Почти все вещества (твердые, жидкие и газообразные) расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Расширение вещества при нагревании называется тепловым расширением этого вещества. Существует три вида расширения: линейное (увеличение длины), поверхностное (увеличение площади) и кубическое расширение (увеличение объема). Твердые тела имеют определенную форму, поэтому при нагревании твердое тело расширяется во всех направлениях, т. е. длина, площадь и объем увеличиваются при нагревании. Жидкости и газы показывают только кубическое расширение. При нагревании жидкости расширяются больше, чем твердые тела, а газы расширяются больше, чем жидкости. На этом уроке вы узнаете:
При нагревании твердого тела увеличивается средняя кинетическая энергия молекул твердого тела. Они начинают вибрировать вокруг своего среднего положения с большой амплитудой. В результате их среднее положение изменяется так, что межмолекулярное расстояние между молекулами увеличивается, поэтому твердое тело расширяется во всех направлениях.
Эксперимент: Возьмите металлический шар и кольцо.
i) Расположите металлический шар и кольцо, как показано на рисунке ниже (рисунок a). Металлический шарик должен просто проскользнуть через кольцо, когда оба находятся при комнатной температуре.
ii) Теперь нагрейте металлический шар на горелке (рис. b).
iii) Снова поместите кольцо и попытайтесь передать мяч через кольцо. Вы заметите, что мяч застревает.
Причина: при нагревании шарик расширяется и становится больше в диаметре.
Теперь дайте мячу остыть и снова попытайтесь пропустить мяч через кольцо, вы заметите, что мяч теперь проходит через кольцо. Это связано с тем, что при охлаждении шарик сжимается.
Линейное расширение
Всякий раз, когда происходит увеличение длины тела из-за нагревания, такое расширение называется линейным расширением. Рассмотрим линейное расширение в металлическом стержне. Увеличение длины металлического стержня при нагреве зависит от следующих трех факторов:
Примечание: Увеличение длины стержня при нагреве не зависит от того, полый он или сплошной.
Поверхностное расширение твердых тел
При нагревании металлической пластины ее длина и ширина увеличиваются. Это увеличивает площадь пластины. Увеличение площади пластины зависит от:
Кубическое расширение твердых тел
При нагревании твердого тела его длина, ширина и толщина увеличиваются, а значит, увеличивается и объем. Экспериментально установлено, что увеличение объема твердого тела зависит от:
| Если L 0 — длина стержня при 0 o C, а его длина при t o C равна L t , то увеличение длины определяется как L t - L 0 = L 0 α t α — коэффициент линейного расширения , зависящий от материала стержня. Его единица на o C |
| Если A 0 является площадью пластины при 0 o C, а ее площадь при t o C равна A t , то увеличение площади выражается как A t - A 0 = A 0 β t β - коэффициент поверхностного расширения , который различен для разных твердых тел. |
| Если V 0 - объем твердого тела при 0 o C, а его площадь при t o C равна V t , то увеличение объема определяется как V t - V 0 = V 0 γ t γ — коэффициент объемного расширения , который различен для разных материалов. |
Соотношение между α, β и γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Коэффициент линейного расширения некоторых твердых тел
| вещество | Коэффициент линейного расширения ( x 10 -6 на o C) |
| Алюминий | 24 |
| Латунь | 19 |
| Медь | 17 |
| Утюг | 12 |
| Инвар | 0,9 |
Тепловое расширение твердых тел в повседневной жизни
1. Железнодорожные пути: Рельсы железнодорожных путей изготовлены из стали. При укладке железнодорожных путей на деревянные или бетонные заводы между последовательными отрезками рельсов оставляют небольшой зазор, как показано на рисунке ниже. Причина в том, что летом из-за повышения температуры воздуха каждый рельс имеет тенденцию увеличиваться в длину, поэтому между двумя рельсами остается зазор, иначе рельс будет прогибаться вбок.
2. Электрические кабели и телефонные провода: Электрический кабель в линии электропередачи и телефонные провода между двумя столбами могут порваться зимой из-за усадки и провиснуть летом из-за расширения. Поэтому при прокладке провода между двумя столбами следите за тем, чтобы летом они были слегка распущены, чтобы зимой они не порвались из-за усадки. А при укладке зимой их держат в колготках, чтобы летом они не слишком провисали из-за расширения.
3. Стеклянная посуда, используемая на кухне. Стеклянная посуда, используемая на кухне, обычно изготавливается из стекла пирекс. Причина в том, что стекло пирекс имеет очень низкий коэффициент объемного расширения, поэтому стеклянная посуда при нагревании не расширяется и не трескается.
Как и твердые тела, жидкости также обычно расширяются при нагревании. Жидкости при нагревании расширяются значительно больше, чем твердые тела. Так как жидкость не имеет определенной формы, а имеет определенный объем, то жидкости имеют только кубическое расширение.
Исключение: вода сжимается при нагревании от 0 ° С до 4 ° С, а затем выше 4 ° С при дальнейшем нагревании расширяется. Это называется аномальным поведением воды.
Опыт: возьмите банку, наполните водой на три четверти и закройте банку. Держите его на огне. Вы заметите, что по мере того, как вода нагревается все больше и больше, уровень воды в банке поднимается.
Примечание: При нагревании жидкости, содержащейся в банке, сначала нагревается банка, и поэтому она расширяется, из-за чего уровень жидкости падает. После этого, когда тепло достигнет жидкости, она расширится, поэтому уровень жидкости поднимется. Таким образом, реальное расширение жидкости больше наблюдаемого расширения.
Факторы, влияющие на объемное расширение жидкости.
Объемное расширение жидкости зависит от следующих трех факторов:
Если V 0 - объем жидкости при 0 o C, а V t - объем жидкости при t o C, то увеличение объема жидкости определяется как
V т - V о = V 0 γ т
где γ – коэффициент объемного расширения жидкости .
Коэффициент объемного расширения некоторых жидкостей
| Жидкость | Коэффициент кубического расширения γ ( x 10 -4 на o C) |
| Меркурий | 1,8 |
| Вода (выше 15 ° С) | 3,7 |
| Парафиновое масло | 9,0 |
| Алкоголь | 11,0 |
Применение теплового расширения жидкостей в быту.
Тепловое расширение жидкости используется в работе ртутного термометра. Ртутный термометр состоит из капиллярной трубки с закрытым одним концом и цилиндрической колбы на другом конце. Колба наполнена ртутью. Ртуть представляет собой блестящую жидкость, поэтому ее уровень можно легко увидеть в капиллярной трубке. При соприкосновении колбы термометра с горячим телом ртуть расширяется. Уровень ртути в капиллярной трубке повышается. Трубка имеет градуировку для считывания температуры. При повышении температуры на каждый градус Цельсия ртуть расширяется на один и тот же объем, поэтому калибровка термометра упрощается.
Газы также расширяются при нагревании. Газы расширяются гораздо больше, чем жидкости и твердые тела. Подобно жидкостям, газы не имеют определенной формы, поэтому они также имеют только кубическое расширение. Однако газы, содержащиеся в фиксированном объеме, не могут расширяться, поэтому повышение температуры приводит к увеличению давления.
Эксперимент: Возьмите пустую бутылку. Прикрепите резиновый шарик к его шее. Первоначально баллон сдувается. Поместите бутылку на водяную баню с кипящей водой. Через некоторое время вы заметите, что воздушный шар надувается, как показано на рисунке ниже. Это показывает, что при нагревании воздух, заключенный в бутылке, расширяется и заполняет воздушный шар, так что воздушный шар надувается.
Применение теплового расширения газов в быту
Воздушный шар: Воздушные шары работают по принципу разницы теплового расширения между газом и твердым телом. Поскольку горячий воздух внутри мешка-баллона увеличивается в размерах быстрее, чем контейнер, он растягивает мешок так, что он расширяется и вытесняет более холодный (более тяжелый) воздух за пределы мешка. Разница между плотностью воздуха внутри и снаружи мешка заставляет воздушный шар подниматься. Охлаждение воздуха внутри мешка заставляет воздушный шар опускаться.
Когда вещество нагревается, его объем увеличивается, а масса остается неизменной, следовательно, плотность вещества (отношение массы к его объему) уменьшается с повышением температуры. В случае твердых тел уменьшение плотности не заметно, но в случае жидкостей и газов при повышении температуры объем заметно увеличивается, и поэтому уменьшение плотности весьма заметно.
