Якими особливостями теплового розширення має вода. Теплове розширення рідин

Білет №3

«Теплове розширення тел. Термометр. Шкали температур. Значення теплового розширення тіл у природі та техніці. Особливості теплового розширення води»

Теплове розширення- Зміна лінійних розмірів і форми тіла при зміні його температури.

Причина: збільшується температура тіла -> збільшується швидкість руху молекул -> збільшується амплітуда коливань -> збільшується відстань між молекулами, отже, і розміри тіла.

Різні тіла при нагріванні розширюються по-різному, оскільки маси молекул різні, отже, різниться кінетична енергія і міжмолекулярні відстані змінюються по-різному.

Кількісно теплове розширення рідин та газів при постійному тиску характеризується об'ємнимкоефіцієнт теплового розширення (β).

V=V0(1+β(tкінцева-tпочаткова))

Де V – об'єм тіла за кінцевої температури, V0 – об'єм тіла за початкової температури

Для характеристики теплового розширення твердих тіл додатково вводять коефіцієнт лінійноготеплового розширення (α)

l=l0 (1+α(tкінцева-tпочаткова))

Де l – довжина тіла при кінцевій температурі, l0 – довжина тіла при початковій температурі

Термометр- прилад для вимірювання температури

Дія термометра ґрунтується на тепловому розширенні рідини.

Винайдений Галілеєм у 1597 році.

Види термометрів:

· ртутні (від -35 до 750 градусів Цельсія)

· спиртові (від -80 до 70 градусів Цельсія)

· Пентанові (від -200 до 35 градусів Цельсія)

Шкали:

Шкала Фаренгейта. Фаренгейт 1732 р. - наповнював трубки спиртом, пізніше перейшов до ртуті. Нуль шкали – температура суміші снігу з нашатирем чи кухонною сіллю. Замерзання води – 32°F. Температура здорової людини – 96°F. Вода кипить при 212°F.

Шкала Цельсія. Шведський фізик Цельсій у 1742 р. Температура замерзання рідини – 0°C, а кипіння – 100°C

Шкала Кельвіна. У 1848 р. англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін). Крапка відліку - «абсолютний нуль» - -273,15°С. За цієї температури припиняється тепловий рух молекул. 1°К=1°С

Насправді, абсолютний нуль не досягнемо.

У побуті та техніцітеплове розширення має дуже велике значення. На електричних залізницях необхідно взимку та влітку зберігати постійний натяг дроту, що живить енергією електровози. Для цього натяг проводу створюється тросом, один кінець якого з'єднаний з проводом, а інший перекинутий через блок і до нього підвішений вантаж.

При спорудженні мосту один кінець ферми кладеться на ковзанки. Якщо цього не зробити, то при розширенні влітку та стисканні взимку ферма розхитуватиме підвалини, на які спирається міст.

При виготовленні ламп розжарювання частину дроту, що проходить усередині скла, необхідно робити з такого матеріалу, коефіцієнт розширення якого такий же як у скла інакше воно може тріснути.

Проводи ЛЕП ніколи не натягують, щоб уникнути розриву.

Паропроводи постачають вигинами, компенсаторами.

Теплове розширення повітря грає велику участь у явищах природи. Теплове розширення повітря створює рух повітряних мас у вертикальному напрямку (нагріте, менш щільне повітря піднімається вгору, холодне і менш щільне вниз). Нерівномірне нагрівання повітря в різних частинах землі призводить до виникнення вітру. Нерівномірне розігрів води створює течії в океанах.

При нагріванні та охолодженні гірських порід внаслідок добових та річних коливань температури (якщо склад породи неоднорідний) утворюються тріщини, що сприяє руйнуванню порід.

Найпоширеніша на поверхні Землі речовина - вода- має особливість, що відрізняє її від більшості інших рідин. Вона розширюється при нагріванні лише понад 4 °С. Від 0 до 4 °С обсяг води, навпаки, при нагріванні зменшується. Таким чином, найбільшу густину вода має при 4 °С. Ці дані відносяться до прісної (хімічно чистої) води. У морської води найбільша щільність спостерігається приблизно за 3 °С. Підвищення тиску теж знижує температуру максимальної щільності води.

Тема: ТЕПЛОВЕ РОЗШИРЕННЯ ВОДИ

Цілі:забезпечити розуміння стиснення та розширення води, умов, за яких це відбувається; показати значення властивостей води для життя водних рослин та тварин взимку;

сприяти розвитку умінь працювати з малюнками підручника, спостерігати, аналізувати, робити висновки;

сприяти формуванню умінь пояснювати явища, що спостерігаються

Обладнання:колба з підфарбованою (марганцівка) водою;

пробка із трубкою;

спиртування

ХІД УРОКУ

I Оргмомент.

II Перевірка домашнього завдання.

Робота біля дошки – 4 особи.

Як називаються стан води та явище, зображене на схемі?

За яких умов відбувається?

Де зустрічається у природі?

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)

Фронтальне опитування. Слайд 2

1. Що таке гідросфера?

2. Де зустрічається вода у природі?

3. Питання №1 до §23.

Про яку властивість води йдеться?

4. Які властивості води вам відомі?

5. Питання №2 до §23.

Поясніть різницю між поняттями «пар» та «туман».

6. Що таке крижані ріки? Куди вони течуть? Чому?

7. Відгадайте загадки:

У морях і річках живе,

Але часто по небу літає,

А як наскучить їй літати,

На землю падає знову. (Вода)

У вогні не горить та у воді не тоне. (Лід)

ІІІ Вивчення нового матеріалу.

Слайд 3

Вчитель.Відомо, що багато тіл при нагріванні розширюються, а при охолодженні стискаються. (Досвід із нагріванням монети)

Чи дотримується цієї закономірності при зміні температури води?

1. Розширення та стиск води.

У зошит.ТЕПЛОВЕ РОЗШИРЕННЯ ВОДИ.

Досвід.Колба, закрита пробкою із трубкою, заповнена підфарбованою водою, нагрівається в полум'ї спиртування.

Вчитель.Все, що робимо і спостерігаємо заноситимемо в таблицю в зошиті.

У зошит.

Що брали	Що робили	Що спостерігали
	Нагрівали на полум'ї спиртівки.	Вода піднімалася трубкою
Колба із водою, закрита пробкою із трубкою.	Охолоджували у склянці з льодом.	Вода опускалася.

Висновки. 1. При нагріванні вода розширюється (її обсяг збільшується).

2. Вода стискається (її обсяг зменшується) при охолодженні до +4оС.

За подальшого охолодження вода знову розширюється.

2. Значення теплового розширення води живих організмів.

Вчитель.Вода при температурі +4оС має найбільшу щільність, тому найважча. У водоймищах така вода опускається на дно.

Змерзла вода – лід – легше звичайної. Лід у водоймищах спливає на поверхню води. Він погано проводить тепло.

? До чого все це призводить.

Стор. 92,останній абзац – стор 93,до жирного шрифту.

(Взимку у водоймищах під льодом температура +4оС, тому водні тварини та рослини не замерзають. Життя у водоймищі під льодом триває.)

Вчитель.Ще одна особливість води. При замерзанні вода дає багато тепла. Якщо на лід перетвориться 1 л води, то при цьому виділиться стільки тепла, що їм можна буде нагріти на 1оС 250 000 л повітря.

Цю особливість людина використовує у практичних цілях. У холодні ночі взимку у теплицях ставлять банки з водою. Замерзаючи, вода виділить тепло повітря і зігріє його.

Те саме відбувається і тоді, коли навесні висаджену розсаду поливають,

якщо оголосили заморозки.

У зошит.При замерзанні вода виділяє тепло. 1л води, перетворюючись на лід, нагріває на 1оС 250 000 л повітря.

IV Закріплення.

1. З якими властивостями води сьогодні познайомилися?

3. Чому човни на зиму витягують на берег і перевертають догори дном?

4. Що станеться, якщо налити чайник до країв водою і, поставивши на вогонь, довести до кипіння?

V Завдання додому.

§ 24, записи у зошити.

Прості досліди та спостереження переконують нас, що при підвищенні температури розміри тіл трохи збільшуються, а при охолодженні зменшуються до колишніх розмірів. Так, наприклад, сильно розігрітий болт не входить у різьблення, в яке він вільно входить, будучи холодним. Коли болт охолоне, він знову входить у різьблення. Телеграфні дроти у спекотну літню погоду провисають помітно більше, ніж під час зимових морозів. При нагріванні електричним струмом дріт подовжується та провисає; після вимкнення струму вона приймає колишнє положення. Збільшення провисання, а отже і довжини натягнутих дротів при нагріванні легко відтворити на досвіді. Нагріваючи натягнутий дріт електричним струмом, бачимо, що він помітно провисає, а після припинення нагрівання знову натягується.

При нагріванні збільшуються як довжина тіла, а й інші лінійні розміри. Зміна лінійних розмірів тіла під час нагрівання називають лінійним розширенням. Якщо однорідне тіло (наприклад, скляна трубка) нагрівається однаково у всіх частинах, воно, розширюючись, зберігає свою форму. Інше відбувається при нерівномірному нагріванні. Розглянемо такий досвід. Скляна трубка розташована горизонтально і один її кінець закріплений. Якщо трубку нагрівати знизу, то верхня її частина залишається внаслідок поганої теплопровідності скла холоднішою.

А) Платівка, склепана з мідної та залізної смужок, у холодному стані. б) Та ж платівка в нагрітому стані (для наочності вигин показаний перебільшеним) Компенсатор на паропроводі дає можливість трубам А і розширюватися. Траплялися випадки, коли частини залізних мостів, склепані вдень, охолоджуючись уночі, руйнувалися, зриваючи численні заклепки. Щоб уникнути подібних явищ, вживають заходів для того, щоб частини споруд при зміні температури розширювалися або стискалися вільно. Наприклад, залізні паропроводи забезпечують пружними згинами у вигляді петель.

Збільшення лінійних розмірів супроводжується збільшенням обсягу тіл (об'ємне розширення тіл). Про лінійне розширення рідин говорити не можна, оскільки рідина немає певної форми. Об'ємне розширення рідин неважко спостерігати. Наповнимо колбу підфарбованою водою або іншою рідиною і заткнемо її пробкою зі скляною трубкою так, щоб рідина увійшла до трубки. Якщо до колби піднести знизу посудину з гарячою водою, то перший момент рідина в трубці опуститься, а потім почне підніматися. Зниження рівня рідини вперше вказує на те, що спочатку розширюється судина, а рідина ще не встигла прогрітися. Потім прогрівається рідина. а) Підфарбована вода увійшла із колби в пробку. б) До колби знизу підноситься посудина з гарячою водою. У перший момент занурення колби рідина у трубці опускається. в) Рівень у трубці через деякий час встановлюється вищим, ніж до нагрівання колби.

Найпоширеніша на поверхні Землі речовина вода має особливість, що відрізняє її від більшості інших рідин. Вона розширюється при нагріванні лише понад 4 °С. Від 0 до 4 °С обсяг води, навпаки, при нагріванні зменшується. Таким чином, найбільшу густину вода має при 4 °С. Ці дані відносяться до прісної (хімічно чистої) води. У морської води найбільша щільність спостерігається приблизно за 3 °С. Підвищення тиску теж знижує температуру максимальної щільності води. Особливості розширення води мають велике значення для клімату Землі. Більшість (79%) поверхні Землі вкрита водою. Сонячні промені, падаючи на поверхню води, частково відбиваються від неї, частково проникають усередину води та нагрівають її. Якщо температура води низька, то шари, що нагрілися (наприклад, при 2 °С) більш щільні, ніж холодні (наприклад, при 1 °С), і тому опускаються вниз. Їх місце займають холодні шари, що в свою чергу нагріваються. Таким чином, відбувається безперервна зміна шарів води, що сприяє рівномірному прогріванню всієї товщі води, поки не буде досягнуто температури, що відповідає максимальній щільності. При подальшому нагріванні верхні шари стають менш щільними, а тому і залишаються вгорі. Внаслідок цього великі товщі води порівняно легко прогріваються сонячними променями лише до температури найбільшої густини води; подальше прогрівання нижніх шарів йде дуже повільно. Навпаки, охолодження води до температури найбільшої густини йде порівняно швидко, а. потім процес охолодження уповільнюється. Все це веде до того, що глибокі водоймища на поверхні Землі мають, починаючи з деякої глибини, температуру, близьку до температури найбільшої густини води (4 °С). Верхні шари морів у теплих країнах можуть мати температуру значно більшу (30 °С і більше).

Зміна лінійних розмірів тіла при нагріванні пропорційно до зміни температури.

Переважна більшість речовин під час нагрівання розширюється. Це легко можна пояснити з позиції механічної теорії теплоти, оскільки при нагріванні молекули або атоми речовини починають рухатися швидше. У твердих тілах атоми починають з більшою амплітудою коливатися навколо свого середнього становища в кристалічних ґратах, і їм потрібно більше вільного простору. Через війну тіло розширюється. Так само і рідини та гази, здебільшого, розширюються з підвищенням температури через збільшення швидкості теплового руху вільних молекул ( див.Закон Бойля-Маріотта, Закон Шарля, Рівняння стану ідеального газу).

Основний закон теплового розширення свідчить, що тіло з лінійним розміром Lу відповідному вимірі зі збільшенням його температури на Δ Трозширюється на величину? L, рівну:

Δ L = αLΔ T

де α — так званий коефіцієнт лінійного теплового розширенняАналогічні формули є для розрахунку зміни площі та об'єму тіла. У наведеному найпростішому випадку, коли коефіцієнт теплового розширення не залежить ні від температури, ні від напрямку розширення, речовина буде рівномірно розширюватися по всіх напрямках у суворій відповідності до вищенаведеної формули.

Для інженерів теплове розширення – життєво важливе явище. Проектуючи сталевий міст через річку в місті з континентальним кліматом, не можна не враховувати можливий перепад температур у межах від -40°C до +40°C протягом року. Такі перепади викличуть зміну загальної довжини мосту аж до кількох метрів, і щоб міст не здиблювався влітку і не відчував потужних навантажень на розрив узимку, проектувальники складають міст з окремих секцій, з'єднуючи їх спеціальними. термічними буферними зчленуваннями, Які являють собою входять в зачеплення, але не з'єднані жорстко ряди зубів, які щільно стуляються в спеку і досить широко розходяться в холоднечу. На довгому мосту може налічуватися чимало таких буферів.

Однак не всі матеріали, особливо це стосується твердих кристалічних тіл, розширюються рівномірно по всіх напрямках. І далеко не всі матеріали розширюються однаково за різних температур. Найяскравіший приклад останнього роду – вода. При охолодженні вода спочатку стискається, як більшість речовин. Однак, починаючи з +4°C і до точки замерзання 0°C, вода починає розширюватися при охолодженні і стискатися при нагріванні (з точки зору наведеної вище формули можна сказати, що в інтервалі температур від 0°C до +4°C коефіцієнт теплового розширення води α набуває негативного значення). Саме завдяки цьому рідкісному ефекту земні моря та океани не промерзають до дна навіть у найсильніші морози: вода холодніша за +4°C стає менш щільною, ніж тепліша, і спливає до поверхні, витісняючи на дно воду з температурою вище +4°C.

Те, що лід має питому щільність нижче щільності води, — ще одне (хоч і пов'язане з попереднім) аномальна властивість води, якому завдячуємо існуванням життя планети. Якби не цей ефект, крига йшла б на дно річок, озер та океанів, і вони, знову ж таки, вимерзли б до дна, вбивши все живе.

Теплове розширення- Зміна лінійних розмірів і форми тіла при зміні його температури. Для характеристики теплового розширення твердих тіл запроваджують коефіцієнт лінійного теплового розширення.

Механізм теплового розширення твердих тіл можна наступним чином. Якщо до твердого тіла підвести теплову енергію, то завдяки коливанню атомів у ґратах відбувається процес поглинання ним теплоти. У цьому коливання атомів стають інтенсивнішими, тобто. збільшуються їх амплітуда та частота. Зі збільшенням відстані між атомами збільшується і потенційна енергія, що характеризується міжатомним потенціалом.

Останній виражається сумою потенціалів сил відштовхування та тяжіння. Сили відштовхування між атомами із зміною міжатомної відстані змінюються швидше, ніж сили тяжіння; в результаті форма кривої мінімуму енергії виявляється несиметричною і рівноважна міжатомна відстань збільшується. Це і відповідає тепловому розширенню.

Залежність потенційної енергії взаємодії молекул від відстані з-поміж них дозволяє з'ясувати причину виникнення теплового розширення. Як очевидно з малюнка 9.2, крива потенційної енергії дуже несиметрична. Вона дуже швидко (круто) зростає від мінімального значення Е р0(У точці r 0) при зменшенні rі порівняно повільно зростає зі збільшенням r.

Малюнок 2.5

При абсолютному нулі в стані рівноваги молекули перебували б одна від одної на відстані r 0 , що відповідає мінімальному значенню потенційної енергії Е р0.У міру нагрівання молекули починають робити коливання біля положення рівноваги. Розмах коливань визначається середнім значенням енергії е.Якби потенційна крива була симетричною, то середнє положення молекули, як і раніше, відповідало б відстані r 0 . Це означало б загальну незмінність середніх відстаней між молекулами при нагріванні та, отже, відсутність теплового розширення. Насправді крива несиметрична. Тому при середній енергії, що дорівнює , середнє положення коливається молекули відповідає відстані r 1> r 0.

Зміна середньої відстані між двома сусідніми молекулами означає зміну відстані між усіма молекулами тіла. Тому розміри тіла зростають. Подальше нагрівання тіла призводить до збільшення середньої енергії молекули до певного значення , і т. д. При цьому збільшується і середня відстань між молекулами, тому що тепер коливання відбуваються з більшою амплітудою навколо нового положення рівноваги: r 2 > r 1 , r 3 > r 2і т.д.

Стосовно твердих тіл, форма яких при зміні температури (при рівномірному нагріванні або охолодженні) не змінюється, розрізняють зміну лінійних розмірів (довжини, діаметра тощо) - лінійне розширення і зміна обсягу - об'ємне розширення. У рідин при нагріванні форма може змінюватись (наприклад, у термометрі ртуть входить у капіляр). Тому у разі рідин має сенс говорити лише про об'ємне розширення.

Основний закон теплового розширеннятвердих тіл свідчить, що тіло з лінійним розміром L 0при збільшенні його температури на ΔTрозширюється на величину? L, рівну:

Δ L = αL 0 ΔT, (2.28)

де α - так званий коефіцієнт лінійного теплового розширення.

Аналогічні формули є для розрахунку зміни площі та об'єму тіла. У наведеному найпростішому випадку, коли коефіцієнт теплового розширення не залежить ні від температури, ні від напрямку розширення, речовина буде рівномірно розширюватися по всіх напрямках у суворій відповідності до вищенаведеної формули.

Коефіцієнт лінійного розширення залежить від природи речовини, і навіть від температури. Однак, якщо розглядати зміни температури в не дуже широких межах, залежність від температури можна знехтувати і вважати температурний коефіцієнт лінійного розширення величиною постійної для даної речовини. У цьому випадку лінійні розміри тіла, як випливає із формули (2.28), залежать від зміни температури наступним чином:

L = L 0 ( 1 +αΔT) (2.29)

З твердих тіл найсильніше розширюється віск, перевищуючи у цьому відношенні багато рідини. p align="justify"> Коефіцієнт теплового розширення воску в залежності від сорту в 25 - 120 разів більше ніж у заліза. З рідин сильніше за інших розширюється ефір. Однак є рідина, що розширюється в 9 разів сильніше за ефір - рідка вуглекислота (СО3) при +20 градусах Цельсія. Її коефіцієнт розширення у 4 рази більший, ніж у газів.

Найменшим коефіцієнтом теплового розширення з твердих тіл має кварцове скло – у 40 разів менше, ніж залізо. Кварцову колбу розпечену до 1000 градусів можна сміливо опускати у крижану воду, не побоюючись за цілісність судини: колба не лопається. Малим коефіцієнтом розширення, хоч і більшим, ніж у кварцового скла, відрізняється також алмаз.

З металів найменше розширюється сорт сталі, що носить назву інвар, коефіцієнт його теплового розширення в 80 разів менше, ніж у звичайної сталі.

У наведеній нижче таблиці 2.1 показано коефіцієнти об'ємного розширення деяких речовин.

Таблиця 2.1 - Значення ізобаричного коефіцієнта розширення деяких газів, рідин та твердих тіл при атмосферному тиску

Коефіцієнт об'ємного розширення	Коефіцієнт лінійного розширення
Речовина	Тем-ра, °С	α×10 3 , (°C) -1	Речовина	Тем-ра, °С	α×10 3 , (°C) -1
Гази	Алмаз		1,2
Графіт		7,9
Гелій	0-100	3,658	Скло	0-100	~9
Кисень	3,665	Вольфрам		4,5
Рідини	Мідь	16,6
Вода		0,2066	Алюміній
Ртуть	0,182	Залізо
Гліцерин	0,500	Інвар (36,1% Ni)	0,9
Етиловий спирт	1,659	Лід	-10 o до 0 про	50,7

Контрольні питання

1. Дати характеристику розподілу нормальних коливань частотах.

2. Що таке фонон?

3. Пояснити фізичне значення температури Дебая. Чим визначається значення температури Дебая для цієї речовини?

4. Чому при низьких температурах решіткова теплоємність кристала не залишається постійною?

5. Що називається теплоємністю твердого тіла? Чим вона визначається?

6. Пояснити залежність решіткової теплоємності кристала Cреш від температури T.

7. Отримати закон Дюлонга-Пті для молярної теплоємності ґрат.

8. Отримати закон Дебая для молярної теплоємності грати кристала.

9. Який внесок робить електронна теплоємність у молярну теплоємність металу?

10. Що називається теплопровідністю твердого тіла? Чим вона характеризується? Чим здійснюється теплопровідність у випадках металу та діелектрика.

11. Як залежить коефіцієнт теплопровідності кристалічних ґрат від температури? Пояснити.

12. Дати визначення теплопровідності електронного газу. Порівняти χ елі χ вирішв металах та діелектриках.

13. Дати фізичне пояснення механізму теплового розширення твердих тіл? Чи може КТР бути негативним? Якщо так, то пояснити причину.

14. Пояснити температурну залежність коефіцієнта теплового розширення.