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

§ 4. Досліджуємо теплове розширення тіл

- Вероніко, чи звернула ти увагу на те, що на уроках хімії для нагрівання рідини використовують дуже тонкостінні колби?

- Так. Краще б вони були товстостінні. Мені здається, що так надійніше. Чи я помиляюсь?

ДОСЛІДЖУЙ

Виконуй досліди з дотриманням правил безпеки життєдіяльності!

Виконай досліди або поясни за малюнками, що відбувається із повітряною (мал. 4.1, а) та металевою (мал. 4.1, б) кульками під час їх нагрівання.

Мал. 4.1. Як змінюється об’єм кульок?

• Переглянь в е-додатку анімаційну модель теплового розширення тіл (4.1).

ДІЗНАВАЙСЯ

Що відбувається з речовиною за її нагрівання? Більшість речовин, нагріваючись, розширюються. Найбільшого розширення під час нагрівання зазнають гази. Властивість газів багаторазово збільшувати свій об’єм унаслідок нагрівання широко використовується у повсякденному житті (наприклад, політ на повітряній кулі, робота двигунів внутрішнього згорання). Утворення вітру також є наслідком розширення повітря. Оскільки атмосферне повітря прогрівається нерівномірно, то є області, де розширення відбувається інтенсивніше, що й зумовлює переміщення повітряних мас — вітер, атмосферний фронт (мал. 4.2).

Мал. 4.2. Утворення холодного (а) і гарячого (б) атмосферного фронту

Теплове розширення характерне і для рідин та твердих тіл. Так, на залежності об’єму спирту від температури ґрунтується дія спиртових термометрів. Рідини завдяки нагріванню розширюються значно менше, аніж гази, але значно більше, ніж тверді тіла. Відмінність теплового розширення твердих тіл і рідин необхідно враховувати під час конструювання термометрів, адже під час нагрівання розширюється не тільки рідина (ртуть або спирт), а й дуже тоненька скляна трубочка, у якій вона міститься.

- Здається, я можу пояснити, чому хімічний посуд, у якому кип’ятять воду, теж тонкостінний.

Якби стінки скляної колби були досить товсті, то вони прогрівались би не одразу по всій товщині. Спочатку прогрівається внутрішня частина стінки, внаслідок чого вона розширюється, а зовнішня частина, що ще не встигла прогрітися, «протидіє» цьому — скло тріскається. Саме тому хімічні колби тонкостінні.

Найпоширенішою рідиною є вода, яка має багато властивостей, що виділяє її з-поміж інших рідин. Зокрема, для води характерне не притаманне іншим рідинам розширення під час охолодження. Охолоджуючись, вода спочатку (як і всі рідини) стискується, досягаючи максимальної густини за температури +4 °С (точніше, за +3,98 °С), а потім починає розширюватись, хоча її температура продовжує знижуватися (мал. 4.3, а). Ця властивість зумовлена будовою молекули води (пригадуєш, взаємне розташування двох атомів Гідрогену й атому Оксигену утворює диполь, с. 15). Нерівномірне прогрівання (а отже, і розширення) води в морях і океанах спричинює утворення течій, які суттєво впливають на клімат відповідної місцевості (мал. 4.3, б).

Мал. 4.3. а — розширення води при замерзанні; б — теплі і холодні течії

Температура повітря в наших широтах протягом року може змінюватися від -30 до +30 °С. Такі зміни температури спричинюють значні видовження й стискання різних конструкцій. Щоб уникнути руйнування, споруди, мости, трубопроводи будують з окремих секцій, з’єднуючи їх так, щоб вони могли щільно притискатись у спеку й достатньо розходитись у холодну пору року.

Якщо з’єднати дві пластинки з різних металів (наприклад, заліза та міді), то в разі нагрівання вони вигинаються по-різному (мал. 4.4, а), що має корисну дію, наприклад для вмикання чи вимикання (мал. 4.4, б) електронагрівального приладу, наприклад електричного чайника (мал. 4.4, в).

Мал. 4.4. Використання біметалевих пластин

У природі розширення твердих тіл можна побачити на прикладі прогрівання гірських порід. Оскільки ступінь розширення залежить як від температури, так і від виду гірської породи, то розширення і стискання відбуваються нерівномірно. Це призводить до руйнування гір й утворення тріщин.

Як виміряти лінійне видовження тіла внаслідок його нагрівання?

Тобто внаслідок такого нагрівання довжина стрижня стане 1,000012 м. На перший погляд здається, що таке незначне видовження особливо ні на що не впливає. Однак якщо інженери та будівельники не врахують теплове розширення, то будівлі, мости, лінії електропередач, колії залізниці зазнають руйнування.

ДУМАЙ

1. Що спричинює збільшення об’єму тіл під час нагрівання?

2. Від чого, окрім температури, залежить зміна розмірів тіл під час їхнього нагрівання або охолодження?

3. Укажи, як у досліді (мал. 4.1, б) унаслідок нагрівання змінилися: об’єм кулі; маса кулі; густина кулі; середня швидкість руху атомів металу.

4. Обери всі правильні твердження.

Коли тіло охолоджується, то зменшується/зменшуються...

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

5. Чому стоматологи не радять їсти дуже гарячу їжу?

ДІЙ

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. За допомогою точних вимірювань зафіксували значення об’єму, який займає 1 кг води під час нагрівання від 0 до 8 °С. Як змінюється об’єм від 0 до 4 °С? Від 4 до 8 °С? Чому говорять про особливості теплового розширення води?

Температура, °С	Об’єм, см³
0	1000,12
1	1000,07
2	1000,03
3	1000,01
4	1000,00
5	1000,01
6	1000,03
7	1000,07
8	1000,11

• Виконай в е-додатку відеозавдання (4.2.1, 4.2.2, 4.2.3).

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

Виконуй досліди з дотриманням правил безпеки життєдіяльності!

1. Поклади порожню пластмасову півлітрову пляшку без кришки у холодильник (можна в морозильник) на 2-3 год. Налий у прозору склянку воду, підігріту до 40-50 °С. Дістань з морозильника порожню пляшку і постав її горлом у склянку з водою. Спостерігай, що відбувається. Поясни.

2. Із вказаного переліку вибери прилади, які тобі знадобляться для визначення коефіцієнта лінійного розширення металевого стрижня (терези; лінійка; ареометр; мікрометр; термометр; барометр). Опиши твій спосіб вимірювання.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

Роздивись світлини (мал. 4.5). Підготуй інформацію про наведені приклади теплового розширення.