Expansiunea termică a solidelor și lichidelor. Luarea în considerare a expansiunii termice a corpurilor

Tipologia lecției: o lecție de a învăța cunoștințe noi și moduri de a face lucrurile

Tip de lecție: combinată

Obiectivele lecției:

• didactic:
explicați natura fizică a expansiunii termice a corpurilor; să-i învețe pe elevi să calculeze modificări liniare și volumetrice în corpurile solide și lichide atunci când temperatura lor se modifică;
• educational:
să îmbunătățească capacitatea studenților de a aplica cunoștințele teoretice dobândite la rezolvarea problemelor practice; trezesc interesul pentru procesul studiat;
• în curs de dezvoltare:
să dezvolte la elevi gândirea despre utilizarea și semnificația expansiunii termice în natură și tehnologie; să poată explica mecanismul de dilatare termică a corpurilor pe baza teoriei cinetice moleculare.

Planul lecției

1. Organizarea începutului lecției
2. Repetarea materialului studiat
3. Învățarea de materiale noi
4. Fixare intermediară a materialului
5. Învățarea de materiale noi (continuare) Anexa 1
6. Consolidarea materialului studiat Anexa 2,
7. Teme pentru acasă Anexa 4

Planul de studiu al subiectului.

Echipament: o minge cu inel; placa bimetalica; releu termic; un balon cu un tub de cauciuc și sticlă introdus în dop; G - un tub de sticlă tăiat cu o picătură de apă; apă necolorată; aragaz electric; transformator; sârmă.

Demonstrații:

1. Expansiunea termică a solidelor.
2. Expansiunea termică a lichidelor.
3. Acțiunea și scopul regulatorului termic bimetalic.

Mesaj:

Caracteristicile expansiunii termice a apei.

Motivarea activității cognitive a elevilor

Este bine cunoscut faptul că o substanță se dilată de obicei când este încălzită și se contractă când este răcită, adică. deformarea termică a corpului are loc sub acțiunea forțelor moleculare în procesul de încălzire și răcire. Acest fenomen se explică prin faptul că o creștere a temperaturii este asociată cu o creștere a vitezei de mișcare a moleculelor, iar acest lucru duce la o creștere a distanțelor intermoleculare și, la rândul său, la o expansiune a corpului.

Dilatarea termică trebuie luată în considerare în tratamentul termic și în metoda termică de fabricare a pieselor și echipamentelor, în construcția de mașini, conducte, linii electrice, poduri, clădiri supuse schimbărilor de temperatură.

PROCESUL DE STUDIU

I. Organizarea începutului lecției

Salutare, formularea subiectului, obiectivele lecției, indicarea domeniului de lucru viitor. Motivarea activității cognitive.

II. Repetarea materialului studiat

1. Verificarea temelor

Verificați soluționarea problemelor fizice calitative la tema „Corpi solide și proprietățile lor” (studiul frontal al elevilor).

2. Pregătirea pentru perceperea materialului nou

1. Repetați formulele de la cursul de matematică (a + c) 3, și 3 + în 3;
2. Repetați subiectul „Extinderea termică a gazelor” (legea Gay-Lussac)
3. Repetați subiectul „Deformarea corpurilor solide”.

III. Învățarea de materiale noi

1. Elevii sunt rugați să răspundă la următoarele întrebări:
1. Ce se întâmplă cu corpurile când se răcesc și se extind?
2. De ce se extind corpurile? Ce schimbări în organism în procesul de expansiune?

În cadrul discuției sunt introduse conceptul de dilatare termică a corpurilor, exemple de expansiune a corpurilor, tipuri de dilatare termică.

Dilatarea termică este o creștere a dimensiunilor liniare ale corpului și a volumului acestuia, care apare odată cu creșterea temperaturii.

Când corpul se extinde, volumul acestuia crește și se vorbește despre expansiunea volumetrică a corpului. Dar uneori ne interesează doar să schimbăm o singură dimensiune, cum ar fi lungimea unei căi ferate sau a unei tije metalice. În acest caz, se vorbește despre expansiune liniară. Designerii de automobile sunt interesați de extinderea suprafeței foilor metalice utilizate în construcția mașinii. Aici întrebarea este despre expansiunea suprafeței.

Configurarea experimentelor:

1. expansiunea lichidelor la încălzire (creșterea nivelului apei într-un balon cu tub);
2. expansiunea solidelor atunci când este încălzită (o bilă cu un inel, o creștere a lungimii firelor întinse);
3. acţiunea unui regulator bimetalic (releu termic).

Întrebare: Corpurile se extind în același mod atunci când sunt încălzite cu același număr de grade?

Răspuns: nu, deoarece substanțe diferite au molecule diferite. O modificare a temperaturii cu același număr de grade caracterizează aceeași viteză pătrată medie a moleculelor. E k = moleculele cu o masă mai mică vor fi mai mici decât moleculele cu o masă mare. Prin urmare, spațiile intermoleculare ale diferitelor substanțe se modifică diferit la aceeași temperatură, ceea ce duce la o expansiune inegală.

2. Luați în considerare expansiunea liniară a corpurilor rigide și caracteristicile acesteia

Expansiunea unui corp rigid de-a lungul uneia dintre dimensiunile sale se numește liniar.

Pentru a caracteriza gradul de dilatare liniară a diverselor solide se introduce conceptul de coeficient de dilatare liniară.

Valoarea care arată cu ce fracție din lungimea inițială, luată la 0 0 C, lungimea corpului crește de la încălzirea lui cu 1 0 C, se numește coeficient de dilatare liniară și este notat cu .

K -1 = sau = 0 C -1 =

Sa introducem notatia: t 0 – temperatura initiala; t este temperatura finală; l 0 - lungimea corpului la t 0 \u003d 0 0 С; l t - lungimea corpului la t 0 С; l - modificarea lungimii corpului; t este modificarea temperaturii.

Să presupunem că sârma a fost încălzită cu 60 0 C. La început, sârma avea o lungime de 100 cm, iar la încălzire, lungimea lui a crescut cu 0,24 cm.

De aici, este posibil să se calculeze creșterea lungimii firului atunci când este încălzit cu 1 0 C.

Alungirea totală (0,024 cm) este împărțită la lungimea firului și la modificarea temperaturii: \u003d 0,000004 0 С -1 \u003d (4 * 10 -6) 0 С -1.

Atunci = sau = (1)

3. a) Pentru a calcula lungimea corpului în funcție de temperatura t, transformăm formula (2)

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

Binomul (1+t) se numește expansiune liniară binomială . Arată de câte ori a crescut lungimea corpului când a fost încălzit de la 0 0 la t 0 С.

Asa de, lungimea finală a corpului este egală cu lungimea inițială înmulțită cu binomul de expansiune liniară.

Formula l t \u003d l 0 (1+? t) este aproximativă și poate fi utilizată la temperaturi nu foarte ridicate (200 0 C-300 0 C).

Pentru schimbări mari de temperatură, această formulă nu poate fi aplicată.

b) Adesea, la rezolvarea problemelor, se folosesc o altă formulă aproximativă care simplifică calculele. De exemplu, dacă este necesar să se calculeze lungimea unui corp atunci când este încălzit de la temperatura t 1 la temperatura t 2, atunci utilizați formula:

l 2 ~ l 1 , coeficientul de dilatare liniară ~

IV. Fixare intermediară a materialului

Să mergem la o plimbare de-a lungul căii ferate. Dacă vremea este rece, atunci vom observa că capetele a două șine adiacente sunt separate între ele la intervale de 0,6-1,2 cm, pe vreme caldă aceste capete aproape converg strâns. De aici concluzia că șinele se extind când sunt încălzite, se micșorează când sunt răcite. În consecință, dacă drumul a fost construit iarna, atunci a trebuit lăsată o anumită marjă pentru a permite șinelor să se extindă liber în sezonul cald. Se pune întrebarea, câtă marjă este necesară pentru această extindere?

Să presupunem că în zona noastră variația de temperatură pe an este de la -30 0 С la -35 0 С și lungimea șinei este de 12,5 m. Ce spațiu ar trebui să rămână între șine?

Răspuns: deci este necesar să se lase un spațiu de 1 cm dacă șinele sunt așezate la temperaturi scăzute sau șinele trebuie așezate cap la cap dacă șinele sunt așezate pe vremea cea mai caldă.

V. Învățarea de noi materiale (continuare)

4. Luați în considerare expansiunea volumetrică a solidelor și caracteristicile acesteia

Creșterea volumului unui corp atunci când este încălzit se numește expansiune în vrac.

Expansiunea volumetrică este caracterizată de coeficientul de dilatare volumetrică și se notează cu? .

Sarcină: prin analogie cu dilatarea liniară, definiți coeficientul de dilatare volumetrică și obțineți formula =.

Elevii implementează în mod independent soluția acestei probleme și introduc denumirile: V 0 - volumul inițial la 0 0 С; V t este volumul final la t 0 С; V - modificarea volumului corporal; t 0 - temperatura initiala; t este temperatura finală.

Valoarea care arată cu ce fracție din volumul inițial, luată la 0 0 C, volumul corpului crește de la încălzire cu 1 0 C, se numește coeficientul de dilatare a volumului .

a) Aflați dependența volumului unui corp solid de temperatură. Din formula = găsim volumul final V t .

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

Binomul (1+? t) se numește binom de extindere a volumului . Arată de câte ori a crescut volumul corpului când a fost încălzit de la 0 la t 0 C.

Asa de, volumul final al corpului este egal cu volumul inițial înmulțit cu binomul de extindere a volumului.

Dacă se cunoaşte volumul corpului V 1 la temperatura t 1, atunci volumul V 2 la temperatura t 2 poate fi găsit prin formula aproximativă V 2 ~V 1, iar coeficientul de dilatare a volumului ~.

Derivarea și înregistrarea formulelor este implementată de către studenți în mod independent.

6. Valoarea coeficientului de dilatare volumetrică? valoare foarte mica.

Cu toate acestea, dacă ne întoarcem la tabele, vom vedea că sensul? pentru solide nu există. Se dovedește că există o relație între coeficienții de dilatare liniară și volumetrică? =3? .

Să derivăm acest raport.

Să presupunem că avem un cub a cărui lungime a muchiei la 0 0 C este de 1 cm. Să încălzim cubul cu 1 0 C, atunci lungimea muchiei sale va fi l t \u003d 1+? *1 0 =1+? . Volumul cubului încălzit V t =(1+?) 3 . Pe de altă parte, volumul aceluiași cub poate fi calculat folosind formula V t =1+? *1 0 =1+? .

Din ultimele egalități obținem 1+? =(1+?) 3 , deci 1+? =1+3? +3? 2+? 3 .

Deci, cum sunt valorile numerice? foarte mic - de ordinul milionimii, apoi 3? 2 si? 3 sunt cantități și mai extrem de mici. Pe această bază, neglijarea valorilor lui 3? 2 si? 3, ce înțelegi? =3? .

Coeficientul de dilatare volumetrică al unui corp solid este egal cu de trei ori coeficientul de dilatare liniară.

7. Aflați cum se modifică densitatea corpurilor odată cu temperatura. Densitatea corpului la 0 0 С.

p, de unde m=p 0 *V 0 , unde m este masa corporală; V 0 - volum la 0 0 С;

m = const când se schimbă temperatura, dar se modifică volumul corpului, ceea ce înseamnă că se modifică și densitatea.

Pe această bază, putem scrie că densitatea corpului la o temperatură t = 0 0 C , deoarece Vt = V0 (1+? t), atunci .

La calcul trebuie avut în vedere faptul că tabelele indică densitatea substanței la 0 0 C. Densitatea la alte temperaturi se calculează prin formula? t .

Când este încălzit, p t - scade, când este răcit, p t - crește.

1. Spuneți despre dispozitivul, scopul și principiul de funcționare al unui releu termic bimetalic, demonstrați acțiunile acestuia. Dați exemple de efecte benefice și nocive ale deformării termice în inginerie, transport, construcții etc.
2. Descrieți pe scurt caracteristicile expansiunii termice a lichidelor.
3. Mesaj „Particularități ale expansiunii termice a apei”.

VI. Consolidarea materialului studiat.

1. Se desfășoară un scurt sondaj-conversație pentru o înțelegere mai profundă și consolidare a materialului studiat asupra problemelor.
2. Munca independentă a elevilor. Rezolvați problemele pe această temă.

1. P.I. Samoilenko, A.V. Sergheev.
Fizică. –M.: 2002.
2. A.A. Pinsky, G.Yu. Grakovsky.
Fizică. –M.: 2002.
3. V.F. Dmitriev.
Fizica.-M.: 2000.
4. G.I. Ryabovodov, P.I. Samoilenko, E.I. Ogorodnikov.
Planificarea procesului de învăţământ în fizică.-M.: Şcoala superioară, 1988.
5. A.A. Gladkov
. Culegere de sarcini și întrebări pentru școala secundară în fizică. -M.: Știință. 1996.

Este bine cunoscut faptul că solidele își măresc volumul atunci când sunt încălzite. Aceasta este expansiunea termică. Luați în considerare cauzele care duc la creșterea volumului corpului atunci când este încălzit.

Este evident că volumul unui cristal crește odată cu creșterea distanței medii dintre atomi. Aceasta înseamnă că o creștere a temperaturii implică o creștere a distanței medii dintre atomii cristalului. Care este motivul creșterii distanței dintre atomi atunci când sunt încălzite?

O creștere a temperaturii unui cristal înseamnă o creștere a energiei mișcării termice, adică vibrațiile termice ale atomilor din rețea (vezi p. 459) și, în consecință, o creștere a amplitudinii acestor vibrații.

Dar o creștere a amplitudinii vibrațiilor atomilor nu duce întotdeauna la o creștere a distanței medii dintre ei.

Dacă vibrațiile atomilor ar fi strict armonice, atunci fiecare atom s-ar apropia de unul dintre vecinii săi la fel de mult pe cât s-ar îndepărta de celălalt, iar o creștere a amplitudinii vibrațiilor sale nu ar duce la o modificare a distanței interatomice medii și deci la dilatarea termică.

În realitate, atomii dintr-o rețea cristalină efectuează vibrații anarmonice (adică, nearmonice). Acest lucru se datorează naturii dependenței forțelor de interacțiune dintre / atomi de distanța dintre ei. După cum sa indicat la începutul acestui capitol (vezi Fig. 152 și 153), această dependență este de așa natură încât, la distanțe mari dintre atomi, forțele de interacțiune dintre atomi se manifestă ca forțe de atracție, iar pe măsură ce această distanță scade, își schimbă semnul. și devin forțe de respingere, crescând rapid odată cu scăderea distanței.

Aceasta duce la faptul că, odată cu creșterea „amplitudinii” vibrațiilor atomice din cauza încălzirii cristalului, creșterea forțelor de respingere între atomi prevalează asupra creșterii forțelor atractive. Cu alte cuvinte, este „mai ușor” pentru un atom să se îndepărteze de un vecin decât să se apropie de altul. Acest lucru, desigur, ar trebui să conducă la o creștere a distanței medii dintre atomi, adică la o creștere a volumului corpului atunci când este încălzit.

De aici rezultă că motivul expansiunii termice a solidelor este anarmonicitatea vibrațiilor atomilor din rețeaua cristalină.

Cantitativ, dilatarea termică este caracterizată de coeficienții de dilatare liniară și volumetrică, care se determină după cum urmează. Fie ca un corp de lungime I, când temperatura se modifică cu grade, își schimbă lungimea cu Coeficientul de dilatare liniară se determină din relația

adică, coeficientul de dilatare liniară este egal cu modificarea relativă a lungimii cu o schimbare a temperaturii cu un grad. În mod similar, coeficientul de expansiune în volum este dat de

adică, coeficientul este egal cu modificarea relativă a volumului pe un grad.

Din aceste formule rezultă că lungimea și volumul la o anumită temperatură care diferă de temperatura inițială în grade sunt exprimate prin formule (pentru un mic

unde sunt lungimea și volumul inițial al corpului.

Datorită anizotropiei cristalelor, coeficientul de dilatare liniară a poate fi diferit în direcții diferite. Aceasta înseamnă că, dacă o minge este sculptată dintr-un anumit cristal, atunci după încălzire își va pierde forma sferică. Se poate arăta că, în cazul cel mai general, o astfel de minge, atunci când este încălzită, se transformă într-un elipsoid triaxial, ale cărui axe sunt legate de axele cristalografice ale cristalului.

Coeficienții de dilatare termică de-a lungul celor trei axe ale acestui elipsoid sunt numiți principalii coeficienți de dilatare ai cristalului.

Dacă se notează respectiv până atunci coeficientul de dilatare volumetrică a cristalului

Pentru cristale cu simetrie cubică, precum și pentru corpuri izotrope,

O minge sculptată din astfel de corpuri rămâne o minge chiar și după încălzire (desigur, de un diametru mai mare).

În unele cristale (de exemplu, hexagonale)

Coeficienții de dilatare liniară și volumetrică rămân practic constanți dacă intervalele de temperatură în care sunt măsurați sunt mici și temperaturile în sine sunt ridicate. În general, coeficienții de dilatare termică depind de temperatură și, în plus, la fel ca și capacitatea termică, adică la temperaturi scăzute, coeficienții scad odată cu scăderea temperaturii proporțional cu cubul de temperatură, tinzând, ca și capacitatea termică,

la zero la zero absolut. Acest lucru nu este surprinzător, deoarece atât capacitatea termică, cât și dilatarea termică sunt legate de vibrațiile rețelei: capacitatea termică oferă cantitatea de căldură necesară pentru a crește energia medie a vibrațiilor termice ale atomilor, care depinde de amplitudinea vibrației, în timp ce coeficientul de dilatare termică este legate direct de distanțele medii dintre atomi, care depind și de amplitudinea vibrațiilor atomice.

Din aceasta rezultă o lege importantă descoperită de Grüneisen: raportul dintre coeficientul de dilatare termică și capacitatea de căldură atomică a unui solid pentru o anumită substanță este o valoare constantă (adică, independentă de temperatură).

Coeficienții de dilatare termică a solidelor sunt de obicei foarte mici, așa cum se poate observa din tabel. 22. Valorile coeficientului a dat în acest tabel se referă la intervalul de temperatură între și

Tabelul 22 (vezi scanarea) Coeficienții de dilatare termică a solidelor

Unele substanțe au un coeficient de dilatare termică deosebit de scăzut. Cuarțul, de exemplu, are această proprietate.Un alt exemplu este un aliaj de nichel și fier (36% Ni), cunoscut sub numele de invar.Aceste substanțe sunt utilizate pe scară largă în instrumentarea de precizie.

Experimentele și observațiile simple ne convin că atunci când temperatura crește, dimensiunile corpurilor cresc ușor, iar când se răcesc, ele scad la dimensiunile lor anterioare. Deci, de exemplu, un șurub foarte fierbinte nu intră în filet, în care intră liber, fiind rece. Când șurubul se răcește, reintră în filet. Firele de telegraf în vremea caldă de vară se înclină considerabil mai mult decât în ​​timpul înghețurilor de iarnă. Creșterea înclinării și, prin urmare, lungimea firelor întinse în timpul încălzirii, poate fi reprodusă cu ușurință în experimentul prezentat în Fig. 353. Când încălzim un fir întins cu curent electric, vedem că se înclină vizibil, iar când încălzirea se oprește, se strânge din nou.

Orez. 353. Când este încălzit de un curent electric, firul se prelungește și se lasă; când curentul este oprit, acesta revine la poziția anterioară

Când este încălzit, nu numai lungimea corpului crește, ci și alte dimensiuni liniare. O modificare a dimensiunilor liniare ale unui corp atunci când este încălzit se numește expansiune liniară.

Dacă un corp omogen (de exemplu, un tub de sticlă) este încălzit în mod egal în toate părțile, atunci se extinde și își păstrează forma. Altul se întâmplă cu încălzirea neuniformă. Să luăm în considerare această experiență. Tubul de sticlă este așezat orizontal și un capăt este fixat. Dacă tubul este încălzit de jos, așa cum se arată în Fig. 354, atunci partea sa superioară rămâne mai rece din cauza conductibilității termice slabe a sticlei; în timp ce tubul este îndoit în sus. Este ușor de înțeles că jumătatea inferioară a tubului îndoit este comprimată, deoarece nu se poate extinde în măsura în care s-ar extinde dacă nu ar fi solidar cu jumătatea superioară. Jumătatea superioară, dimpotrivă, este întinsă.

Orez. 354. Un tub de sticlă, când este încălzit de jos, se îndoaie vizibil în sus.

Astfel, atunci când corpurile sunt încălzite neuniform, în ele apar tensiuni, care pot duce la distrugerea lor dacă tensiunile devin prea mari. Așadar, sticlăria în primul moment, când se toarnă apă fierbinte în ea, se află într-o stare de stres și uneori izbucnește. Acest lucru se datorează faptului că părțile interne se încălzesc și se extind mai întâi, ceea ce întinde suprafața exterioară a vasului. Un astfel de stres în timpul încălzirii poate fi evitat dacă luați vase cu pereți atât de subțiri încât se încălzesc rapid pe toată grosimea lor (sticlărie chimică).

Dintr-un motiv similar, sticlăria obișnuită explodează dacă încercați să încălziți lichide în ea pe foc sau pe o sobă electrică. Există, totuși, tipuri speciale de sticlă (așa-numita sticlă de cuarț care conține până la 96% cuarț) care se extind atât de puțin la încălzire, încât solicitările cauzate de încălzirea neuniformă a vaselor din astfel de sticlă nu sunt periculoase. Puteți fierbe apă într-o oală din sticlă de cuarț.

Expansiunea liniară a diferitelor materiale la aceeași creștere a temperaturii este diferită. Acest lucru poate fi văzut, de exemplu, dintr-o astfel de experiență: două plăci diferite (de exemplu, fier și cupru) sunt nituite împreună în mai multe locuri (Fig. 355, a). Dacă plăcile sunt drepte la temperatura camerei, atunci când sunt încălzite se vor îndoi, așa cum se arată în Fig. 355b. Acest lucru arată că cuprul se dilată mai mult decât fierul. Din această experiență rezultă, de asemenea, că, odată cu schimbările de temperatură a unui corp format din mai multe părți care se extind diferit, în el apar și tensiuni interne. În experimentul prezentat în fig. 355, placa de cupru este comprimată și placa de fier este întinsă. Datorită expansiunii inegale a fierului și a smalțului, apar tensiuni în ustensilele din fier emailat; cu încălzire puternică, smalțul uneori sare.

Orez. 355. a) O placă nituită din benzi de cupru și fier, în stare rece, b) Aceeași placă în stare încălzită (pentru claritate, îndoirea este prezentată exagerată)

Tensiunile care apar în solide din cauza dilatației termice pot fi foarte mari. Acest lucru trebuie luat în considerare în multe domenii ale tehnologiei. Au fost cazuri când părți din poduri de fier, nituite ziua, s-au răcit noaptea și s-au prăbușit, rupând numeroase nituri. Pentru a evita astfel de fenomene, se iau măsuri pentru a se asigura că părțile structurilor se dilată sau se contractă liber la schimbarea temperaturii. De exemplu, conductele de abur din fier sunt prevăzute cu coturi elastice sub formă de bucle (compensatoare, Fig. 356).

Orez. 356. Compensatorul de pe linia de abur permite dilatarea conductelor

O creștere a dimensiunilor liniare este însoțită de o creștere a volumului corpurilor (expansiunea volumetrică a corpurilor). Este imposibil să vorbim despre expansiunea liniară a lichidelor, deoarece lichidul nu are o formă definită. Expansiunea volumetrică a lichidelor este ușor de observat. Umpleți balonul cu apă colorată sau alt lichid și blocați-l cu un dop cu un tub de sticlă, astfel încât lichidul să intre în tub (Fig. 357, a). Dacă un vas cu apă fierbinte este adus pe fundul balonului, atunci în primul moment lichidul din tub va cădea și apoi va începe să crească (Fig. 357, b și c). Scăderea nivelului lichidului în primul moment indică faptul că vasul se extinde mai întâi, iar lichidul nu a avut încă timp să se încălzească. Apoi lichidul se încălzește.

Orez. 357. a) Apa colorată a intrat în dop din balon, b) Un vas cu apă fierbinte se aduce în balon de jos. În primul moment de scufundare a balonului, lichidul din tub coboară. c) Nivelul în tub după un timp este setat mai mare decât înainte de încălzirea balonului

O creștere a nivelului său arată că lichidul se extinde într-o măsură mai mare decât sticla. Diferitele lichide se extind diferit atunci când sunt încălzite: de exemplu, kerosenul se dilată mai mult decât apa.

Dacă un lichid este încălzit într-un vas închis, ceea ce împiedică expansiunea lui, atunci în el, ca și în solide, apar solicitări uriașe (forțe de presiune) care acționează asupra pereților vasului și le pot distruge. Prin urmare, sistemele de conducte de încălzire a apei sunt întotdeauna echipate cu un rezervor de expansiune conectat la partea superioară a sistemului și aerisit în atmosferă (Fig. 358). Când apa este încălzită în sistemul de conducte, o parte din apă trece în rezervorul de expansiune, iar acest lucru elimină starea de tensiune a apei și a conductelor.

Orez. 358. Schema aparatului de incalzire a apei din casa. Un rezervor de expansiune 1 este plasat în pod, din care apa curge pe o conductă 2

195.1. Cum se modifică diametrul găurii dintr-o sobă de bucătărie din fontă pe măsură ce aragazul se încălzește?

195.2. Când balalaica este scoasă dintr-o cameră caldă în frig, snururile sale de oțel devin mai întinse. Ce concluzie se poate trage din aceasta despre diferența de expansiune a oțelului și a lemnului?

195.3. La pianele cu cotă, corzile de oțel sunt întinse peste un cadru de fier. Se schimbă tensiunea corzilor când temperatura se schimbă atât de încet încât cadrul are timp să ia aceeași temperatură ca și corzile (fierul se extinde aproape în aceeași măsură ca oțelul)?

195.4. Pentru lipirea electrozilor într-o lampă electrică, se folosește un aliaj de platinidă, care se extinde atunci când este încălzit în același mod ca sticla. Ce se poate întâmpla dacă un fir de cupru este lipit în sticlă (cuprul se extinde mult mai mult decât sticla)?

195.5. Cum ar fi experiența descrisă în Fig. 357 dacă balonul ar fi din sticlă de cuarț?

195.6. În tehnologie, se folosesc adesea plăci bimetalice, constând din două plăci subțiri din metale diferite, sudate între ele pe toată suprafața de contact. Pe fig. 359 prezintă o diagramă simplificată a unui releu termic - un dispozitiv care oprește automat curentul electric pentru o perioadă scurtă de timp dacă, dintr-un motiv oarecare, curentul depășește valoarea admisă: 1 - o placă bimetalic, 2 - un element de încălzire mic care, la o putere de curent acceptabilă, se încălzește prea puțin pentru a declanșa releul, 3 - contact. Înțelegeți cum funcționează un termostat. Pe ce parte a plăcii 1 ar trebui să se extindă cel mai mult metalul?

Orez. 359. Schema simplificată a unui releu termic

Se știe că sub influența particulelor de căldură își accelerează mișcarea haotică. Dacă încălziți un gaz, atunci moleculele care îl compun se vor împrăștia pur și simplu unele de altele. Lichidul încălzit va crește mai întâi în volum, apoi va începe să se evapore. Ce se va întâmpla cu solidele? Nu fiecare dintre ele își poate schimba starea de agregare.

Dilatarea termică: definiție

Dilatarea termică este o modificare a dimensiunii și formei corpurilor cu o schimbare a temperaturii. Din punct de vedere matematic, este posibil să se calculeze coeficientul de dilatare a volumului, ceea ce face posibilă prezicerea comportamentului gazelor și lichidelor în condițiile externe în schimbare. Pentru a obține aceleași rezultate pentru solide, este necesar să se țină cont.Fizicienii au evidențiat o întreagă secțiune pentru acest tip de cercetare și au numit-o dilatometrie.

Inginerii și arhitecții au nevoie de cunoștințe despre comportamentul diferitelor materiale la temperaturi ridicate și scăzute pentru a proiecta clădiri, a așeza drumuri și țevi.

Expansiunea gazelor

Dilatarea termică a gazelor este însoțită de extinderea volumului lor în spațiu. Acest lucru a fost observat de filozofii naturii în antichitate, dar numai fizicienii moderni au reușit să construiască calcule matematice.

În primul rând, oamenii de știință au devenit interesați de expansiunea aerului, deoarece li s-a părut o sarcină fezabilă. S-au pus la treabă cu atâta zel încât au obținut rezultate destul de contradictorii. Desigur, comunitatea științifică nu a fost mulțumită de un astfel de rezultat. Precizia măsurătorii depindea de termometrul folosit, presiunea și o varietate de alte condiții. Unii fizicieni au ajuns chiar la concluzia că expansiunea gazelor nu depinde de schimbările de temperatură. Sau aceasta relatie este incompleta?

Lucrări de Dalton și Gay-Lussac

Fizicienii ar fi continuat să se certe până au răgușit sau ar fi abandonat măsurătorile, dacă nu El și un alt fizician, Gay-Lussac, în același timp, independent unul de celălalt, ar putea obține aceleași rezultate ale măsurătorilor.

Lussac a încercat să găsească motivul pentru atât de multe rezultate diferite și a observat că unele dintre dispozitivele din momentul experimentului aveau apă. Desigur, în procesul de încălzire, s-a transformat în abur și a schimbat cantitatea și compoziția gazelor studiate. Prin urmare, primul lucru pe care l-a făcut omul de știință a fost să usuce temeinic toate instrumentele pe care le-a folosit pentru a efectua experimentul și să excludă chiar și procentul minim de umiditate din gazul studiat. După toate aceste manipulări, primele câteva experimente s-au dovedit a fi mai fiabile.

Dalton s-a ocupat de această problemă mai mult decât colegul său și a publicat rezultatele chiar la începutul secolului al XIX-lea. A uscat aerul cu vapori de acid sulfuric și apoi l-a încălzit. După o serie de experimente, John a ajuns la concluzia că toate gazele și vaporii se extind cu un factor de 0,376. Lussac a venit cu numărul 0,375. Acesta a fost rezultatul oficial al studiului.

Presiunea vaporilor de apă

Expansiunea termică a gazelor depinde de elasticitatea lor, adică de capacitatea de a reveni la volumul inițial. Ziegler a fost primul care a investigat această problemă la mijlocul secolului al XVIII-lea. Dar rezultatele experimentelor sale au variat prea mult. Cifre mai sigure au fost obținute prin utilizarea unui cazan pentru temperaturi ridicate și a unui barometru pentru temperaturi scăzute.

La sfârșitul secolului al XVIII-lea, fizicianul francez Prony a încercat să obțină o singură formulă care să descrie elasticitatea gazelor, dar s-a dovedit a fi prea greoaie și dificil de utilizat. Dalton a decis să testeze toate calculele empiric, folosind un barometru cu sifon pentru aceasta. În ciuda faptului că temperatura nu a fost aceeași în toate experimentele, rezultatele au fost foarte precise. Așa că le-a publicat ca tabel în manualul său de fizică.

Teoria evaporării

Expansiunea termică a gazelor (ca teorie fizică) a suferit diverse modificări. Oamenii de știință au încercat să ajungă la fundul proceselor prin care este produs aburul. Din nou, cunoscutul fizician Dalton s-a remarcat. El a emis ipoteza că orice spațiu este saturat cu vapori de gaz, indiferent dacă în acest rezervor (încăpere) este prezent orice alt gaz sau vapori. Prin urmare, se poate concluziona că lichidul nu se va evapora prin simpla intrare în contact cu aerul atmosferic.

Presiunea coloanei de aer pe suprafața lichidului crește spațiul dintre atomi, rupându-i și evaporându-se, adică contribuie la formarea vaporilor. Dar gravitația continuă să acționeze asupra moleculelor de vapori, așa că oamenii de știință au considerat că presiunea atmosferică nu afectează în niciun fel evaporarea lichidelor.

Expansiunea lichidelor

Dilatarea termică a lichidelor a fost studiată în paralel cu dilatarea gazelor. Aceiași oameni de știință erau implicați în cercetare științifică. Pentru a face acest lucru, au folosit termometre, aerometre, vase comunicante și alte instrumente.

Toate experimentele împreună și fiecare separat au respins teoria lui Dalton conform căreia lichidele omogene se extind proporțional cu pătratul temperaturii la care sunt încălzite. Desigur, cu cât temperatura este mai mare, cu atât volumul lichidului este mai mare, dar nu a existat o relație directă între acesta. Da, iar viteza de expansiune a tuturor lichidelor a fost diferită.

Expansiunea termică a apei, de exemplu, începe la zero grade Celsius și continuă pe măsură ce temperatura scade. Anterior, astfel de rezultate ale experimentelor erau asociate cu faptul că nu apa în sine se extinde, ci recipientul în care se află se îngustează. Dar ceva timp mai târziu, fizicianul Deluca a ajuns totuși la concluzia că cauza ar trebui căutată în lichidul însuși. El a decis să găsească temperatura cu cea mai mare densitate. Totuși, nu a reușit din cauza neglijării unor detalii. Rumfort, care a studiat acest fenomen, a constatat că densitatea maximă a apei se observă în intervalul de la 4 la 5 grade Celsius.

Expansiunea termică a corpurilor

La solide, principalul mecanism de expansiune este o modificare a amplitudinii vibrațiilor rețelei cristaline. În termeni simpli, atomii care alcătuiesc materialul și sunt legați rigid unul de celălalt încep să „tremure”.

Legea expansiunii termice a corpurilor este formulată astfel: orice corp cu dimensiunea liniară L în procesul de încălzire prin dT (delta T este diferența dintre temperatura inițială și temperatura finală), se extinde cu dL (delta L este derivată a coeficientului de dilatare termică liniară după lungimea obiectului şi după diferenţa de temperatură). Aceasta este cea mai simplă versiune a acestei legi, care, implicit, ia în considerare faptul că organismul se extinde în toate direcțiile deodată. Dar pentru munca practică, se folosesc calcule mult mai greoaie, deoarece, în realitate, materialele nu se comportă în modul în care este modelat de fizicieni și matematicieni.

Dilatarea termică a șinei

Fizicienii sunt întotdeauna implicați în așezarea șinelor de cale ferată, deoarece pot calcula cu exactitate ce distanță ar trebui să fie între îmbinările șinelor, astfel încât șinele să nu se deformeze atunci când sunt încălzite sau răcite.

După cum sa menționat mai sus, dilatarea liniară termică este aplicabilă tuturor solidelor. Și șina nu face excepție. Dar există un detaliu. O schimbare liniară are loc liber dacă corpul nu este afectat de forța de frecare. Șinele sunt prinse rigid de traverse și sudate pe șinele adiacente, astfel că legea care descrie modificarea lungimii ține cont de depășirea obstacolelor sub formă de rezistențe liniare și cap la cap.

Dacă șina nu își poate schimba lungimea, atunci odată cu o schimbare a temperaturii, stresul termic crește în ea, ceea ce o poate întinde și comprima. Acest fenomen este descris de legea lui Hooke.

Modificarea dimensiunii sau volumului corpului atunci când este încălzit

Animaţie

Descriere

Dilatarea termică este efectul modificării dimensiunii unui corp cu o schimbare a temperaturii la presiune constantă. Acest fenomen pentru solide se datorează asimetriei potențialului de interacțiune al atomilor substanței din rețea, ceea ce duce la anarmonicitatea vibrațiilor atomilor față de poziția medie. Pentru gaze, acest lucru se datorează unei creșteri a energiei cinetice a moleculelor și atomilor.

Cantitativ, dilatarea termică la presiune constantă P se caracterizează printr-un coeficient de dilatare izobar (volum sau liniar).

Coeficientul de dilatare volumetrică a este definit ca modificarea relativă a volumului V atunci când un corp (solid, lichid sau gazos) este încălzit cu 1 K.

unde T este temperatura absolută a corpului.

Valoarea practică a lui a se calculează prin formula:

unde V 1, V 2 sunt volumele corpului la temperaturile T 1 și respectiv T 2 (T 1<Т 2 ).

Pentru a caracteriza dilatarea termică, împreună cu a, se utilizează coeficientul de dilatare liniară a L:

unde l este dimensiunea corpului într-o direcție dată.

În cazul general al corpurilor anizotrope policristaline, constând din monocristale anizotrope, a L \u003d a x + a y + a z și diferența sau egalitatea coeficienților liniari de dilatare termică a x, a y, a z de-a lungul axelor cristalografice x, y, z este determinată de simetria cristalului. De exemplu, pentru cristalele sistemului cubic, precum și pentru corpurile izotrope, a L = a x = a y = a z și a = 3a l. Pentru majoritatea corpurilor, a > 0, dar există și anomalii. De exemplu, apa, atunci când este încălzită de la 0 la 40 C la presiunea atmosferică normală, comprimă (o<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.

Sincronizare

Timp de inițiere (log la -1 la 3);

Durata de viață (log tc de la 0 la 6);

Timp de degradare (log td -1 la 3);

Timp optim de dezvoltare (log tk 3 până la 5).

Diagramă:

Realizări tehnice ale efectului

Termometru

Implementarea acestui efect nu necesită mijloace suplimentare, cu excepția unui termometru convențional cu alcool de uz casnic sau cu mercur. Când este încălzit, coloana de lichid crește, ceea ce înseamnă dilatarea volumetrică a lichidului.

Aplicarea unui efect

Acest efect este utilizat pe scară largă în proiectarea sistemelor tehnice care funcționează în condiții termice extreme sau optime cu diferențe mari de temperatură. Proprietatea anormală a apei de a scădea în volum cu o creștere a temperaturii de la 0 la 40 C, pe de o parte, este dăunătoare, ducând la dezghețarea „sistemelor hidraulice”, adică. distrugerea lor mecanică și, pe de altă parte, stă la baza unui număr de procese tehnologice, de exemplu, distrugerea rocilor. În plus, așa-numitele plăci bimetalice sunt utilizate pe scară largă în dispozitivele tehnice ca senzori de temperatură limită, ducând la pornirea și oprirea automată a aparatelor electrocasnice (fiare de călcat, aspiratoare, frigidere etc.).