Gdje se uzima u obzir toplinsko širenje tijela. Upotreba raznih produžetaka tijela u svakodnevnom životu. Toplotna ekspanzija šine

Dobro je poznato da čvrste materije povećavaju svoju zapreminu kada se zagrevaju. Ovo je termička ekspanzija. Razmotrimo razloge koji dovode do povećanja volumena tijela pri zagrijavanju.

Očigledno je da se volumen kristala povećava sa povećanjem prosječne udaljenosti između atoma. To znači da povećanje temperature povlači povećanje prosječne udaljenosti između atoma kristala. Što uzrokuje povećanje udaljenosti između atoma pri zagrijavanju?

Povećanje temperature kristala znači povećanje energije toplotnog kretanja, odnosno termičkih vibracija atoma u rešetki (vidi str. 459), a samim tim i povećanje amplitude ovih vibracija.

Ali povećanje amplitude vibracija atoma ne dovodi uvijek do povećanja prosječne udaljenosti između njih.

Kada bi vibracije atoma bile striktno harmonične, tada bi se svaki atom približavao jednom od svojih susjeda onoliko koliko bi se udaljavao od drugog, a povećanje amplitude njegovih vibracija ne bi dovelo do promjene prosječne međuatomske udaljenosti, i dakle do termičkog širenja.

U stvarnosti, atomi u kristalnoj rešetki prolaze kroz anharmonične (tj., neharmoničke) vibracije. To je zbog prirode ovisnosti sila interakcije između/atoma o udaljenosti između njih. Kao što je naznačeno na početku ovog poglavlja (vidi slike 152 i 153), ova zavisnost je takva da se na velikim udaljenostima između atoma sile interakcije između atoma manifestuju kao privlačne sile, a kada se ova udaljenost smanji, one mijenjaju svoj predznak. i postaju odbojne sile, koje se brzo povećavaju sa smanjenjem udaljenosti.

To dovodi do činjenice da kada se "amplituda" atomskih vibracija povećava zbog zagrijavanja kristala, rast odbojnih sila između atoma prevladava nad rastom privlačnih sila. Drugim riječima, atomu je „lakše“ da se udalji od susjeda nego da se približi drugom. To bi, naravno, trebalo da dovede do povećanja prosečne udaljenosti između atoma, odnosno do povećanja zapremine tela kada se ono zagreje.

Iz toga slijedi da je uzrok toplinskog širenja čvrste materije je anharmoničnost vibracija atoma u kristalnoj rešetki.

Kvantitativno, toplinsko širenje karakteriziraju linearni i volumetrijski koeficijenti ekspanzije, koji se određuju na sljedeći način. Neka tijelo dužine I, kada se temperatura promijeni za stupnjeve, promijeni svoju dužinu za Koeficijent linearne ekspanzije određen je iz relacije

odnosno koeficijent linearne ekspanzije jednak je relativnoj promjeni dužine sa promjenom temperature za jedan stepen. Slično, koeficijent volumetrijskog širenja je dat sa

tj. koeficijent je jednak relativnoj promjeni zapremine po jednom stepenu.

Iz ovih formula proizilazi da su dužina i zapremina na određenoj temperaturi koja se razlikuje od početne temperature za stupnjeve izražena formulama (na niskim

gdje su početna dužina i zapremina tijela.

Zbog anizotropije kristala, koeficijent linearne ekspanzije a može biti različit u različitim smjerovima. To znači da ako se iz ovog kristala izreže lopta, onda će nakon zagrijavanja izgubiti svoj sferni oblik. Može se pokazati da se, u najopćenitijem slučaju, takva lopta, kada se zagrije, pretvara u troosni elipsoid čije su osi povezane s kristalografskim osovinama kristala.

Koeficijenti termičkog širenja duž tri ose ovog elipsoida nazivaju se glavnim koeficijentom širenja kristala.

Ako ih označimo koeficijentom volumetrijskog širenja kristala

Za kristale kubične simetrije, kao i za izotropna tijela,

Kuglica izrađena od takvih tijela ostaje lopta i nakon zagrijavanja (naravno, većeg prečnika).

U nekim kristalima (na primjer, heksagonalnim)

Koeficijenti linearne i volumetrijske ekspanzije praktično ostaju konstantni ako su temperaturni intervali u kojima se mjere mali, a same temperature visoke. Općenito, koeficijenti toplinskog širenja zavise od temperature i, štaviše, na isti način kao i toplinski kapacitet, tj. na niskim temperaturama koeficijenti opadaju sa padom temperature proporcionalno kubu temperature, težeći, kao i toplinski kapacitet,

na nulu na apsolutnoj nuli. To nije iznenađujuće, budući da su i toplinski kapacitet i toplinsko širenje povezani s vibracijama rešetke: toplinski kapacitet obezbjeđuje količinu topline potrebnu za povećanje prosječne energije toplotnih vibracija atoma, koja ovisi o amplitudi vibracije, dok je koeficijent toplinske ekspanzije je direktno povezan sa prosječnim razmacima između atoma, koji također zavise od amplitude atomskih vibracija.

Ovo implicira važan zakon koji je otkrio Grüneisen: omjer koeficijenta toplinskog širenja prema atomskom toplinskom kapacitetu čvrste tvari za datu supstancu je konstantna vrijednost (tj. neovisna o temperaturi).

Koeficijenti toplinskog širenja čvrstih tijela su obično vrlo mali, kao što se može vidjeti iz tabele. 22. Vrijednosti koeficijenta date u ovoj tabeli odnose se na temperaturni raspon između i

Tabela 22 (vidi skeniranje) Koeficijenti toplinskog širenja čvrstih tijela

Neke tvari imaju posebno nizak koeficijent toplinskog širenja. Na primjer, kvarc ima ovo svojstvo. Drugi primjer je legura nikla i željeza (36% Ni), poznata kao invar.

Diferencijalna ekspanzijaima veliki praktični značaj. Ponekad je vrlo teško otvoriti metalne čepove na navoj na staklenim ili plastičnim bocama. Ako se vrh boce drži pod tekućom toplom vodom, metal će se proširiti više od stakla ili plastike, a čep će se lako otvoriti.

Stakleni čep koji se dobro uklapa u vrat staklena boca, može se ukloniti i držanjem vrata pod tekućom toplom vodom. Iako je koeficijent ekspanzije vrata isti kao i plute, staklo je vrlo visoko, a vrat će se proširiti prije nego što se pluta zagrije, a pluta se može lako ukloniti.

Proširivanje stakla često je izvor problema kod kuće. Kada se stakleno posuđe napuni vrućom tekućinom, ono se često lomi. Razlog tome je što dio stakla u kontaktu sa vrućom tekućinom vrlo brzo poprima temperaturu tečnosti i širi se, dok ostatak ostaje hladan, jer je staklo loš provodnik.

Kao rezultat, unutar stakla se uspostavlja napetost, a posuđe puca. Kada pravite džem, oprezan kuvar će prethodno zagrejati posudu u rerni pre nego što je napuni džemom. Ovo osigurava da se i čaša i džem zagriju na približno istu temperaturu. Vaše dragocjeno rezano stakleno posuđe će biti sačuvano ako razmislite o tome da ga stavite u toplu vodu.

Razna toplinska ekspanzija u svakodnevnom životu

Period klatna zavisi od dužine samog klatna. Kada temperatura raste, dužina klatna se povećava i period njegovog oscilovanja se povećava. Klatno se ljulja sporije. Na slici su prikazana dva tipa kompenzovanog klatna. Na slici 1 a štap je napravljen od invara, a tijelo klatna od sočiva izrađeno je od čelika.

Širenje invara prema dolje kompenzirano je ekspanzijom sočiva prema gore. U ovom slučaju, položaj centra gravitacije, samim tim, ostaje nepromijenjen. Za podešavanje željenog perioda oscilacije klatna, položaj sočiva se podešava vijkom. Jednom postavljeno u željeni položaj, takvo klatno je samokompenzirajuće.

Slika 1, b prikazuje složenije klatno. Nezasjenjeni štapovi su veći i dovoljno se šire da kompenziraju širenje dužih zasjenjenih šipki. Danas, kada se većina zgrada grije centralno, održavaju se na manje-više konstantnoj temperaturi, ali je i dalje važno kompenzirati toplinske efekte.

Termostat za plinsku pećnicu (slika 2) koristi različitu toplinsku ekspanziju metala. Plin se dovodi kroz ulaznu cijev i prolazi kroz priključke D, E i F do gorionika. Cilindar B je napravljen od mesinga, a šipka A je od invara. Kako temperatura pećnice raste, mesing se širi mnogo više od invara, zbog čega se ventil C pomiče ulijevo i zatvara rupe E i F.

Dakle, dovod plina u pećnicu je smanjen i plin gori slabo. Otvor D je neophodan za prijem plina kako bi se spriječilo da se gorionici ugase kada je ventil zatvoren. Kako se cilindar B hladi, on se skuplja i ventil C se pomiče udesno, dopuštajući više plina gorionicima. Eksterni regulator G vam omogućava da zategnete ili olabavite ventil C, čime se smanjuje ili povećava protok gasa i smanjuje ili povećava temperatura u pećnici.

Ulaznica br. 3

“Termičko širenje tijela. Termometar. Temperaturne skale. Značaj toplinskog širenja tijela u prirodi i tehnologiji. Karakteristike termičkog širenja vode"

Toplotna ekspanzija- promjena linearnih dimenzija i oblika tijela pri promjeni njegove temperature.

Uzrok: povećava se temperatura tijela -> povećava se brzina kretanja molekula -> povećava se amplituda vibracija -> povećava se udaljenost između molekula, a samim tim i veličina tijela.

Različita tijela se različito šire kada se zagrijavaju, jer su mase molekula različite, pa se razlikuje i kinetička energija i različito se mijenjaju međumolekularne udaljenosti.

Kvantitativno, termičko širenje tečnosti i gasova pri konstantnom pritisku karakteriše volumetrijski koeficijent termičke ekspanzije (β).

V=V0(1+β(tfinal-tinitial))

Gdje je V zapremina tijela na konačnoj temperaturi, V0 je zapremina tijela na početnoj temperaturi

Za karakterizaciju toplinskog širenja čvrstih tijela dodatno se uvodi koeficijent linearno termička ekspanzija (α)

l=l0 (1+α(tfinal-tinitial))

Gdje je l dužina tijela na konačnoj temperaturi, l0 je dužina tijela na početnoj temperaturi

Termometar- uređaj za mjerenje temperature

Djelovanje termometra zasniva se na toplinskom širenju tekućine.

Izumio ga je Galileo 1597.

Vrste termometara:

· živa (od -35 do 750 stepeni Celzijusa)

alkohol (od -80 do 70 stepeni Celzijusa)

· pentan (od -200 do 35 stepeni Celzijusa)

Vage:

Farenhajt. Farenhajt 1732. godine - punjene cijevi alkoholom, kasnije prebačene na živu. Nula skale je temperatura mješavine snijega s amonijakom ili kuhinjskom solju. Tačka smrzavanja vode je 32°F. Temperatura zdrave osobe je 96°F. Voda ključa na 212°F.

Celzijus. Švedski fizičar Celzijus 1742. Tačka smrzavanja tečnosti je 0°C, a tačka ključanja 100°C

Kelvinova skala. Godine 1848. engleski fizičar William Thomson (Lord Kelvin). Referentna tačka je “apsolutna nula” - -273,15°C. Na ovoj temperaturi prestaje termičko kretanje molekula. 1°K=1°C

Zapravo, apsolutna nula nije dostupna.

U svakodnevnom životu i tehnologiji termička ekspanzija je velika veliki značaj. Na struju željeznice Potrebno je održavati stalnu napetost žice koja napaja električne lokomotive zimi i ljeti. Da biste to učinili, napetost u žici stvara se kabelom, čiji je jedan kraj spojen na žicu, a drugi se baca preko bloka i na njega se vješa teret.

Prilikom izgradnje mosta jedan kraj rešetke se postavlja na valjke. Ako se to ne učini, onda kada se ljeti širi, a zimi skuplja, rešetka će olabaviti oslonce na kojima se most oslanja.

Prilikom izrade žarulja sa žarnom niti, dio žice koja prolazi unutar stakla mora biti izrađen od materijala čiji je koeficijent ekspanzije isti kao kod stakla, u suprotnom može popucati.

Žice dalekovoda nikada nisu zategnute kako bi se izbjeglo lomljenje.

Parni cjevovodi su opremljeni krivinama i kompenzatorima.

Toplotno širenje zraka igra veliku ulogu ulogu u prirodnim pojavama. Toplotno širenje vazduha stvara kretanje vazdušnih masa u vertikalnom pravcu (zagrejan, manje gust vazduh se diže gore, hladan i manje gust vazduh se spušta). Neravnomjerno zagrijavanje zraka u različitim dijelovima zemlje dovodi do pojave vjetra. Neravnomjerno zagrijavanje vode stvara struje u okeanima.

Kada se stijene zagrijavaju i hlade zbog dnevnih i godišnjih temperaturnih kolebanja (ako je sastav stijene heterogen), nastaju pukotine koje doprinose razaranju stijena.

Najzastupljenija supstanca na površini Zemlje je vode- ima osobinu koja ga razlikuje od većine drugih tečnosti. Širi se kada se zagrije samo iznad 4 °C. Od 0 do 4 °C, volumen vode se, naprotiv, smanjuje kada se zagrije. Dakle, voda ima najveću gustinu na 4 °C. Ovi podaci se odnose na slatku (hemijski čistu) vodu. Morska voda ima najveću gustinu na približno 3 °C. Povećanje pritiska takođe snižava temperaturu vode najveće gustine.

Ispit iz fizike za 8 razred.

2. Termičko kretanje.

Sva tijela su sastavljena od molekula koji su u neprekidnom kretanju. Već znamo da se difuzija odvija brže na višim temperaturama. To znači da su brzina kretanja molekula i temperatura povezani. Kada temperatura raste, brzina kretanja molekula se povećava, a kada se smanjuje, smanjuje se. Posljedično, tjelesna temperatura ovisi o brzini kretanja molekula. Pojave povezane sa zagrevanjem i hlađenjem tela nazivaju se toplotnim. Na primjer, hlađenje zrakom, topljenje leda. Svaki molekul u tijelu kreće se po vrlo složenoj putanji. Na primjer, čestice plina se kreću velikom brzinom u različitim smjerovima i sudaraju se jedna s drugom i sa zidovima posude.

Nasumično kretanje čestica koje čine tijelo naziva se termičko kretanje.

Ekspanzija čvrstih materija.

Kada se zagrije, amplituda vibracije molekula se povećava, razmak između njih se povećava, a tijelo ispunjava veći volumen. Čvrste tvari se prilikom zagrijavanja šire u svim smjerovima.

Ekspanzija tečnosti.

Tečnosti se šire mnogo više od čvrstih materija. Također se šire u svim smjerovima. Zbog velike pokretljivosti molekula, tečnost poprima oblik posude u kojoj se nalazi.

Obračun i upotreba termičke ekspanzije u tehnici.

U svakodnevnom životu i tehnologiji, toplotna ekspanzija je veoma važna. Na električnim prugama potrebno je održavati stalnu napetost u žicama koje opskrbljuju električnom energijom električne lokomotive zimi i ljeti. Da biste to učinili, napetost u žici stvara se kabelom, čiji je jedan kraj spojen na žicu, a drugi se baca preko bloka i na njega se vješa teret.

Prilikom izgradnje mosta jedan kraj rešetke se postavlja na valjke. Ako se to ne učini, onda kada se ljeti širi, a zimi skuplja, rešetka će olabaviti oslonce na kojima se most oslanja.

Prilikom izrade žarulja sa žarnom niti, dio žice koja prolazi unutar stakla mora biti izrađen od materijala čiji je koeficijent ekspanzije isti kao kod stakla, u suprotnom može popucati.

Navedeni primjeri ne iscrpljuju ulogu i različite primjene toplinskog širenja u svakodnevnom životu i tehnologiji.

Termometri.

Termometri uvijek pokazuju vlastitu temperaturu. Tek nakon određenog vremena ova temperatura postaje jednaka temperatura okruženje. Drugim riječima, termometre karakterizira određena inercija.

Tečni termometri.

Dužina stupca tečnosti žive, alkohola, toluena, pentana i drugih služi kao mjera temperature. Interval mjerenja je ograničen temperaturom ključanja i smrzavanja tekućine u termometru.

Metalni termometri.

Metalni termometar je bimetalna ploča, odnosno ploča zavarena od traka dva različita metala. Zbog razlike u toplinskom širenju metala, ploča će se saviti kada se zagrije. Iz dugačke ploče savijena je spirala. Vanjski kraj spirale je fiksiran, a na unutrašnji kraj je pričvršćena strelica koja označava određenu temperaturu na skali.

Otporni termometri.

Otpornost metala se mijenja s temperaturom. Jačina struje u krugu ovisi o otporu vodiča, a time i o njegovoj temperaturi. Prednost otpornog termometra je u tome što mjerni uređaj i mjesto gdje se mjeri temperatura mogu biti razdvojeni na znatnoj udaljenosti.

Karakteristike termičkog širenja vode.

Koeficijent volumetrijskog širenja slabo ovisi o temperaturi. Voda je izuzetak i koeficijent ekspanzije vode jako zavisi od temperature, au rasponu od 0 do 4 stepena C uzima negativnu vrijednost. Drugim riječima, zapremina vode se smanjuje od 0 do 4 stepena C, a zatim raste.

Vrijednost toplinskog širenja u prirodi.

Toplotno širenje zraka igra veliku ulogu u prirodnim pojavama. Toplotno širenje vazduha stvara kretanje vazdušnih masa u vertikalnom pravcu (zagrejan, manje gust vazduh se diže gore, hladan i manje gust vazduh se spušta). Neravnomjerno zagrijavanje zraka u različitim dijelovima zemlje dovodi do pojave vjetra. Neravnomjerno zagrijavanje vode stvara struje u okeanima.

Kada se stijene zagrijavaju i hlade zbog dnevnih i godišnjih temperaturnih kolebanja (ako je sastav stijene heterogen), nastaju pukotine koje doprinose razaranju stijena.

Iz prethodnih paragrafa znamo da se sve supstance sastoje od čestica (atoma, molekula). Ove čestice se neprestano haotično kreću. Kada se supstanca zagreje, kretanje njenih čestica postaje brže. Istovremeno se povećavaju udaljenosti između čestica, što dovodi do povećanja veličine tijela.

Promjena veličine tijela kada se zagrije naziva se toplinsko širenje.

Toplinsko širenje čvrstih tijela lako je eksperimentalno potvrditi. Čelična kugla (sl. 87, a, b, c), koja slobodno prolazi kroz prsten, nakon zagrijavanja na alkoholnoj lampi, širi se i zaglavljuje u prstenu. Nakon hlađenja, lopta ponovo slobodno prolazi kroz obruč. Iz iskustva proizilazi da se dimenzije čvrste tvari povećavaju kada se zagrijavaju, a smanjuju kada se hlade.

Rice. 87

Toplotno širenje različitih čvrstih materija nije isto.

Termičkim širenjem čvrstih tijela pojavljuju se ogromne sile koje mogu uništiti mostove, savijati željezničke šine i lomiti žice. Kako se to ne bi dogodilo, prilikom projektiranja određene konstrukcije uzima se u obzir faktor toplinskog širenja. Žice dalekovoda savijaju (Sl. 88) tako da se zimi, kada se skupe, ne pokidaju.

Rice. 88

Rice. 89

Šine imaju zazor na spojevima (Sl. 89). Nosivi dijelovi mostova postavljeni su na valjke koji se mogu pomicati pri promjeni dužine mosta zimi i ljeti (sl. 90).

Rice. 90

Da li se tečnosti šire kada se zagreju? Termičko širenje tekućina također se može potvrditi eksperimentalno. Sipati u identične tikvice: u jednu - vodu, a u drugu - istu zapreminu alkohola. Tikvice zatvaramo čepovima i cijevima. Početne nivoe vode i alkohola u epruvetama obeležavamo gumenim prstenovima (Sl. 91, a). Stavite tikvice u posudu sa toplom vodom. Nivo vode u cijevima će postati veći (Sl. 91, b). Voda i alkohol se šire prilikom zagrijavanja. Ali nivo u epruveti tikvice sa alkoholom je veći. To znači da se alkohol više širi. dakle, termičko širenje raznih tečnosti, like čvrste materije, nejednako.

Rice. 91

Da li gasovi doživljavaju termičku ekspanziju? Odgovorimo na pitanje koristeći iskustvo. Bocu sa zrakom zatvorite čepom sa zakrivljenom cijevi. U epruveti se nalazi kap tečnosti (Sl. 92, a). Dovoljno je približiti ruke tikvici i kap se počinje pomicati udesno (Sl. 92, b). Ovo potvrđuje toplinsko širenje zraka kada se čak i malo zagrije. Štaviše, što je veoma važno, svi gasovi, za razliku od čvrstih materija i tečnosti, kada se zagreju proširiti podjednako.

Rice. 92

Razmisli i odgovori 1. Šta se naziva toplinsko širenje tijela? 2. Navedite primjere toplinskog širenja (kompresije) čvrstih tijela, tekućina i plinova. 3. Kako se toplotno širenje gasova razlikuje od toplotnog širenja čvrstih tela i tečnosti?

Uradite to sami kod kuće

Koristeći plastična boca i tanku cijev za sok, provesti eksperiment kod kuće o toplinskom širenju zraka i vode. Opišite rezultate eksperimenta u svojoj bilježnici.

Zanimljivo je znati!

Ne možete odmah popiti vrući čaj hladnom vodom. Nagle promjene temperature često dovode do oštećenja zuba. To se objašnjava činjenicom da se glavna tvar zuba - dentin - i caklina koja pokriva zub različito šire pri istoj promjeni temperature.