Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

§ 2. Залежність розмірів фізичних тіл від температури

Якщо ви досить спостережливі, то, можливо, звертали увагу ось на що. Влітку електричні дроти провисають набагато сильніше, ніж узимку, тобто влітку вони виявляються довшими. Якщо набрати повну пляшку холодної води та поставити її відкритою в тепле місце, то згодом частина води з пляшки виллється. Повітряна кулька, винесена з кімнати на мороз, зменшується в об’ємі. Спробуємо розібратися, чому так.

1. Переконуємося в тепловому розширенні твердих тіл, рідин і газів

Нескладні досліди й численні спостереження переконують у тому, що, як правило, тверді тіла, рідини й гази під час нагрівання розширюються, а під час охолодження — стискуються.

Теплове розширення газів можна спостерігати за допомогою колби, заповненої повітрям. Шийку колби щільно закоркуємо, а в корок уставимо скляну трубку. Зануримо скляну трубку в посудину з водою. Тепер досить узятися за колбу рукою і в такий спосіб нагріти її. У результаті повітря в колбі розшириться та виходитиме у вигляді бульбашок із трубки під водою (рис. 2.1).

Для спостереження теплового розширення рідин наповнимо колбу підфарбованою водою та закоркуємо так, щоб частина рідини потрапила у скляну трубку, розміщену в корку (рис. 2.2, а). Зафіксуємо, на якому рівні розташована рідина в трубці, й опустимо колбу в посудину з гарячою водою. Спочатку рівень води в трубці трохи знизиться (рис. 2.2, б), і це пояснюється тим, що спочатку нагрівається й розширюється колба, а вже потім, нагріваючись, розширюється вода. Через деякий час переконаємося, що в міру нагрівання колби та води в ній рівень рідини в трубці помітно підвищується (рис. 2.2, в). Отже, рідини, як і гази, під час нагрівання розширюються.

Рис. 2.1. Нагріваючись, повітря в колбі розширюється, і деяка його частина виходить із колби — біля отвору трубки утворюються бульбашки повітря

Рис. 2.2. Дослід, який демонструє, що під час нагрівання рідина розширюється.

Закорковану колбу з рідиною в трубці (а) помістили в посудину з гарячою водою. Рівень рідини в трубці спочатку трохи знизився (б), а через деякий час — значно підвищився (в)

Поясніть принципи роботи рідинного термометра.

Теплове розширення твердих тіл можна продемонструвати за допомогою пристрою, який винайшов нідерландський фізик Вільгельм Якоб Ґравезанд (1688-1742). Пристрій являє собою мідну кульку, яка легко проходить крізь пригнане до неї кільце. Нагріємо кульку в полум’ї спиртівки — нагріта кулька крізь кільце не проходитиме (рис. 2.3, а). Після охолодження кулька знову легко пройде крізь кільце (рис. 2.3, б).

На вашу думку, чи пройде кулька крізь кільце, якщо нагріти не кульку, а кільце?

2. З’ясовуємо причину теплового розширення

У чому ж причина збільшення об’єму тіл під час нагрівання, адже кількість частинок речовини (молекул, атомів, йонів) у тілі зі збільшенням температури не змінюється?

Теплове розширення тіл пояснюється так. Зі збільшенням температури збільшується кінетична енергія частинок речовини, з яких складається тіло. Середня відстань між частинками також збільшується, і, відповідно, збільшується об’єм тіла. І навпаки, зі зниженням температури тіла кінетична енергія частинок зменшується, проміжки між частинками зменшуються теж і, відповідно, зменшується об’єм тіла.

3. Характеризуємо теплове розширення тіл

Зрозуміло, що не всі тіла під час нагрівання на ту саму температуру розширюються однаково. Дослідним шляхом з’ясовано, що тверді тіла та рідини розширюються набагато менше, ніж гази.

Теплове розширення тіла залежить від речовини, з якої складається тіло. Візьмемо алюмінієву трубку за кімнатної температури та виміряємо її довжину. Потім нагріємо трубку, пропускаючи крізь неї гарячу воду. Через деякий час переконаємося, що довжина трубки трохи збільшилась. Замінивши алюмінієву трубку на скляну тієї самої довжини, побачимо, що за умови однакового збільшення температури скляна трубка видовжується набагато менше, ніж алюмінієва.

Рис. 2.3. Пристрій Ґравезанда, за допомогою якого ілюструють теплове розширення твердих тіл: а — у нагрітому стані кулька не проходить крізь кільце; б — після охолодження кулька крізь кільце проходить

Слід зазначити, що існують речовини, об’єм яких на певному інтервалі температур під час нагрівання зменшується, а під час охолодження — збільшується. До таких речовин належать вода, чавун і деякі інші. Вода, наприклад, під час охолодження до 4 °С (точніше, до 3,98 °С) стискується, як і більшість речовин. Однак починаючи з температури 4 °С і до замерзання (0 °С) вода розширюється. Саме завдяки цій властивості річки, моря й океани не промерзають до дна навіть у сильні морози. Адже саме за температури 4 °С вода має найбільшу густину і тому опускається на дно водойми. За температури ж 0 °С густина води є меншою, тому така вода залишається на поверхні й замерзає — перетворюється на лід (рис. 2.4). Оскільки густина льоду менша від густини води, лід розташовується на поверхні води та надійно захищає водойму від глибокого промерзання. Зазначені властивості води мають неабияке значення для життя різноманітних водоростей, риб та інших істот у водоймах.

Поміркуйте, який вигляд мали б водойми, якби вода, як і більшість речовин, під час охолодження завжди зменшувалася б в об’ємі, а густина льоду була би більшою за густину води.

Рис. 2.4. Розподіл температур у глибокій водоймі взимку. Найвища температура води — на дні водойми, найнижча (0 °С) — безпосередньо під шаром льоду

4. Знайомимося з тепловим розширенням у природі й техніці

Здатність тіл змінювати свої розміри під час змінення температури відіграє дуже важливу роль у природі. Про особливості теплового розширення води ви вже дізналися. Розглянемо інші приклади.

Поверхня Землі прогрівається нерівномірно. У результаті повітря поблизу її поверхні прогрівається і розширюється теж нерівномірно — утворюються вітри, які, в свою чергу, впливають на зміну погоди і клімат. Нерівномірне прогрівання води в морях і океанах — одна з причин виникнення течій, які теж суттєво впливають на клімат. Різкі коливання температури в гірських районах викликають нерівномірні розширення та стискання гірських порід — виникають тріщини, що спричиняють руйнування гір, а отже, зміну рельєфу.

Явище теплового розширення широко використовується в техніці та побуті. Так, для автоматичного вимикання та вмикання електричних пристроїв використовують біметалеві пластинки. Дія таких пластинок заснована на тому, що різні метали по-різному розширюються під час нагрівання (рис. 2.5). Теплове розширення повітря допомагає рівномірно прогріти квартиру, остудити продукти в холодильнику, провітрити помешкання (чому і як це відбувається, ви дізнаєтесь із § 6).

Рис. 2.5. Для автоматичного вимкнення електронагрівальних пристроїв (наприклад, чайника) використовують біметалеві пластинки (а).

У разі збільшення температури металева смуга 2 розширюється більше, ніж смуга 1, виготовлена з іншого металу, тому пластинка вигинається і розмикає електричне коло (б)

Рис. 2.6. Щоб міст не вигинався під час спеки й не руйнувався в мороз, його виготовляють з окремих секцій, з’єднаних спеціальними зчленуваннями (ряди зубців змикаються під час спеки й розходяться під час морозів)

Теплове розширення слід обов’язково брати до уваги під час будівництва мостів (рис. 2.6) і ліній електропередачі, прокладання труб опалення, укладання залізничних рейок, виготовлення залізобетонних конструкцій і в багатьох інших випадках.

Підбиваємо підсумки

Зазвичай тверді тіла, рідини й гази під час нагрівання розширюються, а під час охолодження стискуються. Тверді тіла та рідини розширюються набагато менше, ніж гази. Зміна розмірів тіла внаслідок зміни температури залежить від речовини, з якої складається це тіло.

Причина теплового розширення полягає в тому, що зі збільшенням температури збільшується швидкість руху частинок речовини (атомів, молекул, йонів) і в результаті збільшується середня відстань між частинками.

Явище теплового розширення враховують і широко використовують у техніці й побуті. Воно відіграє дуже важливу роль у природі.

Контрольні запитання

1. Наведіть приклади на підтвердження того, що тверді тіла, рідини й гази розширюються під час нагрівання. 2. Опишіть досліди, які демонструють теплове розширення газів, рідин, твердих тіл. 3. У чому причина збільшення об’єму тіл під час нагрівання? 4. Від чого (крім температури) залежить зміна розмірів тіл під час їх нагрівання або охолодження? 5. Які особливості теплового розширення води? 6. Наведіть приклади застосування теплового розширення в техніці, побуті.

Вправа № 2

1. Виберіть усі правильні закінчення речення.

Коли тіло охолоджується, то зменшується...

• а) швидкість руху його частинок
• б) відстань між його частинками
• в) кількість частинок тіла
• г) розміри частинок тіла

2. Як зміниться об’єм повітряної кульки, якщо її перенести з холодного приміщення в тепле? Поясніть свою відповідь.

3. Згадайте дослід із мідною кулькою, яка в результаті нагрівання застрягає в кільці (див. рис. 2.3). Як змінюються внаслідок нагрівання об’єм, маса, густина кульки; середня швидкість руху частинок кульки?

4. Уявіть, що термометр для вимірювання температури на вулиці замість спирту заповнили водою. Чому такий термометр буде незручним?

5. Чому на точних вимірювальних приладах зазначають температуру?

6. Якщо в холодну скляну банку налити окріп (або навпаки — налити холодну воду в гарячу банку), банка може тріснути. Поясніть це з точки зору теплового розширення тіл.

7. Металева кулька падає на підлогу з деякої висоти. Які перетворення механічної енергії відбуваються під час падіння кульки? Куди «зникає» механічна енергія кульки після удару об підлогу?

Експериментальні завдання

1. «Теплові терези». Виготовте «терези», які реагують на різницю температур (див. рисунок).

Для цього:

• 1) пропустіть крізь обрізок морквини сталеву в’язальну спицю;
• 2) з обох боків спиці застроміть в обрізок морквини дві булавки, а на кожний кінець спиці насадіть невелику морквину так, щоб більша частина морквини була розташована знизу;
• 3) установіть булавки гострими кінцями на дно склянки і, пересуваючи морквини, зрівноважте «терези».

Розташуйте під одним із плечей «терезів» запалену свічку — через деякий час це плече опуститься; приберіть свічку — плече повернеться до початкового положення. Поясніть спостережуване явище.

2. Як за допомогою дощечки, молотка та двох цвяшків продемонструвати, що розмір монети в результаті нагрівання збільшується? Виконайте відповідний дослід, обов’язково використовуючи пінцет (щипці або пасатижі). Поясніть спостережуване явище.

Відеодослід. Перегляньте відеоролик і поясніть спостережуване явище.