Почему происходит тепловое расширение.
Представьте себе стеклянную посуду: что случится, если налить в нее горячую воду? С большой вероятностью она лопнет. Почему так происходит? Все дело в теплопередаче стекла и тепловом расширении тел.
Разберемся подробнее: атомы и молекулы внутри веществ непрерывно перемещаются — это явление называют тепловым движением. Частицы в твердых телах не движутся свободно, а совершают колебания едва заметно, около своего местоположения, тогда как в жидкости перемещаются хаотически. При нагревании происходит передача тепла: в твердых телах атомы и молекулы начинают колебаться сильнее, в жидких — двигаться интенсивнее. Чем выше температура, тем стремительнее перемещение частиц.
Вернемся к примеру с посудой: горячая вода передает тепло внутренней части емкости — она нагревается, и молекулы в стекле начинают колебаться сильнее. Когда две частицы сближаются, силы отталкивания между ними возрастают быстрее, чем силы притяжения. В результате расстояние между молекулами увеличивается, и внутренняя часть посуды расширяется.
Если стекло достаточно толстое, тепло не успевает передаться внешней части емкости — там расстояния между молекулами остаются прежними, она не расширяется. Тогда внутренняя часть посуды, увеличившись из-за нагрева, начинает растягивать внешнюю поверхность — и посуда лопается. Этого можно избежать: достаточно взять стеклянную посуду с тонкими стенками или положить в емкость металлическую ложку — тогда тепло от горячей воды перераспределится, и стекло не лопнет.
Явление, при котором размеры и/или объем тела увеличиваются при нагревании, называют тепловым расширением, ему подвержены и жидкости, и твердые предметы.
Твердые тела при тепловом расширении изменяют свои размеры и, следовательно, объем.
Жидкости при нагревании увеличиваются в объеме.
Как узнать, насколько увеличится тело при нагреве.
Эффект расширения тел при перепадах температур учитывают при проектировании железных дорог. Из-за термического расширения рельсы увеличиваются летом и сжимаются зимой, поэтому в конструкции оставляют специальный зазор, который позволяет деталям свободно двигаться при нагревании или охлаждении. Явление, при котором размеры тела увеличиваются при повышении температуры, называют линейным расширением.
Представьте себя в роли инженера: сколько места нужно оставить, чтобы при нагревании рельсов конструкция не сломалась? Чтобы узнать это, физики используют тепловой коэффициент линейного расширения (?). Они находят его экспериментально: измеряют предмет при разных температурах и вычисляют, на какую долю от своей изначальной длины увеличится предмет при нагревании на один градус.
Чтобы вычислить длину рельсы при нагреве (L1), необходимо знать:
длину предмета при 0 — L0;
на сколько градусов повысилась температура — ?t;
тепловой коэффициент линейного расширения материала — ?.
Далее воспользуемся формулой: L1 = L0*(1 + ?*?t).
Чтобы размер деталей оставался постоянным при разных температурах, используют вещества с низким коэффициентом теплового расширения. Из кварцевого стекла делают лабораторную посуду, которая не лопается даже при сильном нагреве. Сплав железа и никеля — инвар — применяют в изготовлении электронных и измерительных приборов, газовых лазеров, бескомпенсационных трубопроводов и не только.
Как узнать, насколько увеличится жидкость при нагреве.
В строительстве учитывают расширение не только твердых тел, но и жидкости: если она нагревается в закрытом сосуде, ее объем увеличивается, появляется напряжение. Оно действует изнутри на стенки сосуда и способно разрушать их. Подобное может произойти при нагреве воды в отопительной системе — именно поэтому в ней предусмотрен специальный резервуар для избытка жидкости. Явление, при котором объем тела увеличивается при повышении температуры, называют объемным расширением.
Чтобы оценить, как изменится объем жидкости, если ее нагреть, используют температурный коэффициент объемного расширения (?). Его рассчитывают аналогично коэффициенту линейного расширения.
Чтобы вычислить объем жидкости при нагревании (V1), нужно знать:
объем вещества при 0 — V0;
на сколько градусов повысилась температура — ?t;
тепловой коэффициент объемного расширения — ?.
А потом подставить значения в формулу: V1 = V0*(1 + ?*?t).
Явление объемного расширения тел используют в жидкостных термометрах. Прибор состоит из небольшого резервуара с узкой стеклянной трубкой, которая заполнена ртутью, спиртом или другим веществом. Когда температура окружающей среды повышается, объем жидкости в термометре увеличивается, и ее уровень поднимается. Благодаря специальным делениям мы узнаем, как изменилась температура.
Выводы и основные тезисы:
Тепловое расширение — явление, при котором размеры тела и, как следствие, его объем увеличиваются при нагревании.
Термическое расширение может быть линейным и объемным. При линейном расширении увеличиваются размеры тела, при объемном — его объем.
Чтобы узнать, как увеличится тело при повышении температуры, используют тепловые коэффициенты линейного и объемного расширения.
Тепловое расширение учитывают при строительных работах и проектировании приборов: если материалы в конструкции обладают разными коэффициентами термического расширения, то при перепадах температур это может привести к поломке механизма или разрушению сооружения.
