Tepelná rozťažnosť pevných látok a kvapalín. Účtovanie tepelnej rozťažnosti telies

Domov

Potrubie

Typológia lekcie: lekcia získania nových vedomostí a spôsobov, ako robiť veci

Typ lekcie: kombinovaná

Ciele lekcie:

didaktický:

vzdelávacie:

vyvíja:

Plán lekcie

Organizácia začiatku hodiny
Opakovanie preberanej látky
Učenie sa nového materiálu
Stredné upevnenie materiálu
Učenie sa nového materiálu (pokračovanie) Dodatok 1
Konsolidácia študovaného materiálu Dodatok 2,
Domáca úloha Dodatok 4

Naplánujte si štúdium témy.

Vybavenie: lopta s krúžkom; bimetalová doska; tepelné relé; banka s gumovou a sklenenou trubicou vloženou do korku; G - brúsená sklenená trubica s kvapkou vody; nesfarbená voda; elektrický sporák; transformátor; drôt.

Ukážky:

Tepelná rozťažnosť pevných látok.
Tepelná rozťažnosť kvapalín.
Činnosť a účel bimetalového tepelného regulátora.

Správa:

Vlastnosti tepelnej rozťažnosti vody.

Motivácia kognitívnej činnosti žiakov

Je dobre známe, že látka sa zvyčajne pri zahrievaní rozťahuje a pri ochladzovaní sťahuje, t.j. tepelná deformácia tela nastáva pôsobením molekulárnych síl v procese zahrievania a ochladzovania. Tento jav sa vysvetľuje skutočnosťou, že zvýšenie teploty je spojené so zvýšením rýchlosti pohybu molekúl, čo vedie k zvýšeniu medzimolekulových vzdialeností a následne k expanzii tela.

Tepelná rozťažnosť sa musí brať do úvahy pri tepelnom spracovaní a pri tepelnom spôsobe výroby dielov a zariadení, pri konštrukcii strojov, potrubí, elektrických vedení, mostov, budov vystavených teplotným zmenám.

PROCES ŠTÚDIA

I. Organizácia začiatku vyučovacej hodiny

Pozdrav, znenie témy, ciele hodiny, naznačenie nadchádzajúcej náplne práce. Motivácia kognitívnej činnosti.

II. Opakovanie preberanej látky

1. Kontrola domácich úloh

Overte si riešenie kvalitatívnych fyzikálnych úloh na tému „Pevné telesá a ich vlastnosti“ (frontálny prieskum študentov).

2. Príprava na vnímanie nového materiálu

Zopakujte vzorce z kurzu matematiky (a + c) 3 a 3 + v 3;
Zopakujte si tému „Tepelná rozťažnosť plynov“ (Gay-Lussacov zákon)
Zopakujte si tému „Deformácia pevných telies“.

III. Učenie sa nového materiálu

Študenti majú odpovedať na nasledujúce otázky:

Čo sa stane s telesami, keď sa ochladia a roztiahnu?
Prečo sa telesá rozširujú? Aké zmeny v tele v procese expanzie?

V rámci diskusie je predstavený pojem tepelná rozťažnosť telies, príklady rozťažnosti telies, druhy tepelnej rozťažnosti.

Tepelná rozťažnosť je zväčšenie lineárnych rozmerov telesa a jeho objemu, ku ktorému dochádza pri zvyšovaní teploty.

Keď sa telo roztiahne, jeho objem sa zväčší a hovoria o objemová expanzia tela. Niekedy nás však zaujíma len zmena jedného rozmeru, napríklad dĺžky železničnej trate alebo kovovej tyče. V takom prípade sa hovorí o lineárna expanzia. Automobiloví dizajnéri majú záujem o rozšírenie povrchu kovových plechov použitých pri konštrukcii auta. Tu je otázka o rozšírenie povrchu.

Nastavenie experimentov:

expanzia kvapalín pri zahrievaní (zvýšenie hladiny vody v banke s rúrkou);
expanzia pevných látok pri zahrievaní (guľa s krúžkom, zväčšenie dĺžky natiahnutých drôtov);
pôsobenie bimetalového regulátora (tepelné relé).

Otázka: Rozťahujú sa telesá rovnakým spôsobom, keď sa zahrievajú o rovnaký počet stupňov?

Odpoveď: nie, pretože rôzne látky majú rôzne molekuly. Zmena teploty o rovnaký počet stupňov charakterizuje rovnakú strednú kvadratúru rýchlosti molekúl. E k = molekuly s menšou hmotnosťou budú menšie ako molekuly s veľkou hmotnosťou. Preto sa medzimolekulové priestory rôznych látok pri rovnakej teplote menia rozdielne, čo vedie k nerovnakej expanzii.

2. Zvážte lineárnu expanziu tuhých telies a jej vlastnosti

Roztiahnutie tuhého telesa pozdĺž jedného z jeho rozmerov sa nazýva lineárne.

Na charakterizáciu stupňa lineárnej rozťažnosti rôznych pevných látok sa zavádza pojem koeficient lineárnej rozťažnosti.

Hodnota, ktorá ukazuje, o aký zlomok počiatočnej dĺžky meranej pri 0 0 C sa dĺžka telesa zväčší od zahriatia o 1 0 C, sa nazýva koeficient lineárnej expanzie a označuje sa .

K-1 = alebo = 0 C-1 =

Zavedme si zápis: t 0 – počiatočná teplota; t je konečná teplota; l 0 - dĺžka tela pri t 0 \u003d 0 0 С; l t - dĺžka tela pri t 0 С; l - zmena dĺžky tela; t je zmena teploty.

Predpokladajme, že drôt bol zahriaty na 60 0 C. Na začiatku mal drôt dĺžku 100 cm a pri zahriatí sa jeho dĺžka zväčšila o 0,24 cm.

Odtiaľ je možné vypočítať nárast dĺžky drôtu pri zahriatí o 10 C.

Celkové predĺženie (0,024 cm) sa vydelí dĺžkou drôtu a zmenou teploty: \u003d 0,000004 0 С -1 \u003d (4 * 10 -6) 0 С -1.

Potom = alebo = (1)

3. a) Na výpočet dĺžky telesa v závislosti od teploty t transformujeme vzorec (2)

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

Dvojčlenka (1+t) sa nazýva binomická lineárna expanzia . Ukazuje, koľkokrát sa dĺžka tela zväčšila pri jeho zahriatí z 0 0 na t 0 С.

takze konečná dĺžka telesa sa rovná počiatočnej dĺžke vynásobenej binomickou lineárnou expanziou.

Vzorec l t \u003d l 0 (1+? t) je približný a možno ho použiť pri nie veľmi vysokých teplotách (200 0 C - 300 0 C).

Pri veľkých teplotných zmenách sa tento vzorec nedá použiť.

b) Často pri riešení úloh používajú iný približný vzorec, ktorý zjednodušuje výpočty. Napríklad, ak je potrebné vypočítať dĺžku telesa pri zahriatí z teploty t 1 na teplotu t 2, potom použite vzorec:

l 2 ~ l 1, koeficient lineárnej rozťažnosti ~

IV. Stredné upevnenie materiálu

Poďme sa prejsť popri železničnej trati. Ak je počasie chladné, potom si všimneme, že konce dvoch susedných koľajníc sú od seba oddelené intervalmi 0,6-1,2 cm, v horúcom počasí sa tieto konce takmer tesne zbiehajú. Z toho vyplýva záver, že koľajnice sa pri zahrievaní rozťahujú a pri ochladzovaní zmenšujú. V dôsledku toho, ak bola cesta postavená v zime, potom bolo potrebné ponechať určitú rezervu, aby sa koľajnice mohli voľne rozširovať v horúcom období. Vynára sa otázka, aká veľká rezerva je potrebná na toto rozšírenie?

Predpokladajme, že v našej oblasti je zmena teplôt za rok od -30 0 С do -35 0 С a dĺžka koľajnice je 12,5 m. Akú medzeru treba ponechať medzi koľajnicami?

odpoveď: tak je potrebné ponechať medzeru 1 cm, ak sa koľajnice ukladajú pri nízkych teplotách alebo sa koľajnice kladú natupo, ak sa koľajnice kladú v najteplejšom počasí.

V. Učenie sa nového materiálu (pokračovanie)

4. Zvážte objemovú expanziu pevných látok a jej vlastnosti

Zväčšenie objemu telesa pri zahrievaní sa nazýva hromadné rozšírenie.

Objemová rozťažnosť je charakterizovaná koeficientom objemovej rozťažnosti a označuje sa? .

Úloha: Analogicky s lineárnou expanziou definujte koeficient objemovej expanzie a odvodite vzorec =.

Študenti samostatne realizujú riešenie tohto problému a zadávajú označenia: V 0 - počiatočný objem pri 0 0 С; Vt je konečný objem pri t 0 С; V - zmena objemu tela; t 0 - počiatočná teplota; t je konečná teplota.

Hodnota, ktorá ukazuje, o aký zlomok počiatočného objemu, meraného pri 0 0 C, sa objem telesa zväčší zohriatím o 1 0 C, sa nazýva koeficient objemovej expanzie .

a) Nájdite závislosť objemu tuhého telesa od teploty. Zo vzorca = zistíme konečný objem V t .

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

Dvojčlenka (1+? t) sa nazýva objemová expanzia binomická . Ukazuje, koľkokrát sa objem telesa zväčšil pri jeho zahriatí z 0 na t 0 C.

takze konečný objem telesa sa rovná počiatočnému objemu vynásobenému binomikou objemovej expanzie.

Ak je známy objem telesa V 1 pri teplote t 1 , potom objem V 2 pri teplote t 2 možno nájsť pomocou približného vzorca V 2 ~V 1 a koeficientu objemovej rozťažnosti ~.

Odvodzovanie a zapisovanie vzorcov realizujú žiaci samostatne.

6. Hodnota koeficientu objemovej rozťažnosti? veľmi malá hodnota.

Ak sa však pozrieme na tabuľky, uvidíme, že význam? pre tuhé látky neexistuje. Ukazuje sa, že existuje vzťah medzi koeficientmi lineárnej a objemovej expanzie? =3? .

Odvoďme tento pomer.

Predpokladajme, že máme kocku, ktorej dĺžka hrany pri 0 0 C je 1 cm. Zahrejte kocku o 1 0 C, potom bude dĺžka jej hrany l t \u003d 1+? *10 = 1+? . Objem ohriatej kocky V t =(1+?) 3 . Na druhej strane objem tej istej kocky možno vypočítať pomocou vzorca V t =1+? *10 = 1+? .

Z posledných rovníc dostaneme 1+? =(1+?) 3, teda 1+? = 1+3? +3? 2+? 3.

Aké sú teda číselné hodnoty? veľmi malý - rádovo v milióntine, potom 3? 2 a? 3 sú ešte extrémne malé množstvá. Na tomto základe zanedbanie hodnôt 3? 2 a? 3, dostať čo? =3? .

Koeficient objemovej rozťažnosti pevného telesa sa rovná trojnásobku koeficientu lineárnej rozťažnosti.

7. Zistite, ako sa mení hustota telies s teplotou. Hustota tela pri 0 0 С.

p, odkiaľ m=p0*Vo, kde m je telesná hmotnosť; V 0 - objem pri 0 0 С;

m = konštanta, keď sa mení teplota, ale mení sa objem telesa, čo znamená, že sa mení aj hustota.

Na základe toho môžeme napísať, že hustota telesa pri teplote t = 0 0 C , pretože Vt = Vo (1+? t), potom .

Pri výpočte treba brať do úvahy, že v tabuľkách je uvedená hustota látky pri 0 0 C. Hustota pri iných teplotách sa vypočíta podľa vzorca? t .

Pri zahrievaní sa p t - znižuje, pri ochladzovaní sa p t - zvyšuje.

Povedzte o zariadení, účele a princípe činnosti bimetalového tepelného relé, ukážte jeho činnosti. Uveďte príklady priaznivých a škodlivých účinkov tepelnej deformácie v strojárstve, doprave, stavebníctve a pod.
Stručne opíšte vlastnosti tepelnej rozťažnosti kvapalín.
Správa „Zvláštnosti tepelnej rozťažnosti vody“.

VI. Konsolidácia študovaného materiálu.

Pre hlbšie pochopenie a upevnenie preštudovaného materiálu k problematike sa vedie krátky prieskum-rozhovor.
Samostatná práca študentov. Riešiť problémy k téme.

P.I. Samoilenko, A.V. Sergejev.

A.A. Pinsky, G.Yu. Grakovského.

V.F. Dmitriev.

G.I. Rjabovodov, P.I. Samoilenko, E.I. Ogorodnikov.

A.A. Gladkov

Je dobre známe, že pevné látky pri zahrievaní zväčšujú svoj objem. Toto je tepelná rozťažnosť. Zvážte príčiny vedúce k zvýšeniu objemu tela pri zahrievaní.

Je zrejmé, že objem kryštálu rastie so zväčšovaním priemernej vzdialenosti medzi atómami. To znamená, že zvýšenie teploty znamená zvýšenie priemernej vzdialenosti medzi atómami kryštálu. Aký je dôvod zväčšenia vzdialenosti medzi atómami pri zahrievaní?

Zvýšenie teploty kryštálu znamená zvýšenie energie tepelného pohybu, t.j. tepelných vibrácií atómov v mriežke (pozri str. 459), a tým aj zvýšenie amplitúdy týchto vibrácií.

Ale zvýšenie amplitúdy vibrácií atómov nevedie vždy k zvýšeniu priemernej vzdialenosti medzi nimi.

Ak by vibrácie atómov boli striktne harmonické, potom by sa každý atóm približoval k jednému zo svojich susedov rovnako ako sa vzďaľoval od druhého a zvýšenie amplitúdy jeho vibrácií by neviedlo k zmene priemernej medziatómovej vzdialenosti a teda k tepelnej rozťažnosti.

V skutočnosti atómy v kryštálovej mriežke vykonávajú anharmonické (tj neharmonické) vibrácie. Je to spôsobené povahou závislosti síl interakcie medzi / atómami od vzdialenosti medzi nimi. Ako bolo naznačené na začiatku tejto kapitoly (pozri obr. 152 a 153), táto závislosť je taká, že pri veľkých vzdialenostiach medzi atómami sa interakčné sily medzi atómami prejavujú ako príťažlivé sily a keď sa táto vzdialenosť zmenšuje, menia svoje znamienko. a stávajú sa odpudivými silami, ktoré sa rýchlo zvyšujú s klesajúcou vzdialenosťou.

To vedie k tomu, že so zvyšovaním "amplitúdy" atómových vibrácií vplyvom zahrievania kryštálu prevažuje rast odpudivých síl medzi atómami nad rastom príťažlivých síl. Inými slovami, pre atóm je „jednoduchšie“ vzdialiť sa od suseda, ako sa priblížiť k inému. To by samozrejme malo viesť k zväčšeniu priemernej vzdialenosti medzi atómami, teda k zväčšeniu objemu telesa pri jeho zahrievaní.

Z toho vyplýva, že dôvodom tepelnej rozťažnosti pevných látok je anharmonicita vibrácií atómov v kryštálovej mriežke.

Kvantitatívne je tepelná rozťažnosť charakterizovaná koeficientmi lineárnej a objemovej rozťažnosti, ktoré sa určujú nasledovne. Nech teleso dĺžky I pri zmene teploty o stupne zmení svoju dĺžku o Koeficient lineárnej rozťažnosti určíme zo vzťahu

tj koeficient lineárnej rozťažnosti sa rovná relatívnej zmene dĺžky so zmenou teploty o jeden stupeň. Podobne koeficient objemovej rozťažnosti je daný podľa

tj koeficient sa rovná relatívnej zmene objemu na jeden stupeň.

Z týchto vzorcov vyplýva, že dĺžka a objem pri určitej teplote líšiaci sa od počiatočnej teploty o stupne sú vyjadrené vzorcami (pre malé

kde je počiatočná dĺžka a objem tela.

V dôsledku anizotropie kryštálov môže byť koeficient lineárnej expanzie a rôzny v rôznych smeroch. To znamená, že ak je z daného kryštálu vyrezaná guľa, potom po zahriatí stratí svoj sférický tvar. Dá sa ukázať, že v najvšeobecnejšom prípade sa takáto guľa po zahriatí premení na trojosový elipsoid, ktorého osi súvisia s kryštalografickými osami kryštálu.

Koeficienty tepelnej rozťažnosti pozdĺž troch osí tohto elipsoidu sa nazývajú hlavné koeficienty rozťažnosti kryštálu.

Ak sú označené potom koeficientom objemovej rozťažnosti kryštálu

Pre kryštály s kubickou symetriou, ako aj pre izotropné telesá,

Z takýchto teliesok vyrezaná guľa zostáva guľou aj po zahriatí (samozrejme väčšieho priemeru).

V niektorých kryštáloch (napríklad šesťhranné)

Koeficienty lineárnej a objemovej rozťažnosti zostávajú prakticky konštantné, ak sú teplotné intervaly, v ktorých sa merajú, malé a samotné teploty sú vysoké. Vo všeobecnosti koeficienty tepelnej rozťažnosti závisia od teploty a navyše, rovnako ako tepelná kapacita, t.j. pri nízkych teplotách koeficienty klesajú s klesajúcou teplotou úmerne s kockou teploty, pričom majú tendenciu podobne ako tepelná kapacita,

na nulu pri absolútnej nule. To nie je prekvapujúce, pretože tepelná kapacita aj tepelná rozťažnosť súvisia s vibráciami mriežky: tepelná kapacita udáva množstvo tepla potrebné na zvýšenie priemernej energie tepelných vibrácií atómov, ktorá závisí od amplitúdy vibrácií, zatiaľ čo koeficient tepelnej rozťažnosti je priamo súvisí s priemernými vzdialenosťami medzi atómami, ktoré tiež závisia od amplitúdy atómových vibrácií.

Z toho vyplýva dôležitý zákon objavený Grüneisenom: pomer koeficientu tepelnej rozťažnosti k atómovej tepelnej kapacite tuhej látky pre danú látku je konštantná hodnota (t. j. nezávislá od teploty).

Koeficienty tepelnej rozťažnosti pevných látok sú zvyčajne veľmi malé, ako je možné vidieť z tabuľky. 22. Hodnoty koeficientu uvedené v tejto tabuľke sa vzťahujú na teplotný rozsah medzi a

Tabuľka 22 (pozri sken) Koeficienty tepelnej rozťažnosti pevných látok

Niektoré látky majú obzvlášť nízky koeficient tepelnej rozťažnosti. Túto vlastnosť má napríklad kremeň. Ďalším príkladom je zliatina niklu a železa (36 % Ni), známa ako invar.Tieto látky sú široko používané v presných prístrojoch.

Jednoduché experimenty a pozorovania nás presviedčajú, že pri zvyšovaní teploty sa rozmery telies mierne zväčšujú a pri ochladzovaní sa zmenšujú na predchádzajúce rozmery. Takže napríklad veľmi horúca skrutka nevstúpi do závitu, do ktorého voľne vstúpi, pretože je studená. Keď skrutka vychladne, znova vstúpi do závitu. Telegrafné drôty v horúcom letnom počasí klesajú citeľne viac ako počas zimných mrazov. Nárast priehybu, a teda aj dĺžky natiahnutých drôtov počas zahrievania, možno ľahko reprodukovať v experimente znázornenom na obr. 353. Keď natiahnutý drôt nahrejeme elektrickým prúdom, vidíme, že sa citeľne prehýba, a keď nahrievanie prestane, opäť sa pritiahne.

Ryža. 353. Pri zahriatí elektrickým prúdom sa drôt predlžuje a prehýba; keď sa prúd vypne, vráti sa do predchádzajúcej polohy

Pri zahrievaní sa zväčšuje nielen dĺžka tela, ale aj ďalšie lineárne rozmery. Zmena lineárnych rozmerov telesa pri zahrievaní sa nazýva lineárna expanzia.

Ak sa homogénne teleso (napríklad sklenená trubica) zohreje rovnomerne vo všetkých častiach, potom sa roztiahne a zachová si svoj tvar. Ďalší sa stane pri nerovnomernom ohreve. Uvažujme o tejto skúsenosti. Sklenená trubica je umiestnená vodorovne a jeden koniec je upevnený. Ak sa rúrka zahrieva zospodu, ako je znázornené na obr. 354, potom jeho horná časť zostáva chladnejšia kvôli zlej tepelnej vodivosti skla; zatiaľ čo trubica je ohnutá nahor. Je ľahké pochopiť, že spodná polovica ohnutej rúrky je stlačená, pretože sa nemôže roztiahnuť do takej miery, že by sa roztiahla, keby nebola integrálna s hornou polovicou. Horná polovica je naopak natiahnutá.

Ryža. 354. Sklenená trubica sa pri zahrievaní zospodu zreteľne ohýba nahor.

Pri nerovnomernom zahrievaní telies v nich teda vznikajú napätia, ktoré pri príliš veľkých napätiach môžu viesť k ich zničeniu. Takže sklo v prvom momente, keď sa do neho naleje horúca voda, je v napnutom stave a niekedy praskne. Je to spôsobené tým, že sa najskôr zohrejú a roztiahnu vnútorné časti, ktoré natiahnu vonkajší povrch riadu. Takémuto namáhaniu pri ohrievaní sa dá predísť, ak vezmete riad s tak tenkými stenami, že sa rýchlo zohreje v celej hrúbke (chemické sklo).

Z podobného dôvodu praskne bežné sklo, ak sa v ňom pokúsite zohriať tekutiny na ohni alebo na elektrickom sporáku. Existujú však špeciálne druhy skla (tzv. kremenné sklo s obsahom až 96 % kremeňa), ktoré sa pri zahrievaní rozťahujú tak málo, že namáhanie spôsobené nerovnomerným ohrevom riadu z takéhoto skla nie je nebezpečné. V hrnci z kremenného skla môžete variť vodu.

Lineárna rozťažnosť rôznych materiálov pri rovnakom zvýšení teploty je odlišná. Vidno to napríklad z takejto skúsenosti: dve rozdielne dosky (napríklad železné a medené) sú na niekoľkých miestach znitované (obr. 355, a). Ak sú dosky rovné pri izbovej teplote, potom sa pri zahriatí ohnú, ako je znázornené na obr. 355b. To ukazuje, že meď expanduje viac ako železo. Z tejto skúsenosti tiež vyplýva, že pri zmenách teploty telesa pozostávajúceho z viacerých rôzne sa rozširujúcich častí sa v ňom objavujú aj vnútorné napätia. V experimente znázornenom na obr. 355 sa medený plech stlačí a železný sa natiahne. V dôsledku nerovnomernej expanzie železa a skloviny vznikajú v smaltovaných železných nádobách napätia; pri silnom ohreve niekedy sklovina odskakuje.

Ryža. 355. a) Plech znitovaný z medených a železných pásov, v studenom stave, b) Ten istý plech v zahriatom stave (pre názornosť je ohyb znázornený prehnane)

Napätia, ktoré vznikajú v pevných látkach v dôsledku tepelnej rozťažnosti, môžu byť veľmi veľké. Toto treba brať do úvahy v mnohých oblastiach techniky. Vyskytli sa prípady, keď časti železných mostov, ktoré boli cez deň nitované, v noci ochladzovali a zrútili sa a odtrhli mnohé nity. Aby sa predišlo takýmto javom, prijímajú sa opatrenia, ktoré zabezpečia, že časti konštrukcií sa pri zmene teploty voľne rozťahujú alebo zmršťujú. Napríklad železné parovody sú vybavené pružnými ohybmi vo forme slučiek (kompenzátory, obr. 356).

Ryža. 356. Kompenzátor na parnom potrubí umožňuje rozšírenie potrubia

Zväčšenie lineárnych rozmerov je sprevádzané zväčšením objemu telies (objemová expanzia telies). Nemožno hovoriť o lineárnej expanzii kvapalín, pretože kvapalina nemá určitý tvar. Objemová expanzia kvapalín je ľahko pozorovateľná. Banku naplňte farebnou vodou alebo inou kvapalinou a uzavrite ju zátkou so sklenenou trubičkou tak, aby kvapalina vstúpila do skúmavky (obr. 357, a). Ak sa na dno banky privedie nádoba s horúcou vodou, potom kvapalina v skúmavke v prvom momente klesne a potom začne stúpať (obr. 357, b a c). Zníženie hladiny kvapaliny v prvom momente naznačuje, že nádoba expanduje ako prvá a kvapalina sa ešte nestihla zahriať. Potom sa kvapalina zahreje.

Ryža. 357. a) Z banky sa do korku dostala tónovaná voda, b) Do banky sa zospodu privedie nádoba s horúcou vodou. V prvom momente ponorenia banky kvapalina v skúmavke klesá. c) Hladina v skúmavke sa po chvíli nastaví vyššie ako pred zahriatím banky

Zvýšenie jeho hladiny ukazuje, že kvapalina expanduje vo väčšej miere ako sklo. Rôzne kvapaliny sa pri zahrievaní rozťahujú inak: napríklad petrolej expanduje viac ako voda.

Ak sa v uzavretej nádobe zahrieva kvapalina, ktorá bráni jej rozpínaniu, tak v nej, ako aj v pevných látkach vznikajú obrovské napätia (tlakové sily), ktoré pôsobia na steny nádoby a môžu ich zničiť. Preto sú potrubné systémy na ohrev vody vždy vybavené expanznou nádobou pripojenou k hornej časti systému a odvetrávanou do atmosféry (obr. 358). Pri ohrievaní vody v potrubnom systéme časť vody prechádza do expanznej nádoby, čím sa eliminuje namáhaný stav vody a potrubia.

Ryža. 358. Schéma zariadenia na ohrev vody v dome. V podkroví je umiestnená expanzná nádrž 1, z ktorej voda steká potrubím 2

195.1. Ako sa mení priemer otvoru v liatinovom kuchynskom sporáku, keď sa sporák zahrieva?

195.2. Keď sa balalajka vyberie z teplej miestnosti do chladu, jej oceľové struny sa viac napnú. Aký záver možno z toho vyvodiť o rozdiele v rozťažnosti ocele a dreva?

195.3. V klavíroch sú oceľové struny natiahnuté cez železný rám. Mení sa napätie strún, keď sa teplota mení tak pomaly, že rám stihne nabrať rovnakú teplotu ako struny (železo sa rozťahuje takmer rovnako ako oceľ)?

195.4. Na spájkovanie elektród do elektrickej lampy sa používa platinidová zliatina, ktorá sa pri zahrievaní rozťahuje rovnako ako sklo. Čo sa môže stať, ak je medený drôt prispájkovaný do skla (meď sa rozťahuje oveľa viac ako sklo)?

195.5. Ako by bola skúsenosť znázornená na obr. 357 ak by banka bola vyrobená z kremenného skla?

195.6. V technológii sa často používajú bimetalové platne pozostávajúce z dvoch tenkých platní z rôznych kovov, ktoré sú navzájom zvarené po celej kontaktnej ploche. Na obr. 359 ukazuje zjednodušenú schému tepelného relé - zariadenie, ktoré automaticky vypne elektrický prúd na krátky čas, ak prúd z nejakého dôvodu prekročí povolenú hodnotu: 1 - bimetalová doska, 2 - malý vykurovací článok, ktorý pri prijateľná sila prúdu, príliš málo sa zahrieva na spustenie relé, 3 - kontakt. Pochopte, ako funguje termostat. Na ktorej strane dosky 1 by sa mal kov najviac roztiahnuť?

Ryža. 359. Zjednodušená schéma tepelného relé

Je známe, že pod vplyvom tepla častice urýchľujú svoj chaotický pohyb. Ak ohrievate plyn, molekuly, ktoré ho tvoria, sa jednoducho rozptýlia jedna od druhej. Zahriata kvapalina najskôr zväčší svoj objem a potom sa začne odparovať. Čo sa stane s pevnými látkami? Nie každý z nich môže zmeniť svoj stav agregácie.

Tepelná rozťažnosť: definícia

Tepelná rozťažnosť je zmena veľkosti a tvaru telies so zmenou teploty. Matematicky je možné vypočítať koeficient objemovej rozťažnosti, ktorý umožňuje predpovedať správanie plynov a kvapalín v meniacich sa vonkajších podmienkach. Na získanie rovnakých výsledkov pre tuhé látky je potrebné vziať do úvahy.Fyzici vyčlenili na tento druh výskumu celú sekciu a nazvali ju dilatometria.

Inžinieri a architekti potrebujú znalosti o správaní sa rôznych materiálov pri vysokých a nízkych teplotách, aby mohli navrhovať budovy, položiť cesty a potrubia.

Expanzia plynov

Tepelná expanzia plynov je sprevádzaná expanziou ich objemu v priestore. To si všimli prírodní filozofi v staroveku, ale iba moderným fyzikom sa podarilo vybudovať matematické výpočty.

V prvom rade sa vedci začali zaujímať o expanziu vzduchu, pretože sa im to zdalo ako uskutočniteľná úloha. Pustili sa do podnikania tak horlivo, že dosiahli dosť rozporuplné výsledky. Prirodzene, vedecká komunita nebola s takýmto výsledkom spokojná. Presnosť merania závisela od použitého teplomera, tlaku a rôznych ďalších podmienok. Niektorí fyzici dokonca prišli na to, že expanzia plynov nezávisí od zmien teploty. Alebo je tento vzťah neúplný?

Diela Daltona a Gay-Lussaca

Fyzici by pokračovali v hádkach, až by boli chrapľaví alebo by sa vzdali meraní, keby nebolo On a ďalší fyzik, Gay-Lussac, v rovnakom čase, nezávisle od seba, mohli získať rovnaké výsledky meraní.

Lussac sa pokúsil nájsť dôvod pre toľko rôznych výsledkov a všimol si, že niektoré zariadenia v čase experimentu mali vodu. Prirodzene sa v procese zahrievania zmenil na paru a zmenil množstvo a zloženie skúmaných plynov. Preto prvá vec, ktorú vedec urobil, bolo dôkladne vysušiť všetky nástroje, ktoré použil na vykonanie experimentu, a vylúčiť čo i len minimálne percento vlhkosti zo skúmaného plynu. Po všetkých týchto manipuláciách sa ukázalo, že niekoľko prvých experimentov je spoľahlivejších.

Dalton sa touto problematikou zaoberal dlhšie ako jeho kolega a výsledky zverejnil na samom začiatku 19. storočia. Vysušil vzduch parami kyseliny sírovej a potom zahrial. Po sérii experimentov John dospel k záveru, že všetky plyny a pary expandujú faktorom 0,376. Lussac prišiel s číslom 0,375. Toto bol oficiálny výsledok štúdie.

Tlak vodnej pary

Tepelná rozťažnosť plynov závisí od ich pružnosti, teda schopnosti vrátiť sa do pôvodného objemu. Ziegler bol prvým, kto túto otázku skúmal v polovici osemnásteho storočia. Ale výsledky jeho experimentov sa príliš líšili. Spoľahlivejšie údaje boli získané použitím kotla pre vysoké teploty a barometra pre nízke teploty.

Na konci 18. storočia sa francúzsky fyzik Prony pokúsil odvodiť jediný vzorec, ktorý by popisoval elasticitu plynov, ale ukázalo sa, že je príliš ťažkopádny a ťažko použiteľný. Dalton sa rozhodol všetky výpočty otestovať empiricky, pričom na to použil sifónový barometer. Napriek tomu, že teplota nebola vo všetkých experimentoch rovnaká, výsledky boli veľmi presné. Publikoval ich teda ako tabuľku vo svojej učebnici fyziky.

Teória odparovania

Tepelná rozťažnosť plynov (ako fyzikálna teória) prešla rôznymi zmenami. Vedci sa pokúsili dostať na dno procesov, pri ktorých vzniká para. Tu sa opäť vyznamenal známy fyzik Dalton. Predpokladal, že akýkoľvek priestor je nasýtený plynovými parami, bez ohľadu na to, či sa v tomto zásobníku (miestnosti) nachádza nejaký iný plyn alebo para. Preto je možné usúdiť, že kvapalina sa nevyparí jednoduchým kontaktom s atmosférickým vzduchom.

Tlak vzduchového stĺpca na povrchu kvapaliny zväčšuje priestor medzi atómami, roztrháva ich a vyparuje, to znamená, že prispieva k tvorbe pary. Ale gravitácia naďalej pôsobí na molekuly pary, takže vedci usúdili, že atmosférický tlak žiadnym spôsobom neovplyvňuje odparovanie kvapalín.

Expanzia tekutín

Tepelná rozťažnosť kvapalín bola študovaná paralelne s expanziou plynov. Tí istí vedci sa zaoberali vedeckým výskumom. Používali na to teplomery, aerometre, spojovacie nádoby a iné prístroje.

Všetky experimenty spolu a každý zvlášť vyvrátili Daltonovu teóriu, že homogénne kvapaliny sa rozpínajú úmerne druhej mocnine teploty, na ktorú sa zahrejú. Samozrejme, čím vyššia teplota, tým väčší objem kvapaliny, ale nebol medzi tým priamy vzťah. Áno, a rýchlosť expanzie všetkých kvapalín bola iná.

Tepelná rozťažnosť vody napríklad začína pri nule stupňov Celzia a pokračuje pri poklese teploty. Predtým boli takéto výsledky experimentov spojené so skutočnosťou, že sa nerozťahuje samotná voda, ale zužuje sa nádoba, v ktorej sa nachádza. O nejaký čas neskôr však fyzik Deluca dospel k záveru, že príčinu treba hľadať v samotnej kvapaline. Rozhodol sa nájsť teplotu jeho najväčšej hustoty. Pre zanedbanie niektorých detailov sa mu to však nepodarilo. Rumfort, ktorý študoval tento jav, zistil, že maximálna hustota vody sa pozoruje v rozmedzí od 4 do 5 stupňov Celzia.

Tepelná rozťažnosť telies

V pevných látkach je hlavným expanzným mechanizmom zmena amplitúdy vibrácií kryštálovej mriežky. Jednoducho povedané, atómy, ktoré tvoria materiál a sú navzájom pevne spojené, sa začnú „chvieť“.

Zákon tepelnej rozťažnosti telies je formulovaný nasledovne: každé teleso s lineárnou veľkosťou L sa v procese zahrievania o dT (delta T je rozdiel medzi počiatočnou teplotou a konečnou teplotou) roztiahne o dL (delta L je derivácia koeficientu lineárnej tepelnej rozťažnosti dĺžkou objektu a rozdielom teplôt). Ide o najjednoduchšiu verziu tohto zákona, ktorá štandardne počíta s tým, že sa telo rozťahuje do všetkých strán naraz. Ale pre praktickú prácu sa používajú oveľa ťažkopádnejšie výpočty, pretože v skutočnosti sa materiály nesprávajú tak, ako to modelujú fyzici a matematici.

Tepelná rozťažnosť koľajnice

Fyzici sa vždy podieľajú na ukladaní železničnej trate, pretože vedia presne vypočítať, aká vzdialenosť by mala byť medzi spojmi koľajníc, aby sa koľajnice pri zahrievaní alebo ochladzovaní nedeformovali.

Ako je uvedené vyššie, tepelná lineárna rozťažnosť je použiteľná pre všetky pevné látky. A koľajnica nie je výnimkou. Ale je tu jeden detail. K lineárnej zmene dochádza voľne, ak na teleso nepôsobí trecia sila. Koľajnice sú pevne pripevnené k podvalom a privarené k susedným koľajniciam, takže zákon, ktorý popisuje zmenu dĺžky, počíta s prekonávaním prekážok vo forme lineárnych a tupých odporov.

Ak koľajnica nemôže zmeniť svoju dĺžku, potom so zmenou teploty v nej narastá tepelné napätie, ktoré ju môže natiahnuť aj stlačiť. Tento jav popisuje Hookov zákon.

Zmena veľkosti alebo objemu tela pri zahrievaní

Animácia

Popis

Tepelná rozťažnosť je účinok zmeny veľkosti telesa so zmenou teploty pri konštantnom tlaku. Tento jav pre tuhé látky je spôsobený asymetriou interakčného potenciálu atómov látky v mriežke, čo vedie k anharmonicite vibrácií atómov vzhľadom na priemernú polohu. V prípade plynov je to spôsobené zvýšením kinetickej energie molekúl a atómov.

Kvantitatívne je tepelná rozťažnosť pri konštantnom tlaku P charakterizovaná izobarickým koeficientom rozťažnosti (objemovým alebo lineárnym).

Koeficient objemovej rozťažnosti a je definovaný ako relatívna zmena objemu V, keď sa teleso (tuhé, kvapalné alebo plynné) zahreje o 1 K.

kde T je absolútna telesná teplota.

Praktická hodnota a sa vypočíta podľa vzorca:

kde V 1, V 2 sú objemy telesa pri teplotách T 1 a T 2 (T 1<Т 2 ).

Na charakterizáciu tepelnej rozťažnosti sa spolu s a používa koeficient lineárnej rozťažnosti a L:

kde l je veľkosť telesa v danom smere.

Vo všeobecnom prípade polykryštalických anizotropných telies, ktoré pozostávajú z anizotropných monokryštálov, a L \u003d a x + a y + a z a rozdielu alebo rovnosti koeficientov lineárnej tepelnej rozťažnosti a x, a y, a z pozdĺž kryštalografických osí x, y, z je určená symetriou kryštálu. Napríklad pre kryštály kubickej sústavy, ako aj pre izotropné telesá platí a L = a x = a y = a z a a = 3a l. Pre väčšinu telies a > 0, ale existujú aj anomálie. Napríklad voda, keď sa zahreje z 0 na 40 C pri normálnom atmosférickom tlaku, stlačí (a<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.

Načasovanie

iniciačný čas (log do -1 až 3);

Životnosť (log tc od 0 do 6);

Čas degradácie (log td -1 až 3);

Optimálny čas vývoja (log tk 3 až 5).

Diagram:

Technické realizácie efektu

Teplomer

Realizácia tohto efektu si nevyžaduje žiadne ďalšie prostriedky, okrem bežného domáceho liehového alebo ortuťového teplomera. Pri jej zahrievaní narastá stĺpec kvapaliny, čo znamená objemovú expanziu kvapaliny.

Aplikácia efektu

Tento efekt je široko používaný pri projektovaní technických systémov pracujúcich v extrémnych alebo optimálnych tepelných podmienkach s veľkými teplotnými rozdielmi. Anomálna vlastnosť vody zmenšovať objem so zvýšením teploty od 0 do 40 C je na jednej strane škodlivá, vedie k odmrazovaniu „hydraulických systémov“, t.j. ich mechanické ničenie a na druhej strane je základom pre celý rad technologických procesov, napríklad ničenie hornín. Okrem toho sa v technických zariadeniach široko používajú takzvané bimetalové dosky ako limitné snímače teploty, čo vedie k automatickému zapínaniu a vypínaniu domácich elektrických spotrebičov (žehličky, vysávače, chladničky atď.).

Sekcie