Физика. 8 класс. Барьяхтар

Этот учебник можно скачать в PDF формате на сайте тут.

§ 2. Зависимость размеров физических тел от температуры

Если вы достаточно наблюдательны, то, возможно, обращали внимание вот на что. Летом электрические провода провисают намного сильнее, чем зимой, то есть летом они становятся длиннее. Если в бутылку налить до краев холодной воды и поставить ее открытой в теплое место, то через некоторое время часть воды из бутылки выльется. Воздушный шарик, вынесенный из комнаты на мороз, уменьшается в объеме. Попробуем разобраться, почему так происходит.

1. Убеждаемся в тепловом расширении твердых тел, жидкостей и газов

Несложные опыты и многочисленные наблюдения убеждают: как правило, твердые тела, жидкости и газы при нагревании расширяются, а при охлаждении — сжимаются.

Тепловое расширение газов можно наблюдать с помощью колбы, заполненной воздухом. Плотно закупорим горлышко колбы и в пробку вставим стеклянную трубку. Опустим трубку в сосуд с водой. Возьмемся за колбу рукой и таким образом нагреем ее. В результате воздух в колбе расширится и будет выходить в виде пузырьков из трубки под водой (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Нагреваясь, воздух в колбе расширяется, и некоторая его часть выходит из колбы — у отверстия трубки образуются пузырьки воздуха

Для наблюдения теплового расширения жидкостей наполним колбу подкрашенной водой и закупорим ее так, чтобы часть жидкости попала в стеклянную трубку, размещенную в пробке (рис. 2.2, а). Зафиксируем, на каком уровне расположена жидкость в трубке, и опустим колбу в сосуд с горячей водой. Сначала уровень воды в трубке немного снизится (рис. 2.2, б), и это объясняется тем, что сначала нагревается и расширяется колба, а уже потом, нагреваясь, расширяется вода. Спустя некоторое время убедимся, что по мере нагревания колбы и воды в ней уровень жидкости в трубке заметно повышается (рис. 2.2, в). Таким образом, жидкости, как и газы, при нагревании расширяются.

Рис. 2.2. Опыт, демонстрирующий, что при нагревании жидкость расширяется. Закупоренную колбу с жидкостью в трубке (а) поместили в сосуд с горячей водой. Уровень жидкости в трубке сначала немного снизился (б), а спустя некоторое время значительно повысился (в)

Тепловое расширение твердых тел можно продемонстрировать с помощью устройства, которое изобрел голландский физик Вильгельм Якоб Гравезанд (1688-1742). Устройство представляет собой небольшой медный шар, легко проходящий сквозь пригнанное к нему кольцо. Если нагреть шар в пламени спиртовки, он не пройдет сквозь кольцо (рис. 2.3, а). После охлаждения шар снова легко пройдет сквозь кольцо (рис. 2.3, б).

Рис. 2.3. Устройство Гравезанда, с помощью которого иллюстрируют тепловое расширение твердых тел: а — в нагретом состоянии шар не проходит сквозь кольцо; б — после охлаждения шар сквозь кольцо проходит

Как вы считаете, пройдет ли шар сквозь кольцо, если нагреть кольцо, а не шар?

2. Выясняем причину теплового расширения

Почему же увеличивается объем тел при нагревании, ведь количество частиц (молекул, атомов, ионов) в теле с увеличением температуры не изменяется?

Тепловое расширение тел молекулярно-кинетическая теория объясняет так. С повышением температуры увеличивается энергия частиц, из которых состоит тело. Среднее расстояние между частицами тоже увеличивается, и, соответственно, увеличивается объем тела. И наоборот, со снижением температуры тела энергия его частиц уменьшается, промежутки между частицами уменьшаются и, соответственно, уменьшается объем тела.

3. Характеризуем тепловое расширение тел

При нагревании на одну и ту же температуру не все тела расширяются одинаково. Опытным путем было установлено, что твердые тела и жидкости расширяются намного меньше, чем газы.

Тепловое расширение тела зависит от вещества, из которого состоит тело. Возьмем алюминиевую трубку и измерим ее длину. Затем нагреем трубку, пропуская сквозь нее горячую воду. Через некоторое время убедимся, что длина трубки немного увеличилась. Заменив алюминиевую трубку стеклянной такой же длины, увидим, что при одинаковом увеличении температуры стеклянная трубка удлиняется намного меньше, чем алюминиевая.

Следует отметить, что есть вещества, объем которых на определенном интервале температур при нагревании уменьшается, а при охлаждении — увеличивается. К таким веществам относятся вода, чугун и некоторые другие.

Например, вода при охлаждении до 4 °C (точнее до 3,98 °C) сжимается, как и большинство веществ. Но начиная с температуры 4 °C и до замерзания (0 °C) вода расширяется. Благодаря такой особенности воды реки, моря и океаны не промерзают до дна даже в сильные морозы. Ведь именно при температуре 4 °C вода имеет наибольшую плотность и поэтому опускается на дно водоема. При температуре же 0 °C плотность воды меньше, поэтому такая вода остается на поверхности и замерзает — превращается в лед (рис. 2.4). Так как плотность льда меньше плотности воды, лед располагается на поверхности воды и надежно защищает водоем от глубокого промерзания. Эти свойства воды имеют важное значение для жизни водорослей, рыб и других живых организмов в водоемах.

Рис. 2.4. Распределение температур в глубоком водоеме зимой. Самая высокая температура воды — на дне водоема, самая низкая (0 °C) — непосредственно под слоем льда

Подумайте, как выглядели бы водоемы, если бы вода, как и большинство веществ, при охлаждении всегда уменьшалась бы в объеме, а плотность льда была бы больше плотности воды.

4. Знакомимся с тепловым расширением в природе и технике

Способность тел изменять свои размеры при изменении температуры играет очень важную роль в природе. Об особенностях теплового расширения воды вы уже знаете. Рассмотрим другие примеры.

Поверхность Земли прогревается неравномерно, в результате вблизи нее неравномерно прогревается и расширяется воздух — возникают ветры, которые, в свою очередь, влияют на изменение погоды и климат. Неравномерное прогревание воды в морях и океанах — одна из причин возникновения течений, тоже существенно влияющих на климат. Резкие колебания температуры в горных районах вызывают неравномерное расширение и сжатие горных пород — возникают трещины, приводящие к постепенному разрушению гор, а следовательно, к изменению рельефа.

Явление теплового расширения часто используется в технике и быту. Так, для автоматического выключения и включения электрических устройств применяют биметаллические пластины. Действие таких пластин основано на том, что при нагревании разные металлы расширяются по-разному (рис. 2.5). Тепловое расширение воздуха помогает равномерно прогреть квартиру, охладить продукты в холодильнике, проветрить помещение (почему и как это происходит, вы узнаете из § 6).

Рис. 2.5. Для автоматического отключения нагревательных устройств (например, чайника) используют биметаллические пластины (а). При увеличении температуры металлическая полоса 1 расширяется намного больше, чем полоса 2, изготовленная из другого металла, поэтому пластина выгибается (б) и размыкает электрическую цепь

Тепловое расширение следует принимать во внимание при строительстве мостов (рис. 2.6) и линий электропередачи, прокладке отопительных труб, укладке железнодорожных рельсов, изготовлении железобетонных конструкций и во многих других случаях.

Рис. 2.6. Чтобы мост не выгибался во время жары и не разрушался в мороз, его делают из отдельных секций, соединенных специальными сочленениями (ряды зубцов смыкаются в жару и расходятся в мороз)

Подводим итоги

Как правило, твердые тела, жидкости и газы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Твердые тела и жидкости расширяются намного меньше, чем газы. Изменение размеров тела вследствие изменения температуры зависит от вещества, из которого состоит данное тело.

Причина теплового расширения заключается в том, что с увеличением температуры увеличивается скорость движения частиц вещества (атомов, молекул, ионов) и в результате увеличивается среднее расстояние между частицами.

Явление теплового расширения учитывают и используют в технике и быту. Оно играет очень важную роль в природе.

Контрольные вопросы

1. Приведите примеры, подтверждающие, что твердые тела, жидкости и газы расширяются при нагревании. 2. Опишите опыты, демонстрирующие тепловое расширение газов, жидкостей, твердых тел. 3. В чем причина увеличения объема тел при нагревании? 4. От чего (кроме температуры) зависит изменение размеров тел при их нагревании или охлаждении? 5. Каковы особенности теплового расширения воды? 6. Приведите примеры применения теплового расширения в технике, быту.

Упражнение № 2

1. Выберите все правильные окончания предложения.

Когда тело охлаждается, то уменьшается...

  • а) скорость движения его частиц
  • б) расстояние между его частицами
  • в) количество его частиц
  • г) размеры его частиц

2. Как изменится объем воздушного шарика, если его перенести из холодного помещения в теплое? Поясните свой ответ.

3. Вспомните опыт с медным шаром, который после нагревания не проходит сквозь кольцо (см. рис. 2.3). Как изменяются при нагревании объем, масса, плотность шара; средняя скорость движения его частиц?

4. Представьте, что резервуар жидкостного термометра вместо спирта или ртути заполнен водой. Почему такой термометр неудобен?

5. Почему на точных измерительных приборах указывают температуру?

6. Что может произойти, если налить в стакан кипяток? Поясните свой ответ с точки зрения теплового расширения тел.

7. Металллический шарик падает на пол с некоторой высоты. Какие преобразования механической энергии происходят во время падения шарика? Куда «исчезает» механическая энергия шарика после удара о пол?

Экспериментальные задания

1. «Тепловые весы». Изготовьте «весы», реагирующие на изменение температуры (см. рисунок).

Для этого:

  • 1) возьмите стальную спицу и пропустите ее через обрезок моркови;
  • 2) с обеих сторон спицы воткните в обрезок две булавки, а на каждый конец спицы насадите небольшую морковку так, чтобы большая часть корнеплода была расположена внизу;
  • 3) установите булавки острыми концами на дно стакана и, передвигая морковки, уравновесьте «весы».

Поставьте под одним из плечей «весов» зажженную свечу — через некоторое время это плечо опустится; уберите свечу — плечо вернется в первоначальное положение. Объясните наблюдаемое явление.

2. Как при помощи дощечки, молотка и двух гвоздиков продемонстрировать, что размер монеты в 5 копеек в результате нагревания увеличивается? Выполните соответствующий опыт, используя пинцет (щипцы или пассатижи). Объясните наблюдаемое явление.

Видеоопыт. Посмотрите видеоролик, объясните наблюдаемое явление.