Пізнаємо природу. 6 клас. Біда

§ 6. Що відбувається з тілами за нагрівання

Ти вже знаєш, що температура впливає на розчинність, дифузію, випаровування. З'ясуємо, які ще зміни відбуваються з речовинами під впливом температури і чому це важливо враховувати під час зведення мостів, прокладання труб, виготовлення термометрів і навіть удома на кухні.

1. ЯК ОБ’ЄМ ТВЕРДИХ ТІЛ ЗАЛЕЖИТЬ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ

За нагрівання об’єм більшості твердих тіл збільшується, а за охолодження — зменшується. Таке явище називають тепловим розширенням.

Теплове розширення — це явище збільшення об'єму твердих тіл, рідин і газів за нагрівання і зменшення їхнього об'єму за охолодження.

Причиною теплового розширення є рух частинок, з яких складаються тверді тіла. За нагрівання частинки рухаються швидше, «розштовхують» сусідів, а отже, займають більший об’єм. За охолодження частинки рухаються повільніше, відстані між ними зменшуються, тому й об’єм тіла зменшується.

Мал. 19. Об'єкти, на яких ураховують явище теплового розширення матеріалів

Теплове розширення тіл (відео)

Зазвичай ми не бачимо зміни об’єму тіл зі зростанням температури, оскільки теплове розширення твердих тіл незначне: мідний дріт завдовжки 1 м, нагрітий до 100 °С, видовжується лише на 1,65 мм, а залізний — на 1,15 мм.

Явище теплового розширення матеріалів ураховують під час проєктування мостів, вишок, залізничних колій, під час прокладання ліній електропередач (мал. 19). Бетонні конструкції зміцнюють залізом, яке має таке саме теплове розширення, як і бетон. Лінії електропередач провисають улітку, щоб узимку вони не обірвалися. Між плитами мостів створюють спеціальні температурні шви.

Це цікаво

Кварц — мінерал, у якого дуже мале теплове розширення. Кварцовий посуд можна нагрівати на відкритому полум'ї пальника й відразу ж охолоджувати, наприклад, опустивши його в холодну воду.

2. ЯК ОБ'ЄМ РІДИН ЗАЛЕЖИТЬ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ

Рідини також розширюються за нагрівання. Теплове розширення рідин відчутно більше, ніж твердих тіл. Якщо нагріти на 1 °С воду і скло, узяті за кімнатної температури, то 1 дм³ води збільшиться в об’ємі на 0,21 см³, а скла — лише на 0,002 см³.

Теплове розширення рідин використовують у спиртових термометрах. Важлива деталь їхньої будови — резервуар з підфарбованим спиртом. Коли температура підвищується, спирт розширюється, потрапляє в тоненьку трубочку, з’єднану з резервуаром, і підіймається вгору (мал. 20.2).

Мал. 20: 1 — розширення рідин за нагрівання; 2 — розширення за нагрівання використовують у рідинних термометрах

Ти вже знаєш, що вода — особлива рідина. Переглянувши відео, пригадай, як вона замерзає. Це стосується і її теплового розширення у проміжку між 0 та 4 °С. За нагрівання води від 0 до 4 °С її об’єм не збільшується, а навпаки зменшується.

Лід займає більший об’єм, ніж вода, з якої він утворився. Тому він може зруйнувати металеві труби, асфальтове покриття доріг та скелі, у щілинах яких замерзає вода.

• Пригадай, у чому особливість замерзання води. Наведи приклади, як ця особливість проявляється у природі та побуті.

Прочитай за QR-кодом статтю «Саморобний термометр». Виготов і досліди термометри зі скляної і пластикової пляшок.

Саморобний термометр

Навіщо ми струшуємо термометр

Аномалії води (відео)

3. ЯК ТЕМПЕРАТУРА ВПЛИВАЄ НА ШВИДКІСТЬ ВИПАРОВУВАННЯ

Зі збільшенням температури рідини зростає швидкість руху молекул. Що вища температура, то більше частинок рідини відривається від сусідів, покидає рідину й переходить у газуватий стан.

Кожна рідина має особливу температуру, за якої вона закипає. Під час кипіння рідина випаровується не лише з вільної поверхні, але й по всьому об’єму. Кожна рідина має характерну температуру кипіння. За нормального атмосферного тиску вода кипить за температури 100 °С, етиловий спирт — за температури 78 °С, харчова олія — від 230 до 360 °С (залежно від сорту).

Кипіння та випаровування називають пароутворенням.

Мал. 21: моделі випаровування та кипіння (1); кипіння — це випаровування по всьому об'єму рідини (2)

4. ЯК ВИКОРИСТОВУЮТЬ ТЕПЛОВЕ РОЗШИРЕННЯ ГАЗІВ

Повітряна кулька, яку взимку винесли з кімнати на вулицю, зморщується, тобто зменшується в об’ємі. Це легко помітити, адже теплове розширення газів у сотні й тисячі разів більше, ніж твердих тіл. І навпаки: якщо повітря у кульці нагріти, його об’єм збільшиться. Переконайся в цьому на досліді. Помісти пляшку в холодну воду. На горлечко скляної пляшки одягни гумову кульку. Перемісти пляшку в посудину з гарячою водою. Повітря у пляшці нагріється, збільшить свій об’єм (розшириться) і займе весь доступний об’єм, тобто заповнить кульку.

Зменшення об’єму газів за охолодження використовують у консервації. Гаряче повітря під кришкою охолоджується і зменшується в об’ємі. Тому інколи кришка помітно прогинається всередину.

Наукові суперечки

КОРОТКО ПРО ГОЛОВНЕ

• Теплове розширення — це явище збільшення об'єму твердих тіл, рідин і газів за нагрівання та зменшення їхнього об'єму за охолодження.

• Теплове розширення твердих тіл ураховують у конструюванні мостів, залізничних колій, прокладанні ліній електропередач; теплове розширення рідин і газів використовують у термометрах.

• Кипіння та випаровування називають пароутворенням. Кипіння — це випаровування в усьому об'ємі рідини.

ЗАПИТАННЯ • ЗАВДАННЯ • ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Порівняй теплове розширення твердих тіл, рідин і газів.

2. Наведи приклади використання теплового розширення твердих тіл, рідин і газів.

3. Поясни, у чому різниця між випаровуванням і кипінням.

4. Уважно розглянь будову ртутного термометра. Яке призначення має звуження у трубці, якою рухається ртуть? Прочитай за QR-кодом статтю «Навіщо ми струшуємо термометр» і підготуй проєкт «Секрети ртутного та спиртового термометрів».