Prawie wszystkie substancje (ciała stałe, ciecze i gazy) rozszerzają się podczas ogrzewania i kurczą podczas chłodzenia. Rozszerzalność substancji podczas ogrzewania nazywa się rozszerzalnością cieplną tej substancji. Istnieją trzy rodzaje ekspansji: liniowa (wzrost długości), powierzchowna (wzrost powierzchni) i sześcienna (wzrost objętości). Ciała stałe mają określony kształt, więc gdy ciało stałe jest ogrzewane, rozszerza się we wszystkich kierunkach, tj. długość, powierzchnia i objętość zwiększają się podczas ogrzewania. Ciecze i gazy wykazują tylko ekspansję sześcienną. Podczas ogrzewania ciecze rozszerzają się bardziej niż ciała stałe, a gazy znacznie bardziej niż ciecze. W tej lekcji nauczysz się:
Podczas ogrzewania ciała stałego wzrasta średnia energia kinetyczna cząsteczek ciała stałego. Zaczynają wibrować wokół swojego średniego położenia z dużą amplitudą. W rezultacie ich średnie położenie zmienia się w taki sposób, że zwiększa się separacja międzycząsteczkowa między cząsteczkami, a zatem ciało stałe rozszerza się we wszystkich kierunkach.
Eksperyment: Weź metalową kulę i pierścień.
i) Ułóż metalową kulkę i pierścień tak, jak pokazano na poniższym rysunku (rysunek a). Metalowa kulka powinna po prostu prześlizgnąć się przez pierścień, gdy obie mają temperaturę pokojową.
ii) Teraz podgrzej metalową kulkę na palniku (rysunek b)
iii) Załóż kółko ponownie i spróbuj przepuścić piłkę przez kółko. Zauważysz, że piłka utknęła.
Powód: Podczas podgrzewania kulka rozszerza się i ma większą średnicę.
Teraz pozwól piłce ostygnąć i ponownie spróbuj przejść piłkę przez pierścień, zauważysz, że piłka przechodzi teraz przez pierścień. Dzieje się tak, ponieważ podczas chłodzenia kulka kurczy się.
Rozszerzenie liniowe
Ilekroć następuje wzrost długości ciała w wyniku ogrzewania, wówczas rozszerzenie nazywa się rozszerzeniem liniowym. Rozważmy rozszerzalność liniową w metalowym pręcie. Wzrost długości metalowego pręta podczas ogrzewania zależy od następujących trzech czynników:
Uwaga: Przyrost długości pręta podczas ogrzewania nie zależy od tego, czy jest on pusty, czy pełny
Powierzchowna ekspansja ciał stałych
Kiedy metalowa płyta jest podgrzewana, jej długość i szerokość zwiększają się. Zwiększa to powierzchnię płytki. Zwiększenie powierzchni płytki zależy od:
Rozszerzalność sześcienna ciał stałych
Gdy ciało stałe jest podgrzewane, jego długość, szerokość i grubość zwiększają się, a tym samym zwiększają objętość. Eksperymentalnie zaobserwowano, że wzrost objętości ciała stałego zależy od:
| Jeżeli L 0 jest długością pręta w temperaturze 0 o C, a jego długość w temperaturze t o C wynosi L t , to przyrost długości wyraża się jako L t - L 0 = L 0 α t α jest współczynnikiem rozszerzalności liniowej , który zależy od materiału pręta. Jego jednostką jest per o C |
| Jeśli A 0 jest polem płyty w temperaturze 0 o C, a jej pole w temperaturze t o C wynosi A t , to wzrost pola wyraża się jako A t - A 0 = A 0 β t β jest współczynnikiem rozszerzalności powierzchniowej , który jest różny dla różnych ciał stałych. |
| Jeżeli V 0 jest objętością ciała stałego w 0 o C, a jego pole powierzchni w t o C wynosi V t , to przyrost objętości wyraża się jako V t - V 0 = V 0 γ t γ to współczynnik rozszerzalności sześciennej , który jest różny dla różnych materiałów. |
Związek między α, β i γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Współczynnik rozszerzalności liniowej niektórych ciał stałych
| Substancja | Współczynnik rozszerzalności liniowej ( x 10 -6 na o C) |
| Aluminium | 24 |
| Mosiądz | 19 |
| Miedź | 17 |
| Żelazo | 12 |
| Inwar | 0,9 |
Rozszerzalność cieplna ciał stałych w życiu codziennym
1. Tory kolejowe: Szyny torów kolejowych wykonane są ze stali. Podczas układania torów kolejowych na roślinach drewnianych lub betonowych pozostawia się niewielką szczelinę między kolejnymi długościami szyn, jak pokazano na poniższym rysunku. Powodem jest to, że latem ze względu na wzrost temperatury atmosferycznej każda szyna ma tendencję do zwiększania swojej długości, więc między dwiema szynami pozostaje szczelina, w przeciwnym razie szyna wygina się na boki.
2. Kable elektryczne i przewody telefoniczne: Kabel elektryczny w linii elektroenergetycznej i przewody telefoniczne między dwoma słupami mogą pękać zimą z powodu skurczu, a latem zwisać z powodu rozszerzania się. Dlatego przy układaniu drutu pomiędzy dwoma słupami należy uważać, aby latem były one lekko poluzowane, aby zimą nie pękły w wyniku skurczu. A układając je zimą, trzyma się je w rajstopach, aby latem nie zwisały zbytnio z powodu rozszerzania się.
3. Szkło używane w kuchni: Szkło używane w kuchni jest zwykle wykonane ze szkła pyrex. Powodem jest to, że szkło pyrex ma bardzo niski współczynnik rozszerzalności sześciennej, więc szkło podczas ogrzewania nie rozszerza się i nie pęka.
Podobnie jak ciała stałe, ciecze również zwykle rozszerzają się podczas ogrzewania. Ciecze rozszerzają się znacznie bardziej niż ciała stałe po podgrzaniu. Ponieważ ciecz nie ma określonego kształtu, ale ma określoną objętość, dlatego ciecze mają tylko rozszerzalność sześcienną.
Wyjątek: Woda kurczy się po podgrzaniu jej od 0 o C do 4 o C, a następnie powyżej 4 o C przy dalszym ogrzewaniu rozszerza się. Nazywa się to anomalnym zachowaniem wody.
Eksperyment: Weź słoik, napełnij trzy czwarte części wodą i zamknij słoik. Trzymaj to na ogniu. Zauważysz, że w miarę jak woda jest coraz bardziej podgrzewana, poziom wody w dzbanku rośnie.
Uwaga: Podczas podgrzewania płynu znajdującego się w słoiczku najpierw nagrzewa się słoiczek, a więc rozszerza się, przez co poziom płynu spada. Następnie, gdy ciepło dotrze do cieczy, rozszerzy się, więc poziom cieczy wzrośnie. Zatem rzeczywista ekspansja cieczy jest większa niż obserwowana ekspansja.
Czynniki wpływające na rozszerzalność objętościową cieczy
Rozszerzalność sześcienna cieczy zależy od następujących trzech czynników:
Jeżeli V 0 jest objętością cieczy w temperaturze 0 o C, a V t objętością cieczy w temperaturze t o C, to wzrost objętości cieczy wyraża się jako
V t - V o = V 0 γ t
gdzie γ jest współczynnikiem rozszerzalności sześciennej cieczy .
Współczynnik rozszerzalności sześciennej niektórych cieczy
| Płyn | Współczynnik rozszerzalności sześciennej γ ( x 10 -4 na o C) |
| Rtęć | 1.8 |
| Woda (powyżej 15 o C) | 3.7 |
| Olej parafinowy | 9.0 |
| Alkohol | 11.0 |
Zastosowanie rozszerzalności cieplnej cieczy w życiu codziennym
Rozszerzalność cieplna cieczy jest wykorzystywana w działaniu termometru rtęciowego. Termometr rtęciowy składa się z rurki kapilarnej z zamkniętym jednym końcem i cylindrycznej bańki na drugim końcu. Żarówka jest wypełniona rtęcią. Rtęć jest błyszczącą cieczą, więc jej poziom można łatwo zobaczyć w rurce kapilarnej. Gdy bańka termometru styka się z gorącym ciałem, rtęć rozszerza się. Poziom rtęci w rurce kapilarnej wzrasta. Rurka jest wyskalowana, aby odczytać temperaturę. Przy wzroście temperatury o każdy stopień Celsjusza rtęć rozszerza się o tę samą objętość, więc kalibracja termometru staje się łatwiejsza.
Gazy rozszerzają się również po podgrzaniu. Gazy rozszerzają się znacznie bardziej niż ciecze i ciała stałe. Podobnie jak ciecze, gazy nie mają określonego kształtu, więc również mają jedynie rozszerzalność sześcienną. Jednak gazy znajdujące się w określonej objętości nie mogą się rozszerzać, dlatego wzrost temperatury powoduje wzrost ciśnienia.
Eksperyment: weź pustą butelkę. Przymocuj gumowy balon do jego szyi. Na początku balon jest opróżniany. Umieść butelkę w łaźni wodnej zawierającej wrzącą wodę. Po pewnym czasie zauważysz, że balon napełnia się, jak pokazano na poniższym rysunku. Pokazuje to, że podczas ogrzewania powietrze zamknięte w butelce rozszerza się i wypełnia balon, dzięki czemu balon zostaje nadmuchany.
Zastosowanie rozszerzalności cieplnej gazów w życiu codziennym
Balon na ogrzane powietrze: Balony na ogrzane powietrze działają na zasadzie różnicy rozszerzalności cieplnej między gazem a ciałem stałym. Ponieważ gorące powietrze wewnątrz worka balonowego zwiększa rozmiar szybciej niż pojemnik, rozciąga worek, tak że rozszerza się i wypiera zimniejsze (cięższe) powietrze na zewnątrz worka. Różnica gęstości powietrza wewnątrz i na zewnątrz worka powoduje, że balon unosi się. Ochłodzenie powietrza wewnątrz worka powoduje opadanie balonu.
Gdy substancja jest ogrzewana, jej objętość wzrasta, podczas gdy jej masa pozostaje taka sama, dlatego gęstość substancji (będąca stosunkiem masy do jej objętości) maleje wraz ze wzrostem temperatury. W przypadku ciał stałych spadek gęstości nie jest zauważalny, ale w przypadku cieczy i gazów wraz ze wzrostem temperatury objętość znacznie wzrasta, a zatem spadek gęstości jest dość zauważalny.
