Что расширяется при нагревании. Тепловое расширение

В первых термометрах использовалось изменение объема газа или жидкости при изменении температуры. Именно это свойство и позволило приписать любому телу определенную температуру, выражаемую числом. В этой главе мы рассмотрим, как меняются линейные размеры твердых тел, а также объемы, твердых тел и жидкостей в зависимости от температуры. О зависимости объема газа от температуры было рассказано достаточно.

§ 9.1. Тепловое расширение тел

При изменении температуры размеры тел меняются: при нагревании, как правило, увеличиваются, при охлаждении уменьшаются. Отчего это происходит?

Увеличение размеров небольшого тела невелико и его трудно заметить. Но если взять железную проволоку длиной 1,5- 2 м и нагревать ее электрическим током, то удлинение можно обнаружить на глаз без специальных приборов. Для этого один конец проволоки должен быть закреплен, а другой перекинут через блок. К этому концу надо прикрепить груз, оттягивающий проволоку вниз (рис. 9.1). По указателю, соединенному с грузом, и судят об изменении длины проволоки в процессе ее нагревания или охлаждения.

Расширение небольшого стального шара, нагретого на газовой горелке, можно заметить по его прохождению через кольцо. Холодный шар легко проходит через кольцо, а нагретый застревает в нем. Когда шар остынет, он снова проходит через кольцо.

Как же объяснить, почему тела при нагревании расширяются?

Молекулярная картина теплового расширения

Зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними позволяет выяснить причину возникновения теплового расширения. Как видно из рисунка 9.2, кривая потенциальной энергии сильно несимметрична. Она очень быстро (круто) возрастает от минимального значения Е р0 (в точке r 0) при уменьшении г и сравнительно медленно растет при увеличении r .

При абсолютном нуле в состоянии равновесия молекулы находились бы друг от друга на расстоянии r 0 , соответствующем минимальному значению потенциальной энергии Е р0 . По мере нагревания молекулы начинают совершать колебания около положения равновесия. Размах колебаний определяется средним значением энергии Е. Если бы потенциальная кривая была симметричной, то среднее положение молекулы по-прежнему соответствовало бы расстоянию r 0 . Это означало бы общую неизменность средних расстояний между молекулами при нагревании и, следовательно, отсутствие теплового расширения. На самом деле кривая несимметрична. Поэтому при средней энергии, равной , среднее положение колеблющейся молекулы соответствует расстоянию r 1 > r 0 .

Изменение среднего расстояния между двумя соседними молекулами означает изменение расстояния между всеми молекулами тела. Поэтому размеры тела увеличиваются.

Дальнейшее нагревание тела приводит к увеличению средней энергии молекулы до некоторого значения , и т. д. При этом увеличивается и среднее расстояние между молекулами, так как теперь колебания совершаются с большей амплитудой вокруг нового положения равновесия: r 2 > r 1 , r 3 > r 2 и т. д.

При нагревании тела среднее расстояние между колеблющимися молекулами увеличивается, поэтому увеличиваются и размеры тела.

Провода летом провисают намного силь­нее, 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.

1. Убеждаемся в тепловом расширении 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.

Рис. 2.30. При нагревании воз­дух в колбе расширяется и часть его выходит из колбы - это видно по пузырькам воздуха, выходящим из трубки

Рис. 2.31 Опыт, демонстрирующий, что при нагревании жидкость (как твердые тела и газы) расширяется: а - закрытая пробкой колба с жидкостью в трубке; б - в первый момент нагрева­ния уровень жидкости немного снижается; в - при дальнейшем нагревании уровень жидкости значительно повышается

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).

2. Выясняем причину 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).

Рис. 2.32. Опыт, иллюстрирую­щий тепловое расширение твер­дых тел: а - в нагретом состоя­нии шарик не проходит сквозь кольцо; б - после охлаждения шарик проходит сквозь кольцо

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 0C до 4 0C объем воды во время нагревания уменьшается.

3. Характеризуем 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 I °С и его начальной длины, называется температурным коэффициен­том линейного расширения.

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

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

Ниже в таблице приведены температурные коэффициенты линейного расширения некоторых веществ.

4. Знакомимся с тепловым расширением 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 в 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 (а), 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 размыкает­ся (или замыкается)

5. Учимся решать задачи

Длина стального железнодорожного рельса при температуре О о C равна 8 г. 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.

• Подводим 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 о C и его начальной длины

• Контрольные вопросы

1. Приведите примеры, подтверждающие, что твердые тела, жидкос­ти и газы расширяются во время нагревания.

2. Опишите опыт, де­монстрирующий тепловое расширение жидкостей.

3. В чем причина увеличения объема тел во время нагревания?

4. От чего, кроме тем­пературы, зависит изменение размеров тел во время их нагревания (охлаждения)?

5. В каких единицах измеряется коэффициент ли­нейного расширения?

• Упражнения

1. Выберите все правильные ответы. Когда тело охлаждается, то:

а) скорость движения его молекул уменьшается;
б) скорость движения его молекул увеличивается;
в) расстояние между его молекулами уменьшается;
г) расстояние между его молекулами увеличивается.

2. Как изменится объем воздушного шарика, если мы перенесем его из холодного помещения в теплое? Почему?
3. Что происходит с расстояниями между частичками жидкости в тер­мометре в случае похолодания?
4. Правильным ли является утверждение, что во время нагревания тело увеличивает свои размеры, так как размеры его молекул уве­личиваются? Если нет, предложите свой, исправленный, вариант.
5 . Зачем на точных измерительных приборах указывают темпера­туру?
6. Вспомните опыт с медным шариком, который вследствие нагрева­ния застревал в кольце (см. рис. 2.32). Как изменились вследствие нагревания: объем шара; его масса; плотность; средняя скорость движения атомов?
7. После того как пар кипящей воды пропустили через латунную трубку, длина трубки увеличилась на 1,62 мм. Чему равен коэффи­циент линейного расширения латуни, если при температуре 15 0C
длина трубки равна 1 м? Напоминаем, что температура кипящей воды равна 100 °С.
8. Платиновый провод длиной 1,5 м находился при температуре 0 °С. Вследствие пропускания электрического тока провод раскалился и удлинился на 15 мм. До какой температуры он был нагрет?
9. Медный лист прямоугольной формы, размеры которого при темпе­ратуры 20 0C составляют 60 см х 50 см, нагрели до 600 °С. Как из­менилась площадь листа?

• Экспериментальные задания

1. Как, имея дощечку, молоток, два гвоздика, спиртовку и пинцет, показать, что размер монеты в 5 копеек во время нагревания уве­личивается? Выполните соответствующий опыт. Объясните наблю­даемое явление.

2. Наполните бутылку водой так, чтобы внутри остался пузырек воз­духа. Нагрейте бутылку в горячей воде. Проследите, как изменят­ся размеры пузырька. Объясните результат..

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. - X.: Издательство «Ранок», 2007. - 192 с.: ил.

Из предыдущих параграфов нам известно, что все вещества состоят из частиц (атомов, молекул). Эти частицы непрерывно хаотически движутся. При нагревании вещества движение его частиц становится более быстрым. При этом увеличиваются расстояния между частицами, что приводит к увеличению размеров тела.

Изменение размеров тела при его нагревании называется тепловым расширением .

Тепловое расширение твердых тел легко подтвердить опытом. Стальной шарик (рис. 87, а, б, в), свободно проходящий через кольцо, после нагревания на спиртовке расширяется и застревает в кольце. После охлаждения шарик вновь свободно проходит через кольцо. Из опыта следует, что размеры твердого тела при нагревании увеличиваются, а при охлаждении - уменьшаются.

Рис. 87

Тепловое расширение различных твердых тел неодинаково .

При тепловом расширении твердых тел появляются огромные силы, которые могут разрушать мосты, изгибать железнодорожные рельсы, разрывать провода. Чтобы этого не случилось, при конструировании того или иного сооружения учитывается фактор теплового расширения. Провода линий электропередачи провисают (рис. 88), чтобы зимой, сокращаясь, они не разорвались.

Рис. 88

Рис. 89

Рельсы на стыках имеют зазор (рис. 89). Несущие детали мостов ставят на катки, способные передвигаться при изменениях длины моста зимой и летом (рис. 90).

Рис. 90

А расширяются ли при нагревании жидкости? Тепловое расширение жидкостей тоже можно подтвердить на опыте. В одинаковые колбы нальем: в одну - воду, а в другую - такой же объем спирта. Колбы закроем пробками с трубками. Начальные уровни воды и спирта в трубках отметим резиновыми кольцами (рис. 91, а). Поставим колбы в емкость с горячей водой. Уровень воды в трубках станет выше (рис. 91, б). Вода и спирт при нагревании расширяются. Но уровень в трубке колбы со спиртом выше. Значит, спирт расширяется больше. Следовательно, тепловое расширение разных жидкостей , как и твердых веществ, неодинаково .

Рис. 91

А испытывают ли тепловое расширение газы? Ответим на вопpoс с помощью опыта. Закроем колбу с воздухом пробкой с изогнутой трубкой. В трубке (рис. 92, а) находится капля жидкости. Достаточно приблизить руки к колбе, как капля начинает перемещаться вправо (рис. 92, б). Это подтверждает тепловое расширение воздуха при его даже незначительном нагревании. Причем, что очень важно, все газы, в отличие от твердых веществ и жидкостей, при нагревании расширяются одинаково .

Рис. 92

Подумайте и ответьте 1. Что называют тепловым расширением тел? 2. Приведите примеры теплового расширения (сжатия) твердых тел, жидкостей, газов. 3. Чем отличается тепловое расширение газов от теплового расширения твердых тел и жидкостей?

Сделайте дома сами

Используя пластиковую бутылку и тонкую трубку для сока, проведите дома опыт по тепловому расширению воздуха и воды. Результаты опыта опишите в тетради.

Интересно знать!

Нельзя после горячего чая сразу пить холодную воду. Резкое изменение температуры часто приводит к порче зубов. Это объясняется тем, что основное вещество зуба - дентин - и покрывающая зуб эмаль при одном и том же изменении температуры расширяются неодинаково.

Рис. 9.2
щем минимальному значению потенциальной энергии Ер0. По мере нагревания молекулы начинают совершать колебания около положе-
г ния равновесия. Размах колебаний определяется средним значением энергии Е. Если бы потенциальная кривая была симметричной, то среднее положение молекулы по- прежнему соответствовало бы рас-стоянию г0. Это означало бы общую
При абсолютном нуле в состоянии равновесия молекулы находились бы друг от друга на расстоянии г0, соответствую неизменность средних расстояний между молекулами при нагревании и, следовательно, отсутствие теплового расширения. На самом деле кривая несимметрична. Поэтому при средней энергии, равной Ег, среднее положение колеблющейся молекулы соответствует расстоянию гх > г0.
Изменение среднего расстояния между двумя соседними молекулами означает изменение расстояния между всеми молекулами тела. Поэтому размеры тела увеличиваются.
Дальнейшее нагревание тела приводит к увеличению средней энергии молекулы до некоторого значения Е2, Ез и т. д. При этом увеличивается и среднее расстояние между молекула-ми, так как теперь колебания совершаются с большей амплитудой вокруг нового положения равновесия: r2 > г3 > г2 и т. д.
При нагревании тела среднее расстояние между колеблющимися молекулами увеличивается, поэтому увеличиваются и размеры тела.

Еще по теме §9.1. ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ТЕЛ:

1. §9.4. УЧЕТ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ТЕЛ В ТЕХНИКЕ
2. о том, благодаря чему каждое вновь образованное тело принадлежит к определенному роду вещей и отличается от других [тел]
3. Структура дорожки Крамара из вихрей эфира, торсионные поля (СВИ, спайки и др.) зависят от радиуса крутящихся тел, от скорости вращения, движения и от других вполне конкретных физических параметров тел и среды, которые их порождают.

Общеизвестно, что твердые тела при нагревании увеличивают свой объем. Это - тепловое расширение. Рассмотрим причины, приводящие к увеличению объема тела при нагревании.

Очевидно, что объем кристалла растет с увеличением среднего расстояния между атомами. Значит, повышение температуры влечет за собой увеличение среднего расстояния между атомами кристалла. Чем же обусловлено увеличение расстояния между атомами при нагревании?

Повышение температуры кристалла означает увеличение энергии теплового движения, т. е. тепловых колебаний атомов в решетке (см. стр. 459), а следовательно, и рост амплитуды этих колебаний.

Но увеличение амплитуды колебаний атомов не всегда приводит к увеличению среднего расстояния между ними.

Если бы колебания атомов были строго Уармоническими, то каждый атом настолько же приближался бы к одному из своих соседей, насколько удалялся от другого, и увеличение амплитуды его колебаний не привело бы к изменению среднего межатомного расстояния, а значит, и к тепловому расширению.

В действительности атомы в кристаллической решетке совершают ангармонические (т. е. не гармонические) колебания. Это Обусловлено характером зависимости сил взаимодействия между/атомами от расстояния между ними. Как было указано в начале настоящей главы (см. рис. 152 и 153), зависимость эта такова, что при больших расстояниях между атомами силы взаимодействия между атомами проявляются как силы притяжения, а при уменьшении этого расстояния меняют свой знак и становятся силами отталкивания, быстро возрастающими с уменьшением расстояния.

Это приводит к тому, что при возрастании «амплитуды» колебаний атомов вследствие нагревания кристалла рост сил отталкивания между атомами преобладает над ростом сил притяжения. Другими словами, атому «легче» удалиться от соседа, чем приблизиться к другому. Это, конечно, должно привести к увеличению среднего расстояния между атомами, т. е. к увеличению объема тела при его нагревании.

Отсюда следует, что причиной теплового расширения твердых тел является ангармоничность колебаний атомов в кристаллической решетке.

Количественно тепловое расширение характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения, которые определяются следующим образом. Пусть тело длиной I при изменении температуры на градусов изменяет свою длину на Коэффициент линейного расширения определяется из соотношения

т. е. коэффициент линейного расширения равен относительному изменению длины при изменении температуры на один градус. Точно так же коэффициент объемного расширения определяется формулой

т. е. коэффициент равен относительному изменению объема отнесенному к одному градусу.

Из этих формул следует, что длина и объем при некоторой температуре, отличающейся от начальной на градусов, выражаются формулами (при малом

где начальные длина и объем тела.

Вследствие анизотропии кристаллов коэффициент линейного расширения а может быть различным в разных направлениях. Это означает, что если из данного кристалла выточить шар, то после его нагревания он потеряет свою сферическую форму. Можно показать, что в самом общем случае такой шар при нагревании превращается в трехосный эллипсоид, оси которого связаны с кристаллографическими осями кристалла.

Коэффициенты теплового расширения по трем осям этого эллипсоида называются главными коэффициентами расширения кристалла.

Если их обозначить соответственно через то коэффициент объемного расширения кристалла

Для кристаллов с кубической симметрией, так же как и для изотропных тел,

Шар, выточенный из таких тел, остается шаром и после нагревания (разумеется, большего диаметра).

В некоторых кристаллах (например, гексагональных)

Коэффициенты линейного и объемного расширения практически остаются постоянными, если интервалы температур, в которых они измеряются, малы, а сами температуры высокие. Вообще же коэффициенты теплового расширения зависят от температуры и притом так же, как теплоемкость, т. е. при низких температурах коэффициенты уменьшаются с понижением температуры пропорционально кубу температуры, стремясь, как и теплоемкость,

к нулю при абсолютном нуле. Это неудивительно, так как и теплоемкость, и тепловое расширение связаны с колебаниями решетки: теплоемкость дает количество теплоты, необходимое для увеличения средней энергии тепловых колебаний атомов, зависящей от амплитуды колебаний, коэффициент же теплового расширения непосредственно связан со средними расстояниями между атомами, которые тоже зависят от амплитуды атомных колебаний.

Отсюда следует важный закон, открытый Грюнейзеном: отношение коэффициента теплового расширения к атомной теплоемкости твердого тела для данного вещества есть величина постоянная (т. е. не зависящая от температуры).

Коэффициенты теплового расширения твердых тел обычно очень малы, как это видно из табл. 22. Приведенные в этой таблице значения коэффициента а относятся к интервалу температур между и

Таблица 22 (см. скан) Коэффициенты теплового расширения твердых тел

Некоторые вещества имеют особенно малый коэффициент теплового расширения. Таким свойством отличается, например, кварц Другим примером может служить сплав никеля и железа (36% Ni), известный под названием инвар Эти вещества получили широкое применение в точном приборостроении.