§ 5. Теплове розширення твердих тіл, рідин, газів

Думки вголос

Я зможу пояснити теплову зміну лінійних і об’ємних розмірів твердих тіл, особливості теплового розширення рідин і газів. Ознайомлюсь з тим, як застосовують знання теорії фізичних процесів.

Наукові дослідження свідчать, що більшість речовин у різних агрегатних станах під час нагрівання розширюються, а під час охолодження стискаються. У цьому можна пересвідчитися на простих дослідах.

Дослід 1. Теплове розширення твердих тіл

Скористаємося приладом для демонстрування розширення твердого тіла під час нагрівання (мал. 23).

У холодному стані металева кулька вільно проходить через металеве кільце (мал. 23, а). Нагріємо кульку в полум’ї спиртівки (мал. 23, б) і спробуємо знову пропустити розпечену кульку крізь кільце. Бачимо, що це не вдається. Кулька застрягла в кільці, крізь яке вона вільно проходила у холодному стані (мал. 23, в). Єдиним поясненням цього є збільшення розмірів кульки унаслідок її нагрівання.

Чому розміри кульки збільшилися внаслідок нагрівання?

Знаючи особливості внутрішньої будови твердих тіл, ти це зможеш пояснити. Мікрочастинки кульки внаслідок підвищення її температури стали рухатися швидше і з більшою амплітудою, відстань між ними зросла, у результаті збільшився діаметр кульки, а отже, і її об’єм.

Дослід 2. Теплове розширення рідин

Укріпимо на штативі скляну колбу, наповнену підфарбованою водою. Горловина колби міцно закоркована, через корок пропущено тонку скляну трубку, до певного рівня також заповнену тією самою рідиною. Під колбу встановимо спиртівку (мал. 24, а).

Підпалимо ґніт спиртівки й почнемо нагрівати воду в колбі. З часом помітимо, що за відповідної температури висота стовпчика рідини сягнула більшої висоти (мал. 24, б). Зрозуміло, що внаслідок нагрівання рідини її об’єм збільшився — відбулося розширення рідини.

Ще можна продемонструвати це явище, скориставшись рідинним термометром. Зануримо його спочатку в холодну воду (мал. 25, а), a потім — у гарячу (мал. 25, б), адже принцип дії рідинного термометра полягає у явищі розширення рідини внаслідок її нагрівання. На малюнках умовно холодна вода показана синім кольором, а гаряча — червоним.

Рідини розширюються значно сильніше за тверді тіла. Про лінійне розширення рідин говорити не можна, оскільки рідина не має певної форми. У рідині мікрочастинки можуть здійснювати поступальний рух, тому рідина не зберігає форми. А за рахунок того, що мікрочастинки здійснюють коливальні й обертальні рухи навколо положень рівноваги, рідина за певної температури зберігає об’єм. Із збільшенням температури зростають відстані між мікрочастинками, що призводить до зміни об’єму тіла. Різні рідини за однакового нагрівання розширюються неоднаково.

Дослід 3. Теплове розширення газів

Скористаємося закоркованою колбою з тонкою трубкою, як у досліді на малюнку 24, але цього разу порожньою, тобто заповненою повітрям. Закріпимо колбу у штативі в нахиленому положенні так, щоб тонка трубка занурилася у склянку з водою. Будемо підігрівати колбу полум’ям спиртівки (мал. 26). Незабаром побачимо, що з трубки у воду виходять повітряні бульбашки і спливають вгору.

Загасимо спиртівку і будемо спостерігати, як внаслідок поступового охолодження в колбі буде стискатися повітря зі зменшенням об’єму. Bono таким чином звільнить частину простору, який заповнюватиме вода, заходячи в трубку.

Висновок. Гази внаслідок нагрівання розширюються, а під час охолодження — стискаються.

У газах молекули рухаються поступально хаотично із великою швидкістю, тому гази не мають визначеного об’єму і власної форми. Із збільшенням температури поступальні рухи мікрочастинок газу стають швидшими. Для здійснення рухів їм потрібно більше простору, як наслідок — розширення.

Явище залежності об’єму та лінійних розмірів тіл від температури широко використовують у техніці під час конструювання пристроїв, машин і споруд (наприклад, на цьому явищі базується принцип дії біметалічного термометра, а також термореле в електропрасці). Але це явище треба враховувати, наприклад, у конструкціях споруд, щоб теплове видовження або скорочення окремих деталей у випадку великої зміни робочих температур не призвело до руйнування споруд або пристроїв.

На малюнку 27 показано приклади врахування теплового розширення в техніці.

Завдання до малюнка 27. Як враховують теплове розширення у кожному зображеному прикладі?

Хвилинка здоров’я

Чому стоматологи кажуть, що тютюновий дим шкодить зубам?

Температура тютюнового диму на 35-40 ⁰C вища за температуру повітря, що входить до ротової порожнини під час куріння. У результаті в роті відбувається досить різкий перепад температур. Під час викурювання однієї сигарети відбувається 15-20 таких перепадів, що погано впливає на стан зубної емалі — вона з часом тріскається (мал. 28).

У газовій фракції тютюнового диму міститься дьоготь, який під час охолодження переходить в рідкий стан. Дьоготь, осідаючи на зубах, забарвлює їх у жовто-коричневий колір. Ти цього бажаєш?

Для тих, хто хоче знати більше

***Як розрахувати теплове видовження твердого стрижня?

На малюнку 29 вгорі зображено металевий стрижень за певної початкової температури, а під ним — той самий стрижень, видовжений внаслідок нагрівання.

Нехай за температури t₀ довжина, наприклад, сталевого стрижня дорівнює I₀. Внаслідок нагрівання стрижня на At градусів до температури t довжина стрижня збільшилася до /. Тоді абсолютне лінійне видовження стрижня дорівнюватиме Al = I - I₀. За цією формулою можна визначити, на скільки збільшилась довжина залізничної рейки внаслідок різниці температур влітку та взимку.

Розглянемо відносне видовження стрижня, тобто відношення його абсолютного видовження до початкової довжини:

Із дослідів відомо, що у випадку невеликих змін температури відносне видовження твердих тіл прямо пропорційне зміні температури At₁ тобто

де а — температурний коефіцієнт лінійного розширення.

За цією формулою можна визначити довжину стрижня / за даної температури t, якщо відомі його початкова довжина /₀і підвищення температури At:

І = /₀( I + OiAt)

Температурний коефіцієнт лінійного розширення залежить від речовини, із якої виготовлено стрижень, і від температури. Але якщо її зміни невеликі, то а можна вважати сталою характеристикою даної речовини у певному діапазоні температур, яку наводять у таблицях. Значення температурного коефіцієнта лінійного розширення подають в обернених градусах Цельсія (°С^-1). Він показує, на яку частку зміниться початкова довжина стрижня внаслідок зміни температури па 1 °С.

Значення а для деяких речовин наведено в таблиці 4. ¹

Таблиця 4

рахунку теплового лінійного видовження твердого тіла. Кінцева формула має подібний вигляд:

F = F₀(l + βΔί),

де F — об’єм рідини за даної температури t, F₀ — початковий об’єм рідини за температури t_Qy At — зміна температури рідини під час нагрівання, β — температурний коефіцієнт об'ємного розширення рідини. Розмірність температурного коефіцієнта об’ємного розширення рідини така сама — обернені градуси Цельсія, тобто [β] = ⁰C"¹. Температурний коефіцієнт об’ємного розширення показує, на яку частину від початкового збільшився об’єм рідини в разі зміни її температури на 1 °С. Наведену формулу можна застосовувати і для розрахунку об’єму твердого тіла, але за умови, що воно однорідне у всіх напрямах (ізотропне). За таких умов значення β = За. У таблиці 5 наведено значення коефіцієнта β для деяких рідин.

Таблиця 5

***Приклади розв’язування задач. Довжина газопроводу Київ—Берлін за 0 °С дорівнює 1300 км. На скільки довшим став би газопровід за сезонної зміни температури повітря від -38 до 42 °С, якби стальні труби не були укладені в землю?

Увага! Нераціонально обчислювати спочатку I₁₉ потім I₂, а тоді вже знаходити I₂ - I₁.

Підсумки

•    Тверді тіла, рідини, гази розширюються під час нагрівання і стискаються під час охолодження.

•    Важливо знати закони лінійного й об’ємного розширення для твердих тіл.

Перевір свої знання

*1. Вивчи будову медичного термометра (при цьому треба бути дуже обережним і не розбити термометр — ртуть дуже небезпечна) і дай відповіді на запитання:

а)    з якою метою трубка, у якій знаходиться ртуть, зроблена такою тонкою?

б)    яка речовина розширюється сильніше: ртуть чи скло?

2*. Яку властивість ртуті використано в медичному термометрі?

З*. Чому на лінії електропередач проводи кріплять з провисанням?

4*. Назви приклади врахування теплового розширення на залізниці, під час будівництва мостів.

5**. Чи буде впливати зміна зазорів між поршнем і циліндром в двигуні автомобіля на ККД?

6**. Прямокутну металеву пластинку нагріли в полум’ї нагрівача, при цьому вона розширилася. Чи зміниться при цьому її довжина і товщина?

7**. Як зміниться внутрішній діаметр металевого кільця (див. малюнок) при нагріванні?

8**. Лінійний коефіцієнт теплового розширення для алюмінія при 20 °С а = 23 · 10~⁶ 1/°С, a для міді а = 17 · 10^_6 1/°С. Який із цих металевих дротів за однакового нагрівання й однакової початкової довжини стане довшим?

9**. Між двома стовпами натягнуто залізний, мідний та алюмінієвий дроти. Який із них провисне більше зі зміною температури на 10 °С? (а = 14 · 10-⁶ 1/°С)

10**. Чи зміниться період коливань сталевого маятника внаслідок нагрівання?

11**. Чому за нагрівання й охолодження залізобетонних конструкцій залізо в них не відділяється від бетону?

12***. Стальний стрижень при 0 ⁰C мав довжину 120 м. На скільки довшим стане стальний стрижень за температури 50 °С? Яка буде довжина цього стрижня взимку за температури -35 °С?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Сердюченко