Где учитывается тепловое расширение тел. Применение различного расширение тел в быту. Тепловое расширение рельса

Общеизвестно, что твердые тела при нагревании увеличивают свой объем. Это - тепловое расширение. Рассмотрим причины, приводящие к увеличению объема тела при нагревании.

Очевидно, что объем кристалла растет с увеличением среднего расстояния между атомами. Значит, повышение температуры влечет за собой увеличение среднего расстояния между атомами кристалла. Чем же обусловлено увеличение расстояния между атомами при нагревании?

Повышение температуры кристалла означает увеличение энергии теплового движения, т. е. тепловых колебаний атомов в решетке (см. стр. 459), а следовательно, и рост амплитуды этих колебаний.

Но увеличение амплитуды колебаний атомов не всегда приводит к увеличению среднего расстояния между ними.

Если бы колебания атомов были строго Уармоническими, то каждый атом настолько же приближался бы к одному из своих соседей, насколько удалялся от другого, и увеличение амплитуды его колебаний не привело бы к изменению среднего межатомного расстояния, а значит, и к тепловому расширению.

В действительности атомы в кристаллической решетке совершают ангармонические (т. е. не гармонические) колебания. Это Обусловлено характером зависимости сил взаимодействия между/атомами от расстояния между ними. Как было указано в начале настоящей главы (см. рис. 152 и 153), зависимость эта такова, что при больших расстояниях между атомами силы взаимодействия между атомами проявляются как силы притяжения, а при уменьшении этого расстояния меняют свой знак и становятся силами отталкивания, быстро возрастающими с уменьшением расстояния.

Это приводит к тому, что при возрастании «амплитуды» колебаний атомов вследствие нагревания кристалла рост сил отталкивания между атомами преобладает над ростом сил притяжения. Другими словами, атому «легче» удалиться от соседа, чем приблизиться к другому. Это, конечно, должно привести к увеличению среднего расстояния между атомами, т. е. к увеличению объема тела при его нагревании.

Отсюда следует, что причиной теплового расширения твердых тел является ангармоничность колебаний атомов в кристаллической решетке.

Количественно тепловое расширение характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения, которые определяются следующим образом. Пусть тело длиной I при изменении температуры на градусов изменяет свою длину на Коэффициент линейного расширения определяется из соотношения

т. е. коэффициент линейного расширения равен относительному изменению длины при изменении температуры на один градус. Точно так же коэффициент объемного расширения определяется формулой

т. е. коэффициент равен относительному изменению объема отнесенному к одному градусу.

Из этих формул следует, что длина и объем при некоторой температуре, отличающейся от начальной на градусов, выражаются формулами (при малом

где начальные длина и объем тела.

Вследствие анизотропии кристаллов коэффициент линейного расширения а может быть различным в разных направлениях. Это означает, что если из данного кристалла выточить шар, то после его нагревания он потеряет свою сферическую форму. Можно показать, что в самом общем случае такой шар при нагревании превращается в трехосный эллипсоид, оси которого связаны с кристаллографическими осями кристалла.

Коэффициенты теплового расширения по трем осям этого эллипсоида называются главными коэффициентами расширения кристалла.

Если их обозначить соответственно через то коэффициент объемного расширения кристалла

Для кристаллов с кубической симметрией, так же как и для изотропных тел,

Шар, выточенный из таких тел, остается шаром и после нагревания (разумеется, большего диаметра).

В некоторых кристаллах (например, гексагональных)

Коэффициенты линейного и объемного расширения практически остаются постоянными, если интервалы температур, в которых они измеряются, малы, а сами температуры высокие. Вообще же коэффициенты теплового расширения зависят от температуры и притом так же, как теплоемкость, т. е. при низких температурах коэффициенты уменьшаются с понижением температуры пропорционально кубу температуры, стремясь, как и теплоемкость,

к нулю при абсолютном нуле. Это неудивительно, так как и теплоемкость, и тепловое расширение связаны с колебаниями решетки: теплоемкость дает количество теплоты, необходимое для увеличения средней энергии тепловых колебаний атомов, зависящей от амплитуды колебаний, коэффициент же теплового расширения непосредственно связан со средними расстояниями между атомами, которые тоже зависят от амплитуды атомных колебаний.

Отсюда следует важный закон, открытый Грюнейзеном: отношение коэффициента теплового расширения к атомной теплоемкости твердого тела для данного вещества есть величина постоянная (т. е. не зависящая от температуры).

Коэффициенты теплового расширения твердых тел обычно очень малы, как это видно из табл. 22. Приведенные в этой таблице значения коэффициента а относятся к интервалу температур между и

Таблица 22 (см. скан) Коэффициенты теплового расширения твердых тел

Некоторые вещества имеют особенно малый коэффициент теплового расширения. Таким свойством отличается, например, кварц Другим примером может служить сплав никеля и железа (36% Ni), известный под названием инвар Эти вещества получили широкое применение в точном приборостроении.

Дифференциальное расширение имеет большое прикладное значение. Иногда очень трудно открыть метал-лические завинчивающиеся крышки на стеклянных или пластмассовых бутыл-ках. Если верхнюю часть бутылки подержать под струей горячей воды, то металл расширится больше, чем стекло или пластмасса, и крышка легко откроется.

Стеклянная пробка, плотно вошедшая в горлышко стеклянной бутылки, также может быть вынута, если горлышко подержать под струей горячей воды. Хотя коэффициент расширения горлышка такой же, как и у пробки, но стекло очень , и горлышко расширится до того, как пробка станет горячей, и пробку можно легко вынуть.

Расширение стекла часто становится предметом неприятностей дома. При наполнении стеклянной посуды горячей жидкостью она часто лопается. Причина состоит в том, что часть стекла, соприкасающаяся с горячей жидкостью, очень быстро приобретает температуру жидкости и расширяется, в то время как остальная часть остается холодной, поскольку стекло плохой проводник.

В результате внутри стекла устанавливается напряжение, и посуда лопается. При приготовлении джема предусмотрительный повар подогревает сосуд в духовке, прежде чем наполнить его джемом. Этим достигается то, что и стекло, и джем нагреваются до примерно одинаковой температуры. Ценная посуда из граненого стекла будет сохранена, если вы подумаете, стоит ли ее опускать в горячую воду.

Различное тепловое расширение в быту

Период маятника зависит от длины самого маятника. Когда температура повышается, длина маятника увеличивается и увеличивается период его колебаний. Маятник колеблется более медленно. На рисунке показаны два вида компенсированного маятника. На рисунке 1, а стержень сделан из инвара, а тело маятника-чечевица — из стали.

Расширение инвара по направлению вниз компенсируется расширением чечевицы вверх. При этом положение центра тяжести, а следовательно, и остаются неизменными. Для установки нужного периода колебаний маятника положение чечевицы регулируется винтом. Будучи однажды установленным в нужном положении, такой маятник самокомпенсируется.

На рисунке 1, б показан более сложный маятник. Незаштрихованные стержни имеют больший и расширяются достаточно, чтобы компенсировать расширение более длинных заштрихованных стержней. В наше время, когда большинство зданий снабжено центральным отоплением, в них поддерживается более или менее постоянная температура, но по-прежнему важно компенсировать тепловые эффекты.

В термостате газовой духовки (рис. 2) используется различное тепловое расширение металлов. Газ подается по вводной трубе и проходит через отверстия D, Е и F к горелкам. Цилиндр В сделан из латуни, а стержень А — из инвара. Когда температура духовки поднимается, латунь расширяется гораздо сильнее инвара, заставляя клапан С сдвинуться влево и закрыть отверстия Е и F.

Таким образом подача газа в духовку сокращается, и газ горит слабо. Отверстие D необходимо для приема газа, чтобы не дать погаснуть горелкам, когда клапан закрыт. По мере охлаждения цилиндр В сжимается, и клапан С сдвигается вправо, допуская большее количество газа к горелкам. Внешний регулятор G позволяет закручивать или отпускать клапан С, таким образом уменьшая или увеличивая струю газа и сокращая или повышая температуру в духовке.

Билет №3

«Тепловое расширение тел. Термометр. Шкалы температур. Значение теплового расширения тел в природе и технике. Особенности теплового расширения воды»

Тепловое расширение - изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры.

Причина : увеличивается температура тела -> увеличивается скорость движения молекул -> увеличивается амплитуда колебаний -> увеличивается расстояние между молекулами, а значит, и размеры тела.

Различные тела при нагревании расширяются по-разному, т. к. массы молекул различны, следовательно, различается кинетическая энергия и межмолекулярные расстояния изменяются по-разному.

Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется объёмным коэффициентом теплового расширения (β).

V=V0(1+β(tконечная-tначальная))

Где V – объем тела при конечной температуре, V0 - объем тела при начальной температуре

Для характеристики теплового расширения твёрдых тел дополнительно вводят коэффициент линейного теплового расширения (α)

l=l0 (1+α(tконечная-tначальная))

Где l – длина тела при конечной температуре, l0 - длина тела при начальной температуре

Термо́метр - прибор для измерения температуры

Действие термометра основано на тепловом расширении жидкости.

Изобретен Галилеем в 1597 году.

Виды термометров:

· ртутные (от -35 до 750 градусов Цельсия)

· спиртовые (от -80 до 70 градусов Цельсия)

· пентановые (от -200 до 35 градусов Цельсия)

Шкалы:

Шкала Фаренгейта . Фаренгейт в 1732 г. - наполнял трубки спиртом, позже перешел к ртути. Нуль шкалы – температура смеси снега с нашатырем или поваренной солью. Замерзание воды – 32°F. Температура здорового человека – 96°F. Вода кипит при 212°F.

Шкала Цельсия . Шведский физик Цельсий в 1742 г. Температура замерзания жидкости - 0°C, а кипения - 100°C

Шкала Кельвина . В 1848 г. английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин). Точка отсчета – «абсолютный нуль» - -273,15°С. При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. 1°К=1°С

На самом деле, абсолютный нуль не достижим .

В быту и технике тепловое расширение имеет очень большое значение. На электрических железных дорогах необходимо зимой и летом сохранять постоянное натяжение провода, питающего энергией электровозы. Для этого натяжение провода создается тросом, один конец которого соединен с проводом, а другой перекинут через блок и к нему подвешен груз.

При сооружении моста один конец фермы кладется на катки. Если этого не сделать, то при расширении летом и сжатии зимой ферма будет расшатывать устои, на которые опирается мост.

При изготовлении ламп накаливания часть провода проходящего внутри стекла необходимо делать из такого материала, коэффициент расширения которого такой же как у стекла иначе оно может треснуть.

Провода ЛЭП никогда не натягивают во избежание разрыва.

Паропроводы снабжают изгибами, компенсаторами.

Тепловое расширение воздуха играет большую роль в явлениях природы . Тепловое расширение воздуха создает движение воздушных масс в вертикальном направлении (нагретый, менее плотный воздух поднимается вверх, холодный и менее плотный вниз). Неравномерный нагрев воздуха в разных частях земли приводит к возникновению ветра. Неравномерный разогрев воды создает течения в океанах.

При нагревании и охлаждении горных пород вследствие суточных и годовых колебаний температуры (если состав породы неоднороден) образуются трещины, что способствует разрушению пород.

Самое распространенное на поверхности Земли вещество - вода - имеет особенность, отличающую ее от большинства других жидкостей. Она расширяется при нагревании только свыше 4 °С. От 0 до 4 °С объем воды, наоборот, при нагревании уменьшается. Таким образом, наибольшую плотность вода имеет при 4 °С. Эти данные относятся к пресной (химически чистой) воде. У морской воды наибольшая плотность наблюдается примерно при 3 °С. Увеличение давления тоже понижает температуру наибольшей плотности воды.

Экзамен по физике за 8 класс.

2. Тепловое движение.

Все тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном движении. Нам уже известно что, диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Это означает что скорость движения молекул и температура связаны между собой. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, при понижении уменьшается. Следовательно, температура тела зависит от скорости движения молекул. Явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел называются тепловыми. Например, охлаждение воздуха, таяние льда. Каждая молекула в теле движется по очень сложной траектории. Так, например частицы газа движутся на больших скоростях в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда.

Беспорядочное движение частиц, из которых состоит тело, называется тепловым движением .

Расширение твердых тел.

При нагревании амплитуда колебания молекул увеличивается, расстояние между ними возрастает, и тело заполняет больший объем. Твердые тела при нагревании расширяются во всех направлениях.

Расширение жидкостей.

Жидкости расширяются значительно сильнее твердых тел. Они также расширяются во всех направлениях. Вследствие большой подвижности молекул жидкость принимает форму сосуда, в котором находится.

Учет и использование теплового расширения в технике.

В быту и технике тепловое расширение имеет очень большое значение. На электрических железных дорогах необходимо зимой и летом сохранять постоянное натяжение провода, питающего энергией электровозы. Для этого натяжение провода создается тросом, один конец которого соединен с проводом, а другой перекинут через блок и к нему подвешен груз.

Приведенные выше примеры далеко не исчерпывают роль и различные применения теплового расширения в быту и технике.

Термометры.

Термометры всегда показывают собственную температуру. Только через определенное время эта температура становится равной температуре окружающей среды. Иначе говоря, термометрам свойственна определенная инерционность.

Жидкостные термометры.

Длина столбика жидкости ртути, спирта, толуола, пентана и других служит мерой температуры. Интервал измерения ограничен температурами кипения и замерзания жидкости в термометре.

Металлические термометры.

Металлический термометр представляет собой биметаллическую пластину, т. е пластинку, сваренную из полосок двух различных металлов. Вследствие разницы в тепловых расширениях металлов пластинка при нагревании будет изгибаться. Из длинной пластинки сгибают спираль. Наружный конец спирали закрепляют, а к внутреннему прикрепляют стрелку, которая указывает по шкале определённую температуру

Термометры сопротивления.

Сопротивление металлов меняется с температурой. Сила тока в цепи зависит от сопротивления проводника, а следовательно и от его температуры. Преимущество термометра сопротивления состоит в том, что измерительный прибор и место, где измеряется температура могут быть разнесены на приличное расстояние.

Особенности теплового расширения воды.

Коэффициент объемного расширения слабо зависит от температуры. Вода является исключением и коэффициент расширения воды сильно зависит от температуры, а в интервале от 0 до 4 градусов С принимает отрицательное значение. Другими словами объём воды уменьшается от 0 до 4 градусов С, а затем возрастает.

Значение теплового расширения в природе.

Тепловое расширение воздуха играет большую роль в явлениях природы. Тепловое расширение воздуха создает движение воздушных масс в вертикальном направлении (нагретый, менее плотный воздух поднимается вверх, холодный и менее плотный вниз). Неравномерный нагрев воздуха в разных частях земли приводит к возникновению ветра. Неравномерный разогрев воды создает течения в океанах.

Из предыдущих параграфов нам известно, что все вещества состоят из частиц (атомов, молекул). Эти частицы непрерывно хаотически движутся. При нагревании вещества движение его частиц становится более быстрым. При этом увеличиваются расстояния между частицами, что приводит к увеличению размеров тела.

Изменение размеров тела при его нагревании называется тепловым расширением .

Тепловое расширение твердых тел легко подтвердить опытом. Стальной шарик (рис. 87, а, б, в), свободно проходящий через кольцо, после нагревания на спиртовке расширяется и застревает в кольце. После охлаждения шарик вновь свободно проходит через кольцо. Из опыта следует, что размеры твердого тела при нагревании увеличиваются, а при охлаждении - уменьшаются.

Рис. 87

Тепловое расширение различных твердых тел неодинаково .

При тепловом расширении твердых тел появляются огромные силы, которые могут разрушать мосты, изгибать железнодорожные рельсы, разрывать провода. Чтобы этого не случилось, при конструировании того или иного сооружения учитывается фактор теплового расширения. Провода линий электропередачи провисают (рис. 88), чтобы зимой, сокращаясь, они не разорвались.

Рис. 88

Рис. 89

Рельсы на стыках имеют зазор (рис. 89). Несущие детали мостов ставят на катки, способные передвигаться при изменениях длины моста зимой и летом (рис. 90).

Рис. 90

А расширяются ли при нагревании жидкости? Тепловое расширение жидкостей тоже можно подтвердить на опыте. В одинаковые колбы нальем: в одну - воду, а в другую - такой же объем спирта. Колбы закроем пробками с трубками. Начальные уровни воды и спирта в трубках отметим резиновыми кольцами (рис. 91, а). Поставим колбы в емкость с горячей водой. Уровень воды в трубках станет выше (рис. 91, б). Вода и спирт при нагревании расширяются. Но уровень в трубке колбы со спиртом выше. Значит, спирт расширяется больше. Следовательно, тепловое расширение разных жидкостей , как и твердых веществ, неодинаково .

Рис. 91

А испытывают ли тепловое расширение газы? Ответим на вопpoс с помощью опыта. Закроем колбу с воздухом пробкой с изогнутой трубкой. В трубке (рис. 92, а) находится капля жидкости. Достаточно приблизить руки к колбе, как капля начинает перемещаться вправо (рис. 92, б). Это подтверждает тепловое расширение воздуха при его даже незначительном нагревании. Причем, что очень важно, все газы, в отличие от твердых веществ и жидкостей, при нагревании расширяются одинаково .

Рис. 92

Подумайте и ответьте 1. Что называют тепловым расширением тел? 2. Приведите примеры теплового расширения (сжатия) твердых тел, жидкостей, газов. 3. Чем отличается тепловое расширение газов от теплового расширения твердых тел и жидкостей?

Сделайте дома сами

Используя пластиковую бутылку и тонкую трубку для сока, проведите дома опыт по тепловому расширению воздуха и воды. Результаты опыта опишите в тетради.

Интересно знать!

Нельзя после горячего чая сразу пить холодную воду. Резкое изменение температуры часто приводит к порче зубов. Это объясняется тем, что основное вещество зуба - дентин - и покрывающая зуб эмаль при одном и том же изменении температуры расширяются неодинаково.