§ 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!

Зміст