§ 5. Залежність розмірів фізичних тіл від температури

У твердих тіл, рідин і газів має місце об'ємне розширення - зміна об'єму при нагріванні. У твердих тіл спостерігається також лінійне розширення - зміна довжини, ширини і висоти тіла.

► 1. Теплове розширення — важлива теплова властивість речовини.

Досліди і спостереження дозволяють нам впевнитися в тому, що при підвищенні температури розміри тіл незначно збільшуються, а при охолодженні -зменшуються до попередньої величини. Це прояв однієї з важливих властивостей речовин, яка зумовлена характером теплового руху атомів і молекул - теплове розширення. У твердих тіл, рідин і газів має місце об'ємне розширення -зміна об’єму при нагріванні. У твердих тіл спостерігається також лінійне розширення - зміна довжини, ширини і висоти тіла. Чим зумовлюється теплове розширення тіл? Очевидно, що при нагріванні будь-якого фізичного тіла, швидкість теплового руху його атомів і молекул збільшується. Внаслідок цього молекули після взаємодій розходяться на більші відстані, а, отже, збільшується об’єм речовини. У твердих тілах при нагріванні збільшується амплітуда коливань частинок біля положень рівноваги, що теж призводить до збільшення об’єму.

Найбільшого теплового розширення зазнають гази, найменшого - тверді тіла. Так, при нагріванні на I⁰C гази збільшу-

1

ють свій об’єм на об’єму, який вони

ZlO

мають при O⁰C. Залізо при нагріванні на I⁰C лінійно розширюється на 0,012 мм на кожний метр довжини (рис. 31).

2. Теплове об’ємне розширення тіл.

Виведемо формулу для визначення залежності об’єму тіла від температури. Припустимо, що V₀ - початковий об’єм тіла (об’єм при температурі i₀); V- об’єм тіла при температурі t.

Тоді при нагріванні тіла на At ⁰C його об’єм збільшиться, на - це є абсолютна зміна об’єму тіла.

Тепер запишемо відносну зміну об’єму тіла - це відношення абсолютної зміни об’єму тіла AV до його початкового значення F₀:

Якщо тіло нагрівається на At градусів (Δί = t - t_Q), то відносна зміна об’єму тіла дорівнюватиме:

Ця величина позначається літерою β і називається коефіцієнтом об'ємного розширення.

першому степені(град¹ або K¹).

3.    Теплове лінійне розширення твердих тіл

Для практичних розрахунків при конструюванні виробів з твердих тіл частіше враховують зміну лінійного розширення. Аналогічно до визначення об’ємного розширення, одержимо:

I = I₀ (1+αΔί),

де І - довжина тіла при даній температурі; Z₀ - довжина тіла при початковій температурі.

а - коефіцієнт лінійного розширення (видовження) тіла. Він залежить від природи речовини.

4.    Урахування теплового розширення твердих тіл в практичній діяльності.

Експериментально встановлено, що при рівномірному нагріванні тверді тіла розширюються у всіх напрямах однаково і зберігають свою форму.

Виконаємо такий дослід. Залізну кульку підвісимо на нитці до штативу так, щоб вона вільно проходила крізь кільце, діаметр якого майже дорівнює діаметру кульки (рис. 32, а). Тепер нагріємо цю кульку на спиртівці (рис. 32, б) і спробуємо пропустити її крізь кільце (рис. 32, в). Побачимо, що кулька крізь нього не проходить, що свідчить про збільшення π діаметру. Після охолодження кулька знову вільно пройде крізь кільце - це означає, що при охолодженні діаметр кульки зменшився і зрівнявся з початковим значенням.

Теплове розширення твердих тіл значно менше, ніж теплове розширення рідин, та у сотні і тисячі разів менше від розширення газів. Але сили пружності, які виникають у твердих тілах внаслідок теплового розширення, бувають значними. Тому теплове розширення враховують при конструюванні багатьох споруд. Не можна, наприклад, туго натягувати електричні проводи між стовпами ліній електропередач, тому що при зниженні температури повітря їх розміри можуть зменшитися. Навпаки, у спеку, проводи розширюються, що призводить до їх провисання (рис. 33). Металеві трубопроводи обладнують спеціальними згинами у вигляді петель, які компенсують лінійне видовження металевих труб влітку та відповідне скорочення в холодну пору року. Металеві мости закріплюють лише з одного боку, а інший розміщують на спеціальних катках. Подивіться на залізничні рейки - їх не кладуть щільно одна до одної, а залишають між ними проміжки, тому що у сильну спеку вони можуть видовжитися й лопнути.

Теплове розширення призводить до деформації тіла, в якому при цьому виникають сили пружності.

У техніці й будівництві різнорідні матеріали, що періодично нагріваються та охолоджуються, слід добирати так, щоб їх лінійні розміри при коливаннях температури змінювались однаково. Так, залізо і бетон розширюються однаково, що дає можливість будувати залізобетонні споруди.

► 5. Особливості теплового розширення рідин. Аномалія води.

усіх газів майже однако-

Інакше кажучи, під час нагрівання при сталому

маси газу збільшується

ця маса газу займала

Рідини розширюються під час нагрівання значно сильніше, ніж тверді тіла, оскільки зв’язок між молекулами у них слабкіший. Рідини розширюються так само у всіх напрямах. Оскільки вони не зберігають своєї форми, то поняття теплового лінійного розширення до них незастосовне.

Важливо пам’ятати, що внаслідок великої рухливості молекул рідина набуває форму посудини, в якій вона міститься. Тому при обчисленнях теплового розширення рідини слід враховувати і теплове розширення посудини.

6. Особливості теплового розширення газів.

Гази розширюються під час нагрівання значно більше, ніж рідини і тверді тіла. І це зрозуміло. Молекули газу дуже слабко зв’язані між собою і в разі підвищення температури швидкість їх теплового руху значно зростає. Але при дослідженні залежності об’єму газу від температури слід мати на увазі, що дана маса газу займає весь об’єм посудини, який їй надано, та створює той чи інший тиск. Тому фізичний стан газу одночасно визначається трьома його параметрами: об’ємом V₉ тиском р та температурою, при цьому ці параметри взаємозв’язані.

ПОГЛИБТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Найпоширеніша на Землі рідина - вода, має особливу властивість у своєму тепловому розширенні. Ця особливість дістала назву аномалії (відхилення від норми) теплового розширення води. На відміну від інших рідин при нагріванні води від 0 до 4°С її об’єм не збільшується, а зменшується, і, лише починаючи з 4°С, починає зростати. Отже, при температурі 4 ⁰C вода має мінімальний об’єм, тому її густина при цьому найбільш. Ця властивість води має важливе значення для клімату на Землі та життя у воді, у великих і малих водоймах. У великих водоймах (морях, океанах) це сприяє перемішуванню і прогріванню води. У невеликих водоймах це забезпечує рослинне і тваринне життя. На дні великих озер вода цілий рік зберігає температуру, не нижчу за +4°С. Якби густина води весь час зменшувалась, то вся вода в озері (ставку) охолоджувалася б до температури O⁰C і у випадку довгої суворої зими водойми промерзали б до дна.

За літо вони б не встигали відмерзати. Цим було б унеможливлене життя риб та інших організмів у воді. Уважно роздивіться рисунок 34, який відображає наслідки аномалії теплового розширення води.

Зв’язок фізики з іншими науками

Вода - це унікальна і загадкова речовина, яка відіграла визначальну роль у виникненні та розвитку життя на Землі. Властивості води багатогранні і на сьогодні не є повністю дослідженими. Вода завжди була об’єктом пильної уваги фізиків, але не менш ретельно її досліджують хіміки та біологи. Така плідна співпраця дозволяє ученим виявляти невідомі раніше властивості цієї дивної речовини. Проблемами води та її властивостей в Україні займається Інститут колоїдної хімії та хімії води імені А.В. Уманського Національної академії наук України (м. Київ). Учені систематизують відомості про фізичні, хімічні та біологічні влас-

тивості води та и численні унікальні аномалії. І, що особливо важливо, в інституті розроблено новий метод оцінки якості питної води та її безпеки, який не має аналогів у світі - біотестування води.

Подумайте і дайте відповідь

1.    Чому склянки з товстого скла тріскаються частіше, ніж з тонкого?

2.    До якої температури охолодиться вода на дні озера до того, як вона почне замерзати з поверхні? Відповідь поясніть.

3.    За якою формулою обчислюється об’єм тіла при тепловому розширенні? Що називають коефіцієнтом об’ємного розширення?

4.    Як пояснити той факт, що гази під час нагрівання розширюються більше, ніж тверді тіла і рідини?

5.    Назвіть приклади теплового розширення тіл та його практичного застосування.

6*. У чому полягають особливості теплового розширення води?

7*. Чим відрізняється коефіцієнт об’ємного розширення від коефіцієнта лінійного розширення?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 5.

1.    Чому склянки з товстого скла тріскаються частіше, ніж з тонкого?

2.    До якої температури охолодиться вода на дні озера до того, як вона почне замерзати з поверхні? Відповідь поясніть.

3.    Якщо температура повітря над льодом, що вкрив озеро, — 10⁰C, то яку температуру слід очікувати зверху на льоду? знизу у воді, що стикається з льодом? у воді на дні озера?

4.    На скільки збільшується об’єм даної маси газу при нагріванні на 1°С?

5*. Залізний бензобак автомобіля ємкістю 70 л повністю заповнений бензином при температурі 20°С. Автомобіль поставили на сонце у спекотну погоду, внаслідок чого бензин у баці розігрівся до 50°С. Чи може скластися така надзвичайна ситуація, коли бензин виллється з бака? Якщо це можливо, то яка маса бензину виллється?

6*. З металевого диска вирізали сектор (рис. 35). Чи змінюватиметься кут ф при нагріванні диска? Відповідь обґрунтуйте.

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Шут