Зависимость размеров тел от температуры в физике - определение с примерами

Содержание:

Зависимость размеров тел от температуры:

Если вы наблюдательны, то, наверное, обратили внимание на та кие факты. Электрические провода летом провисают намного силы нее, чем зимой, т. е. летом они длиннее. Если набрать полную бутылку холодной воды и поставить в теплое место, то со временем часть воды из бутылки выльется, так как во время нагревания вода расширяется. Воздушный шарик, вынесенный из комнаты на мороз, уменьшается в объеме.

Тепловое расширение твердых тел, жидкостей и газов

Несложные опыты и многочисленные наблюдения убеждают нас в том, что, как правило, твердые тела, жидкости и газы во время нагревания расширяются, а во время охлаждения сжимаются.

Тепловое расширение жидкостей и газов легко наблюдать с помощью колбы, шейка которой плотно закупорена, а в пробку вставлена стеклянная трубка. Перевернем колбу, заполненную воздухом, в сосуд с водой. Теперь достаточно взяться за колбу рукой, и в скором времени воздух, расширяясь в колбе, будет выходить в виде пузырьков из трубки под водой (рис. 2.30).

Теперь наполним колбу какой-нибудь подкрашенной жидкостью и закупорим так, чтобы часть жидкости вошла в трубку (рис. 2.31, а). Обозначим уровень жидкости в трубке и опустим колбу в сосуд с горячей водой. В первый момент уровень жидкости немного снизится (рис. 2.31, б), и это можно объяснить тем, что сначала нагревается

и расширяется колба, а уже потом, нагреваясь, расширяется вода. В скором времени мы убедимся, что по мере нагревания колбы и воды в ней уровень жидкости в трубке заметно повысится (рис. 2.31, в). Итак, твердые тела и жидкости, как и газы, во время нагревания расширяются. Исследовательским путем выяснено, что твердые тела и жидкости во время нагревания расширяются намного меньше, чем газы.

Тепловое расширение твердых тел можно продемонстрировать также на следующем опыте. Возьмем медный шарик, который в ненагретом состоянии легко проходит сквозь пригнанное к нему кольцо. Нагреем шарик в пламени спиртовки и убедимся в том, что шарик теперь не будет проходить сквозь кольцо (рис. 2.32, а). После охлаждения шарик снова легко пройдет сквозь кольцо (рис. 2.32, б).

Причина теплового расширения

В чем же причина увеличения объема тел во время нагревания, ведь количество молекул с увеличением температуры не изменяется?

Атомно-молекулярная теория объясняет тепловое расширение тел тем, что с увеличением температуры увеличивается скорость движения атомов и молекул. В результате увеличивается

среднее расстояние между атомами (молекулами). Соответственно, увеличивается объем тела. И наоборот, чем ниже температура вещества, тем меньше межмолекулярные промежутки. Исключением является вода, чугун и некоторые другие вещества. Вода, например, расширяется только при температуре выше 4 °С; при температуре от О °С до 4 °С объем воды во время нагревания уменьшается.

Тепловое расширение твердых тел

Выясним, как изменяются линейные размеры твердого тела вследствие изменения температуры. Для этого измерим длину алюминиевой трубки, потом нагреем трубку, пропуская сквозь нее горячую воду. Спустя некоторое время можно заметить, что длина трубки незначительно увеличилась.

Заменив алюминиевую трубку стеклянной такой же длины, мы убедимся, что в случае одинакового увеличения температуры длина стеклянной трубки увеличивается намного меньше, чем длина алюминиевой. Таким образом, делаем вывод: тепловое расширение тела зависит от вещества, из которого оно изготовлено.

Физическая величина, характеризующая тепловое расширение материала и численно равная отношению изменения длины тела вследствие его нагревания на 1 °С и его начальной длины, называется температурным коэффициентом линейного расширения.

Температурный коэффициент линейного расширения обозначается символом а и вычисляется по формуле:

где —изменение длины тела; —изменение температуры тела;  — начальная длина тела при температуре ; l — длина тела при температуре t.

Из определения температурного коэффициента линейного расширения можно получить единицу этой физической величины:

Ниже в таблице приведены температурные коэффициенты линейного расширения некоторых веществ.
Тепературные коэффициенты линейного расширения некоторых веществ

Тепловое расширение в природе и технике

Способность тел расширяться во время нагревания и сжиматься во время охлаждения играет очень важную роль в природе. Поверхность Земли прогревается неравномерно. В результате воздух вблизи Земли также расширяется неравномерно, и образуется ветер, предопределяющий изменение погоды. Неравномерное прогревание воды в морях и океанах приводит к возникновению течений, которые существенно влияют на климат. Резкие колебания температуры р горных районах вызывают расширение и сжатие горных пород. А поскольку степень расширения зависит от вида породы, то расширения и сжатия происходят неравномерно, и в результате образуются трещины, которые приводят к разрушению этих пород.

Тепловое расширение приходится принимать во внимание при строительстве мостов и линий электропередач, прокладывании труб отопления, укладке железнодорожных рельсов, изготовлении железобетонных конструкций и во многих других случаях.

Явление теплового расширения широко используется в технике и быту. Так, для автоматического замыкания и размыкания электрических цепей используют биметаллические пластинки — они состоят из двух полос с разным коэффициентом линейного расширения (рис. 2.33). Тепловое расширение воздуха помогает равномерно прогреть квартиру, охладить продукты в холодильнике, проветрить комнату.

Рис. 2.33. Для изготовления автоматических предохранителей (о), для автоматического включения и выключения нагревательных приборов (б) широко используются биметаллические пластинки (в). Один из металлов при увеличении температуры расширяется намного больше, чем другой, в результате этого пластинка изгибается (г) и электрическая цепь размыкается (или замыкается).

Пример решения задачи

Длина стального железнодорожного рельса при температуре 0°С равна 8 На сколько увеличится его длина в знойный летний день при температуре 40 °С? Анализ условия задачи. Зная, как изменяется длина стальной детали вследствие нагревания на 1 °С, т. е. зная температурный коэффициент линейного расширения стали, мы найдем, на сколько изменится длина рельса вследствие нагревания на 40 °С. Температурный коэффициент линейного расширения стали найдем по таблице, приведенной выше.
Дано:

Поиск математической модели

По определению температурного коэффициента линейного расширения:

Решение и анализ результатов

Из формулы для определения температурного коэффициента линейного расширения найдем удлинение рельса:

Поскольку получаем Проверим единицу искомой величины:

Найдем числовое значение:

таким образом,

Проанализируем результат: увеличение длины рельса вполне реально.

Ответ: длина рельса увеличилась на 3,92 мм.

• Заказать решение задач по физике

Итоги:

Твердые тела, жидкости и газы во время нагревания, как правило, расширяются. Причина теплового расширения в том, что с увеличением температуры увеличивается скорость движения атомов и молекул. В результате увеличивается среднее расстояние между атомами (молекулами). Тепловое расширение твердых веществ характеризуется коэффициентом линейного расширения. Коэффициент линейного расширения численно равен отношению изменения длины тела вследствие нагревания его на 1 °С и его начальной длины

Строение вещества:

1. Изучая этот раздел, вы еще раз вспомнили, что все физические тела состоят из веществ, познакомились с некоторыми физическими величинами, характеризующими тело и вещество.

2.Вы вспомнили основные положения атомно-молекулярной теории строения вещества.

3.Вы выяснили, чем и почему отличаются физические свойства веществ в разных агрегатных состояниях.