Acolo unde se ia în considerare dilatarea termică a corpurilor. Utilizarea diferitelor extensii ale corpurilor în viața de zi cu zi. Expansiunea termică a șinei

Este bine cunoscut faptul că solidele își măresc volumul atunci când sunt încălzite. Aceasta este expansiunea termică. Să luăm în considerare motivele care duc la creșterea volumului corpului atunci când este încălzit.

Este evident că volumul cristalului crește odată cu creșterea distanței medii dintre atomi. Aceasta înseamnă că o creștere a temperaturii implică o creștere a distanței medii dintre atomii cristalului. Ce cauzează creșterea distanței dintre atomi atunci când sunt încălzite?

O creștere a temperaturii unui cristal înseamnă o creștere a energiei mișcării termice, adică vibrațiile termice ale atomilor din rețea (vezi pagina 459) și, în consecință, o creștere a amplitudinii acestor vibrații.

Dar o creștere a amplitudinii vibrațiilor atomilor nu duce întotdeauna la o creștere a distanței medii dintre ei.

Dacă vibrațiile atomilor ar fi strict armonice, atunci fiecare atom s-ar apropia de unul dintre vecinii săi la fel de mult pe cât s-ar îndepărta de altul, iar o creștere a amplitudinii vibrațiilor sale nu ar duce la o modificare a distanței medii interatomice și deci la dilatare termică.

În realitate, atomii dintr-o rețea cristalină suferă vibrații anarmonice (adică, nearmonice). Acest lucru se datorează naturii dependenței forțelor de interacțiune dintre/atomi de distanța dintre ei. După cum sa indicat la începutul acestui capitol (vezi Fig. 152 și 153), această dependență este de așa natură încât, la distanțe mari dintre atomi, forțele de interacțiune dintre atomi se manifestă ca forțe de atracție, iar atunci când această distanță scade, își schimbă semnul. și devin forțe de respingere, crescând rapid odată cu scăderea distanței.

Acest lucru duce la faptul că atunci când „amplitudinea” vibrațiilor atomice crește din cauza încălzirii cristalului, creșterea forțelor de respingere dintre atomi prevalează asupra creșterii forțelor de atractivitate. Cu alte cuvinte, este „mai ușor” pentru un atom să se îndepărteze de vecinul său decât să se apropie de altul. Acest lucru, desigur, ar trebui să conducă la o creștere a distanței medii dintre atomi, adică la o creștere a volumului corpului atunci când este încălzit.

Rezultă că cauza expansiunii termice solide este anarmonicitatea vibrațiilor atomilor din rețeaua cristalină.

Cantitativ, dilatarea termică se caracterizează prin coeficienți de dilatare liniară și volumetrică, care se determină după cum urmează. Fie ca un corp de lungime I, când temperatura se modifică cu grade, își schimbă lungimea cu Coeficientul de dilatare liniară se determină din relația

adică coeficientul de dilatare liniară este egal cu modificarea relativă a lungimii cu o modificare a temperaturii cu un grad. În mod similar, coeficientul de dilatare volumetrică este dat de

adică, coeficientul este egal cu modificarea relativă a volumului pe un grad.

Din aceste formule rezultă că lungimea și volumul la o anumită temperatură care diferă de temperatura inițială în grade sunt exprimate prin formule (la

unde sunt lungimea și volumul inițial al corpului.

Datorită anizotropiei cristalelor, coeficientul de dilatare liniară a poate fi diferit în direcții diferite. Aceasta înseamnă că, dacă o minge este tăiată din acest cristal, atunci după ce o încălziți își va pierde forma sferică. Se poate demonstra că, în cazul cel mai general, o astfel de minge, atunci când este încălzită, se transformă într-un elipsoid triaxial, ale cărui axe sunt conectate cu axele cristalografice ale cristalului.

Coeficienții de dilatare termică de-a lungul celor trei axe ale acestui elipsoid se numesc coeficienții principali de dilatare ai cristalului.

Dacă le notăm respectiv prin coeficientul de dilatare volumetrică a cristalului

Pentru cristale cu simetrie cubică, precum și pentru corpuri izotrope,

O bila prelucrata din astfel de corpuri ramane o bila chiar si dupa incalzire (desigur, cu un diametru mai mare).

În unele cristale (de exemplu, hexagonale)

Coeficienții de dilatare liniară și volumetrică rămân practic constanți dacă intervalele de temperatură în care sunt măsurați sunt mici și temperaturile în sine sunt ridicate. În general, coeficienții de dilatare termică depind de temperatură și, în plus, la fel ca și capacitatea termică, adică la temperaturi scăzute coeficienții scad odată cu scăderea temperaturii proporțional cu cubul temperaturii, tinzând, ca și capacitatea termică,

la zero la zero absolut. Acest lucru nu este surprinzător, deoarece atât capacitatea termică, cât și dilatarea termică sunt legate de vibrațiile rețelei: capacitatea termică oferă cantitatea de căldură necesară pentru a crește energia medie a vibrațiilor termice ale atomilor, care depinde de amplitudinea vibrației, în timp ce coeficientul de dilatare termică. este direct legată de distanțele medii dintre atomi, care depind și de amplitudinea vibrațiilor atomice.

Aceasta implică o lege importantă descoperită de Grüneisen: raportul dintre coeficientul de dilatare termică și capacitatea de căldură atomică a unui solid pentru o anumită substanță este o valoare constantă (adică independent de temperatură).

Coeficienții de dilatare termică a solidelor sunt de obicei foarte mici, așa cum se poate observa din tabel. 22. Valorile coeficientului a dat în acest tabel se referă la intervalul de temperatură între și

Tabelul 22 (vezi scanarea) Coeficienții de dilatare termică a solidelor

Unele substanțe au un coeficient de dilatare termică deosebit de scăzut. De exemplu, cuarțul are această proprietate. Un alt exemplu este un aliaj de nichel și fier (36% Ni), cunoscut sub numele de invar.

Expansiune diferențialăare o mare semnificație practică. Uneori este foarte dificil să deschideți capacele metalice cu șuruburi pe sticle de sticlă sau plastic. Dacă partea superioară a sticlei este ținută sub jet de apă fierbinte, metalul se va extinde mai mult decât sticla sau plasticul, iar capacul se va deschide cu ușurință.

Un dop de sticlă care se potrivește strâns în gât sticla de sticla, poate fi îndepărtat și ținând gâtul sub jet de apă fierbinte. Deși coeficientul de dilatare al gâtului este același cu cel al plutei, dar sticla este foarte mare, iar gâtul se va extinde înainte ca dopul să devină fierbinte, iar dopul poate fi îndepărtat cu ușurință.

Expansarea sticlei este adesea o sursă de probleme acasă. Când sticlăria este umplută cu lichid fierbinte, se sparge adesea. Motivul este că partea de sticlă în contact cu lichidul fierbinte capătă foarte repede temperatura lichidului și se dilată, în timp ce restul rămâne rece, deoarece sticla este un conductor slab.

Ca urmare, în interiorul paharului se stabilește tensiune, iar vasele explodează. Când faceți dulceață, un bucătar prudent va preîncălzi vasul în cuptor înainte de a-l umple cu dulceață. Acest lucru asigură că atât paharul, cât și dulceața sunt încălzite la aproximativ aceeași temperatură. Sticlăria dumneavoastră tăiată valoroasă va fi păstrată dacă vă gândiți să o puneți în apă fierbinte.

Dilatare termică variată în viața de zi cu zi

Perioada unui pendul depinde de lungimea pendulului în sine. Când temperatura crește, lungimea pendulului crește și perioada de oscilație a acestuia crește. Pendulul se balansează mai încet. Figura prezintă două tipuri de pendul compensat. În figura 1, tija este din invar, iar corpul pendulului de linte este din oțel.

Expansiunea descendentă a invarului este compensată de expansiunea ascendentă a lintei. În acest caz, poziția centrului de greutate și, prin urmare, rămâne neschimbată. Pentru a seta perioada dorită de oscilație a pendulului, poziția lintei este reglată cu un șurub. Odată instalat în poziția dorită, un astfel de pendul se autocompensează.

Figura 1, b prezintă un pendul mai complex. Tijele neumbrite sunt mai mari și se extind suficient pentru a compensa expansiunea tijelor mai umbrite. În zilele noastre, când majoritatea clădirilor sunt încălzite central, acestea sunt menținute la o temperatură mai mult sau mai puțin constantă, dar este totuși important să se compenseze efectele termice.

Termostatul cuptorului cu gaz (Fig. 2) utilizează diferite dilatații termice ale metalelor. Gazul este furnizat prin conducta de admisie și trece prin orificiile D, E și F către arzătoare. Cilindrul B este din alamă iar tija A din invar. Pe măsură ce temperatura cuptorului crește, alama se extinde mult mai mult decât invarul, ceea ce face ca supapa C să se miște spre stânga și să închidă găurile E și F.

Astfel, alimentarea cu gaz a cuptorului este redusă, iar gazul arde slab. Orificiul D este necesar pentru a primi gaz pentru a preveni stingerea arzătoarelor când robinetul este închis. Pe măsură ce cilindrul B se răcește, se contractă și supapa C se mișcă spre dreapta, permițând mai mult gaz către arzătoare. Regulatorul extern G vă permite să strângeți sau să slăbiți supapa C, reducând sau mărind astfel debitul de gaz și reducând sau crescând temperatura din cuptor.

Biletul nr. 3

„Extinderea termică a corpurilor. Termometru. Scale de temperatură. Semnificația expansiunii termice a corpurilor în natură și tehnologie. Caracteristicile expansiunii termice a apei"

Dilatare termică- modificarea dimensiunilor liniare și a formei unui corp atunci când temperatura acestuia se modifică.

Cauză: creste temperatura corpului -> creste viteza de miscare a moleculelor -> creste amplitudinea vibratiilor -> creste distanta dintre molecule si deci marimea corpului.

Corpurile diferite se extind diferit atunci când sunt încălzite, deoarece masele moleculelor sunt diferite, prin urmare, energia cinetică diferă, iar distanțele intermoleculare se modifică diferit.

Cantitativ, dilatarea termică a lichidelor și gazelor la presiune constantă se caracterizează prin volumetric coeficientul de dilatare termică (β).

V=V0(1+β(tfinal-initial))

Unde V este volumul corpului la temperatura finală, V0 este volumul corpului la temperatura inițială

Pentru a caracteriza expansiunea termică a solidelor, se introduce suplimentar coeficientul liniar dilatare termică (α)

l=l0 (1+α(tfinal-initial))

Unde l este lungimea corpului la temperatura finală, l0 este lungimea corpului la temperatura inițială

Termometru- dispozitiv de măsurare a temperaturii

Acțiunea termometrului se bazează pe dilatarea termică a lichidului.

Inventat de Galileo în 1597.

Tipuri de termometre:

· mercur (de la -35 la 750 de grade Celsius)

alcool (de la -80 la 70 de grade Celsius)

· pentan (de la -200 la 35 de grade Celsius)

Scale:

Fahrenheit. Fahrenheit în 1732 - țevile umplute cu alcool, ulterior trecute la mercur. Zeroul scalei este temperatura amestecului de zăpadă cu amoniac sau sare de masă. Punctul de îngheț al apei este de 32°F. Temperatura unei persoane sănătoase este de 96°F. Apa fierbe la 212°F.

Celsius. Fizicianul suedez Celsius în 1742. Punctul de îngheț al unui lichid este 0°C și punctul de fierbere este de 100°C

scara Kelvin. În 1848, fizicianul englez William Thomson (Lord Kelvin). Punctul de referință este „zero absolut” - -273,15°C. La această temperatură, mișcarea termică a moleculelor se oprește. 1°K=1°C

De fapt, zero absolut nu este accesibil.

În viața de zi cu zi și în tehnologie dilatarea termică este foarte mare importanță. Pe electric căi ferate Este necesar să se mențină tensiunea constantă în firul care alimentează locomotivele electrice iarna și vara. Pentru a face acest lucru, tensiunea în fir este creată de un cablu, al cărui capăt este conectat la fir, iar celălalt este aruncat peste un bloc și o sarcină este suspendată de acesta.

Când se construiește un pod, un capăt al fermei este plasat pe role. Dacă acest lucru nu se face, atunci când se extinde vara și se contractă iarna, fermeva va slăbi bonturile pe care se sprijină podul.

La realizarea lămpilor cu incandescență, o parte a firului care trece în interiorul sticlei trebuie să fie realizată dintr-un material al cărui coeficient de dilatare este același cu cel al sticlei, altfel se poate crăpa.

Firele liniei de alimentare nu sunt niciodată tensionate pentru a evita ruperea.

Conductele de abur sunt echipate cu coturi și compensatoare.

Expansiunea termică a aerului joacă un rol important rol în fenomenele naturale. Expansiunea termică a aerului creează mișcarea maselor de aer în direcția verticală (aerul încălzit, mai puțin dens se ridică, aerul rece și mai puțin dens coboară). Încălzirea neuniformă a aerului în diferite părți ale pământului duce la apariția vântului. Încălzirea neuniformă a apei creează curenți în oceane.

Când rocile sunt încălzite și răcite din cauza fluctuațiilor de temperatură zilnice și anuale (dacă compoziția rocii este eterogenă), se formează fisuri, care contribuie la distrugerea rocilor.

Cea mai abundentă substanță de pe suprafața Pământului este apă- are o caracteristică care îl deosebește de majoritatea celorlalte lichide. Se extinde atunci când este încălzit doar peste 4 °C. De la 0 la 4 °C, volumul de apă, dimpotrivă, scade la încălzire. Astfel, apa are cea mai mare densitate la 4 °C. Aceste date se referă la apă dulce (pură din punct de vedere chimic). Apa de mare are cea mai mare densitate la aproximativ 3 °C. O creștere a presiunii scade și temperatura celei mai mari densități a apei.

Examen de fizică pentru clasa a 8-a.

2. Mișcare termică.

Toate corpurile sunt formate din molecule care se află în mișcare continuă. Știm deja că difuzia are loc mai rapid la temperaturi mai ridicate. Aceasta înseamnă că viteza de mișcare a moleculelor și temperatura sunt legate. Când temperatura crește, viteza de mișcare a moleculelor crește, iar când scade, scade. În consecință, temperatura corpului depinde de viteza de mișcare a moleculelor. Fenomenele asociate cu încălzirea și răcirea corpurilor se numesc termice. De exemplu, răcirea cu aer, topirea gheții. Fiecare moleculă din organism se mișcă pe o traiectorie foarte complexă. De exemplu, particulele de gaz se mișcă cu viteze mari în direcții diferite și se ciocnesc între ele și cu pereții containerului.

Se numește mișcarea aleatorie a particulelor care alcătuiesc un corp mișcarea termică.

Expansiunea solidelor.

Când sunt încălzite, amplitudinea de vibrație a moleculelor crește, distanța dintre ele crește, iar corpul umple un volum mai mare. Solidele se extind în toate direcțiile când sunt încălzite.

Expansiunea lichidelor.

Lichidele se extind mult mai mult decât solidele. De asemenea, se extind în toate direcțiile. Datorită mobilității mari a moleculelor, lichidul ia forma vasului în care se află.

Contabilitatea și utilizarea expansiunii termice în tehnologie.

În viața de zi cu zi și în tehnologie, expansiunea termică este foarte importantă. Pe căile ferate electrice, este necesar să se mențină tensiune constantă în firele care furnizează energie locomotivelor electrice iarna și vara. Pentru a face acest lucru, tensiunea în fir este creată de un cablu, al cărui capăt este conectat la fir, iar celălalt este aruncat peste un bloc și o sarcină este suspendată de acesta.

Când se construiește un pod, un capăt al fermei este plasat pe role. Dacă acest lucru nu se face, atunci când se extinde vara și se contractă iarna, fermeva va slăbi bonturile pe care se sprijină podul.

La realizarea lămpilor cu incandescență, o parte a firului care trece în interiorul sticlei trebuie să fie realizată dintr-un material al cărui coeficient de dilatare este același cu cel al sticlei, altfel se poate crăpa.

Exemplele de mai sus nu epuizează rolul și diversele aplicații ale expansiunii termice în viața de zi cu zi și în tehnologie.

Termometre.

Termometrele arată întotdeauna propria lor temperatură. Abia după un anumit timp această temperatură devine temperatură egală mediu inconjurator. Cu alte cuvinte, termometrele sunt caracterizate de o anumită inerție.

Termometre lichide.

Lungimea coloanei lichide de mercur, alcool, toluen, pentan și altele servește ca măsură de temperatură. Intervalul de măsurare este limitat de temperaturile de fierbere și de îngheț ale lichidului din termometru.

Termometre metalice.

Un termometru metalic este o placă bimetală, adică o placă sudată din benzi din două metale diferite. Datorită diferenței de dilatare termică a metalelor, placa se va îndoi atunci când este încălzită. O spirală este îndoită dintr-o placă lungă. Capătul exterior al spiralei este fixat, iar la capătul interior este atașată o săgeată, ceea ce indică o anumită temperatură pe scară.

Termometre de rezistență.

Rezistența metalelor se modifică cu temperatura. Puterea curentului în circuit depinde de rezistența conductorului și, prin urmare, de temperatura acestuia. Avantajul unui termometru de rezistență este că dispozitivul de măsurare și locul unde se măsoară temperatura pot fi separate la o distanță considerabilă.

Caracteristici de dilatare termică a apei.

Coeficientul de dilatare volumetrică depinde slab de temperatură. Apa este o excepție, iar coeficientul de dilatare al apei depinde foarte mult de temperatură, iar în intervalul de la 0 la 4 grade C ia o valoare negativă. Cu alte cuvinte, volumul de apă scade de la 0 la 4 grade C, apoi crește.

Valoarea expansiunii termice în natură.

Expansiunea termică a aerului joacă un rol important în fenomenele naturale. Expansiunea termică a aerului creează mișcarea maselor de aer în direcția verticală (aerul încălzit, mai puțin dens se ridică, aerul rece și mai puțin dens coboară). Încălzirea neuniformă a aerului în diferite părți ale pământului duce la apariția vântului. Încălzirea neuniformă a apei creează curenți în oceane.

Când rocile sunt încălzite și răcite din cauza fluctuațiilor de temperatură zilnice și anuale (dacă compoziția rocii este eterogenă), se formează fisuri, care contribuie la distrugerea rocilor.

Din paragrafele precedente știm că toate substanțele constau din particule (atomi, molecule). Aceste particule se mișcă haotic în mod constant. Când o substanță este încălzită, mișcarea particulelor sale devine mai rapidă. În același timp, distanțele dintre particule cresc, ceea ce duce la o creștere a dimensiunii corpului.

Modificarea dimensiunii unui corp atunci când este încălzit se numește dilatare termică.

Expansiunea termică a solidelor este ușor de confirmat experimental. O bilă de oțel (Fig. 87, a, b, c), care trece liber prin inel, după încălzirea la o lampă cu alcool, se extinde și se blochează în inel. După răcire, mingea trece din nou liber prin inel. Din experiență rezultă că dimensiunile unui solid cresc atunci când este încălzit și scad când este răcit.

Orez. 87

Expansiunea termică a diferitelor solide nu este aceeași.

Odată cu expansiunea termică a solidelor, apar forțe enorme care pot distruge poduri, pot îndoi șinele de cale ferată și pot rupe firele. Pentru a preveni acest lucru, la proiectarea unei anumite structuri, se ia în considerare factorul de dilatare termică. Firele liniilor electrice se afundă (Fig. 88) astfel încât iarna, când se contractă, să nu se rupă.

Orez. 88

Orez. 89

Șinele au un gol la îmbinări (Fig. 89). Părțile portante ale podurilor sunt așezate pe role care se pot deplasa atunci când lungimea podului se modifică iarna și vara (Fig. 90).

Orez. 90

Se dilată lichidele când sunt încălzite? Expansiunea termică a lichidelor poate fi confirmată și experimental. Se toarnă în baloane identice: într-unul - apă, iar în celălalt - același volum de alcool. Închidem baloanele cu dopuri și tuburi. Marcăm nivelurile inițiale de apă și alcool din tuburi cu inele de cauciuc (Fig. 91, a). Puneți baloanele într-un recipient cu apă fierbinte. Nivelul apei din tuburi va deveni mai ridicat (Fig. 91, b). Apa și alcoolul se extind atunci când sunt încălzite. Dar nivelul din tubul balonului cu alcool este mai mare. Aceasta înseamnă că alcoolul se extinde mai mult. Prin urmare, dilatarea termică a diferitelor lichide, ca solide, inegal.

Orez. 91

Gazele experimentează expansiune termică? Să răspundem la întrebare folosind experiența. Închideți balonul cu aer cu un dop cu tub curbat. Există o picătură de lichid în tub (Fig. 92, a). Este suficient să vă apropiați mâinile de balon, iar picătura începe să se miște spre dreapta (Fig. 92, b). Acest lucru confirmă dilatarea termică a aerului atunci când este chiar ușor încălzit. Mai mult, ceea ce este foarte important, toate gazele, spre deosebire de solide și lichide, atunci când sunt încălzite extinde în mod egal.

Orez. 92

Gândește și răspunde 1. Ce se numește dilatarea termică a corpurilor? 2. Dați exemple de dilatare termică (compresie) a solidelor, lichidelor și gazelor. 3. Cum diferă dilatarea termică a gazelor de dilatarea termică a solidelor și lichidelor?

Fă-o singur acasă

Folosind sticlă de plasticși un tub subțire pentru suc, efectuați un experiment acasă cu privire la dilatarea termică a aerului și a apei. Descrie rezultatele experimentului în caiet.

Interesant de știut!

Nu poți bea ceai fierbinte imediat apă rece. Schimbările bruște de temperatură duc adesea la deteriorarea dinților. Acest lucru se explică prin faptul că substanța principală a dintelui - dentina - și smalțul care acoperă dintele se extind diferit la aceeași schimbare de temperatură.