Фізика. 8 клас. Пістун

§ 3. Залежність розмірів фізичних тіл від температури

  • Що називається фізичним тілом, речовиною?
  • Які явища доводять складну будову речовини?

1. Ви вже знаєте, що всі тіла складаються з дрібних частинок (молекул, атомів, йонів), між якими є проміжки. Досліди показують, що як правило при нагріванні фізичні тіла розширюються, а при охолодженні — стискуються. Зміна розмірів тіла при його нагріванні називається тепловим розширенням.

Можна провести наступний дослід. Металева кулька вільно проходить крізь кільце (рис. 6, а). Підвісимо кульку на штативі й нагріємо в полум’ї спиртівки. Кулька через кільце не пройде (рис. 6, б). Це означає, що її об’єм збільшився, або, інакше кажучи, кулька при нагріванні розширилась. Розширення можливе завдяки тому, що частинки, з яких складається кулька, знаходяться на деяких відстанях одна від одної, тобто між ними є проміжки. При нагріванні ці проміжки збільшуються.

Рис. 6

У твердого тіла розрізняють лінійне розширення — зміна розмірів (довжини, ширини, висоти) тіла та об’ємне розширення тіла — зміна об’єму тіла при нагріванні.

2. Розширюються при нагріванні й рідини. Оскільки рідини не мають певної форми, то немає змісту говорити про лінійне розширення рідин. Об’ємне розширення рідин можна спостерігати на досліді. Наллємо в колбу воду і закриємо її корком, в яку вставлена скляна трубка так, щоб частина рідини була в трубці (рис. 7, а). Якщо воду в колбі нагріти, то через деякий час можна помітити підвищення рівня води в трубці (рис. 7, б).

3. Дослідно встановлено, що тверді тіла та рідини при нагріванні розширюються значно менше, ніж гази. Розширення газів можна спостерігати на такому досліді.

Зануримо шийку колби з повітрям у посудину з водою (рис. 8). Нагріємо колбу полум’ям спиртівки чи просто руками. При цьому з неї почнуть виходити бульбашки повітря і підніматися вгору. Це пояснюється тим, що під час нагрівання повітря розширюється і частково виходить із колби.

Рис. 7

Рис. 8

4. Отже, внаслідок нагрівання збільшується відстань між молекулами (атомами) речовини, внаслідок чого збільшується і об’єм тіла. При зменшенні температури відстань між молекулами зменшується і, відповідно, зменшується і об’єм тіла. Винятком є вода, чавун та деякі інші речовини. Вода, наприклад, розширюється тільки при нагріванні до температури, більшої за 4 °С, а при нагріванні від 0 °С до 4 °С об’єм води зменшується, а густина збільшується.

Різні тіла по-різному змінюють свої розміри при нагріванні, оскільки теплове розширення тіл залежить від речовини, з якої виготовлене тіло.

5*. Для того, щоб визначити, яким чином залежать розміри твердого тіла від температури, потрібно знати, як змінюються лінійні розміри тіла при збільшенні температури на 1 °С.

Фізична величина, яка чисельно дорівнює відношенню зміни довжини тіла до його початкової довжини при нагріванні на 1 °С, називається температурним коефіцієнтом лінійного розширення і позначається літерою а:

де ∆l = l - l0 — зміна довжини тіла; ∆t = t - t0 — зміна температури тіла;

l0 — початкова довжина тіла при температурі t0.

Відповідно довжина тіла при температурі t:

l = l0(1 + α(t - t0)) .

Одиницею коефіцієнта лінійного розширення є 1/°С. Температурні коефіцієнти лінійного розширення деяких речовин подано в таблиці 1.

Таблиця 1

Температурні коефіцієнти лінійного розширення деяких речовин

Тверда речовина

α, 1/°С

Тверда речовина

α, 1/°С

Цегла

0,000005

Мідь

0,000017

Скло

0,000009

Срібло

0,000019

Сталь

0,000012

Алюміній

0,000024

Золото

0,000014

Свинець

0,000029

6. Теплове розширення враховується в техніці. Залізничні рейки, як і всі тіла, змінюють свою довжину при охолодженні і нагріванні. Якби рейки щільно прилягали одна до одної, то при зміні температури в них виникали би великі напруження, які могли б призвести до їхнього руйнування. Тому, вкладаючи рейки, між ділянками завдовжки 100-150 м залишають зазор. Зимою цей зазор збільшується, а літом — зменшується.

Властивість тіл, виготовлених з різних речовин, по-різному змінювати свою довжину при нагріванні також широко використовується. Візьмемо дві пластинки, виготовлені, наприклад, з міді та заліза, з’єднаємо їх (рис. 9, а) і будемо нагрівати. Мідна пластинка розширюється сильніше, ніж залізна, тому пластинки прогнуться (рис. 9, б). Такі пластинки називають біметалевими. Їх використовують у термометрах і регуляторах температури.

Рис. 9

Запитання для самоперевірки

  • 1. Що відбувається з тілами при нагріванні?
  • 2. Чи змінюються розміри молекул при нагріванні?
  • 3. Яка причинна розширення тіл при нагріванні?
  • 4. Які речовини розширюються при нагріванні найбільше?
  • 5. Наведіть приклади дослідів, що підтверджують розширення твердих тіл, рідин та газів при нагріванні.
  • 6. Які особливості теплового розширення води?

Завдання 3

  • 1. Чому стовпчик термометра «піднімається» при підвищенні температури середовища?
  • 2. Що відбуватиметься з повітряною кулькою, якщо її взимку винести з теплого приміщення на вулицю?
  • 3*. На скільки збільшиться довжина алюмінієвого дроту лінії електропередачі літом при температурі 30 °С, якщо зимою при температурі 0 °С її довжина становить 150 м?
  • 4. Виконайте дослід, який доводить, що тверді тіла при нагріванні розширюються. Візьміть монету, покладіть на дощечку і вбийте в дощечку два цвяхи, що обмежують монету. Вона повинна проходити між цвяхами. Візьміть монету плоскогубцями і нагрійте. Перевірте, чи проходить монета між цвяхами. Поясніть результати досліду. Будьте обережні при нагріванні монети!