Тепловое расширение

Большая газовая горелка нагревает воздух в воздушном шаре, и шар поднимается в небо. Как это происходит? Все частицы вещества двигаются и сталкиваются друг с другом. Чем выше температура вещества, тем быстрее двигаются в нем частицы. Пространство между частицами увеличивается, и вещество расширяется. Чем теплее воздух, тем меньше его плотность. Теплый воздух в воздушном шаре значительно менее плотный, чем окружающий воздух, поэтому воздушный шар поднимается вверх.

Воздушный шар – это летательный аппарат простой конструкции.

Газы и жидкости расширяются больше, чем твердые тела

При нагревании вещество или материал расширяется. Больше всего расширяются газы. Принесенный в парную воздушный шарик существенно увеличивается в размерах. При охлаждении пространство между частицами уменьшается, и вещества сжимаются. Если шарик вынести из теплого помещения на улицу, его объем заметно уменьшится. Подобное расширение и сжатие веществ называют тепловым расширением. Тепловое расширение – это изменение объема вещества в результате изменения температуры.

Если перенести воздушный шарик из теплой среды в холодную, его объем уменьшится.

Жидкостный термометр работает по принципу теплового расширения жидкости. На шкале расположена тонкая трубка, в нижней части которой находится небольшая емкость с жидким веществом – окрашенным спиртом или ртутью. Когда температура вокруг емкости повышается, жидкость нагревается и расширяется. Вследствие увеличения объема жидкость поднимается по трубке. Верхняя граница жидкости показывает измеряемую температуру.

При нагревании объем жидкости увеличивается, и она поднимается по тонкой трубке.

Жидкости меньше расширяются при нагревании, чем газы. Расширение воды отличается от расширения прочих жидкостей. Вода имеет максимальную плотность при температуре 4 °C ,  и плотность уменьшается при охлаждении или нагревании воды. Это явление играет большую роль в жизни озера зимой. Наиболее плотная вода с температурой 4 °C  оседает на дно, а менее плотная вода с температурой 0 °C  поднимается к поверхности. Слой льда, который покрывает поверхность озера, препятствует его полному промерзанию. Поэтому жизнь в озере продолжается и зимой.

  • При строительстве мостов и дорог не нужно учитывать тепловое расширение.
  • Вода имеет максимальную плотность при температуре 4 °C.
  • Газообразные и жидкие вещества одинаково расширяются при нагревании.
  • Если поместить воздушный шарик в холодильник, объем шарика уменьшится.

Подумай!

  • Что происходит с телом при его нагревании?
  • Что можно сказать о влиянии теплового расширения на физические величины тела на основании формулы плотности ρ = m V ?
  • Какую наименьшую температуру можно измерить при помощи ртутного и спиртового термометров? Найди в Интернете.
  • Почему горные породы трескаются при замерзании воды? Дай ответ на основании графика плотности воды и формулы плотности.

Расширение твердых веществ

Твердые вещества расширяются мало, но даже незначительное расширение важно для строительства и техники. При строительстве домов и железных дорог учитывается продольное расширение. Чтобы избежать разрушения конструкций при изменении температуры, оставляются швы расширения.

Железнодорожные рельсы невозможно приварить друг к другу, так как их длина меняется в зависимости от температуры.
Шов расширения моста.
Тепловое расширение металлического шарика больше не позволяет ему пройти через кольцо.

Шов расширения необходим для того, чтобы...

  • избежать расширения конструкции при увеличении температуры.
  • оставить место для расширения конструкции при повышении температуры.
  • сквозь конструкцию мог проходить воздух.

Подумай!

  • Почему стеклянный стакан может лопнуть, если налить горячую воду?

Материалы расширяются по-разному

При нагревании металлического прута увеличивается его объем. Наиболее заметно изменение длины. Чем длиннее прут или чем больше повышается температура, тем больше увеличивается длина. Все металлы расширяются по-разному. Если одинаково нагреть алюминиевый и медный прут, длина алюминиевого прута увеличится больше, чем медного. При охлаждении алюминий сжимается больше, чем медь. При вычислении продольного расширения используют коэффициент линейного расширения.

Коэффициент линейного расширения показывает, насколько удлиняется материал длиной 1 метр при повышении температуры на 1 градус. Коэффициент линейного расширения алюминия равен 0,023  мм °C ,  а меди – 0,017  мм °C .  Если скрепить медную полоску с алюминиевой при помощи заклепок или сварки, то получится материал, который называют биметаллом. При изменении температуры биметалл изгибается, поскольку скрепленные металлы удлиняются в разной степени. Такой материал используется в термометрах. На спираль из биметалла устанавливают стрелку. При изменении температуры биметалл изгибается, и стрелка показывает на соответствующее значение шкалы.

Биметалл из медной и алюминиевой пластин длиной 1 м .  При повышении температуры на 10 °C  алюминий удлиняется на 0,23 мм ,  медь – на 0,17 мм ,  и пластина изгибается в направлении меди. При падении температуры на 10 °C  пластина изгибается в направлении алюминия.
Биметаллический термометр.

Подумай!

  • На сколько увеличится длина алюминиевой и медной пластин биметаллического термометра при повышении температуры на 25°C?

Основные понятия

  • Тепловое расширение – изменение объема вещества в результате изменения температуры.
  • Коэффициент линейного расширения показывает, насколько удлиняется материал длиной 1 метр при повышении температуры на 1 градус.
  • Биметалл – материал, созданный путем скрепления слоев двух разных металлов. Биметалл изгибается при изменении температуры из-за разных коэффициентов линейного расширения металлов.
Өтінемін күте тұрыңыз