Майже всі речовини (тверді, рідкі та газоподібні) розширюються при нагріванні та стискаються при охолодженні. Розширення речовини при нагріванні називається тепловим розширенням цієї речовини. Розрізняють три види розширення: лінійне (збільшення в довжину), поверхневе (збільшення площі) і кубічне розширення (збільшення об’єму). Тверді тіла мають певну форму, тому при нагріванні тверде тіло розширюється в усіх напрямках, тобто довжина, площа та об’єм збільшуються при нагріванні. Рідина та гази демонструють лише кубічне розширення. При нагріванні рідини розширюються більше, ніж тверді тіла, а гази розширюються набагато більше, ніж рідини. На цьому уроці ви дізнаєтеся:
При нагріванні твердого тіла середня кінетична енергія молекул твердого тіла зростає. Вони починають вібрувати навколо свого середнього положення з великою амплітудою. Результатом є те, що їх середнє положення змінюється таким чином, що міжмолекулярний відрив між молекулами збільшується, таким чином тверда речовина розширюється в усіх напрямках.
Дослід: візьміть металеву кульку та кільце.
i) Розмістіть металеву кульку та кільце, як показано на малюнку нижче (малюнок a). Металева кулька має прослизнути крізь кільце, коли обидва мають кімнатну температуру.
ii) Тепер нагрійте металеву кульку на пальнику (малюнок b)
iii) Знову поставте кільце та спробуйте пропустити м’яч через нього. Ви помітите, що кулька застряє.
Причина: при нагріванні кулька розширюється і стає більшим у діаметрі.
Тепер дайте м'ячу охолонути і знову спробуйте провести його через кільце, ви помітите, що м'яч тепер проходить через кільце. Це тому, що при охолодженні кулька стискається.
Лінійне розширення
Коли довжина тіла збільшується внаслідок нагрівання, таке розширення називається лінійним розширенням. Розглянемо лінійне розширення в металевому стержні. Збільшення довжини металевого стрижня при нагріванні залежить від трьох факторів:
Примітка. Збільшення довжини стрижня при нагріванні не залежить від того, порожнистий він чи суцільний
Поверхневе розширення твердих тіл
При нагріванні металевої пластини її довжина і ширина збільшуються. Це збільшує площу плити. Збільшення площі пластини залежить від:
Кубічне розширення твердих тіл
Коли тверда речовина нагрівається, її довжина, ширина та товщина збільшуються, отже, збільшується об’єм. Експериментально встановлено, що збільшення об’єму твердого тіла залежить від:
| Якщо L 0 — це довжина стержня при 0 o C, а його довжина при t o C дорівнює L t , тоді збільшення довжини визначається як L t - L 0 = L 0 α t α – коефіцієнт лінійного розширення , який залежить від матеріалу стрижня. Його одиниця - о С |
| Якщо A 0 — це площа пластини при 0 o C, а її площа при t o C дорівнює A t , тоді збільшення площі визначається як A t - A 0 = A 0 β t β це коефіцієнт поверхневого розширення , який різний для різних твердих тіл. |
| Якщо V 0 — це об’єм твердого тіла при 0 o C, а його площа при t o C дорівнює V t , тоді збільшення об’єму визначається як V t - V 0 = V 0 γ t γ – коефіцієнт кубічного розширення , який різний для різних матеріалів. |
Співвідношення між α, β і γ: α : β : γ = 1 : 2 : 3 |
Коефіцієнт лінійного розширення деяких твердих тіл
| Речовина | Коефіцієнт лінійного розширення ( x 10 -6 на o C) |
| Алюміній | 24 |
| Латунь | 19 |
| Мідь | 17 |
| Залізо | 12 |
| Інвар | 0,9 |
Теплове розширення твердих тіл у повсякденному житті
1. Залізничні колії: рейки залізничних колій виготовлені зі сталі. При укладанні залізничних колій на дерев'яних або бетонних насадженнях між послідовними довжинами рейок залишають невеликий зазор, як показано на малюнку нижче. Причина в тому, що влітку через підвищення атмосферної температури кожна рейка має тенденцію збільшуватися в довжину, тому між двома рейками залишається зазор, інакше рейка зігнеться вбік.
2. Електричні кабелі та телефонні дроти: Електричний кабель у лінії електропередачі та телефонні дроти між двома опорами можуть порватися взимку через звуження та можуть провиснути влітку через розширення. Тому, прокладаючи дріт між двома стовпами, слідкуйте за тим, щоб влітку вони були трохи ослаблені, щоб взимку вони не розірвалися через стиснення. А при укладанні взимку їх тримають в колготках, щоб влітку вони не сильно провисали від розширення.
3. Скляний посуд, який використовується на кухні: скляний посуд, який використовується на кухні, як правило, виготовляється з пірексового скла. Причина в тому, що пірексне скло має дуже низький коефіцієнт кубічного розширення, тому скляний посуд при нагріванні не розширюється і тріскається.
Як і тверді тіла, рідини також зазвичай розширюються при нагріванні. При нагріванні рідини розширюються набагато більше, ніж тверді тіла. Оскільки рідина не має певної форми, але має певний об’єм, тому рідини мають лише кубічне розширення.
Виняток: вода стискається при нагріванні від 0 o C до 4 o C, а потім при подальшому нагріванні вище 4 o C вона розширюється. Це називається аномальною поведінкою води.
Дослід: Візьміть банку, наповніть її водою на 3/4 і закрийте. Тримайте на вогні. Ви помітите, що в міру того, як вода нагрівається все більше і більше, рівень води в банці підвищується.
Примітка: коли рідина, що міститься в банці, нагрівається, спочатку нагрівається банка, і тому вона розширюється, через що рівень рідини падає. Після цього, коли тепло досягне рідини, вона розшириться, тому рівень рідини підніметься. Таким чином, реальне розширення рідини більше, ніж спостерігається розширення.
Фактори, що впливають на кубічне розширення рідини
Розширення рідини в кубі залежить від наступних трьох факторів:
Якщо V 0 — об’єм рідини при 0 o C, а V t — об’єм рідини при t o C, то збільшення об’єму рідини визначається як
V t - V o = V 0 γ t
де γ – коефіцієнт кубічного розширення рідини .
Коефіцієнт кубічного розширення деяких рідин
| Рідина | Коефіцієнт кубічного розширення γ ( x 10 -4 на o C) |
| Меркурій | 1.8 |
| Вода (вище 15 O C) | 3.7 |
| Парафінове масло | 9.0 |
| Алкоголь | 11.0 |
Застосування теплового розширення рідин у повсякденному житті
Теплове розширення рідини використовується в роботі ртутного термометра. Ртутний термометр складається з капілярної трубки, один кінець якої закритий, а з іншого — циліндрична колба. Колба наповнена ртуттю. Ртуть — блискуча рідина, тому її рівень можна легко побачити в капілярній трубці. Коли балона термометра підтримується в контакті з гарячим тілом, ртуть розширюється. У капілярній трубці підвищується рівень ртуті. Трубка градуйована для зчитування температури. З кожним підвищенням температури за градусом Цельсія ртуть розширюється на такий самий об’єм, тому калібрування термометра стає легшим.
Гази також розширюються при нагріванні. Гази розширюються набагато більше, ніж рідини і тверді тіла. Як і рідини, гази не мають певної форми, тому вони також мають лише кубічне розширення. Однак гази, які містяться у фіксованому об’ємі, не можуть розширюватися, тому підвищення температури призводить до підвищення тиску.
Експеримент: візьміть порожню пляшку. Прикріпіть до його горлечка гумову кульку. Спочатку повітряна куля здувається. Помістіть пляшку на водяну баню з киплячою водою. Через деякий час ви помітите, що повітряна кулька надувається, як показано на малюнку нижче. Це показує, що під час нагрівання повітря, що міститься в пляшці, розширюється і заповнює кулю, тому куля надувається.
Застосування теплового розширення газів у повсякденному житті
Повітряна куля: Повітряна куля працює за принципом різниці теплового розширення між газом і твердим тілом. Оскільки гаряче повітря всередині кулькового мішка збільшується в розмірі швидше, ніж контейнер, воно розтягує мішок так, що він розширюється та витісняє холодніше (важче) повітря за межі мішка. Різниця між щільністю повітря всередині та зовні мішка змушує повітряну кульку підніматися. Охолодження повітря всередині мішка змушує повітряну кулю опускатися.
При нагріванні речовини її об’єм збільшується, а маса залишається незмінною, тому густина речовини (відношення маси до об’єму) зменшується зі збільшенням температури. У випадку твердих тіл зменшення щільності непомітне, але у випадку рідин і газів із підвищенням температури об’єм значно збільшується, і тому зменшення щільності досить помітне.
