Hva er egenskapene til termisk utvidelse av vann. Termisk utvidelse av væsker

Billett nummer 3

"Termisk ekspansjon av kropper. Termometer. Temperaturskalaer. Verdien av termisk ekspansjon av kropper i natur og teknologi. Funksjoner ved termisk utvidelse av vann»

termisk ekspansjon- endring i kroppens lineære dimensjoner og form med en endring i temperaturen.

Årsaken: kroppstemperaturen øker -> øker bevegelseshastigheten til molekylene -> øker amplituden til svingningene -> øker avstanden mellom molekylene, og derav størrelsen på kroppen.

Ulike legemer utvider seg forskjellig når de varmes opp, fordi massene til molekylene er forskjellige, derfor er den kinetiske energien forskjellig og de intermolekylære avstandene endres på forskjellige måter.

Kvantitativt er den termiske ekspansjonen av væsker og gasser ved konstant trykk preget av omfangsrik termisk ekspansjonskoeffisient (β).

V=V0(1+β(tfinal-tinitial))

Der V er legemets volum ved slutttemperaturen, er V0 volumet av legemet ved starttemperaturen

For å karakterisere den termiske utvidelsen av faste stoffer, introduseres koeffisienten i tillegg lineær termisk ekspansjon (α)

l=l0 (1+α(tslutt-tinitial))

Der l er lengden på legemet ved slutttemperaturen, er l0 lengden på legemet ved starttemperaturen

Termometer- temperaturmåler

Virkningen av termometeret er basert på den termiske utvidelsen av væsken.

Oppfunnet av Galileo i 1597.

Typer termometre:

kvikksølv (fra -35 til 750 grader Celsius)

alkohol (fra -80 til 70 grader Celsius)

Pentan (fra -200 til 35 grader Celsius)

Skalaer:

Fahrenheit. Fahrenheit i 1732 - fylte rør med alkohol, senere byttet til kvikksølv. Nullskala - temperaturen på blandingen av snø med ammoniakk eller bordsalt. Iskaldt vann - 32°F. Temperaturen til en frisk person er 96°F. Vann koker ved 212°F.

Celsius. Svensk fysiker Celsius i 1742 Frysepunktet til en væske er 0°C og kokepunktet er 100°C

Kelvin skala. I 1848, den engelske fysikeren William Thomson (Lord Kelvin). Referansepunktet er "absolutt null" - -273,15°C. Ved denne temperaturen stopper den termiske bevegelsen til molekyler. 1°C=1°C

Faktisk, absolutt null kan ikke nås.

I hverdagen og teknologien termisk ekspansjon er veldig viktig. På elektriske jernbaner er det nødvendig å opprettholde en konstant spenning i ledningen som leverer energi til elektriske lokomotiver om vinteren og sommeren. For å gjøre dette skapes spenningen til ledningen av en kabel, hvis ene ende er koblet til ledningen, og den andre kastes over blokken og en last henger fra den.

Under byggingen av broen plasseres den ene enden av fagverket på rullene. Hvis dette ikke gjøres, vil gården ved utvidelse om sommeren og kontrahering om vinteren løsne fundamentene som brua hviler på.

Ved fremstilling av glødelamper må en del av ledningen som passerer inne i glasset være laget av et materiale hvis ekspansjonskoeffisient er den samme som for glass, ellers kan den sprekke.

Strømledninger trekkes aldri for å unngå å ryke.

Damprørledninger leveres med bend, kompensatorer.

Den termiske utvidelsen av luft spiller en stor rolle rolle i naturfenomener. Termisk utvidelse av luft skaper en bevegelse av luftmasser i vertikal retning (oppvarmet, mindre tett luft stiger, kald, mindre tett luft går ned). Ujevn oppvarming av luft i forskjellige deler av jorden fører til utseendet av vind. Den ujevne oppvarmingen av vannet skaper strømmer i havene.

Under oppvarming og avkjøling av bergarter, på grunn av daglige og årlige temperatursvingninger (hvis bergartens sammensetning er heterogen), dannes det sprekker, som bidrar til ødeleggelse av bergarter.

Det mest tallrike stoffet på jordens overflate er vann- har en funksjon som skiller den fra de fleste andre væsker. Den utvider seg når den bare varmes opp over 4 °C. Fra 0 til 4 ° C reduseres volumet av vann, tvert imot, når det varmes opp. Dermed har vann høyest tetthet ved 4 °C. Disse dataene refererer til ferskvann (kjemisk rent). Sjøvann har sin høyeste tetthet ved ca. 3°C. En økning i trykk senker også temperaturen på den høyeste tettheten av vann.

Tema: TERMISK UTVIDELSE AV VANN

Mål: gi en forståelse av komprimering og utvidelse av vann, forholdene som dette skjer under; vise viktigheten av vannegenskaper for livet til vannlevende planter og dyr om vinteren;

å fremme utviklingen av ferdigheter til å arbeide med læreboktegninger, observere, analysere, trekke konklusjoner;

bidra til dannelsen av ferdigheter for å forklare de observerte fenomenene

Utstyr: en kolbe med farget (kaliumpermanganat) vann;

propp med et rør;

spritlampe

UNDER KLASSENE

I Organiserende øyeblikk.

II Sjekke lekser.

Arbeid ved tavlen - 4 personer.

Hva er navnene på vanntilstandene og fenomenet som er avbildet i diagrammet?

Under hvilke forhold skjer det?

Hvor finnes det i naturen?

https://pandia.ru/text/78/481/images/image002_73.gif" align="left" width="328" height="31 src=">

https://pandia.ru/text/78/481/images/image004_40.gif" align="left" width="328" height="31 src=">3)

front avstemning. lysbilde 2

1. Hva er hydrosfæren?

2. Hvor finnes vann i naturen?

3. Spørsmål nr. 1 til §23.

Hvilken egenskap ved vann snakker vi om?

4. Hvilke andre egenskaper ved vann kjenner du til?

5. Spørsmål #2 til §23.

Forklar forskjellen mellom damp og tåke.

6. Hva er iselver? Hvor flyter de? Hvorfor?

7. Gjett gåtene:

Lever i hav og elver

Men ofte flyr den over himmelen,

Og hvor lei hun er å fly,

Faller i bakken igjen. (Vann)

Det brenner ikke i ild og synker ikke i vann. (Is)

III Lære nytt stoff.

lysbilde 3

Lærer. Det er kjent at mange legemer utvider seg når de varmes opp og trekker seg sammen når de avkjøles. (Eksperimenter med å varme opp en mynt)

Blir dette mønsteret observert når vanntemperaturen endres?

1. Ekspansjon og sammentrekning av vann.

I en notatbok. TERMISK UTVIDELSE AV VANN.

En opplevelse. En kolbe lukket med en propp med et rør, fylt med farget vann, varmes opp i flammen til en alkohollampe.

Lærer. Alt vi gjør og observerer vil bli registrert i en tabell i en notatbok.

I en notatbok.

Hva tok de	Hva de gjorde	Hva ble observert
	Oppvarmet på flammen fra en alkohollampe.	Vannet gikk opp i røret
Kolbe med vann, lukket med en kork med et rør.	Avkjølt i glass med is.	Vannet gikk ned.

Konklusjoner. 1. Ved oppvarming utvider vannet seg (volumet øker).

2. Vann krymper (volumet avtar) når det avkjøles til +4°C.

Når det avkjøles ytterligere, utvider vannet seg igjen.

2. Betydning av termisk utvidelse av vann for levende organismer.

Lærer. Vann ved en temperatur på + 4 ° C har den høyeste tettheten, derfor er det den tyngste. I reservoarer synker dette vannet til bunnen.

frosset vann – isen er lettere enn vanlig. Is i dammer flyter til overflaten av vannet. Den leder ikke varmen godt.

? Hva fører det til.

Side 92, siste avsnitt - side 93, til dristig.

(Om vinteren, i reservoarer under is, er temperaturen + 4 ° C, så vannlevende dyr og planter fryser ikke. Livet i et reservoar under is fortsetter.)

Lærer. En annen egenskap ved vann Ved frysing avgir vann mye varme. Hvis 1 liter vann blir til is, vil det frigjøres så mye varme at det vil være mulig å varme 250 000 liter luft med 1 ° C.

Denne funksjonen brukes til praktiske formål. På kalde netter om vinteren settes glass med vann i drivhus. Fryser, vannet frigjør varme til luften og varmer den opp.

Det samme skjer når de plantede frøplantene vannes om våren,

hvis det varsles en frysing.

I en notatbok. Ved frysing avgir vann varme. 1 liter vann, som blir til is, varmer opp 250 000 liter luft med 1°C.

IV Konsolidering.

1. Hvilke egenskaper ved vann ble du kjent med i dag?

3. Hvorfor trekkes båter på land for vinteren og snus på hodet?

4. Hva skjer hvis kjelen fylles til randen med vann og settes i brann, kokes opp?

V Lekser.

§ 24, notater i notatbok.

Enkle eksperimenter og observasjoner overbeviser oss om at når temperaturen stiger, øker dimensjonene til legemer litt, og når de avkjøles, avtar de til sine tidligere dimensjoner. Så for eksempel kommer ikke en veldig varm bolt inn i tråden som den kommer fritt inn i, fordi den er kald. Når bolten avkjøles, går den inn i gjengen igjen. Telegrafledninger i varmt sommervær henger merkbart mer enn ved vinterfrost. Når den varmes opp av en elektrisk strøm, forlenges ledningen og synker; når strømmen er slått av, går den tilbake til sin forrige posisjon. Økningen i nedbøyningen, og dermed lengden på de strakte ledningene under oppvarming, er lett å reprodusere eksperimentelt. Ved å varme opp en strukket ledning med en elektrisk strøm ser vi at den synker merkbart, og når oppvarmingen stopper, strekkes den igjen.

Ved oppvarming øker ikke bare lengden på kroppen, men også andre lineære dimensjoner. En endring i de lineære dimensjonene til et legeme ved oppvarming kalles lineær ekspansjon. Hvis et homogent legeme (for eksempel et glassrør) oppvarmes likt i alle deler, utvider det seg og beholder formen. En annen skjer med ujevn oppvarming. La oss vurdere denne opplevelsen. Glassrøret plasseres horisontalt og den ene enden er festet. Hvis røret varmes opp nedenfra, forblir dens øvre del kaldere på grunn av glassets dårlige varmeledningsevne.

A) En plate klinket av kobber- og jernstrimler, i kald tilstand. b) Den samme platen i oppvarmet tilstand (for tydelighets skyld er bøyningen vist overdrevet) Kompensatoren på dampledningen lar rør A og B utvide seg. Det var tilfeller da deler av jernbroer, naglet om dagen, avkjølt om natten og kollapset, og rev av mange nagler. For å unngå slike fenomener gjøres det tiltak for å sikre at deler av konstruksjoner utvides eller trekker seg fritt sammen når temperaturen endres. For eksempel er jerndamprørledninger forsynt med fjærende bøyninger i form av løkker.

En økning i lineære dimensjoner er ledsaget av en økning i volumet av legemer (volumetrisk ekspansjon av legemer). Det er umulig å snakke om den lineære utvidelsen av væsker, siden væsken ikke har en bestemt form. Volumetrisk utvidelse av væsker er lett å observere. Fyll kolben med farget vann eller annen væske og propp den med en propp med et glassrør slik at væsken kommer inn i røret. Hvis et kar med varmt vann bringes til bunnen av kolben, vil væsken i røret i det første øyeblikket falle, og deretter begynner den å stige. Senkingen av væskenivået i det første øyeblikket indikerer at karet utvider seg først, og væsken har ennå ikke hatt tid til å varmes opp. Deretter varmes væsken opp. a) Farget vann kom inn i korken fra kolben. b) Et kar med varmt vann bringes til bunnen av kolben. I det første øyeblikket av nedsenking av kolben, synker væsken i røret. c) Nivået i røret etter en stund er høyere enn før oppvarmingen av kolben.

Eksempler på vannutvidelse i naturen Det vanligste stoffet på jordens overflate, vann har en egenskap som skiller det fra de fleste andre væsker. Den utvider seg når den bare varmes opp over 4 °C. Fra 0 til 4 ° C reduseres volumet av vann, tvert imot, når det varmes opp. Dermed har vann høyest tetthet ved 4 °C. Disse dataene refererer til ferskvann (kjemisk rent). Sjøvann har sin høyeste tetthet ved ca. 3°C. En økning i trykk senker også temperaturen på den høyeste tettheten av vann. Egenskaper ved utvidelse av vann er av stor betydning for jordens klima. Mesteparten (79%) av jordens overflate er dekket med vann. Solens stråler, som faller på overflaten av vannet, reflekteres delvis fra det, trenger delvis inn i vannet og varmer det opp. Hvis vanntemperaturen er lav, er de oppvarmede lagene (for eksempel ved 2 ° C) tettere enn de kalde (for eksempel ved 1 ° C), og synker derfor ned. Deres plass er okkupert av kalde lag, som igjen blir oppvarmet. Dermed skjer det en kontinuerlig endring av vannlag, noe som bidrar til jevn oppvarming av hele vannsøylen inntil temperaturen tilsvarende maksimal tetthet er nådd. Ved ytterligere oppvarming blir de øvre lagene mindre og mindre tette, og forblir derfor på toppen. Som et resultat blir store vanntykkelser relativt lett oppvarmet av solstrålene bare til temperaturen med den høyeste vanntettheten; videre oppvarming av de nedre lagene er ekstremt sakte. Tvert imot går avkjølingen av vann til temperaturen med høyeste tetthet også relativt raskt. da bremses nedkjølingsprosessen. Alt dette fører til det faktum at dype vannforekomster på jordens overflate, med start fra en viss dybde, har en temperatur nær temperaturen med den høyeste vanntettheten (4 °C). De øvre lagene av havet i varme land kan ha en mye høyere temperatur (30 ° C eller mer).

Endringen i kroppens lineære dimensjoner ved oppvarming er proporsjonal med endringen i temperaturen.

De fleste stoffene utvider seg ved oppvarming. Dette er lett forklart fra synspunktet til den mekaniske teorien om varme, siden molekylene eller atomene til et stoff begynner å bevege seg raskere når de varmes opp. I faste stoffer begynner atomer å svinge med større amplitude rundt deres gjennomsnittlige posisjon i krystallgitteret, og de krever mer ledig plass. Som et resultat utvider kroppen seg. På samme måte utvider væsker og gasser seg for det meste med økende temperatur på grunn av en økning i hastigheten på termisk bevegelse av frie molekyler ( cm. Boyles lov - Mariotte, Charles's lov, tilstandslikning for en ideell gass).

Den grunnleggende loven om termisk ekspansjon sier at et legeme med en lineær dimensjon L i den tilsvarende dimensjonen med en økning i temperaturen med Δ T utvides med Δ L lik:

Δ L = aLΔ T

hvor α — såkalte koeffisient for lineær termisk utvidelse. Lignende formler er tilgjengelige for å beregne endringer i areal og volum av en kropp. I det enkleste tilfellet presentert, når koeffisienten for termisk ekspansjon ikke avhenger av hverken temperaturen eller ekspansjonsretningen, vil stoffet ekspandere jevnt i alle retninger i strengt samsvar med formelen ovenfor.

For ingeniører er termisk ekspansjon et viktig fenomen. Når man designer en stålbro over en elv i en by med kontinentalt klima, kan man ikke se bort fra den mulige temperaturforskjellen fra -40°C til +40°C i løpet av året. Slike forskjeller vil medføre en endring i den totale lengden på brua opp til flere meter, og for at brua ikke skal hekke seg om sommeren og ikke opplever kraftige bruddlaster om vinteren, utgjør konstruktørene brua fra separate seksjoner, som forbinder dem med spesielle termiske bufferfuger, som er engasjerte, men ikke stivt forbundet, rader med tenner som lukker seg tett i varmen og divergerer ganske mye i kulden. Det kan være ganske mange slike buffere på en lang bro.

Imidlertid utvider ikke alle materialer, spesielt krystallinske faste stoffer, jevnt i alle retninger. Og ikke alle materialer utvider seg like ved forskjellige temperaturer. Det mest slående eksemplet av sistnevnte type er vann. Når det avkjøles, trekker vannet seg først sammen, som de fleste stoffer. Imidlertid, fra +4°C til frysepunktet på 0°C, begynner vann å utvide seg når det avkjøles og trekke seg sammen når det varmes opp (i form av formelen ovenfor kan vi si at i temperaturområdet fra 0°C til +4° C, koeffisienten for termisk ekspansjonsvann α tar en negativ verdi). Det er takket være denne sjeldne effekten at jordens hav og hav ikke fryser til bunnen selv i de mest alvorlige frostene: vann kaldere enn +4°C blir mindre tett enn varmere vann, og flyter til overflaten og fortrenger vann med en temperatur over +4°C til bunnen.

Det faktum at is har en spesifikk tetthet lavere enn vanntettheten er en annen (men ikke relatert til den forrige) unormal egenskap ved vann, som vi skylder eksistensen av liv på planeten vår. Hvis ikke for denne effekten, ville isen gå til bunnen av elver, innsjøer og hav, og de, igjen, ville fryse til bunnen og drepe alt liv.

termisk ekspansjon- endring i kroppens lineære dimensjoner og form med en endring i temperaturen. For å karakterisere den termiske utvidelsen av faste stoffer, introduseres koeffisienten for lineær termisk utvidelse.

Mekanismen for termisk utvidelse av faste stoffer kan representeres som følger. Hvis termisk energi bringes til et fast legeme, oppstår prosessen med absorpsjon av varme av det på grunn av vibrasjonen av atomer i gitteret. I dette tilfellet blir vibrasjonene til atomer mer intense, dvs. deres amplitude og frekvens øker. Ettersom avstanden mellom atomene øker, øker også den potensielle energien, som er preget av det interatomiske potensialet.

Sistnevnte uttrykkes som summen av potensialene til frastøtings- og tiltrekningskreftene. Frastøtningskreftene mellom atomene endres raskere med en endring i den interatomiske avstanden enn tiltrekningskreftene; som et resultat viser formen på energiminimumskurven seg å være asymmetrisk, og den interatomiske likevektsavstanden øker. Dette fenomenet tilsvarer termisk ekspansjon.

Avhengigheten av den potensielle energien til interaksjonen mellom molekyler på avstanden mellom dem lar oss finne ut årsaken til forekomsten av termisk utvidelse. Som det fremgår av figur 9.2 er den potensielle energikurven svært asymmetrisk. Den øker veldig raskt (bratt) fra minimumsverdien E p0(på punktet r 0) når den reduseres r og øker relativt sakte med økende r.

Figur 2.5

Ved absolutt null, i en likevektstilstand, vil molekylene være i avstand fra hverandre r 0 , tilsvarende minimumsverdien av den potensielle energien E p0. Når molekylene varmes opp, begynner de å svinge rundt likevektsposisjonen. Omfanget av svingninger bestemmes av gjennomsnittsverdien av energien E. Hvis potensialkurven var symmetrisk, ville den gjennomsnittlige posisjonen til molekylet fortsatt tilsvare avstanden r 0 . Dette ville bety den generelle invariansen av de gjennomsnittlige avstandene mellom molekyler ved oppvarming og følgelig fravær av termisk ekspansjon. Faktisk er kurven ikke symmetrisk. Derfor, ved en gjennomsnittlig energi lik , den gjennomsnittlige posisjonen til det oscillerende molekylet tilsvarer avstanden r1> r0.

En endring i gjennomsnittlig avstand mellom to nabomolekyler betyr en endring i avstanden mellom alle molekyler i kroppen. Derfor øker størrelsen på kroppen. Ytterligere oppvarming av kroppen fører til en økning i den gjennomsnittlige energien til molekylet til en viss verdi , og så videre. I dette tilfellet øker også den gjennomsnittlige avstanden mellom molekylene, siden svingningene nå utføres med en større amplitude rundt den nye likevektsposisjonen: r2 > r 1 , r 3 > r 2 etc.

Når det gjelder faste stoffer, hvis form ikke endres med en endring i temperaturen (ved jevn oppvarming eller avkjøling), skilles det mellom endring i lineære dimensjoner (lengde, diameter osv.) - lineær ekspansjon og endring i volum - volumetrisk ekspansjon. I væsker, når de varmes opp, kan formen endres (for eksempel i et termometer kommer kvikksølv inn i kapillæren). Derfor, når det gjelder væsker, er det fornuftig å bare snakke om volumetrisk ekspansjon.

Grunnloven om termisk ekspansjon solid states at et legeme med en lineær dimensjon L0 når temperaturen økes med ∆T utvides med Δ L lik:

Δ L = αL 0 ΔT, (2.28)

hvor α - såkalte koeffisient for lineær termisk utvidelse.

Lignende formler er tilgjengelige for å beregne endringer i areal og volum av en kropp. I det enkleste tilfellet presentert, når koeffisienten for termisk ekspansjon ikke avhenger av hverken temperaturen eller ekspansjonsretningen, vil stoffet ekspandere jevnt i alle retninger i strengt samsvar med formelen ovenfor.

Koeffisienten for lineær ekspansjon avhenger av stoffets natur, så vel som av temperaturen. Men hvis vi vurderer temperaturendringer innenfor ikke for vide grenser, kan avhengigheten av α av temperaturen neglisjeres og temperaturkoeffisienten for lineær ekspansjon kan betraktes som en konstant verdi for et gitt stoff. I dette tilfellet avhenger de lineære dimensjonene til kroppen, som følger av formel (2.28), av temperaturendringen som følger:

L = L 0 ( 1 +aΔT) (2.29)

Av faste stoffer utvider voks seg mest, og overstiger mange væsker i denne forbindelse. Koeffisienten for termisk utvidelse av voks, avhengig av karakteren, er 25 til 120 ganger større enn for jern. Av væsker utvider eter seg mer enn andre. Det er imidlertid en væske som utvider seg 9 ganger sterkere enn eter - flytende karbondioksid (CO3) ved +20 grader Celsius. Ekspansjonskoeffisienten er 4 ganger større enn for gasser.

Kvartsglass har den laveste termisk utvidelseskoeffisient blant faste stoffer - 40 ganger mindre enn jern. En kvartskolbe oppvarmet til 1000 grader kan trygt senkes ned i isvann uten frykt for fartøyets integritet: kolben sprekker ikke. En liten ekspansjonskoeffisient, selv om den er større enn for kvartsglass, er også preget av diamant.

Av metaller utvider stålkvaliteten kalt Invar minst av alle, dens termiske utvidelseskoeffisient er 80 ganger mindre enn vanlig stål.

Tabell 2.1 nedenfor viser ekspansjonskoeffisientene til noen stoffer.

Tabell 2.1 - Verdien av den isobariske ekspansjonskoeffisienten for enkelte gasser, væsker og faste stoffer ved atmosfæretrykk

Volumekspansjonskoeffisient	Lineær ekspansjonskoeffisient
Substans	Temperatur, °С	a×103, (°C) -1	Substans	Temperatur, °С	a×103, (°C) -1
gasser	Diamant		1,2
Grafitt		7,9
Helium	0-100	3,658	Glass	0-100	~9
Oksygen	3,665	Wolfram		4,5
Væsker	Kobber	16,6
Vann		0,2066	Aluminium
Merkur	0,182	Jern
Glyserol	0,500	Invar (36,1 % Ni)	0,9
Etanol	1,659	Is	-10 o til 0 o C	50,7

test spørsmål

1. Karakteriser fordelingen av normale vibrasjoner over frekvenser.

2. Hva er en fonon?

3. Forklar den fysiske betydningen av Debye-temperaturen. Hva bestemmer verdien av Debye-temperaturen for et gitt stoff?

4. Hvorfor forblir ikke gittervarmekapasiteten til en krystall konstant ved lave temperaturer?

5. Hva kalles varmekapasiteten til et fast legeme? Hvordan er det definert?

6. Forklar avhengigheten av gittervarmekapasiteten til krystallet Cret av temperaturen T.

7. Skaff Dulong-Petit-loven for den molare varmekapasiteten til gitteret.

8. Skaff Debyes lov for den molare varmekapasiteten til krystallgitteret.

9. Hvilket bidrag gir elektronvarmekapasiteten til den molare varmekapasiteten til et metall?

10. Hva kalles varmeledningsevnen til et fast stoff? Hvordan karakteriseres det? Hva er ledning av varme i tilfeller av metall og dielektrisk.

11. Hvordan avhenger den termiske ledningsevnen til et krystallgitter av temperaturen? Forklare.

12. Definer den termiske ledningsevnen til en elektrongass. Sammenligne χ el og χ sol i metaller og dielektriske stoffer.

13. Gi en fysisk forklaring på mekanismen for termisk ekspansjon av faste stoffer? Kan CTE være negativ? Hvis ja, forklar årsaken.

14. Forklar temperaturavhengigheten til koeffisienten for termisk utvidelse.