Законы физики на службе у человека. «Тепловое расширение тел» Выполнили: Гливацкий Даниил Семыкин Дмитрий Руководитель: Угальская Т. А. Железногорск 2013

Цель: Изучить тепловое расширение разных веществ при повышении температуры. Рассмотреть различные природные явления, происходящие из-за теплового расширения. Объяснить правильность учёта теплового расширения в строительстве мостов, линий электропередач, железных дорог и т. д.

Задачи: Изготовить прибор, с помощью которого можно легко наблюдать расширение тел при нагревании.

Актуальность выбранной темы. Более глубоко изучить тему «тепловое расширение тел» необходимо по той причине, что это явление мы постоянно встречаем в своей жизни. Например, -наливаем полный чайник воды, после закипания вода начинает выливаться; - если поставить кастрюлю с водой на мороз, стенки кастрюли деформируются; - провода линий электропередач летом провисают, зимой, наоборот, натягиваются; -бетонные дороги иногда образуют своеобразные выступы при неправильном строительстве.

Причины расширения при нагревании. Простые опыты и наблюдения убеждают нас в том, что при повышении температуры размеры тел немного увеличиваются, а при охлаждении уменьшаются до прежних размеров. Это явление объясняется законами молекулярной физики. При нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же жидкости и газы, в основном, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул. Но не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. Для кристаллов характерно такое явление, которое называется анизотропия.

Также не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL, равную: ΔL = αLΔT,где α так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

В природе есть исключения. Существуют тепловые явления, которые можно отнести к аномальным. Самый яркий пример последнего рода вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Но, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C, вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании. Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.

То, что лед имеет плотность меньше плотности воды, еще одно аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они вымерзли бы до дна, убив всё живое.

Где используют теорию расширения тел. Тепловое расширение тел, т. е. изменение их размеров при изменении температуры, было известно давно. Еще в XVII в. флорентийские академики демонстрировали впечатляющий опыт цилиндр при комнатной температуре свободно проходит сквозь кольцо (диаметр кольца чуть больше диаметра цилиндра), а тот же цилиндр после нагревания сквозь кольцо не проходит. Но оставалось неясным, все ли тела изменяют свои размеры с температурой одинаково, какова зависимость удлинения от температуры. Ответ на эти вопросы дали Лавуазье и Лаплас в 80-х годах XVIII в.

Именно учет теплового расширения сделал возможным создание точных часов, что сыграло выдающуюся роль в развитии мореплавания, т. к. только с созданием хронометров был решен вопрос с определением географической долготы. При изготовлении электровакуумных приборов, таких, как кинескопы, рентгеновские трубки, телевизионные передающие трубки, приходится подбирать сорта стекла с коэффициентом линейного расширения, близким по величине с тем металлом, который используется в качестве электрических вводов (молибден, иногда платина), т. к. в процессе изготовления баллоны приходится нагревать до 300 °С и выше.

Для инженеров тепловое расширение жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от 40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста до нескольких метров. Чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями, которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.

Сильно разогретый болт не входит в резьбу, в которую он свободно входит, будучи холодным. Когда болт охладится, он снова входит в резьбу. Телеграфные провода в жаркую летнюю погоду провисают заметно больше, чем во время зимних морозов. Расчёт провисания провода при построении ЛЭП из-за нагревания провода довольно сложный и производится инженерами. Здесь надо учитывать материал провода, его толщину, длину, климатические условия и другие факторы.

Расчёт провисания провода при построении ЛЭП из- за нагревания провода.

При нагревании увеличиваются не только длина тела, но также и другие линейные размеры. А что будет, если построить рельсы без стыков? Дело в том, что между концами рельсов, в стыке оставляют зазор. При нагревании он уменьшается, а может и совсем исчезнуть и тогда возникнет большое напряжение. Нельзя зазор сделать сильно большим, так как зимой, когда размеры рельсов уменьшаются, растягивающие силы могут вызвать разрыв стыковых болтов.

Расширение разных тел. При работе с различными материалами необходимо учитывать, что коэффициент линейного расширения различных материалов при одном и том же повышении температуры различно. Это видно, например, из такого опыта: две разнородные пластинки, например, железная и медная спаивают между собой в нескольких местах. При нагревании пластинки расширяются не одинаково, что приводит к изгибу.

Рис а) Пластинка, спаянная из медной и железной полосок, в колодном состоянии. б) Та же пластинка в нагретом состоянии (для наглядности изгиб показан преувеличенным)

Если при комнатной температуре пластинки прямые, то при нагревании они искривятся, как изображено на рисунке. Это показывает, что медь расширяется в большей мере, чем железо. Из этого опыта следует также, что при изменениях температуры тела, состоящего из нескольких различно расширяющихся частей, в нем тоже появляются внутренние напряжения. В опыте, изображенном на рисунке, железная пластинка сжата, а медная растянута.

По причине неодинакового расширения железа и эмали возникают напряжения в эмалированной железной посуде; при сильном нагреве эмаль иногда отскакивает. Если однородное тело (например, стеклянная трубка) нагревается одинаково во всех частях, то оно, расширяясь, сохраняет свою форму. Иное происходит при неравномерном нагревании. Рассмотрим такой опыт. Стеклянная трубка расположена горизонтально, и один ее конец закреплен. Если трубку нагревать снизу, как показано на рисунке, то верхняя ее часть остается вследствие плохой теплопроводности стекла, более холодной. В результате форма трубки изменяется.

Таким образом, при неравномерном нагревании тел в них возникают усилия, которые могут привести к их разрушению, если напряжения будут слишком большими.

По э той причине лопается обычная стеклянная посуда, если пытаться греть в ней жидкость на огне или на электрической плитке. Но существуют специальные сорта стекла, например, кварцевое стекло, содержащее до 96 % кварца, SiO2, которые расширяются при нагревании настолько мало, что напряжения при неравномерном нагревании посуды, сделанной из такого стекла, не опасны. В кастрюле из кварцевого стекла можно кипятить воду.

Если жидкость нагревается в замкнутом сосуде, который препятствует ее расширению, то в ней, так же как и в твердых телах, появляются огромные силы давления, действующие на стенки сосуда и могущие их разрушить. Поэтому системы труб водяного отопления всегда снабжаются расширительным баком, присоединенным к верхней части системы и сообщающимся с атмосферой. При нагревании воды в системе труб часть воды переходит в расширительный бак, и этим исключается напряженное состояние воды и труб.

Увеличение линейных размеров сопровождается увеличением объема тел (объемное расширение тел). О линейном расширении жидкостей говорить нельзя, так как жидкость не имеет определенной формы. Объемное же расширение жидкостей нетрудно наблюдать. Наполним колбу подкрашенной водой или другой жидкостью и заткнем ее пробкой со стеклянной трубкой так, чтобы жидкость вошла в трубку (рис.1). Если к колбе поднести снизу сосуд с горячей водой, то в первый момент жидкость в трубке опустится, а затем начнет подниматься (рис 2 и 3). Понижение уровня жидкости в первый момент указывает на то, что сначала расширяется сосуд, а жидкость еще не успела прогреться. Затем прогревается и жидкость.

Рис.1) Подкрашенная вода вошла из колбы в пробку. 2) К колбе снизу подносится сосуд с горячей водой. В первый момент погружения колбы жидкость в трубке опускается. 3) Уровень в трубке через некоторое время устанавливается выше, чем до нагревания колбы

Бывали случаи, когда части железных мостов, склепанные днем, охлаждаясь ночью, разрушались, срывая многочисленные заклепки. Во избежание подобных явлений, принимают меры к тому, чтобы части сооружений при изменении температуры расширялись или сжимались свободно. Например, железные паропроводы снабжают пружинящими изгибами в виде петель, компенсатор ов.

Компенсатор на паропроводе дает возможность трубам А и В расширяться

Увеличение провисания, а следовательно, и длины натянутых проволок при нагревании мы пронаблюдали с помощью изготовленного нами вот такого прибора. Нагревая натянутую проволоку электрическим током, она заметно провисает, о чём говорит отклонение стрелки на некоторый угол. При прекращении нагревания проволока натягивается, стрелка возвращается в первоначальное положение.

Фотография.

Вывод. Поставленная нами цель достигнута. Мы изучили тепловое расширение тел. Убедились в том, насколько важно учитывать инженерам расширение тел. Изготовили прибор, с помощью которого легко наблюдать линейное расширение.

Рабочая группа. Гливацкий Даниил Семыкин Дмитрий Учителя физики: 1. Угальская Татьяна Алексеевна 2. Петух Станислав Антонович

Литература. Л. В. Тарасов «Физика в природе», Москва, «Просвещение», 1988 г., Ю. Г. Павленко «Начала физики», Москва 2005., Б. М. Яворский, А. А. Пинский «Основы физики», Москва 1989, «Юный техник», подписка 1986 г., М. Н. Ергомышева-Алексеева «Физика- юным», Просвещение, 1995.