Топлинно разширение на твърди вещества и течности. Отчитане на топлинното разширение на телата

Типология на урока: урок за изучаване на нови знания и начини за правене на нещата

Тип на урока: комбиниран

Цели на урока:

• дидактически:
обясняват физическата природа на топлинното разширение на телата; да научи учениците да изчисляват линейни и обемни промени в твърди и течни тела при промяна на температурата им;
• образователен:
да подобри умението на студентите да прилагат придобитите теоретични знания при решаване на практически задачи; предизвикват интерес към изследвания процес;
• развиващи се:
да развие у учениците мисленето за използването и значението на термичното разширение в природата и техниката; да могат да обяснят механизма на топлинно разширение на телата въз основа на молекулярно-кинетична теория.

План на урока

1. Организация на началото на урока
2. Повторение на изучавания материал
3. Изучаване на нов материал
4. Междинно закрепване на материала
5. Изучаване на нов материал (продължение) Приложение 1
6. Затвърдяване на изучавания материал Приложение 2,
7. Домашна работа Приложение 4

План за изучаване на темата.

Екипировка: топка с пръстен; биметална плоча; термично реле; колба с гумена и стъклена тръба, поставена в тапата; G - нарязана стъклена тръба с капка вода; неоцветена вода; електрическа фурна; трансформатор; тел.

Демонстрации:

1. Топлинно разширение на твърди вещества.
2. Термично разширение на течности.
3. Действие и предназначение на биметалния терморегулатор.

Съобщение:

Характеристики на термичното разширение на водата.

Мотивация на познавателната дейност на учениците

Добре известно е, че веществото обикновено се разширява при нагряване и се свива при охлаждане, т.е. термичната деформация на тялото възниква под действието на молекулярните сили в процеса на нагряване и охлаждане. Това явление се обяснява с факта, че повишаването на температурата е свързано с увеличаване на скоростта на движение на молекулите и това води до увеличаване на междумолекулните разстояния и от своя страна до разширяване на тялото.

Топлинното разширение трябва да се вземе предвид при топлинната обработка и при топлинния метод на производство на части и оборудване, при изграждането на машини, тръбопроводи, електрически линии, мостове, сгради, подложени на температурни промени.

УЧЕБЕН ПРОЦЕС

I. Организация на началото на урока

Поздрав, формулировка на темата, цели на урока, посочване на предстоящия обхват на работа. Мотивация на познавателната дейност.

II. Повторение на изучавания материал

1. Проверка на домашната работа

Проверете решението на качествени физически задачи по темата „Твърдите тела и техните свойства” (фронтален преглед на учениците).

2. Подготовка за възприемане на нов материал

1. Повторете формулите от курса по математика (a + c) 3 и 3 + в 3;
2. Повторете темата „Термично разширение на газовете“ (закон на Гей-Люсак)
3. Повторете темата „Деформация на твърди тела“.

III. Изучаване на нов материал

1. От учениците се иска да отговорят на следните въпроси:
1. Какво се случва с телата, когато се охладят и разширят?
2. Защо телата се разширяват? Какви промени в тялото в процеса на разширяване?

По време на дискусията се въвежда понятието термично разширение на телата, примери за разширение на телата, видове термично разширение.

Топлинното разширение е увеличаване на линейните размери на тялото и неговия обем, протичащо с повишаване на температурата.

Когато тялото се разширява, обемът му се увеличава и те говорят за обемно разширяване на тялото. Но понякога се интересуваме само от промяна на едно измерение, като дължината на железопътната линия или металния прът. В такъв случай се говори за линейно разширение. Автомобилните дизайнери се интересуват от разширяване на повърхността на металните листове, използвани в конструкцията на автомобила. Тук въпросът е за повърхностно разширение.

Настройване на експерименти:

1. разширяване на течностите при нагряване (увеличаване на нивото на водата в колба с тръба);
2. разширяване на твърди частици при нагряване (топка с пръстен, увеличаване на дължината на опънати проводници);
3. действието на биметален регулатор (термично реле).

Въпрос: Разширяват ли се телата по същия начин при нагряване с еднакъв брой градуси?

Отговор: не, защото различните вещества имат различни молекули. Промяна в температурата със същия брой градуси характеризира една и съща средноквадратична скорост на молекулите. E k = молекулите с по-малка маса ще бъдат по-малко от молекулите с голяма маса. Следователно междумолекулните пространства на различните вещества се променят различно при една и съща температура, което води до неравномерно разширение.

2. Разгледайте линейното разширение на твърди тела и неговите характеристики

Разширението на твърдо тяло по едно от неговите измерения се нарича линеен.

За да се характеризира степента на линейно разширение на различни твърди тела, се въвежда понятието коефициент на линейно разширение.

Стойността, показваща с каква част от първоначалната дължина, взета при 0 0 C, дължината на тялото се увеличава от нагряването му с 1 0 C, се нарича коефициент на линейно разширение и се означава с .

K -1 = или = 0 C -1 =

Да въведем обозначението: t 0 – начална температура; t е крайната температура; l 0 - дължина на тялото при t 0 \u003d 0 0 С; l t - дължина на тялото при t 0 С; l - промяна в дължината на тялото; t е промяната в температурата.

Да предположим, че телта е нагрята с 60 0 C. В началото телта е с дължина 100 cm, а при нагряване дължината й се е увеличила с 0,24 cm.

От тук е възможно да се изчисли увеличаването на дължината на проводника при нагряване с 1 0 C.

Общото удължение (0,024 см) се разделя на дължината на проводника и промяната в температурата: \u003d 0,000004 0 С -1 = (4 * 10 -6) 0 С -1.

Тогава = или = (1)

3. а) За да изчислим дължината на тялото в зависимост от температурата t, преобразуваме формулата (2)

l t -l 0 = l 0 t l t \u003d l 0 + l 0 t l t = l 0 (1+ t)

Биномът (1+t) се нарича биномиално линейно разширение . Показва колко пъти се е увеличила дължината на тялото при нагряване от 0 0 до t 0 С.

Така, крайната дължина на тялото е равна на първоначалната дължина, умножена по бинома на линейното разширение.

Формулата l t \u003d l 0 (1+? t) е приблизителна и може да се използва при не много високи температури (200 0 C-300 0 C).

При големи температурни промени тази формула не може да се приложи.

б) Често при решаване на задачи те използват друга приблизителна формула, която опростява изчисленията. Например, ако е необходимо да се изчисли дължината на тялото при нагряване от температура t 1 до температура t 2, тогава използвайте формулата:

l 2 ~ l 1 , коефициент на линейно разширение ~

IV. Междинно закрепване на материала

Да отидем на разходка по железопътните релси. Ако времето е студено, тогава ще забележим, че краищата на две съседни релси са разделени един от друг на интервали от 0,6-1,2 см, при горещо време тези краища почти се сближават. Оттук и изводът, че релсите се разширяват при нагряване, свиват се при охлаждане. Следователно, ако пътят е построен през зимата, тогава трябваше да се остави някакъв марж, за да се позволи на релсите да се разширяват свободно през горещия сезон. Възниква въпросът колко марж е необходим за това разширяване?

Да приемем, че в нашия район изменението на температурата годишно е от -30 0 C до -35 0 C и дължината на релсата е 12,5 м. Каква междина трябва да се остави между релсите?

Отговор: така е необходимо да се остави празнина от 1 см, ако релсите се полагат при ниски температури или релсите трябва да се полагат челно до челно, ако релсите се полагат в най-горещото време.

V. Изучаване на нов материал (продължение)

4. Помислете за обемното разширение на твърдите тела и неговите характеристики

Увеличаването на обема на тялото при нагряване се нарича насипно разширение.

Обемното разширение се характеризира с коефициента на обемно разширение и се означава с? .

Задача: по аналогия с линейното разширение, дефинирайте коефициента на обемно разширение и изведете формулата =.

Студентите самостоятелно реализират решението на този въпрос и въвеждат обозначенията: V 0 - начален обем при 0 0 С; V t е крайният обем при t 0 С; V - промяна в обема на тялото; t 0 - начална температура; t е крайната температура.

Стойността, показваща с каква част от първоначалния обем, взета при 0 0 C, обемът на тялото се увеличава от нагряване с 1 0 C, се нарича коефициент на обемно разширение .

а) Намерете зависимостта на обема на твърдо тяло от температурата. От формулата = намираме крайния обем V t .

V t -V 0 = V 0 t, V t = V 0 + V 0 t, V t \u003d V 0 (1+ t).

Биномът (1+? t) се нарича бином за разширяване на обема . Показва колко пъти се е увеличил обемът на тялото при нагряване от 0 до t 0 C.

Така, крайният обем на тялото е равен на първоначалния обем, умножен по бинома на обемното разширение.

Ако обемът на тялото V 1 при температура t 1 е известен, тогава обемът V 2 при температура t 2 може да се намери по приблизителната формула V 2 ~V 1 и коефициентът на обемно разширение ~.

Извеждането и записването на формули се осъществява от учениците самостоятелно.

6. Стойността на коефициента на обемно разширение? много малка стойност.

Ако обаче се обърнем към таблиците, ще видим, че значението? за твърди вещества няма. Оказва се, че има връзка между коефициентите на линейно и обемно разширение? =3? .

Нека изведем това съотношение.

Да предположим, че имаме куб, чиято дължина на ръба при 0 0 C е 1 см. Нека загреем куба с 1 0 C, тогава дължината на ръба му ще бъде l t \u003d 1+? *1 0 =1+? . Обем на нагрятия куб V t =(1+?) 3 . От друга страна, обемът на същия куб може да се изчисли по формулата V t =1+? *1 0 =1+? .

От последните равенства получаваме 1+? =(1+?) 3 , следователно 1+? =1+3? +3? 2+? 3 .

И така, как са числовите стойности? много малък - от порядъка на милионни, тогава 3? 2 и? 3 са още по-изключително малки количества. На тази основа, пренебрегвайки стойностите на 3? 2 и? 3, вземи какво? =3? .

Коефициентът на обемно разширение на твърдо тяло е равен на три пъти коефициента на линейно разширение.

7. Разберете как се променя плътността на телата с температурата. Плътност на тялото при 0 0 С.

p, откъдето m=p 0 *V 0 , където m е телесната маса; V 0 - обем при 0 0 С;

m = const, когато температурата се промени, но обемът на тялото се променя, което означава, че плътността също се променя.

На тази основа можем да запишем, че плътността на тялото при температура t = 0 0 C , т.к. V t = V 0 (1+? t), тогава .

При изчисляване трябва да се има предвид, че таблиците показват плътността на веществото при 0 0 С. Плътността при други температури се изчислява по формулата? т .

При нагряване p t - намалява, при охлаждане p t - се увеличава.

1. Разкажете за устройството, предназначението и принципа на действие на биметалното термично реле, демонстрирайте неговите действия. Дайте примери за полезните и вредните ефекти на топлинната деформация в инженерството, транспорта, строителството и др.
2. Опишете накратко характеристиките на термичното разширение на течности.
3. Съобщение „Особености на топлинното разширение на водата“.

VI. Затвърдяване на изучавания материал.

1. Провежда се кратка анкета-разговор за по-задълбочено разбиране и затвърждаване на изучавания материал по въпросите.
2. Самостоятелна работа на учениците. Решаване на задачи по темата.

1. P.I. Самойленко, A.V. Сергеев.
Физика. – М.: 2002 г.
2. А.А. Пински, Г.Ю. Граковски.
Физика. – М.: 2002 г.
3. V.F. Дмитриев.
Физика.-М.: 2000г.
4. G.I. Рябоводов, П.И. Самойленко, Е.И. Огородников.
Планиране на учебния процес по физика.-М.: Висше училище, 1988г.
5. А.А. Гладков
. Сборник със задачи и въпроси за средното училище по физика. -М.: Наука. 1996 г.

Добре известно е, че твърдите вещества увеличават обема си при нагряване. Това е термично разширение. Помислете за причините, водещи до увеличаване на обема на тялото при нагряване.

Очевидно е, че обемът на кристала нараства с увеличаване на средното разстояние между атомите. Това означава, че повишаването на температурата води до увеличаване на средното разстояние между атомите на кристала. Каква е причината за увеличаването на разстоянието между атомите при нагряване?

Повишаването на температурата на кристала означава увеличаване на енергията на топлинното движение, т.е. термичните вибрации на атомите в решетката (виж стр. 459), и следователно увеличаване на амплитудата на тези вибрации.

Но увеличаването на амплитудата на вибрациите на атомите не винаги води до увеличаване на средното разстояние между тях.

Ако вибрациите на атомите бяха строго хармонични, тогава всеки атом щеше да се приближи до един от съседите си толкова, колкото се отдалечи от другия, и увеличаването на амплитудата на неговите вибрации няма да доведе до промяна в средното междуатомно разстояние и следователно до термично разширение.

В действителност атомите в кристалната решетка извършват анхармонични (т.е. нехармонични) вибрации. Това се дължи на естеството на зависимостта на силите на взаимодействие между / атомите от разстоянието между тях. Както беше посочено в началото на тази глава (виж фиг. 152 и 153), тази зависимост е такава, че при големи разстояния между атомите силите на взаимодействие между атомите се проявяват като сили на привличане и с намаляване на това разстояние те променят знака си и се превръщат в отблъскващи сили, бързо нарастващи с намаляване на разстоянието.

Това води до факта, че с увеличаване на "амплитудата" на атомните вибрации поради нагряване на кристала, нарастването на силите на отблъскване между атомите преобладава над нарастването на силите на привличане. С други думи, за един атом е „по-лесно“ да се отдалечи от съсед, отколкото да се приближи до друг. Това, разбира се, трябва да доведе до увеличаване на средното разстояние между атомите, т.е. до увеличаване на обема на тялото, когато то се нагрява.

Оттук следва, че причината за термичното разширение на твърдите тела е анхармоничността на вибрациите на атомите в кристалната решетка.

Количествено термичното разширение се характеризира с коефициентите на линейно и обемно разширение, които се определят, както следва. Нека тяло с дължина I, когато температурата се промени с градуси, промени дължината си с Коефициентът на линейно разширение се определя от съотношението

т.е. коефициентът на линейно разширение е равен на относителната промяна в дължината с промяна на температурата с един градус. По същия начин, коефициентът на обемно разширение се дава от

т.е. коефициентът е равен на относителната промяна в обема за един градус.

От тези формули следва, че дължината и обема при определена температура, различна от началната температура с градуси, се изразяват с формули (за малка

където са първоначалната дължина и обем на тялото.

Поради анизотропията на кристалите, коефициентът на линейно разширение a може да бъде различен в различни посоки. Това означава, че ако топка е издълбана от даден кристал, то след нагряване тя ще загуби сферичната си форма. Може да се покаже, че в най-общия случай такава топка при нагряване се превръща в триаксиален елипсоид, чиито оси са свързани с кристалографските оси на кристала.

Коефициентите на термично разширение по трите оси на този елипсоид се наричат ​​основни коефициенти на разширение на кристала.

Ако те се обозначават съответно с коефициента на обемно разширение на кристала

За кристали с кубична симетрия, както и за изотропни тела,

Топка, издълбана от такива тела, остава топка дори след нагряване (разбира се, с по-голям диаметър).

В някои кристали (например шестоъгълни)

Коефициентите на линейно и обемно разширение практически остават постоянни, ако температурните интервали, в които се измерват, са малки, а самите температури са високи. Като цяло коефициентите на термично разширение зависят от температурата и освен това по същия начин като топлинния капацитет, т.е. при ниски температури, коефициентите намаляват с понижаване на температурата пропорционално на куба температура, стремящи се, подобно на топлинния капацитет,

до нула при абсолютна нула. Това не е изненадващо, тъй като както топлинният капацитет, така и топлинното разширение са свързани с вибрациите на решетката: топлинният капацитет дава количеството топлина, необходимо за увеличаване на средната енергия на топлинните вибрации на атомите, което зависи от амплитудата на вибрациите, докато коефициентът на топлинно разширение е пряко свързани със средните разстояния между атомите, които също зависят от амплитудата на атомните вибрации.

От това следва важен закон, открит от Грюнайзен: съотношението на коефициента на топлинно разширение към атомния топлинен капацитет на твърдо вещество за дадено вещество е постоянна стойност (т.е. независимо от температурата).

Коефициентите на топлинно разширение на твърдите тела обикновено са много малки, както се вижда от табл. 22. Стойностите на коефициента, дадени в тази таблица, се отнасят за температурния диапазон между и

Таблица 22 (виж сканирането) Коефициенти на термично разширение на твърди тела

Някои вещества имат особено нисък коефициент на топлинно разширение. Кварцът например има това свойство. Друг пример е сплав от никел и желязо (36% Ni), известна като инвар. Тези вещества се използват широко в прецизните инструменти.

Простите експерименти и наблюдения ни убеждават, че при повишаване на температурата размерите на телата се увеличават леко, а при охлаждане те намаляват до предишните си размери. Така, например, много горещ болт не влиза в резбата, в която влиза свободно, като е студен. Когато болтът се охлади, той отново влиза в резбата. Телеграфните проводници в горещо лятно време провисват забележимо повече, отколкото през зимните студове. Увеличаването на провисването, а оттам и дължината на опънатите проводници по време на нагряване, може лесно да се възпроизведе в експеримента, показан на фиг. 353. Когато нагреем опъната жица с електрически ток, виждаме, че тя забележимо увисва, а когато нагряването спре, отново се стяга.

Ориз. 353. При нагряване от електрически ток жицата се удължава и провисва; когато токът е изключен, той се връща в предишната си позиция

При нагряване се увеличава не само дължината на тялото, но и други линейни размери. Промяната в линейните размери на тялото при нагряване се нарича линейно разширение.

Ако едно хомогенно тяло (например стъклена тръба) се нагрява еднакво във всички части, тогава то се разширява и запазва формата си. Друго се случва при неравномерно нагряване. Нека разгледаме този опит. Стъклената тръба се поставя хоризонтално и единият край е фиксиран. Ако тръбата се нагрява отдолу, както е показано на фиг. 354, тогава горната му част остава по-студена поради лошата топлопроводимост на стъклото; докато тръбата е огъната нагоре. Лесно е да се разбере, че долната половина на огънатата тръба е компресирана, тъй като тя не може да се разшири до степен, в която би се разширила, ако не беше интегрирана с горната половина. Горната половина, напротив, е опъната.

Ориз. 354. Стъклена тръба, когато се нагрее отдолу, забележимо се огъва нагоре.

Така, когато телата се нагряват неравномерно, в тях възникват напрежения, които могат да доведат до тяхното разрушаване, ако напреженията станат твърде големи. Така стъклената посуда в първия момент, когато в нея се налива гореща вода, е в стресирано състояние и понякога се спуква. Това се дължи на факта, че вътрешните части се затоплят и разширяват първо, което разтяга външната повърхност на съда. Такъв стрес по време на нагряване може да бъде избегнат, ако вземете съдове с толкова тънки стени, че бързо се затоплят по цялата им дебелина (химически стъклени съдове).

По подобна причина обикновените стъклени съдове се спукват, ако се опитате да загреете течности в тях на огън или на електрическа печка. Има обаче специални видове стъкло (т.нар. кварцово стъкло, съдържащо до 96% кварц), които се разширяват толкова малко при нагряване, че напреженията, причинени от неравномерното нагряване на съдовете, направени от такова стъкло, не са опасни. Можете да сварите вода в тенджера от кварцово стъкло.

Линейното разширение на различни материали при едно и също повишаване на температурата е различно. Това може да се види например от такъв опит: две различни плочи (например желязна и медна) са занитени заедно на няколко места (фиг. 355, а). Ако плочите са прави при стайна температура, тогава при нагряване те ще се огънат, както е показано на фиг. 355b. Това показва, че медта се разширява повече от желязото. От този опит също следва, че при промени в температурата на тяло, състоящо се от няколко различно разширяващи се части, в него се появяват и вътрешни напрежения. В експеримента, показан на фиг. 355, медната плоча се компресира и желязната плоча се разтяга. Поради неравномерното разширяване на желязото и емайла възникват напрежения в емайлираните железни съдове; при силно нагряване емайлът понякога отскача.

Ориз. 355. а) Плоча, занитана от медни и железни ленти, в студено състояние, б) Същата плоча в нагрето състояние (за по-голяма яснота огъването е показано преувеличено)

Напреженията, които се появяват в твърдите тела поради термичното разширение, могат да бъдат много големи. Това трябва да се вземе предвид в много области на технологиите. Имаше случаи, когато части от железни мостове, занитани през деня, се охлаждаха през нощта и се срутваха, откъсвайки множество нитове. За да се избегнат подобни явления, се вземат мерки, за да се гарантира, че части от конструкциите се разширяват или свиват свободно при промяна на температурата. Например, тръбопроводите за пара от желязо са снабдени с пружиниращи завои под формата на бримки (компенсатори, фиг. 356).

Ориз. 356. Компенсаторът на паропровода позволява на тръбите да се разширяват

Увеличаването на линейните размери е придружено от увеличаване на обема на телата (обемно разширение на телата). Невъзможно е да се говори за линейно разширение на течности, тъй като течността няма определена форма. Обемното разширение на течностите е лесно да се наблюдава. Напълнете колбата с цветна вода или друга течност и я запушете със запушалка със стъклена тръба, така че течността да влезе в тръбата (фиг. 357, а). Ако съд с гореща вода се донесе на дъното на колбата, тогава в първия момент течността в тръбата ще падне, а след това ще започне да се издига (фиг. 357, б и в). Понижаването на нивото на течността в първия момент показва, че съдът се разширява първи и течността все още не е имала време да се затопли. След това течността се затопля.

Ориз. 357. а) Оцветена вода е постъпила в тапата от колбата, б) Съд с гореща вода се довежда до колбата отдолу. В първия момент на потапяне на колбата течността в епруветката се спуска. в) Нивото в епруветката след известно време се настройва по-високо, отколкото преди нагряването на колбата

Увеличаването на нивото му показва, че течността се разширява в по-голяма степен от стъклото. Различните течности се разширяват по различен начин при нагряване: например керосинът се разширява повече от водата.

Ако течност се нагрява в затворен съд, което предотвратява разширяването му, тогава в нея, както и в твърдите тела, се появяват огромни напрежения (сили на натиск), които действат върху стените на съда и могат да ги разрушат. Следователно тръбните системи за водно отопление винаги са оборудвани с разширителен резервоар, свързан към горната част на системата и вентилиран към атмосферата (фиг. 358). Когато водата се нагрява в тръбната система, част от водата преминава в разширителния резервоар и това елиминира напрегнатото състояние на водата и тръбите.

Ориз. 358. Схема на устройството за отопление на водата в къщата. На тавана е поставен разширителен резервоар 1, от който водата тече по тръба 2

195.1. Как се променя диаметърът на отвора в чугунена кухненска печка, когато печката се нагрява?

195.2. Когато балалайката се изнесе от топло помещение на студено, стоманените й струни стават по-опънати. Какъв извод може да се направи от това за разликата в разширяването на стоманата и дървото?

195.3. При роялите стоманените струни са опънати върху желязна рамка. Променя ли се напрежението на струните, когато температурата се променя толкова бавно, че рамката има време да поеме същата температура като струните (желязото се разширява почти в същата степен като стоманата)?

195.4. За запояване на електроди в електрическа лампа се използва платинидна сплав, която се разширява при нагряване по същия начин като стъклото. Какво може да се случи, ако медна тел е запоена в стъкло (медта се разширява много повече от стъклото)?

195.5. Как би опитът, изобразен на фиг. 357 ако колбата е направена от кварцово стъкло?

195.6. В технологията често се използват биметални плочи, състоящи се от две тънки плочи от различни метали, заварени една към друга по цялата контактна повърхност. На фиг. 359 показва опростена схема на термично реле - устройство, което автоматично изключва електрическия ток за кратко време, ако токът по някаква причина надвиши допустимата стойност: 1 - биметална пластина, 2 - малък нагревателен елемент, който при приемлива сила на тока, загрява твърде малко, за да задейства релето, 3 - контакт. Разберете как работи термостатът. От коя страна на плоча 1 металът трябва да се разшири най-много?

Ориз. 359. Опростена схема на термично реле

Известно е, че под въздействието на топлината частиците ускоряват хаотичното си движение. Ако загреете газ, тогава молекулите, които го изграждат, просто ще се разпръснат една от друга. Нагрятата течност първо ще увеличи обема си и след това ще започне да се изпарява. Какво ще стане с твърдите вещества? Не всеки от тях може да промени състоянието си на агрегатиране.

Термично разширение: определение

Топлинното разширение е промяна в размера и формата на телата с промяна на температурата. Математически е възможно да се изчисли коефициентът на обемно разширение, което дава възможност да се предскаже поведението на газовете и течностите при променящи се външни условия. За да се получат същите резултати за твърдите тела, е необходимо да се вземат предвид Физиците са отделили цял раздел за този вид изследвания и го нарекоха дилатометрия.

Инженерите и архитектите се нуждаят от познания за поведението на различни материали при високи и ниски температури, за да проектират сгради, да полагат пътища и тръби.

Разширяване на газове

Топлинното разширение на газовете се придружава от разширяване на техния обем в пространството. Това е забелязано от натурфилософите в древни времена, но само съвременните физици успяват да изградят математически изчисления.

На първо място учените се заинтересуваха от разширяването на въздуха, тъй като им се струваше осъществима задача. Те се захванаха с работата толкова ревностно, че получиха доста противоречиви резултати. Естествено, научната общност не беше доволна от такъв резултат. Точността на измерването зависи от това кой термометър е бил използван, налягането и редица други условия. Някои физици дори стигат до заключението, че разширяването на газовете не зависи от промените в температурата. Или тази връзка е непълна?

Творби на Далтън и Гей-Люсак

Физиците щяха да продължат да спорят, докато не станат дрезгави или щяха да изоставят измерванията, ако не Той и друг физик, Гей-Люсак, в същото време, независимо един от друг, можеха да получат същите резултати от измерването.

Лусак се опитал да намери причината за толкова много различни резултати и забелязал, че някои от устройствата по време на експеримента са имали вода. Естествено, в процеса на нагряване той се превръща в пара и променя количеството и състава на изследваните газове. Следователно първото нещо, което ученият направи, беше да изсуши добре всички инструменти, които използва за провеждане на експеримента, и да изключи дори минималния процент влага от изследвания газ. След всички тези манипулации първите няколко експеримента се оказаха по-надеждни.

Далтън се занимава с този въпрос по-дълго от своя колега и публикува резултатите в самото начало на 19 век. Той изсуши въздуха с изпарения на сярна киселина и след това го нагрява. След поредица от експерименти Джон стига до заключението, че всички газове и пари се разширяват с коефициент 0,376. Лусак излезе с числото 0,375. Това беше официалният резултат от проучването.

Налягане на водните пари

Топлинното разширение на газовете зависи от тяхната еластичност, тоест от способността да се върнат към първоначалния си обем. Циглер е първият, който изследва този въпрос в средата на осемнадесети век. Но резултатите от неговите експерименти варираха твърде много. По-надеждни данни бяха получени чрез използване на бойлер за високи температури и барометър за ниски температури.

В края на 18 век френският физик Прони се опитва да изведе една-единствена формула, която да описва еластичността на газовете, но се оказва твърде тромава и трудна за използване. Далтън реши да тества всички изчисления емпирично, като използва за това сифонен барометър. Въпреки факта, че температурата не беше еднаква във всички експерименти, резултатите бяха много точни. Затова ги публикува като таблица в учебника си по физика.

Теория на изпарението

Термичното разширение на газовете (като физическа теория) е претърпяло различни промени. Учените се опитаха да стигнат до дъното на процесите, чрез които се произвежда пара. Тук отново се отличи известният физик Далтън. Той предположи, че всяко пространство е наситено с газови пари, независимо дали има друг газ или пара в този резервоар (стая). Следователно може да се заключи, че течността няма да се изпари просто при контакт с атмосферния въздух.

Налягането на въздушния стълб върху повърхността на течността увеличава пространството между атомите, като ги разкъсва и се изпарява, тоест допринася за образуването на пара. Но гравитацията продължава да действа върху молекулите на парите, така че учените смятат, че атмосферното налягане не влияе по никакъв начин на изпаряването на течности.

Разширяване на течности

Термичното разширение на течностите е изследвано успоредно с разширението на газовете. Същите учени се занимаваха с научни изследвания. За да направят това, те използваха термометри, аерометри, комуникационни съдове и други инструменти.

Всички експерименти заедно и всеки поотделно опровергават теорията на Далтън, че хомогенните течности се разширяват пропорционално на квадрата на температурата, до която се нагряват. Разбира се, колкото по-висока е температурата, толкова по-голям е обемът на течността, но няма пряка връзка между нея. Да, и скоростта на разширение на всички течности беше различна.

Топлинното разширение на водата, например, започва при нула градуса по Целзий и продължава при понижаване на температурата. Преди това подобни резултати от експерименти бяха свързани с факта, че не самата вода се разширява, а контейнерът, в който се намира, се стеснява. Но известно време по-късно физикът Делука все пак стига до заключението, че причината трябва да се търси в самата течност. Той реши да намери температурата на най-голямата му плътност. Той обаче не успя поради пренебрегване на някои детайли. Румфорт, който изучава това явление, установява, че максималната плътност на водата се наблюдава в диапазона от 4 до 5 градуса по Целзий.

Топлинно разширение на телата

В твърдите тела основният механизъм на разширение е промяна в амплитудата на вибрациите на кристалната решетка. Казано по-просто, атомите, които изграждат материала и са здраво свързани един с друг, започват да „треперят“.

Законът за топлинното разширение на телата се формулира по следния начин: всяко тяло с линеен размер L в процеса на нагряване с dT (делта T е разликата между началната температура и крайната температура), се разширява с dL (делта L е производна на коефициента на линейно топлинно разширение по дължината на обекта и по температурната разлика). Това е най-простата версия на този закон, която по подразбиране отчита, че тялото се разширява във всички посоки наведнъж. Но за практическа работа се използват много по-тромави изчисления, тъй като в действителност материалите не се държат по начина, който се моделира от физици и математици.

Топлинно разширение на релсата

Физиците винаги участват в полагането на железопътната линия, тъй като могат точно да изчислят какво разстояние трябва да бъде между ставите на релсите, така че релсите да не се деформират при нагряване или охлаждане.

Както бе споменато по-горе, термичното линейно разширение е приложимо за всички твърди тела. И релсата не е изключение. Но има една подробност. Линейна промяна настъпва свободно, ако тялото не е засегнато от силата на триене. Релсите са здраво закрепени към траверсите и заварени към съседни релси, така че законът, който описва промяната в дължината, отчита преодоляването на препятствия под формата на линейни и челни съпротивления.

Ако релсата не може да промени дължината си, тогава с промяна на температурата в нея се увеличава термичното напрежение, което може да я разтегне и компресира. Това явление се описва от закона на Хук.

Промяна в размера или обема на тялото при нагряване

Анимация

Описание

Топлинното разширение е ефектът от промяна на размера на тяло с промяна на температурата при постоянно налягане. Това явление за твърдите тела се дължи на асиметрията на потенциала на взаимодействие на атомите на веществото в решетката, което води до анхармоничност на вибрациите на атомите спрямо средното положение. За газовете това се дължи на увеличаване на кинетичната енергия на молекулите и атомите.

Количествено термичното разширение при постоянно налягане P се характеризира с изобарен коефициент на разширение (обемен или линеен).

Коефициентът на обемно разширение a се определя като относителната промяна в обема V, когато тяло (твърдо, течно или газообразно) се нагрява с 1 K.

където Т е абсолютната телесна температура.

Практическата стойност на a се изчислява по формулата:

където V 1, V 2 са обемите на тялото при температури T 1 и T 2, съответно (T 1<Т 2 ).

За да се характеризира термичното разширение, заедно с a, се използва коефициентът на линейно разширение a L:

където l е размерът на тялото в дадена посока.

В общия случай на поликристални анизотропни тела, състоящи се от анизотропни монокристали, a L \u003d a x + a y + a z и разликата или равенството на коефициентите на линейно топлинно разширение a x, a y, a z по кристалографските оси x, y, z се определя от симетрията на кристала. Например за кристали от кубичната система, както и за изотропни тела, a L = a x = a y = a z и a = 3a l. За повечето тела а > 0, но има и аномалии. Например, водата, когато се нагрява от 0 до 40 C при нормално атмосферно налягане, се компресира (а<0). Зависимость a (Т ) наиболее заметна у газов (для идеального газа a =1/Т ); у жидкостей она проявляется слабее. У ряда веществ в твердом состоянии (кварца, инвара и т.д.) коэффициент a мал и практически постоянен в широком интервале температур. При Т ® 0, a® 0. Коэффициент a и a L определяются экспериментальными методами.

Време

Време за започване (лог до -1 до 3);

Живот (log tc от 0 до 6);

Време на разграждане (log td -1 до 3);

Оптимално време за разработка (log tk 3 до 5).

Диаграма:

Технически реализации на ефекта

Термометър

Изпълнението на този ефект не изисква никакви допълнителни средства, с изключение на конвенционален домакински алкохолен или живачен термометър. Когато се нагрява, колоната на течността нараства, което означава обемно разширение на течността.

Прилагане на ефект

Този ефект се използва широко при проектирането на технически системи, работещи в екстремни или оптимални топлинни условия с големи температурни разлики. Аномалното свойство на водата да намалява обема си с повишаване на температурата от 0 до 40 С, от една страна, е вредно, което води до размразяване на "хидравличните системи", т.е. механичното им разрушаване, а от друга страна е в основата на редица технологични процеси, например разрушаване на скали. Освен това т. нар. биметални плочи намират широко приложение в техническите устройства като гранични температурни сензори, водещи до автоматично включване и изключване на битови електрически уреди (ютии, прахосмукачки, хладилници и др.).