Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)

§ 11. Залежність розмірів фізичних тіл від температури

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. На рисунку зображено дослід, який можна провести й з побутовими засобами. Висловіть гіпотезу щодо причин спостережуваного явища. Чи можна пояснити тими самими причинами мимовільну зміну об'єму пластикової пляшки, яку поклали в морозильну камеру або взимку винесли з теплої кімнати на вулицю?

1. Як експериментально довести теплове розширення рідин і твердих тіл?

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

Для спостереження теплового розширення рідин наповнимо колбу підфарбованою водою та закоркуємо так, щоб частина рідини потрапила в скляну трубку, розміщену в корку (рис. 11.1, 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. 11.1, б), і це пояснюється тим, що спочатку нагрівається й розширюється колба, а вже потім, нагріваючись, розширюється вода. За деякий час переконаємося, що в міру нагрівання колби та води в ній рівень рідини в трубці помітно підвищується (рис. 11.1, б). Отже, рідини під час нагрівання розширюються.

Рис. 11.1. 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 за 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 Гравезанд (1688-1742). Пристрій являє собою металеву кульку, яка легко проходить крізь пригнане до неї кільце. Нагріємо кульку в полум’ї спиртівки — нагріта кулька крізь кільце не проходитиме (рис. 11.2, а). Після охолодження кулька знову легко пройде крізь кільце (рис. 11.2, б).

Рис. 11.2. Пристрій Гравезанда: а — у нагрітому стані металева кулька не проходить крізь кільце; б — після охолодження кулька проходить крізь кільце

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

2. У чому причина збільшення об’єму тіл під час нагрівання?

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. Виміряємо довжину алюмінієвої трубки за кімнатної температури. Нагріємо трубку, пропускаючи крізь неї гарячу воду. За деякий час довжина трубки трохи збільшиться. Замінивши алюмінієву трубку на скляну тієї самої довжини, побачимо, що за умови однакового збільшення температури скляна трубка видовжується набагато менше.

А ЯК НАСПРАВДІ?

У блозі одного зі ЗМІ з'явилася стаття «Теплове зменшення», де йшлося про речовину, яку активно використовують під час виготовлення сонячних панелей. У коментарях до статті деякі дописувачі вказували автору на помилку й стверджували, що існує тільки теплове розширення. А як вважаєте ви?

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 й 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 й 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. 11.3). 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.

Рис. 11.3. Розподіл температур у глибокій водоймі взимку. Найвища температура води — на дні водойми, найнижча (0 °С) — безпосередньо під шаром льоду

• 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.

4. Теплове розширення в 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 цього повітря поблизу її поверхні прогрівається й розширюється теж нерівномірно — утворюються вітри, які, своєю чергою, впливають на зміну погоди та 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 використовують у 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. 11.4).

Рис. 11.4. 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)

Теплове розширення слід обов’язково брати до уваги під час будівництва мостів (див. заставку до § 11) і ліній електропередачі, прокладання труб опалення (рис. 11.5), укладання залізничних рейок, виготовлення залізобетонних конструкцій і в багатьох інших випадках.

Рис. 11.5. Щоб трубопроводи для передачі гарячої води не пошкоджувалися внаслідок зміни температури, конструктори створюють розширювальну петлю

Теплове розширення повітря допомагає рівномірно прогріти квартиру, остудити продукти в холодильнику, провітрити помешкання (чому і як це відбувається, ви дізнаєтесь із § 14).

ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ

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. Які особливості теплового розширення води? 5. Наведіть приклади застосування теплового розширення в техніці, побуті.

ВПРАВА № 11

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. 11.2). 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. Чи буде такий термометр зручним?

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 погляду 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?

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

Виготовте «теплові терези», що реагують на різницю температур (див. рисунок). Зрівноважте «терези». Розташуйте під одним із плечей запалену свічку — за деякий час це плече опуститься; приберіть свічку — плече повернеться до початкового положення. Поясніть спостережуване явище.