Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

Частина I Теплові явища

РОЗДІЛ 1. ТЕПЛОВИЙ РУХ АТОМІВ І МОЛЕКУЛ. ТЕМПЕРАТУРА

§ 5. ЗАЛЕЖНІСТЬ РОЗМІРІВ ФІЗИЧНИХ ТІЛ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ

1. Теплове розширення — важлива теплова властивість речовини.

Досліди і спостереження дозволяють нам впевнитися в тому, що при підвищенні температури розміри тіл незначно збільшуються, а при охолодженні - зменшуються до попередньої величини. Це прояв однієї з важливих властивостей речовин, яка зумовлена характером теплового руху атомів і молекул - теплове розширення. У твердих тіл, рідин і газів має місце об’ємне розширення - зміна об’єму при нагріванні. У твердих тіл спостерігається також лінійне розширення - зміна довжини, ширини і висоти тіла. Чим зумовлюється теплове розширення тіл? Очевидно, що при нагріванні будь-якого фізичного тіла, швидкість теплового руху його атомів і молекул збільшується. Внаслідок цього молекули після взаємодій розходяться на більші відстані, а, отже, збільшується об’єм речовини. У твердих тілах при нагріванні збільшується амплітуда коливань частинок біля положень рівноваги, що теж призводить до збільшення об’єму.

Найбільшого теплового розширення зазнають гази, найменшого - тверді тіла. Так, при нагріванні на 1°С гази збільшують свій об’єм на

об’єму, який вони мають при 0°С. Залізо при нагріванні на 1°С лінійно розширюється на 0,012 мм на кожний метр довжини (рис. 31).

У твердих тіл, рідин і газів має місце об’ємне розширення — зміна об’єму при нагріванні. У твердих тіл спостерігається також лінійне розширення - зміна довжини, ширини і висоти тіла.

Особливості теплового розширення у газах, рідинах та твердих тілах зумовлені відмінностями у характері теплового руху та взаємодії атомів і молекул, з яких утворені ці речовини.

Рис. 31. Залізний цвях довжиною 10 см при нагріванні на 1 °С збільшує свою довжину на 0,0012 мм.

2. Теплове об’ємне розширення тіл. Виведемо формулу для визначення залежності об’єму тіла від температури. Припустимо, що V0 - початковий об’єм тіла (об’єм при температурі to); V - об’єм тіла при температурі t.

Тоді при нагріванні тіла на ∆t °С його об’єм збільшиться, на - це є абсолютна зміна об’єму тіла.

Тепер запишемо відносну зміну об’єму тіла - це відношення абсолютної зміни об’єму тіла ∆V до його початкового значення V»:

Якщо тіло нагрівається на А і градусів (∆t = t - t0), то відповідна зміна об’єму тіла дорівнюватиме:

Ця величина позначається літерою р і називається коефіцієнтом об'ємного розширення.

З останньої формули після нескладних математичних перетворень випливає

V= V0(1 + p∆t)

Таким чином, ми встановили, що залежність об’єму тіла від температури при нагріванні пропорційна до зміни температури.

Одиницею вимірювання коефіцієнту об’ємного розширення є градус у мінус першому степені (град1 або К1).

Внаслідок теплового розширення речовини набувають нових властивостей.

Коефіцієнт об'ємного розширення показує, в скільки разів від свого початкового значення змінюється об'єм тіла при його нагріванні на 1°С.

Коефіцієнт об'ємного розширення р залежить від природи речовини.

3. Теплове лінійне розширення твердих тіл

Для практичних розрахунків при конструюванні виробів з твердих тіл частіше враховують зміну лінійного розширення. Аналогічно до визначення об’ємного розширення, одержимо:

де l - довжина тіла при даній температурі; l0 - довжина тіла при початковій температурі.

а - коефіцієнт лінійного розширення (видовження) тіла. Він залежить від природи речовини.

4. Урахування теплового розширення твердих тіл в практичній діяльності.

Експериментально встановлено, що при рівномірному нагріванні тверді тіла розширюються у всіх напрямах однаково і зберігають свою форму.

Виконаємо такий дослід. Залізну кульку підвісимо на нитці до штативу так, щоб вона вільно проходила крізь кільце, діаметр якого майже дорівнює діаметру кульки (рис. 32, а). Тепер нагріємо цю кульку на спиртівці (рис. 32, б) і спробуємо пропустити її крізь кільце (рис. 32, в). Побачимо, що кулька крізь нього не проходить, що свідчить про збільшення її діаметру. Після охолодження кулька знову вільно пройде крізь кільце - це означає, що при охолодженні діаметр кульки зменшився і зрівнявся з початковим значенням.

Значення коефіцієнтів розширення різних тіл визначаються експериментально и наводяться в таблицях. Отже, теплове розширення тіла пропорційне до зміни температури тіла. Але слід зауважити, що така залежність має місце лише у межах невеликого інтервалу температур.

Як й у випадку об'ємного розширення, лінійне розширення пропорційне до температури тіла лише у межах невеликого інтервалу температур. Лінійне теплове розширення є незначним для більшості твердих тіл. Зокрема, значення а лежить у межах 10-5 - 10-6 град-1 (тобто лінійні розміри тіла зростають на 1/100000-1/1000000 частину своєї довжини при нагріванні на 1°С).

Рис. 32. Температурна залежність розміру фізичного тіла

Теплове розширення призводить до деформації тіла, в якому при цьому виникають сили пружності.

Теплове розширення твердих тіл значно менше, ніж теплове розширення рідин, та у сотні і тисячі разів менше від розширення газів. Але сили пружності, які виникають у твердих тілах внаслідок теплового розширення, бувають значними. Тому теплове розширення враховують при конструюванні багатьох споруд. Не можна, наприклад, туго натягувати електричні проводи між стовпами ліній електропередач, тому що при зниженні температури повітря їх розміри можуть зменшитися. Навпаки, у спеку, проводи розширюються, що призводить до їх провисання (рис. 33). Металеві трубопроводи обладнують спеціальними згинами у вигляді петель, які компенсують лінійне видовження металевих труб влітку та відповідне скорочення в холодну пору року. Металеві мости закріплюють лише з одного боку, а інший розміщують на спеціальних катках. Подивіться на залізничні рейки - їх не кладуть щільно одна до одної, а залишають між ними проміжки, тому що у сильну спеку вони можуть видовжитися й лопнути.

У техніці й будівництві різнорідні матеріали, що періодично нагріваються та охолоджуються, слід добирати так, щоб їх лінійні розміри при коливаннях температури змінювались однаково. Так, залізо і бетон розширюються однаково, що дає можливість будувати залізобетонні споруди.

5. Особливості теплового розширення рідин. Аномалія води.

Рідини розширюються під час нагрівання значно сильніше, ніж тверді тіла, оскільки зв’язок між молекулами у них слабкіший. Рідини розширюються так само у всіх напрямах. Оскільки вони не зберігають своєї форми, то поняття теплового лінійного розширення до них незастосовне.

Рис. 33. Провисання проводів ліній електропередач

Важливо пам’ятати, що внаслідок великої рухливості молекул рідина набуває форму посудини, в якій вона міститься. Тому при обчисленнях теплового розширення рідини слід враховувати і теплове розширення посудини.

6. Особливості теплового розширення газів.

Гази розширюються під час нагрівання значно більше, ніж рідини і тверді тіла. І це зрозуміло. Молекули газу дуже слабко зв’язані між собою і в разі підвищення температури швидкість їх теплового руху значно зростає. Але при дослідженні залежності об’єму газу від температури слід мати на увазі, що дана маса газу займає весь об’єм посудини, який їй надано, та створює той чи інший тиск. Тому фізичний стан газу одночасно визначається трьома його параметрами: об’ємом V, тиском р та температурою, при цьому ці параметри взаємозв’язані.

Численні досліди французького фізика і хіміка Гей-Люссака (1778—1850 рр.) та інших показали, що коефіцієнт об'ємного теплового розширення в усіх газів майже однаковий і дорівнює град-1. Інакше кажучи, під час нагрівання при сталому тиску на 1°С об'єм даної маси газу збільшується на того об'єму, який ця маса газі) займала при ОРС (цей висновок дістав назву закону Гей-Люссака, а повніше про нього ви дізнаєтесь при вивченні курсу фізики у старшій школі).

ПОГЛИБТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Найпоширеніша на Землі рідина - вода, має особливу властивість у своєму тепловому розширенні. Ця особливість дістала назву аномалії (відхилення від норми) теплового розширення води. На відміну від інших рідин при нагріванні води від 0 до 4°С її об’єм не збільшується, а зменшується, і, лише починаючи з 4°С, починає зростати. Отже, при температурі 4 °С вода має мінімальний об’єм, тому її густина при цьому найбільш. Ця властивість води має важливе значення для клімату на Землі та життя у воді, у великих і малих водоймах. У великих водоймах (морях, океанах) це сприяє перемішуванню і прогріванню води. У невеликих водоймах це забезпечує рослинне і тваринне життя. На дні великих озер вода цілий рік зберігає температуру, не нижчу за +4°С. Якби густина води весь час зменшувалась, то вся вода в озері (ставку) охолоджувалася б до температури 0°С і у випадку довгої суворої зими водойми промерзали б до дна.

За літо вони б не встигали відмерзати. Цим було б унеможливлене життя риб та інших організмів у воді. Уважно роздивіться рисунок 34, який відображає наслідки аномалії теплового розширення води.

Рис. 34. Розподіл температур у водоймі в зимовий та літній періоди

Зв’язок фізики з іншими науками

Вода - це унікальна і загадкова речовина, яка відіграла визначальну роль у виникненні та розвитку життя на Землі. Властивості води багатогранні і на сьогодні не є повністю дослідженими. Вода завжди була об’єктом пильної уваги фізиків, але не менш ретельно її досліджують хіміки та біологи. Така плідна співпраця дозволяє ученим виявляти невідомі раніше властивості цієї дивної речовини. Проблемами води та її властивостей в Україні займається Інститут колоїдної хімії та хімії води імені А.В. Уманського Національної академії наук України (м. Київ). Учені систематизують відомості про фізичні, хімічні та біологічні властивості води та її численні унікальні аномалії. І, що особливо важливо, в інституті розроблено новий метод оцінки якості питної води та її безпеки, який не має аналогів у світі - біотестування води.

Подумайте і дайте відповідь

1. Чому склянки з товстого скла тріскаються частіше, ніж з тонкого?

2. До якої температури охолодиться вода на дні озера до того, як вона почне замерзати з поверхні? Відповідь поясніть.

3. За якою формулою обчислюється об’єм тіла при тепловому розширенні? Що називають коефіцієнтом об’ємного розширення?

4. Як пояснити той факт, що гази підчас нагрівання розширюються більше, ніж тверді тіла і рідини?

5. Назвіть приклади теплового розширення тіл та його практичного застосування.

6. У чому полягають особливості теплового розширення води?

7. Чим відрізняється коефіцієнт об’ємного розширення від коефіцієнта лінійного розширення?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 5.

1. Чому склянки з товстого скла тріскаються частіше, ніж з тонкого?

2. До якої температури охолодиться вода на дні озера до того, як вона почне замерзати з поверхні? Відповідь поясніть.

3. Якщо температура повітря над льодом, що вкрив озеро, -10°С, то яку температуру слід очікувати зверху на льоду? знизу у воді, що стикається з льодом? у воді на дні озера?

4. На скільки збільшується об’єм даної маси газу при нагріванні на 1°С?

5. Залізний бензобак автомобіля ємкістю 70 л повністю заповнений бензином при температурі 20°С. Автомобіль поставили на сонце у спекотну погоду, внаслідок чого бензин у баці розігрівся до 50°С. Чи може скластися така надзвичайна ситуація, коли бензин виллється з бака? Якщо це можливо, то яка маса бензину виллється?

6. З металевого диска вирізали сектор (рис. 35). Чи змінюватиметься кут ф при нагріванні диска? Відповідь обґрунтуйте.

Рис 35. Металевий диск з вирізаним сектором





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити