Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 6 Залежність розмірів тіл від температури

Ви дізнаєтесь

Що і як відбувається з речовиною внаслідок її нагрівання

Пригадайте

- Особливості теплового руху молекул речовин у різних агрегатних станах

Теплове розширення твердих тіл, рідин і газів.

Ви знаєте, що внаслідок нагрівання тверді тіла можуть плавитися, а рідини — кипіти. Нагрівання приводить до зміни агрегатного стану. Чому і як це відбувається? Що змінюється у структурі речовини? Щоб відповісти на ці запитання, спочатку розглянемо ті зміни, що відбуваються в речовині перед початком переходу в інший агрегатний стан.

Унаслідок певних особливостей у внутрішній будові твердих тіл, рідин і газів процес їхнього нагрівання має як деякі відмінності, так і спільні ознаки. Спільною ознакою є те, що під час нагрівання збільшується швидкість теплового руху молекул і їхня середня кінетична енергія. Це приводить до збільшення середньої відстані між молекулами. Отже, речовини, нагріваючись, розширюються. Ступінь розширення речовини буде залежати від її внутрішньої будови.

Найбільшого розширення під час нагрівання зазнають гази. Продемонструємо розширення повітря на такому досліді (мал. 19). Підігріте повітря розширюється й виходить через відвідну трубку. Про це свідчить поява бульбашок у посудині з водою.

Під час охолодження газ стискається.

Вам, можливо, доводилося спостерігати за зміною об’єму гумової кульки, наповненої повітрям, якщо її перенести взимку з теплої кімнати на вулицю. Подібний дослід можна провести самостійно: добре надуту повітряну кульку покладіть на деякий час у холодильник. Ви побачите, що розміри кульки зменшилися, хоча маса повітря, що в ній міститься, — не змінилася.

Властивість газів багаторазово збільшувати свій об’єм унаслідок нагрівання широко використовується, зокрема — політ на повітряній кулі, робота двигунів внутрішнього згорання. Утворення вітру також є наслідком розширення повітря. Оскільки атмосферне повітря прогрівається не рівномірно, то є області, де розширення відбувається інтенсивніше, що й зумовлює горизонтальне переміщення повітряних мас — вітер (мал. 20).

Теплове розширення характерне і для рідин. Наприклад, на залежності об’єму спирту від температури ґрунтується дія спиртових термометрів.

Рідини завдяки нагріванню розширюються значно менше, аніж гази, але значно більше, ніж тверді тіла.

Можливо, ви спостерігали руйнування скляної банки, коли в неї наливають окріп. Це пояснюється тим, що її стінки досить товсті й прогріваються не одразу по всій товщині. Спочатку прогрівається внутрішня частина стінки і при цьому розширюється, а зовнішня частина, що ще не встигла прогрітися, «протидіє» цьому — скло тріскається.

Але на уроках хімії вам, мабуть, уже доводилося спостерігати, як у скляних колбах кип’ятять воду на пальнику. Як ви думаєте, чому не тріскається хімічна колба? Товсті чи тонкі в неї стінки?

Відмінність теплового розширення твердих тіл і рідин необхідно враховувати при конструюванні термометрів, адже під час нагрівання розширюється не тільки рідина (ртуть або спирт), а й скляна трубочка, у якій вона міститься.

Якщо ви ще самостійно не дали відповіді на попереднє запитання — то, можливо, під час ретельного огляду будови термометра вам це вдасться. Мабуть ви помітили, що рідина в термометрах міститься в дуже тоненьких трубочках.

Мал. 19. Дослід із розширення повітря за його нагрівання

Мал. 20. Вітер — переміщення повітряних мас унаслідок нерівномірного прогрівання

Найпоширенішою рідиною є вода, яка має багато особливостей, що виділяють її з-поміж інших рідин. Процес нагрівання води супроводжується характерною особливістю: при нагріванні від 0 до 4 °C її об’єм зменшується! Відповідно збільшується її густина. Максимальну густину вода має за температури 4 °С. З подальшим підвищенням температури об’єм води починає збільшуватись, а густина — зменшуватись.

Отже, за t = 0 °С густина води р = 0,9998 ;

за t = 4 °С густина води максимальна р = 1,0000 ;

за t = 20 °С густина води р = 0,9982 .

Ця властивість обумовлена будовою молекули води (взаємним розташуванням двох атомів Гідрогену й атому Оксигену).

Така, на перший погляд, незначна різниця в густині води має велике значення для життєдіяльності мешканців водойм. З наближенням зими і зниженням температури повітря вода біля поверхні водойм починає охолоджуватися. Її густина при цьому зростає, і верхні шари води опускаються вниз. Зимова циркуляція води у водоймах важлива ще й тим, що охолоджені верхні шари, опускаючись до дна, несуть із собою розчинений у воді кисень і глибинна частина водойми стає придатною для життя. Багато риб, які влітку плавали у верхніх шарах, узимку переміщуються до дна.

Нерівномірне прогрівання (а відповідно й розширення) води в морях і океанах приводить до утворення течій, які суттєво впливають на клімат відповідної місцевості.

Теплове розширення твердих тіл можна спостерігати на такому досліді (мал. 21). Візьмемо металеву кульку й кільце. Кільце має бути таких розмірів, щоб кулька ледве проходила крізь нього. Нагріємо кульку. Після цього вона вже не проходить крізь кільце. (Якщо кульку залишити на кільці на певний час, то згодом, охолонувши, вона знову проходитиме крізь нього).

У природі розширення твердих тіл можна побачити на прикладі прогрівання гірських порід. Оскільки ступінь розширення залежить як від температури, так і від виду гірської породи, то розширення й стиснення відбуваються нерівномірно. Це призводить до руйнування гір і утворення тріщин.

Теплове розширення твердих тіл необхідно враховувати інженерам, конструкторам та архітекторам, які проектують будівлі, споруди й різноманітні деталі машин і механізмів. Температура повітря в наших широтах протягом року може змінюватися від -30 до +30 °C. Такі зміни температури спричинюють значні видовження й стискання різних конструкцій. Щоб уникнути руйнування, споруди, мости, трубопроводи будують з окремих секцій, з’єднуючи їх так, щоб вони могли щільно притискатись у спеку й достатньо розходитись у холодну пору року.

Мал. 21. Дослід із розширення твердого тіла

Коефіцієнти об’ємного та лінійного розширення. Ступінь теплового розширення тіла залежить від речовини, з якої його виготовлено. Таким чином тіла, виготовлені з різних речовин, при нагріванні на 1 °С розширюються не однаково. Існують фізичні величини, які характеризують об’ємне та лінійне розширення тіл.

Так, якщо за початкової температури t0 об’єм тіла V0, то внаслідок нагрівання до температури t об’єм тіла збільшується до V. Тобто зі зміною температури на ∆t = t - t0 об’єм тіла змінюється на ∆V = V - V0. У результаті дослідів було доведено, що відношення зміни об’єму тіла ∆V до його початкового об’єму V0 прямо пропорційне зміні температури ∆t.

Отже,

Щоб пропорційний вираз став рівністю, потрібно ввести коефіцієнт пропорційності b, який називається коефіцієнтом об’ємного розширення. Таким чином,

Коефіцієнт об’ємного розширення Р показує зміну об’єму тіла внаслідок зміни його температури на 1 °С, за умови, що початковий об’єм тіла становив 1 м3.

Аналогічні міркування застосовуються щодо лінійного розширення тіл, яке притаманне лише твердим тілам і означає зміну довжини тіла:

де a — коефіцієнт лінійного розширення.

Коефіцієнт лінійного розширення a показує зміну довжини тіла внаслідок зміни його температури на 1 °С, за умови, що початкова довжина тіла становила 1 м.

Коефіцієнти об’ємного та лінійного розширення вимірюються в однакових одиницях ().

Наприклад, коефіцієнт лінійного розширення сталі становить 0,000012 .

Це означає, що нагрівання стального стержня завдовжки 1 м на 1 °С спричинить його видовження на 0,000012 м. Тобто внаслідок такого нагрівання довжина стержня стане 1,000012 м. На перший погляд здається, що таке незначне видовження особливо ні на що не впливає. Однак якщо інженери та будівельники не врахують теплового розширення, то будівлі, мости, лінії електропередач, колії залізниці зазнають руйнування.

Для аморфних тіл та кристалів кубічної форми справджується рівність Р = 3а.

Підбиваємо підсумки

- Під час нагрівання збільшується швидкість теплового руху молекул і їхня середня кінетична енергія. Це приводить до збільшення середньої відстані між молекулами. Отже, речовини, нагріваючись, розширюються.

- Теплове розширення тіла залежить як від зміни температури, так і від того, з якої речовини його виготовлено.

Я знаю, вмію й розумію

1. Які приклади, що підтверджують теплове розширення твердих тіл, рідин і газів, ви можете навести?

2. Який дослід може продемонструвати теплове розширення рідин?

3. Що спричинює збільшення об’єму тіл під час нагрівання?

4. Від чого, окрім температури, залежить зміна розмірів тіл під час їхнього нагрівання або охолодження?

5. У яких одиницях вимірюються коефіцієнти лінійного та об’ємного розширення?

ПОЯСНІТЬ

1. Чому стоматологи не радять їсти дуже гарячу їжу?

2. Як у досліді, що зображений на малюнку 21, с. 30, унаслідок нагрівання змінилися: об’єм кулі; маса кулі; густина кулі; середня швидкість руху атомів металу?

3. Яка з наведених фізичних величин, що характеризують тіло, не залежить від температури (маса молекул; тиск газу в посудині; об’єм тіла; густина тіла; швидкість руху молекул)?

Експериментальні й дослідницькі завдання

1. Як би поводився стовпчик рідини в термометрі, якби коефіцієнт теплового розширення скляної трубки був більший, ніж коефіцієнт теплового розширення рідини?

2. Із вказаного переліку виберіть прилади, які вам знадобляться для визначення коефіцієнта лінійного розширення металевого стержня (терези; лінійка; ареометр; мікрометр; термометр; барометр). Опишіть ваш спосіб вимірювання.

1. Візьміть порожню пластикову пляшку з-під води й покладіть її в холодильник (або в морозильник). Вийміть пляшку через 20-30 хв й одразу натягніть на її шийку повітряну кульку (мал. 22, а). Поставте пляшку в миску з теплою водою. Спостерігайте, що буде відбуватися. Поясніть.

2. Візьміть велику банку. Налийте в неї невелику кількість гарячої води, а через деякий час злийте воду. Робіть усе акуратно, щоб не зазнати опіків!

Наберіть у повітряну кульку води кімнатної температури й покладіть на горловину банки (мал. 22, б). Спостерігайте, що відбудеться згодом. (Можна намалювати на кульці очі, ніс, рот — буде кумедніше).

Мал. 22. Ілюстрація дослідів

Вправа 4

1. За температури 0 °С довжина алюмінієвого дроту становила200м. Визначте довжину дроту за температури: а) 40 °С; б) -30 °С.

2. Алюмінієва пластинка, площа якої за 0 °С дорівнює 2000 см2, нагріта до 100 °С. Обчисліть площу пластинки після нагрівання.

3. Довжина газопроводу Новопсков — Ужгород становить близько 1500 км. На скільки довшим став би газопровід за сезонних змін температури повітря від -30 до 30 °С, за умови, що стальні труби газопроводу прокладені не в ґрунті, а в повітрі?

4. Залізнична цистерна вміщує 90 м3 бензину. Якою буде різниця в об’ємі бензину, якщо його залили в Одесі за температури 10 °С, а розвантажили у Рівному за температури 0 °С?

5. На скільки °С потрібно нагріти воду в чайнику, щоб її об’єм збільшився з 1 л до 1,02 л?

6. Годинник з металевим маятником поспішає на 8 с за добу за температури 3 °С і відстає на 7 с протягом доби за температури 23 °С. Визначте середній коефіцієнт лінійного теплового розширення матеріалу маятника та температуру, за якої годинник буде йти правильно.

7. Обчисліть у відсотках, яка кількість бензину виллється з повного бензобака автомобіля, якщо він нагріється від 25 до 50 °С.





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