унаслідок їхнього нагрівання?

2.    Чому проводи ліній електропередач, які монтують улітку, не можна дуже натягувати?

3.    Чому трубопроводи обладнують компенсаторами розширення від нагрівання?

4.    Чому потрібно враховувати теплове розширення тіл під час будівництва?

5.    Чому в паспортах вимірювальних приладів і на мірах зазначають робочу температуру (найчастіше 20 °С)?

6.    Що являє собою біметалева пластина? Чому біметалева пластина згинається у разі нагрівання?

7.    Чому, муруючи печі, каміни, для скріплення цегли використовують глиняні, а не цементні розчини?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко