Речиси сите супстанции (цврсти, течности и гасови) се шират при загревање и се собираат при ладењето. Проширувањето на супстанцијата при загревање се нарекува термичка експанзија на таа супстанција. Постојат три вида на проширување: линеарно (зголемување на должината), површно (зголемување на површината) и кубично проширување (зголемување на волуменот). Цврстите материи имаат дефинитивен облик, па кога цврстото тело се загрева се шири во сите правци, т.е. должината, површината и волуменот се зголемуваат при загревањето. Течноста и гасовите покажуваат само кубна експанзија. При загревање, течностите се шират повеќе од цврстите, а гасовите многу повеќе од течностите. Во оваа лекција, ќе научите:
При загревање на цврсто тело, просечната кинетичка енергија на молекулите на цврстото тело се зголемува. Тие почнуваат да вибрираат околу нивната средна положба со голема амплитуда. Резултатот е дека нивната средна положба се менува така што се зголемува меѓумолекуларното одвојување помеѓу молекулите, со што цврстото се шири во сите правци.
Експеримент: Земете метална топка и прстен.
з) Наредете ја металната топка и прстен како што е прикажано на сликата подолу (слика а). Металната топка треба само да се лизне низ прстенот кога и двете се на собна температура.
ii) Сега загрејте ја металната топка на пламеник (слика б)
iii) Поставете го прстенот повторно и обидете се да ја поминете топката низ прстенот. Ќе забележите дека топката се заглавува.
Причина: При загревање, топката се шири и станува поголема во дијаметар.
Сега оставете ја топката да се олади и повторно обидете се да ја поминете топката низ прстенот, ќе забележите дека топката сега минува низ прстенот. Тоа е затоа што при ладење, топката се собира.
Линеарно проширување
Секогаш кога има зголемување на должината на телото поради загревање, тогаш проширувањето се нарекува линеарно проширување. Да го разгледаме линеарното проширување во метална прачка. Зголемувањето на должината на металната прачка при загревање зависи од следните три фактори:
Забелешка: Зголемувањето на должината на шипката при загревање не зависи од тоа дали е шуплива или цврста
Површна експанзија на цврсти материи
Кога металната плоча се загрева, нејзината должина и ширина се зголемуваат. Ова ја зголемува површината на плочата. Зголемувањето на површината на плочата зависи од:
Кубична експанзија на цврсти материи
Кога цврстото се загрева, неговата должина, ширина и дебелина се зголемуваат, а со тоа се зголемува и волуменот. Експериментално е забележано дека зголемувањето на волуменот на цврсто тело зависи од:
| Ако L 0 е должина на прачка на 0 o C и нејзината должина на t o C е L t , тогаш зголемувањето на должината е дадено како L t - L 0 = L 0 α t α е коефициентот на линеарно ширење кој зависи од материјалот на шипката. Неговата единица е на o C |
| Ако A 0 е плоштината на плочата на 0 o C и нејзината површина на t o C е A t , тогаш зголемувањето на плоштината е дадено како A t - A 0 = A 0 β t β е коефициентот на површна експанзија кој е различен за различни цврсти материи. |
| Ако V 0 е волумен на цврсто тело на 0 o C и неговата површина на t o C е V t , тогаш зголемувањето на волуменот е дадено како V t - V 0 = V 0 γ t γ е коефициентот на кубно проширување кој е различен за различни материјали. |
Врска помеѓу α, β и γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Коефициент на линеарно ширење на некои цврсти материи
| Супстанција | Коефициент на линеарно проширување ( x 10 -6 на o C) |
| Алуминиум | 24 |
| Месинг | 19 |
| Бакар | 17 |
| Железо | 12 |
| Инвар | 0,9 |
Термичка експанзија на цврсти материи во секојдневниот живот
1. Железнички пруги: Шините на железничките пруги се направени од челик. При поставувањето на железничките шини на дрвени или бетонски постројки, се остава мал јаз помеѓу последователната должина на шините како што е прикажано на сликата подолу. Причината е дека во лето поради порастот на атмосферската температура секоја шина има тенденција да се зголемува во својата должина, па се остава празнина помеѓу двете шини, во спротивно, шината ќе се свитка настрана.
2. Електрични кабли и телефонски жици: Електричниот кабел во далноводот за електрична енергија и телефонските жици помеѓу два пола може да се скршат во зима поради контракција и може да попуштаат во лето поради проширување. Затоа, при поставувањето на жицата меѓу два столба, се внимава тие во лето да се држат малку лабави за да не се скинат во зима поради контракција. И додека ги лежат во зима се чуваат хулахопки за да не попуштат премногу во лето поради проширување.
3. Стаклени садови што се користат во кујната: Стаклените садови што се користат во кујната главно се направени од пирекс стакло. Причината е што пирекс стаклото има многу низок коефициент на кубично проширување, па стаклените садови при загревање не се прошируваат и пукаат.
Како цврсти материи, течностите, исто така, обично се прошируваат при загревање. Течностите се шират многу повеќе од цврстите материи кога се загреваат. Бидејќи течноста нема дефинитивен облик, но има одреден волумен, затоа течностите имаат само кубично ширење.
Исклучок: Водата се собира при загревање од 0 o C до 4 o C, а потоа над 4 o C при дополнително загревање се шири. Ова се нарекува аномално однесување на водата.
Експеримент: Земете тегла, наполнете ги три четвртини со вода и затворете ја теглата. Чувајте го на оган. Ќе забележите дека како што водата се повеќе се загрева, нивото на водата во теглата се зголемува.
Забелешка: Кога ќе се загрее течноста содржана во теглата, прво се загрева теглата и така ќе се прошири поради што нивото на течноста паѓа. После тоа, кога топлината ќе дојде до течноста, таа ќе се прошири, па нивото на течноста ќе се зголеми. Така, вистинското ширење на течноста е повеќе од набљудуваното проширување.
Фактори кои влијаат на кубичното проширување на течноста
Кубичното проширување на течноста зависи од следните три фактори:
Ако V 0 е волумен на течност на 0 o C и V t волумен на течност на t o C, тогаш зголемувањето на волуменот на течноста се дава како
V t - V o = V 0 γ t
каде γ е коефициентот на кубично ширење на течноста .
Коефициент на кубично ширење на некои течности
| Течност | Коефициент на кубна експанзија γ ( x 10 -4 на o C) |
| Меркур | 1.8 |
| Вода (над 15 O C) | 3.7 |
| Парафинско масло | 9.0 |
| Алкохол | 11.0 |
Примена на термичка експанзија на течности во секојдневниот живот
Термичка експанзија на течноста се користи во работата на живин термометар. Живиот термометар се состои од капиларна цевка со еден крај затворен и цилиндрична сијалица на другиот крај. Сијалицата е исполнета со жива. Живата е сјајна течност, па нејзиното ниво лесно може да се види во капиларната цевка. Кога сијалицата на термометарот се одржува во контакт со жешко тело, живата се шири. Нивото на жива се зголемува во капиларната цевка. Цевката е градуирана за да ја чита температурата. За секој степен Целзиусов пораст на температурата, живата се шири за ист волумен, па калибрацијата на термометарот станува полесна.
Гасовите се шират и кога се загреваат. Гасовите се шират многу повеќе од течностите и цврстите материи. Како и течностите, гасовите немаат дефинитивен облик, па затоа имаат само кубично проширување. Сепак, гасовите што се содржани во фиксен волумен не можат да се прошират - и така зголемувањето на температурата резултира со зголемување на притисокот.
Експеримент: Земете празно шише. Прикачете гумен балон на неговиот врат. Првично, балонот се издува. Ставете го шишето во водена бања што содржи врела вода. По некое време ќе забележите дека балонот се надува како што е прикажано на сликата подолу. Ова покажува дека при загревање, воздухот затворен во шишето се шири и го исполнува балонот, така што балонот се надува.
Примена на термичка експанзија на гасовите во секојдневниот живот
Балон со топол воздух: Балоните со топол воздух работат на принципот на разлика во термичка експанзија помеѓу гас и цврсто тело. Бидејќи топлиот воздух во торбата со балон се зголемува во големината побрзо од контејнерот, тој ја растегнува кесата така што се шири и го поместува постудениот (потешкиот) воздух надвор од торбата. Разликата помеѓу густината на воздухот внатре и надвор од вреќата предизвикува балонот да се крева. Ладењето на воздухот во кесата предизвикува балонот да се спушти.
Кога супстанцијата се загрева, нејзиниот волумен се зголемува, додека масата останува иста, па затоа, густината на супстанцијата (што е однос на масата кон нејзиниот волумен), се намалува со зголемувањето на температурата. Во случај на цврсти материи, намалувањето на густината не е забележливо, но во случај на течности и гасови, како што температурата се зголемува, волуменот се зголемува за значителна количина, и затоа намалувањето на густината е прилично забележливо.
