Gotovo sve tvari (krute tvari, tekućine i plinovi) šire se pri zagrijavanju i skupljaju pri hlađenju. Širenje tvari pri zagrijavanju naziva se toplinsko širenje te tvari. Postoje tri vrste širenja: linearno (povećanje duljine), površinsko (povećanje površine) i kubično širenje (povećanje volumena). Čvrste tvari imaju određeni oblik, tako da kada se krutina zagrijava, širi se u svim smjerovima, tj. duljina, površina i volumen se povećavaju zagrijavanjem. Tekućine i plinovi pokazuju samo kubičnu ekspanziju. Zagrijavanjem se tekućine šire više od krutih tvari, a plinovi se šire više od tekućina. U ovoj lekciji ćete naučiti:
Zagrijavanjem krutine povećava se prosječna kinetička energija molekula krutine. Oni počinju vibrirati oko svog srednjeg položaja s velikom amplitudom. Rezultat je da se njihov srednji položaj mijenja tako da se međumolekularno odvajanje između molekula povećava, pa se krutina širi u svim smjerovima.
Pokus: uzmite metalnu kuglicu i prsten.
i) Rasporedite metalnu kuglicu i prsten kao što je prikazano na slici ispod (slika a). Metalna kuglica bi trebala samo skliznuti kroz prsten kada su obje na sobnoj temperaturi.
ii) Sada zagrijte metalnu kuglu na plameniku (slika b)
iii) Ponovno postavite obruč i pokušajte provući lopticu kroz obruč. Primijetit ćete da je lopta zapela.
Razlog: Zagrijavanjem se kuglica širi i postaje veća u promjeru.
Sada ostavite loptu da se ohladi i ponovno je pokušajte provući kroz prsten, primijetit ćete da lopta sada prolazi kroz prsten. To je zato što se kuglica pri hlađenju steže.
Linearno širenje
Kad god postoji povećanje duljine tijela uslijed zagrijavanja, tada se širenje naziva linearno širenje. Razmotrimo linearno širenje u metalnom štapu. Povećanje duljine metalne šipke pri zagrijavanju ovisi o sljedeća tri faktora:
Napomena: Povećanje duljine šipke pri zagrijavanju ne ovisi o tome je li ona šuplja ili puna
Površinsko širenje čvrstih tijela
Kad se metalna ploča zagrije, njezina se duljina i širina povećavaju. Time se povećava površina ploče. Povećanje površine ploče ovisi o:
Kubično širenje čvrstih tijela
Kada se krutina zagrijava, njezina se duljina, širina i debljina povećavaju, a time i volumen. Eksperimentalno je uočeno da povećanje volumena krute tvari ovisi o:
| Ako je L 0 duljina štapa pri 0 o C, a njegova duljina pri t o C je L t , tada je povećanje duljine zadano kao L t - L 0 = L 0 α t α je koeficijent linearnog rastezanja koji ovisi o materijalu štapa. Njegova jedinica je po o C |
| Ako je A 0 površina ploče pri 0 o C, a njena površina pri t o C je A t , tada je povećanje površine zadano kao A t - A 0 = A 0 β t β je koeficijent površinskog širenja koji je različit za različite čvrste tvari. |
| Ako je V 0 volumen krute tvari pri 0 o C, a njegova površina pri t o C je V t , tada se povećanje volumena daje kao V t - V 0 = V 0 γ t γ je koeficijent kubičnog širenja koji je različit za različite materijale. |
Odnos između α, β i γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Koeficijent linearnog širenja nekih čvrstih tijela
| Supstanca | Koeficijent linearnog širenja (x 10 -6 po o C) |
| Aluminij | 24 |
| Mjed | 19 |
| Bakar | 17 |
| Željezo | 12 |
| Invar | 0.9 |
Toplinsko širenje čvrstih tijela u svakodnevnom životu
1. Željezničke tračnice: tračnice željezničkih tračnica izrađene su od čelika. Prilikom postavljanja željezničkih tračnica na drvene ili betonske podloge ostavlja se mali razmak između uzastopnih dužina tračnica kao što je prikazano na donjoj slici. Razlog tome je što ljeti zbog porasta atmosferske temperature svaka tračnica ima tendenciju povećanja svoje duljine, tako da između dvije tračnice ostaje razmak, inače će se tračnica saviti u stranu.
2. Električni kabeli i telefonske žice: Električni kabel u dalekovodu za prijenos električne energije i telefonske žice između dva stupa mogu puknuti zimi zbog skupljanja i mogu se popustiti ljeti zbog širenja. Stoga se pri postavljanju žice između dva stupa vodi računa da ljeti budu malo labave kako zimi ne bi pukle zbog stezanja. A dok se zimi postavljaju, drže se u uskim nogavicama da ljeti ne bi previše popustile zbog širenja.
3. Stakleno posuđe koje se koristi u kuhinji: Stakleno posuđe koje se koristi u kuhinji uglavnom je izrađeno od pyrex stakla. Razlog je što pyrex staklo ima vrlo nizak koeficijent kubične ekspanzije, pa se stakleno posuđe zagrijavanjem ne širi i ne puca.
Poput krutih tvari, i tekućine se obično šire zagrijavanjem. Tekućine se pri zagrijavanju šire mnogo više od krutih tvari. Kako tekućina nema određeni oblik, ali ima određeni volumen, stoga tekućine imaju samo kubičnu ekspanziju.
Iznimka: Voda se skuplja pri zagrijavanju od 0 o C do 4 o C, a zatim preko 4 o C pri daljnjem zagrijavanju se širi. To se zove anomalno ponašanje vode.
Eksperiment: Uzmite staklenku, napunite tri četvrtine vodom i zatvorite staklenku. Držite na vatri. Primijetit ćete da kako se voda sve više zagrijava, razina vode u staklenci raste.
Napomena: Kada se tekućina koja se nalazi u staklenci zagrijava, prvo se staklenka zagrije pa će se proširiti zbog čega razina tekućine pada. Nakon toga, kad toplina dođe do tekućine, ona će se proširiti, pa će razina tekućine porasti. Dakle, stvarno širenje tekućine je veće od promatranog širenja.
Čimbenici koji utječu na kubično širenje tekućine
Kubično širenje tekućine ovisi o sljedeća tri faktora:
Ako je V 0 volumen tekućine pri 0 o C, a V t volumen tekućine pri t o C, tada se povećanje volumena tekućine daje kao
V t - V o = V 0 γ t
gdje je γ koeficijent kubičnog širenja tekućine .
Koeficijent kubnog širenja nekih tekućina
| Tekućina | Koeficijent kubičnog širenja γ ( x 10 -4 po o C) |
| Merkur | 1.8 |
| Voda (iznad 15 O C) | 3.7 |
| Parafinsko ulje | 9.0 |
| Alkohol | 11.0 |
Primjena toplinskog širenja tekućina u svakodnevnom životu
Toplinsko širenje tekućine koristi se u radu živinog termometra. Živin termometar sastoji se od kapilarne cijevi s jednim zatvorenim krajem i cilindričnim balonom na drugom kraju. Žarulja je napunjena živom. Živa je sjajna tekućina, pa se njezina razina lako vidi u kapilarnoj cjevčici. Kada je kuglica termometra u kontaktu s vrućim tijelom, živa se širi. Razina žive raste u kapilarnoj cijevi. Cijev je graduirana za očitavanje temperature. Za svaki stupanj Celzija porastom temperature, živa se širi za isti volumen, tako da kalibracija termometra postaje lakša.
Plinovi se također šire kada se zagrijavaju. Plinovi se šire mnogo više od tekućina i krutina. Kao i tekućine, plinovi nemaju određeni oblik, pa također imaju samo kubičnu ekspanziju. Međutim, plinovi koji su sadržani u fiksnom volumenu ne mogu se širiti - pa povećanje temperature rezultira povećanjem tlaka.
Pokus: uzmite praznu bocu. Pričvrstite gumeni balon na njegov vrat. U početku je balon ispuhan. Stavite bocu u vodenu kupelj s kipućom vodom. Nakon nekog vremena primijetit ćete da se balon napuhuje kao što je prikazano na donjoj slici. To pokazuje da se pri zagrijavanju zrak u boci širi i ispunjava balon tako da se balon napuhuje.
Primjena toplinskog širenja plinova u svakodnevnom životu
Balon na vrući zrak: Baloni na vrući zrak rade na principu razlike toplinskog širenja između plina i krutine. Budući da se vrući zrak unutar vrećice s balonom povećava brže od spremnika, on rasteže vrećicu tako da se širi i istiskuje hladniji (teži) zrak izvan vrećice. Razlika između gustoće zraka unutar i izvan vrećice uzrokuje dizanje balona. Hlađenje zraka unutar vrećice uzrokuje spuštanje balona.
Kada se tvar zagrijava, njezin se volumen povećava, dok njezina masa ostaje ista, stoga se gustoća tvari (što je omjer mase i njezina volumena) smanjuje s porastom temperature. U slučaju krutih tvari, smanjenje gustoće nije primjetno, ali u slučaju tekućina i plinova, kako temperatura raste, volumen se značajno povećava, pa je stoga smanjenje gustoće prilično vidljivo.
