jako rękopis

Ministerstwo Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej

Państwowy Uniwersytet Architektury i Inżynierii Lądowej w Wołgogradzie

Wydział Fizyki

ROZSZERZALNOŚĆ TERMICZNA CIAŁA STAŁYCH

Wytyczne do pracy laboratoryjnej nr 10

Wołgograd2013

UKD 537(076.5)

Rozszerzalność cieplna ciał stałych: Metoda. instrukcje do pracy laboratoryjnej / komp. , ; WołgGASA, Wołgograd, lata 20.

Celem tego laboratorium jest pomiar współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej ciała stałego. Podano definicje współczynników rozszerzalności liniowej i objętościowej. Wyjaśniono zjawisko rozszerzalności cieplnej. Podano opis metody pomiaru. Opisano procedurę wykonywania pracy. Podane są zasady bezpieczeństwa i pytania kontrolne.

Dla studentów wszystkich specjalności w dyscyplinie „Fizyka”

Il. 5. Tab. 2. Bibliografia. 2 tytuły

© Państwowa Akademia Architektury i Inżynierii Lądowej w Wołgogradzie, 2002

© Kompilacja, 2002

Cel ─ pomiar współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej ciała stałego.

Instrumenty i akcesoria . 1. Metalowa rurka. 2. Ogrzewanie elektryczne. 3. Czujnik rozszerzenia. 4. Termopara. 5. Miliwoltomierz (lub miliamperomierz). 6. Autotransformator laboratoryjny (LATR).

1. WPROWADZENIE TEORETYCZNE

Wszystkie ciała rozszerzają się po podgrzaniu i kurczą po ochłodzeniu. W przypadku ciał stałych sensowne jest mówienie o rozszerzalności liniowej. Zależność długości od temperatury bierze się pod uwagę przy nagrzewaniu przewodów na liniach energetycznych, układaniu rurociągów parowych, budowaniu mostów, układaniu szyn itp.

Aby scharakteryzować takie rozszerzenie, wprowadzamy następującą notację: http://pandia.ru/text/80/058/images/image002_97.gif" width="16" height="25"> to długość tego samego ciała w temperaturze K. Zmiana długości ciała po podgrzaniu od do to http://pandia.ru/text/80/058/images/image007_40.gif" width="97" height="52 src=">

Stosunek względnej zmiany długości do zmiany temperatury, która ją powoduje, nazywamy współczynnikiem liniowej rozszerzalności cieplnej:

(1)

Przy dużych zmianach temperatury lub przy dużej dokładności pomiarów i obliczeń współczynnika a nie można uznać za stały. Wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i maleje wraz ze spadkiem, dążąc do zera w pobliżu zera bezwzględnego. Wartości współczynników liniowej rozszerzalności cieplnej podano w tabeli. jeden.

Tabela 1

Ze wzoru (1) wynika, że ​​długość ciała w dowolnej temperaturze

(2)

Aby scharakteryzować rozszerzanie objętościowe ciał, wprowadza się następujące oznaczenia: i - odpowiednio, objętości ciała w temperaturze po podgrzaniu do

http://pandia.ru/text/80/058/images/image015_29.gif" width="168" height="52"> (3)

Objętość ciała w dowolnej temperaturze

(4)

Dla ciał stałych w tabeli. 1 wprowadza się tylko współczynniki rozszerzalności liniowej, ponieważ istnieje pewna zależność między współczynnikami rozszerzalności liniowej i rozszerzalności objętościowej.

Jeśli weźmiemy sześcian z danej substancji z krawędzią w temperaturze (rys. 1), jej objętość po podgrzaniu przez długość krawędzi wzrasta do objętości do tj. Podstaw te wzory w (2) i (4)

http://pandia.ru/text/80/058/images/image024_17.gif" width="299 height=28" height="28">

Współczynnik rozszerzalności liniowej dla brył Dlatego w tym wyrażeniu wyrażenia zawierające a2 i a3 można pominąć jako nieskończenie małe wyższe rzędy w odniesieniu do liczby zawierającej a do pierwszej potęgi. Okazało się gdzie

Jeśli masa ciała m pozostaje stała przy zmianie temperatury, to gęstość substancji musi zależeć od temperatury, ponieważ objętość zmienia się wraz z temperaturą..gif" width="69" height="52"> i temperaturą T formuła http://pandia.ru/text/80/058/images/image030_10.gif" width="239" height="52"> (6)

Przy obliczaniu należy wziąć pod uwagę, że tabele wskazują gęstość substancji w 273 K. Gęstość w innych temperaturach oblicza się według wzoru (6).

W niektórych kryształach po podgrzaniu ich wymiary liniowe rosną nierównomiernie w niektórych kierunkach, w pewnych określonych kierunkach nie tylko rosną, ale wręcz maleją. Takie zjawisko nazywa się anizotropia.

W ciele stałym atomy wykonują drgania termiczne w stosunku do węzłów sieci krystalicznej. Na ryc. 2 pokazuje dwa najbliższe atomy, odległość r pomiędzy którymi zmienia się podczas drgań..gif" width="76" height="25 src="> Amplituda drgań termicznych atomów ciał stałych nie przekracza 10% odległości równowagowej między atomami (tj. x – mała wartość). Jeśli atomy zostaną przesunięte z ich początkowej pozycji o x, to energia potencjalna ich oddziaływania wynosi

(7)

gdzie ale I b są dodatnimi stałymi współczynnikami;

jest minimalną wartością energii potencjalnej.

Na Fig..gif "width="13" height="15"> (linia ciągła). Asymetryczna natura tej krzywej jest oczywista. Znajdźmy siłę oddziaływania atomów

(8)

Kiedy atomy zbliżają się do http://pandia.ru/text/80/058/images/image041_5.gif" width="48" height="24"> siła i oddziaływanie mają charakter odpychania. oddalanie się, czyli siła, która odpowiada przyciąganiu..gif" width="51" height="23"> co jest zgodne z definicją r 0 jako odległość równowagowa. Jeżeli współczynnik b była równa zero, to energia potencjalna i siła oddziaływania przyjęłyby postać

(9)

co odpowiadałoby harmonicznym wibracjom atomów. Wykres energii potencjalnej w tym przypadku jest krzywą symetryczną (rys. 3, krzywa kropkowana). ze względu na symetrię krzywej potencjału, chociaż wzrost temperatury spowodowałby wzrost amplitudy drgań atomów, średnia odległość między atomami pozostałaby bez zmian http://pandia.ru/text/80/058/images/ image068_5.gif height="24 src="> powoduje rozszerzalność cieplną ciał stałych.

Rozszerzalność cieplna ciał stałych na ogół wykazuje anizotropię. Na przykład kryształ kalcytu (CaCO3) rozszerza się w jednym kierunku po podgrzaniu (O x) i kurczy się w innych (O Na, O Z). Jeśli kula jest wykonana z takiego kryształu, to po podgrzaniu zamienia się w elipsoidę.

2. TECHNIKA POMIAROWA

Na ryc. 5 przedstawia konfigurację laboratoryjną. Napięcie z LATR jest dostarczane do elektrycznej cewki grzejnej zamontowanej w rurze, której rozszerzalność cieplna jest badana. Jeden z końców rury jest sztywno zamocowany, drugi jest swobodny i opiera się o czujnik wydłużenia. Temperaturę rurki mierzy się za pomocą termopary, której jedno ze złączy jest przymocowane do rurki. Do pomiaru termoEMF używany jest miliwoltomierz (lub miliamperomierz).

3. KOLEJNOŚĆ WYKONYWANIA PRACY

1. Sprawdź podłączenie miliwoltomierza (lub miliamperomierza) do zacisków „termopary”, a autotransformatora do zacisków „do LATR”.

2. Określ wartość podziału miliwoltomierza (lub miliamperomierza) na granicy pomiaru wskazanej w wersji instrukcji na komputery stacjonarne.

3. Sprawdź ustawienie czujnika wydłużenia na zero, zrozum jego skalę, określ wartość podziału.

4. Uzyskaj zgodę nauczyciela, włącz LATR w sieci. Obróć pokrętło LATR zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż się zatrzyma, ustaw napięcie ogrzewania elektrycznego.

5. Rozgrzaniu metalowej rurki towarzyszyć będzie wydłużenie, które będzie mierzone przez przetwornik. Temperaturę nagrzewania rury, mierzoną od temperatury pokojowej, mierzy się termoparą za pomocą miliwoltomierza i wykresu kalibracyjnego. W momencie, gdy wydłużenie wynosi 0,1 mm, zapisz w tabeli. Odczyty 2 miliwoltomierzy..gif" width="65" height="23"> mm, przekręć uchwyt LATR w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, aż się zatrzyma i wyłącz LATR z sieci.

7. Zmierz odczyty miliwoltomierzy dla tych samych wartości w mm; 0,5 mm; 0,4 mm; 0,3 mm; 0,2 mm, 0,1 mm w trybie chłodzenia.

8. Użyj krzywej kalibracji dostarczonej z zestawem laboratoryjnym, aby określić temperaturę ogrzewania dla każdej wartości D ja zarówno podczas grzania jak i chłodzenia..gif" width="67 height=48" height="48"> znajdź wartości współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej i wpisz w Tabeli 2.

10. Narysuj wydłużenie D na papierze milimetrowym. ja od temperatury DT.

· Zachowaj ostrożność podczas obsługi. Unikaj kontaktu w miejscach, gdzie stykają się prądy lub przewody.

· Nie dopuszczaj do przegrzania urzdzenia.

· W przypadku awarii skontaktuj się z prowadzącym lub wezwij asystenta laboratorium dyżurującego.

· Nie pozostawiaj urządzenia podłączonego do sieci po zakończeniu prac.

PYTANIA TESTOWE

1. Zdefiniuj współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej. Jaki jest rząd wielkości tego współczynnika?

2. Fizyczne znaczenie objętościowego współczynnika rozszerzalności cieplnej. Jaki jest rząd wielkości?

3. Jak są ze sobą powiązane współczynniki termicznej rozszerzalności liniowej i objętościowej? Wyprowadź wzór (5).

4. Wyjaśnij rozszerzalność cieplną za pomocą krzywej energii potencjalnej oddziaływania atomów.

5. Jak współczynnik rozszerzalności cieplnej zależy od temperatury?

6. Jak gęstość ciała stałego zależy od ogrzewania?

7. Co nazywa się anizotropią rozszerzalności cieplnej?

8. Jak mierzy się współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej w tym laboratorium?

Lista bibliograficzna

1. Kurs fizyki. M.: Wyższe. szkoła, 1999

2. Kurs fizyki / , . M.: Wyższe. szkoła, 1999

[Test fizyczny 24] Siły oddziaływania międzycząsteczkowego. Zagregowany stan skupienia. Charakter ruchu termicznego cząsteczek w ciałach stałych, ciekłych, gazowych i jego zmiana wraz ze wzrostem temperatury. Rozszerzalność cieplna Liniowa ekspansja ciał stałych po podgrzaniu. Rozszerzalność objętościowa ciał stałych i cieczy. Przejścia między stanami zagregowanymi. Ciepło przemian fazowych. Równowaga faz. Równanie bilansu ciepła.

Siły oddziaływania międzycząsteczkowego.

Oddziaływanie międzycząsteczkowe ma charakter elektryczny. Między nimidziałają siły przyciągania i odpychania, które szybko maleją wraz ze wzrostemodległości między cząsteczkami.Siły odpychające działajątylko na bardzo krótkich dystansach.W praktyce zachowanie materii ijego stan zagregowanyokreślone przez to, co jestdominujące: siły przyciąganialub chaotyczny ruch termiczny.Siły dominują w ciałach stałychinterakcje, więczachowuje swój kształt.

Zagregowany stan skupienia.

• zdolność (ciało stałe) lub niezdolność (ciecz, gaz, plazma) do utrzymania objętości i kształtu,
• obecność lub brak uporządkowania dalekiego zasięgu (ciało stałe) i bliskiego zasięgu (ciecz) oraz innych właściwości.

Charakter ruchu termicznego cząsteczek w ciałach stałych, ciekłych, gazowych i jego zmiana wraz ze wzrostem temperatury.

Ruch termiczny ciał stałych ma głównie charakter oscylacyjny. Na wysokości
temperatury, intensywny ruch termiczny zapobiega zbliżaniu się cząsteczek do siebie - gazowych
stan, ruch cząsteczek jest translacyjny i rotacyjny. . W gazach poniżej 1% objętości
odnosi się do objętości samych cząsteczek. W temperaturach pośrednich
cząsteczki będą jednak stale poruszać się w przestrzeni, zamieniając się jednak miejscami
odległość między nimi jest niewiele większa niż d - ciecz. Charakter ruchu cząsteczek
w cieczy ma charakter oscylacyjny i translacyjny (w momencie, gdy
skok do nowej pozycji równowagi).

Rozszerzalność cieplna tel.

Ruch termiczny cząsteczek wyjaśnia zjawisko rozszerzalności cieplnej ciał. Na
ogrzewanie, amplituda ruchu wibracyjnego cząsteczek wzrasta, co prowadzi do:
wzrost wielkości ciała.

Liniowa ekspansja ciał stałych po podgrzaniu.

Rozszerzalność liniowa bryły sztywnej jest opisana wzorem: L=L0(1+at) , gdzie a jest współczynnikiem rozszerzalności liniowej ~10^-5 K^-1.

Rozszerzalność objętościowa ciał stałych i cieczy.

Rozszerzalność objętościowa ciał jest opisana podobnym wzorem: V = V0(1+Bt), B jest współczynnikiem rozszerzenia objętościowego, a B=3a.
Przejścia między stanami zagregowanymi.

Substancja może znajdować się w stanie stałym, ciekłym, gazowym. Te
stany nazywane są zagregowanymi stanami materii. Substancja może się przemieszczać z
jeden stan do drugiego. Charakterystyczną cechą transformacji materii jest
możliwość istnienia stabilnych układów niejednorodnych, gdy substancja może
znajduje się w kilku stanach agregacji jednocześnie. Opisując takie systemy
używać szerszego pojęcia fazy materii. Na przykład węgiel w postaci stałej
Stan skupienia może występować w dwóch różnych fazach - diamentowej i grafitowej. faza
nazywana całością wszystkich części systemu, która w przypadku braku zewnętrznego
wpływ jest fizycznie jednorodny. Jeśli kilka faz substancji w danym
temperatura i ciśnienie pozostają w kontakcie ze sobą, a jednocześnie masa jednego
faza nie wzrasta z powodu spadku drugiej, wtedy mówi się o równowadze fazowej.

Strona 1

Rozszerzalność cieplna ciała stałego jest związana z anharmonicznością drgań cieplnych (s.

Rozszerzalność cieplna ciał stałych jest bardzo mała, ale nadal można ją wykorzystać do pomiaru temperatury, jeśli, tak jak w przypadku cieczy, zadba się o to, aby tę ekspansję można było łatwo zaobserwować.

Rozszerzalność cieplna ciał stałych charakteryzuje się współczynnikami rozszerzalności liniowej a i objętościowej p. Między wartościami tych współczynników istnieje matematyczna zależność. Dlatego zwykle dla materiału podawana jest tylko wartość współczynnika rozszerzalności liniowej a. Jest ona liczbowo równa wydłużeniu pręta po podgrzaniu o 1 C, który w 0 e C ma długość równą jeden.

Rozszerzalność cieplna ciał stałych jest związana z anharmonicznymi wibracjami atomów. W ciekłym stanie strukturalnym, poza wibracyjnymi stopniami swobody, istnieją inne rodzaje ruchliwości molekularnej, które prowadzą do ciągłej zmiany struktury (na przykład w porządku o krótkim zasięgu) i powstawania wahającej się wolnej objętości. W związku z tym rozszerzalność cieplna w stanie ciekłym jest większa niż w stanie stałym, co dobrze ilustrują polimery podczas ich przechodzenia ze stanu szklistego do wysoce elastycznego.

Przyczyną rozszerzalności cieplnej ciała stałego jest anharmoniczność drgań atomów, spowodowana asymetrią potencjalnego pola sił przyciągania i odpychania.

Pod rozszerzalnością cieplną ciał stałych zrozumieć zmianę ich wymiarów liniowych po podgrzaniu. Należy pamiętać, że podczas obróbki części na maszynie, w procesie usuwania wiórów, duża liczba ciepło, częściowo ogrzeje obrabiany przedmiot. Dlatego wymiary obrabianej części, która ma podwyższoną temperaturę, znacznie odbiegają od wymiarów części chłodzonej.

Co wyjaśnia rozszerzalność cieplną ciał stałych.

Czujniki wykorzystujące bimetale działają również na zasadzie rozszerzalności cieplnej ciał stałych. Płyta bimetaliczna (patrz Tabela VII, 1) składa się z dwóch zespawanych ze sobą warstw metali o różnych współczynnikach rozszerzalności liniowej (ax i a3).

Czujniki wykorzystujące bimetale działają również na zasadzie rozszerzalności cieplnej ciał stałych. Płyta bimetaliczna składa się z dwóch zespawanych ze sobą warstw metali o różnych współczynnikach rozszerzalności liniowej (a i a2).

Przeprowadzono analizę rozszerzalności cieplnej ciał stałych oraz metody obliczania współczynnika rozszerzalności cieplnej. Pokazano, że aby opisać zmianę w c.t.r. w szerokim zakresie temperatur należy brać pod uwagę trzy zakresy zmian temperatury. Wzór może być stosowany zarówno do obliczeń teoretycznych, jak i półempirycznych.

Ich działanie opiera się na rozszerzalności cieplnej ciał stałych. Najprostszy element dylatometryczny (ryc. 37, a) składa się z dwóch prętów: wewnętrznego / długość / i i zewnętrznego 2 długości / 2, mających kształt rury. Współczynnik rozszerzalności liniowej jednego z nich (zwykle zewnętrznego) jest 10-20 razy większy niż drugiego. Pręt aktywny (o wysokim współczynniku rozszerzalności) wykonany jest z miedzi, aluminium, mosiądzu, stali, niklu itp. Do wykonania pręta pasywnego zwykle stosuje się Inwar (64% Fe 36% Ni) lub ceramikę.

Ich działanie opiera się na rozszerzalności cieplnej ciał stałych. Najprostszy element dylatometryczny (ryc. 60, a) składa się z dwóch prętów: wewnętrznego 1 długiego / 1 i zewnętrznego 2 długiego / 2, mających kształt rury. Współczynnik rozszerzalności liniowej jednego z nich (zwykle zewnętrznego) jest 10 - 20 razy większy (element aktywny) niż drugiego. Wykonany jest z miedzi, aluminium, mosiądzu, stali, niklu itp. Pręt pasywny jest zwykle wykonany z inwaru (64% Fe 36% Ni) lub ceramiki.

Pozornie nieznaczna rozszerzalność cieplna ciał stałych może prowadzić do poważnych konsekwencji. Faktem jest, że nie jest łatwo ingerować w rozszerzalność cieplną ciał stałych ze względu na ich niską ściśliwość.

Stąd wynika, że ​​przyczyną rozszerzalności cieplnej ciał stałych jest anharmoniczność drgań atomów w sieci krystalicznej.

Jak wiadomo, objętościowy współczynnik rozszerzalności cieplnej ciała stałego jest równy trzykrotności liniowego współczynnika rozszerzalności cieplnej.

Powszechnie wiadomo, że ciała stałe zwiększają swoją objętość po podgrzaniu. To jest rozszerzalność cieplna. Rozważ przyczyny prowadzące do zwiększenia objętości ciała po podgrzaniu.

Jest oczywiste, że objętość kryształu rośnie wraz ze wzrostem średniej odległości między atomami. Oznacza to, że wzrost temperatury pociąga za sobą wzrost średniej odległości między atomami kryształu. Jaki jest powód wzrostu odległości między atomami po podgrzaniu?

Wzrost temperatury kryształu oznacza wzrost energii ruchu termicznego, czyli drgań cieplnych atomów w sieci (por. s. 459), a w konsekwencji wzrost amplitudy tych drgań.

Jednak wzrost amplitudy drgań atomów nie zawsze prowadzi do wzrostu średniej odległości między nimi.

Gdyby drgania atomów były ściśle harmoniczne, to każdy atom zbliżałby się do jednego ze swoich sąsiadów tak bardzo, jak oddalał się od drugiego, a wzrost amplitudy jego drgań nie prowadziłby do zmiany średniej odległości międzyatomowej, a stąd do rozszerzalności cieplnej.

W rzeczywistości atomy w sieci krystalicznej wykonują wibracje anharmoniczne (tj. nieharmoniczne). Wynika to z charakteru zależności sił oddziaływania między/atomami od odległości między nimi. Jak wskazano na początku tego rozdziału (patrz ryc. 152 i 153), zależność ta jest taka, że ​​przy dużych odległościach między atomami siły oddziaływania między atomami przejawiają się jako siły przyciągania, a wraz ze zmniejszaniem się tej odległości zmieniają swój znak i stają się siłami odpychającymi, szybko rosnącymi wraz ze zmniejszaniem się odległości.

Prowadzi to do tego, że wraz ze wzrostem „amplitudy” drgań atomów w wyniku nagrzewania się kryształu, wzrost sił odpychania między atomami przeważa nad wzrostem sił przyciągania. Innymi słowy, atomowi „łatwiej” jest oddalić się od sąsiada, niż zbliżyć się do drugiego. To oczywiście powinno prowadzić do zwiększenia średniej odległości między atomami, czyli do zwiększenia objętości ciała po podgrzaniu.

Stąd wynika, że ​​przyczyną rozszerzalności cieplnej ciał stałych jest anharmoniczność drgań atomów w sieci krystalicznej.

Ilościowo rozszerzalność cieplna charakteryzuje się współczynnikami rozszerzalności liniowej i objętościowej, które określa się w następujący sposób. Niech ciało o długości I, gdy temperatura zmienia się o stopnie, zmienia swoją długość o Współczynnik rozszerzalności liniowej wyznacza się z zależności

tj. współczynnik rozszerzalności liniowej jest równy względnej zmianie długości przy zmianie temperatury o jeden stopień. Podobnie współczynnik rozszerzalności objętości jest podany przez

tj. współczynnik jest równy względnej zmianie objętości na jeden stopień. to współczynnik rozszerzalności objętościowej kryształu

Dla kryształów o symetrii sześciennej, a także dla ciał izotropowych,

Kula wyrzeźbiona z takich ciał pozostaje kulą nawet po podgrzaniu (oczywiście o większej średnicy).

W niektórych kryształach (na przykład sześciokątne)

Współczynniki rozszerzalności liniowej i objętościowej praktycznie pozostają stałe, jeśli przedziały temperatur, w których są mierzone, są małe, a same temperatury są wysokie. Na ogół współczynniki rozszerzalności cieplnej zależą od temperatury, a ponadto w taki sam sposób jak pojemność cieplna, tj. w niskich temperaturach współczynniki maleją wraz ze spadkiem temperatury proporcjonalnie do sześcianu temperatury, zachowując, jak pojemność cieplna,

do zera przy zera absolutnym. Nie jest to zaskakujące, ponieważ zarówno pojemność cieplna, jak i rozszerzalność cieplna są związane z drganiami sieci: pojemność cieplna podaje ilość ciepła niezbędną do zwiększenia średniej energii drgań cieplnych atomów, która zależy od amplitudy drgań, podczas gdy współczynnik rozszerzalności cieplnej wynosi bezpośrednio związane ze średnimi odległościami między atomami, które również zależą od amplitudy drgań atomów.

Z tego wynika ważne prawo odkryte przez Grüneisena: stosunek współczynnika rozszerzalności cieplnej do atomowej pojemności cieplnej ciała stałego dla danej substancji jest wartością stałą (tj. niezależną od temperatury).

Współczynniki rozszerzalności cieplnej ciał stałych są zwykle bardzo małe, co widać z tabeli. 22. Podane w tej tabeli wartości współczynnika a odnoszą się do zakresu temperatur między a

Tabela 22 (patrz skan) Współczynniki rozszerzalności cieplnej ciał stałych

Niektóre substancje mają szczególnie niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Taką właściwość ma np. kwarc, a innym przykładem jest stop niklu i żelaza (36% Ni), znany jako inwar. Substancje te są szeroko stosowane w precyzyjnym oprzyrządowaniu.

Jeśli ciało zostanie ogrzane, ruch atomów (cząsteczek) będzie intensywniejszy. Popychają się nawzajem i zajmują więcej miejsca. Wyjaśnia to dobrze znany fakt: gdy podgrzane ciała stałe, płynne i gazowe rozszerzają się.

O rozszerzalności cieplnej gazów nie trzeba długo mówić: w końcu za podstawę naszej skali temperatur przyjęto proporcjonalność temperatury do objętości gazu.

Ze wzoru V \u003d V 0 / 273 * T widzimy, że objętość gazu przy stałym ciśnieniu wzrasta po podgrzaniu o 1 0 C o 1/273 część (tj. o 0,0037) jego objętości w 0 ° C (to stanowisko nazywane czasem prawem Gay-Lussaca).

W normalnych warunkach, to znaczy w temperaturze pokojowej i przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym, rozszerzalność większości cieczy jest dwa do trzech razy mniejsza niż rozszerzalność gazów.

Już nie raz mówiliśmy o specyfice ekspansji wody. Po podgrzaniu od 0 do 4°C objętość wody zmniejsza się wraz z ogrzewaniem. Ta cecha ekspansji wody odgrywa kolosalną rolę w życiu na Ziemi. Jesienią, gdy woda ochładza się, górne schłodzone warstwy stają się gęstsze i opadają na dno. W ich miejsce z dołu płynie cieplejsza woda. Ale takie mieszanie następuje tylko do momentu, gdy temperatura wody spadnie do 4°C. Wraz z dalszym spadkiem temperatury górne warstwy nie będą się już kurczyć, co oznacza, że ​​nie będą cięższe i nie opadają na dno. Począwszy od tej temperatury górna warstwa stopniowo schładza się do zera i zamarza.

Tylko ta cecha wody zapobiega zamarzaniu rzek do dna. Gdyby woda nagle straciła swoją niezwykłą cechę, nawet przy skromnej wyobraźni łatwo wyobrazić sobie katastrofalne tego konsekwencje.

Rozszerzalność cieplna ciał stałych jest znacznie mniejsza niż rozszerzalność cieplna cieczy. To setki i tysiące razy mniej niż rozszerzanie się gazów.

W wielu przypadkach rozszerzalność cieplna jest uciążliwa. Zatem zmiana wielkości ruchomych części mechanizmu zegarowego wraz ze zmianą temperatury prowadziłaby do zmiany przebiegu zegara, gdyby nie użyto specjalnego stopu inwarowego do tych cienkich części (niezmienność w tłumaczeniu oznacza niezmienioną, stąd nazwa „inwar”). Inwar - stal o wysokiej zawartości niklu - jest szeroko stosowana w produkcji instrumentów. Pręt z Inwaru wydłuża tylko jedną milionową swojej długości przy zmianie temperatury o 1°C.

Pozornie nieznaczna rozszerzalność cieplna ciał stałych może prowadzić do poważnych konsekwencji. Faktem jest, że nie jest łatwo ingerować w rozszerzalność cieplną ciał stałych ze względu na ich niską ściśliwość.

Gdy pręt stalowy zostanie podgrzany o 1 ° C, jego długość zwiększa się tylko o jedną setną, czyli o wartość niewidoczną dla oka. Jednak, aby zapobiec rozszerzaniu się i ściskaniu pręta o jedną setną, potrzebna jest siła 20 kgf na 1 cm2. A to tylko po to, by zniweczyć efekt wzrostu temperatury tylko o 1 0 C!

Siły rozrywające spowodowane rozszerzalnością cieplną mogą prowadzić do awarii i katastrof, jeśli nie zostaną powstrzymane. Tak więc, aby uniknąć działania tych sił, szyny toru kolejowego są ułożone z przerwami. Należy pamiętać o tych siłach podczas obsługi szkła, które łatwo pęka przy nierównomiernym podgrzaniu. W praktyce laboratoryjnej stosują zatem pozbawione tej wady szkło kwarcowe (topiony kwarc to tlenek krzemu w stanie amorficznym). Przy takim samym ogrzewaniu sztabka miedzi wydłuży się o milimetr, a ta sama sztabka ze szkła kwarcowego zmieni swoją długość o niewidoczną wartość 30-40 mikronów. Ekspansja kwarcu jest tak znikoma, że ​​naczynie kwarcowe można podgrzać do kilkuset stopni, a następnie bezpiecznie wrzucić do zimnej wody.