Fast alle Stoffe (Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase) dehnen sich beim Erhitzen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Die Ausdehnung eines Stoffes beim Erhitzen wird als Wärmeausdehnung dieses Stoffes bezeichnet. Es gibt drei Arten der Ausdehnung: lineare (Längenzunahme), oberflächliche (Flächenzunahme) und kubische Ausdehnung (Volumenzunahme). Feststoffe haben eine bestimmte Form, wenn ein Feststoff also erhitzt wird, dehnt er sich in alle Richtungen aus, dh Länge, Fläche und Volumen nehmen beim Erhitzen zu. Flüssigkeiten und Gase zeigen nur kubische Ausdehnung. Beim Erhitzen dehnen sich Flüssigkeiten stärker aus als Feststoffe und Gase deutlich stärker als Flüssigkeiten. In dieser Lektion lernen Sie:
Beim Erhitzen eines Festkörpers nimmt die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle des Festkörpers zu. Sie beginnen mit großer Amplitude um ihre mittlere Position zu schwingen. Das Ergebnis ist, dass sich ihre mittlere Position so ändert, dass die intermolekulare Trennung zwischen den Molekülen zunimmt, wodurch sich der Festkörper in alle Richtungen ausdehnt.
Experiment: Nimm eine Metallkugel und einen Ring.
i) Ordnen Sie die Metallkugel und den Ring wie im Bild unten gezeigt an (Abbildung a). Die Metallkugel sollte gerade so durch den Ring gleiten, wenn beide Zimmertemperatur haben.
ii) Erhitzen Sie nun die Metallkugel auf einem Brenner (Abbildung b)
iii) Legen Sie den Ring wieder auf und versuchen Sie, den Ball durch den Ring zu führen. Sie werden feststellen, dass der Ball stecken bleibt.
Grund: Beim Erhitzen dehnt sich die Kugel aus und wird im Durchmesser größer.
Lassen Sie den Ball jetzt abkühlen und versuchen Sie erneut, den Ball durch den Ring zu führen. Sie werden feststellen, dass der Ball jetzt durch den Ring geht. Denn beim Abkühlen zieht sich die Kugel zusammen.
Lineare Erweiterung
Immer dann, wenn ein Körper durch Erwärmung in der Länge zunimmt, spricht man von Längenausdehnung. Betrachten wir die lineare Ausdehnung in einem Metallstab. Die Längenzunahme eines Metallstabes beim Erhitzen hängt von folgenden drei Faktoren ab:
Hinweis: Die Längenzunahme eines Stabes beim Erhitzen hängt nicht davon ab, ob er hohl oder massiv ist
Oberflächliche Ausdehnung von Feststoffen
Wenn eine Metallplatte erhitzt wird, nehmen sowohl ihre Länge als auch ihre Breite zu. Dadurch vergrößert sich die Fläche der Platte. Eine Vergrößerung der Fläche der Platte hängt ab von:
Kubische Ausdehnung von Festkörpern
Wenn ein Feststoff erhitzt wird, nehmen seine Länge, Breite und Dicke zu, wodurch das Volumen zunimmt. Experimentell wird beobachtet, dass die Volumenzunahme eines Festkörpers abhängt von:
| Wenn L 0 die Länge eines Stabs bei 0 o C ist und seine Länge bei t o C L t ist, dann ist eine Längenzunahme gegeben als L t – L 0 = L 0 α t α ist der lineare Ausdehnungskoeffizient , der vom Stabmaterial abhängt. Seine Einheit ist pro o C |
| Wenn A 0 die Fläche einer Platte bei 0 o C ist und ihre Fläche bei t o C A t ist, dann ist eine Flächenzunahme gegeben als A t - A 0 = A 0 β t β ist der Oberflächenausdehnungskoeffizient , der für verschiedene Festkörper unterschiedlich ist. |
| Wenn V 0 das Volumen eines Festkörpers bei 0 o C ist und seine Fläche bei t o C gleich V t ist, dann ist die Volumenzunahme gegeben als V t – V 0 = V 0 γ t γ ist der kubische Ausdehnungskoeffizient , der für verschiedene Materialien unterschiedlich ist. |
Beziehung zwischen α, β und γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Linearer Ausdehnungskoeffizient einiger Festkörper
| Substanz | Linearer Ausdehnungskoeffizient ( x 10 -6 pro o C) |
| Aluminium | 24 |
| Messing | 19 |
| Kupfer | 17 |
| Eisen | 12 |
| Invar | 0,9 |
Thermische Ausdehnung von Festkörpern im täglichen Leben
1. Eisenbahnschienen: Die Schienen von Eisenbahnschienen bestehen aus Stahl. Beim Verlegen der Eisenbahngleise auf den Holz- oder Betonanlagen wird zwischen den aufeinanderfolgenden Schienenlängen eine kleine Lücke gelassen, wie in der Abbildung unten gezeigt. Der Grund dafür ist, dass im Sommer aufgrund des Anstiegs der atmosphärischen Temperatur jede Schiene dazu neigt, in ihrer Länge zuzunehmen, sodass zwischen den beiden Schienen eine Lücke verbleibt, da sich die Schiene sonst seitwärts biegt.
2. Elektrokabel und Telefonleitungen: Die Elektrokabel in der Hochspannungsleitung und Telefonleitungen zwischen zwei Polen können im Winter aufgrund von Kontraktion brechen und im Sommer aufgrund von Ausdehnung durchhängen. Daher wird beim Aufstellen des Drahtes zwischen zwei Stangen darauf geachtet, dass diese im Sommer leicht locker gehalten werden, damit sie im Winter nicht durch Schrumpfung brechen können. Und beim Verlegen im Winter werden sie eng anliegend gehalten, damit sie im Sommer durch Dehnung nicht zu stark durchhängen.
3. In der Küche verwendete Glaswaren: In der Küche verwendete Glaswaren bestehen im Allgemeinen aus Pyrexglas. Der Grund dafür ist, dass Pyrexglas einen sehr niedrigen kubischen Ausdehnungskoeffizienten hat, sodass sich die Glaswaren beim Erhitzen nicht ausdehnen und brechen.
Wie Feststoffe dehnen sich auch Flüssigkeiten in der Regel beim Erhitzen aus. Flüssigkeiten dehnen sich bei Erwärmung viel stärker aus als Feststoffe. Da Flüssigkeiten keine bestimmte Form, sondern ein bestimmtes Volumen haben, haben Flüssigkeiten nur eine kubische Ausdehnung.
Ausnahme: Wasser zieht sich beim Erhitzen von 0 o C auf 4 o C zusammen und dehnt sich bei weiterer Erwärmung über 4 o C aus. Dies wird als anomales Verhalten von Wasser bezeichnet.
Experiment: Nimm ein Glas, fülle drei Viertel mit Wasser und verschließe das Glas. Halten Sie es auf der Flamme. Sie werden feststellen, dass mit zunehmender Erwärmung des Wassers der Wasserstand im Gefäß steigt.
Hinweis: Wenn eine im Glas enthaltene Flüssigkeit erhitzt wird, wird zuerst das Glas erhitzt und dehnt sich aus, wodurch der Flüssigkeitsspiegel sinkt. Wenn danach die Wärme die Flüssigkeit erreicht, dehnt sie sich aus, sodass der Flüssigkeitsspiegel ansteigt. Somit ist die tatsächliche Flüssigkeitsausdehnung größer als die beobachtete Ausdehnung.
Faktoren, die die kubische Ausdehnung einer Flüssigkeit beeinflussen
Die kubische Ausdehnung einer Flüssigkeit hängt von folgenden drei Faktoren ab:
Wenn V 0 das Flüssigkeitsvolumen bei 0 o C und V t das Flüssigkeitsvolumen bei t o C ist, dann wird eine Zunahme des Flüssigkeitsvolumens angegeben als
V t – V o = V 0 γ t
wobei γ der kubische Ausdehnungskoeffizient der Flüssigkeit ist .
Kubischer Ausdehnungskoeffizient einiger Flüssigkeiten
| Flüssigkeit | Kubischer Ausdehnungskoeffizient γ ( x 10 -4 pro o C) |
| Quecksilber | 1.8 |
| Wasser (über 15 ° C) | 3.7 |
| Paraffinöl | 9.0 |
| Alkohol | 11.0 |
Anwendung der Wärmeausdehnung von Flüssigkeiten im täglichen Leben
Die Wärmeausdehnung einer Flüssigkeit wird bei der Arbeit eines Quecksilberthermometers verwendet. Quecksilberthermometer bestehen aus einem Kapillarrohr mit einem geschlossenen Ende und einem zylindrischen Kolben am anderen Ende. Die Birne ist mit Quecksilber gefüllt. Quecksilber ist eine glänzende Flüssigkeit, daher ist sein Füllstand im Kapillarröhrchen leicht zu erkennen. Wenn der Kolben des Thermometers in Kontakt mit einem heißen Körper gehalten wird, dehnt sich das Quecksilber aus. Der Quecksilberspiegel steigt im Kapillarrohr an. Das Rohr ist graduiert, um die Temperatur abzulesen. Bei jedem Grad Celsius Temperaturanstieg dehnt sich Quecksilber um das gleiche Volumen aus, was die Kalibrierung des Thermometers erleichtert.
Gase dehnen sich auch aus, wenn sie erhitzt werden. Gase dehnen sich viel stärker aus als Flüssigkeiten und Feststoffe. Wie Flüssigkeiten haben die Gase keine bestimmte Form, also haben sie auch nur eine kubische Ausdehnung. Gase, die in einem festen Volumen enthalten sind, können sich jedoch nicht ausdehnen – und daher führen Temperaturerhöhungen zu Druckerhöhungen.
Experiment: Nimm eine leere Flasche. Befestige einen Gummiballon an seinem Hals. Zunächst wird der Ballon entleert. Stellen Sie die Flasche in ein Wasserbad mit kochendem Wasser. Nach einiger Zeit werden Sie feststellen, dass der Ballon aufgeblasen wird, wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Dies zeigt, dass sich beim Erhitzen die in der Flasche eingeschlossene Luft ausdehnt und den Ballon füllt, sodass der Ballon aufgeblasen wird.
Anwendung der thermischen Ausdehnung von Gasen im täglichen Leben
Heißluftballon: Heißluftballons arbeiten nach dem Prinzip der Wärmeausdehnungsdifferenz zwischen einem Gas und einem Feststoff. Da die heiße Luft im Inneren des Ballonbeutels schneller an Größe zunimmt als der Behälter, dehnt sie den Beutel, so dass er sich ausdehnt und die kältere (schwerere) Luft außerhalb des Beutels verdrängt. Der Unterschied zwischen der Dichte der Luft innerhalb und außerhalb des Beutels lässt den Ballon aufsteigen. Durch das Abkühlen der Luft im Inneren des Beutels sinkt der Ballon ab.
Wenn ein Stoff erhitzt wird, nimmt sein Volumen zu, während seine Masse gleich bleibt, daher nimmt die Dichte des Stoffes (als Verhältnis von Masse zu Volumen) mit zunehmender Temperatur ab. Im Fall von Feststoffen ist die Abnahme der Dichte nicht merklich, aber im Fall von Flüssigkeiten und Gasen nimmt das Volumen mit zunehmender Temperatur um einen beträchtlichen Betrag zu, und daher ist die Abnahme der Dichte ziemlich merklich.
