При изменении температуры размеры тел меняются: при нагревании, как правило, увеличиваются, при охлаждении уменьшаются. Отчего это происходит?
Увеличение размеров небольшого тела невелико и его трудно заметить. Но если взять железную проволоку длиной 1,5- 2 м и нагревать ее электрическим током, то удлинение можно обнаружить на глаз без специальных приборов. Для этого один конец проволоки должен быть закреплен, а другой перекинут через блок. К этому концу надо прикрепить груз, оттягивающий проволоку вниз (рис. 9.1). По указателю, соединенному с грузом, и судят об изменении длины проволоки в процессе ее нагревания или охлаждения.
Рис. 9.1
Расширение небольшого стального шара, нагретого на газовой горелке, можно заметить по его прохождению через кольцо. Холодный шар легко проходит через кольцо, а нагретый застревает в нем. Когда шар остынет, он снова проходит через кольцо.
Как же объяснить, почему тела при нагревании расширяются?
Молекулярная картина теплового расширения
Зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними позволяет выяснить причину возникновения теплового расширения. Как видно из рисунка 9.2, кривая потенциальной энергии сильно несимметрична. Она очень быстро (круто) возрастает от минимального значения Еро (в точке г0) при уменьшении г и сравнительно медленно растет при увеличении г.

Рис. 9.2
щем минимальному значению потенциальной энергии Ер0. По мере нагревания молекулы начинают совершать колебания около положе-
г ния равновесия. Размах колебаний определяется средним значением энергии Е. Если бы потенциальная кривая была симметричной, то среднее положение молекулы по- прежнему соответствовало бы рас-стоянию г0. Это означало бы общую
При абсолютном нуле в состоянии равновесия молекулы находились бы друг от друга на расстоянии г0, соответствую неизменность средних расстояний между молекулами при нагревании и, следовательно, отсутствие теплового расширения. На самом деле кривая несимметрична. Поэтому при средней энергии, равной Ег, среднее положение колеблющейся молекулы соответствует расстоянию гх > г0.
Изменение среднего расстояния между двумя соседними молекулами означает изменение расстояния между всеми молекулами тела. Поэтому размеры тела увеличиваются.
Дальнейшее нагревание тела приводит к увеличению средней энергии молекулы до некоторого значения Е2, Ез и т. д. При этом увеличивается и среднее расстояние между молекула-ми, так как теперь колебания совершаются с большей амплитудой вокруг нового положения равновесия: r2 > г3 > г2 и т. д.
При нагревании тела среднее расстояние между колеблющимися молекулами увеличивается, поэтому увеличиваются и размеры тела.

Еще по теме §9.1. ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ТЕЛ:

1. §9.4. УЧЕТ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ТЕЛ В ТЕХНИКЕ
2. о том, благодаря чему каждое вновь образованное тело принадлежит к определенному роду вещей и отличается от других [тел]
3. Структура дорожки Крамара из вихрей эфира, торсионные поля (СВИ, спайки и др.) зависят от радиуса крутящихся тел, от скорости вращения, движения и от других вполне конкретных физических параметров тел и среды, которые их порождают.

Из предыдущих параграфов нам известно, что все вещества состоят из частиц (атомов, молекул). Эти частицы непрерывно хаотически движутся. При нагревании вещества движение его частиц становится более быстрым. При этом увеличиваются расстояния между частицами, что приводит к увеличению размеров тела.

Изменение размеров тела при его нагревании называется тепловым расширением .

Тепловое расширение твердых тел легко подтвердить опытом. Стальной шарик (рис. 87, а, б, в), свободно проходящий через кольцо, после нагревания на спиртовке расширяется и застревает в кольце. После охлаждения шарик вновь свободно проходит через кольцо. Из опыта следует, что размеры твердого тела при нагревании увеличиваются, а при охлаждении - уменьшаются.

Рис. 87

Тепловое расширение различных твердых тел неодинаково .

При тепловом расширении твердых тел появляются огромные силы, которые могут разрушать мосты, изгибать железнодорожные рельсы, разрывать провода. Чтобы этого не случилось, при конструировании того или иного сооружения учитывается фактор теплового расширения. Провода линий электропередачи провисают (рис. 88), чтобы зимой, сокращаясь, они не разорвались.

Рис. 88

Рис. 89

Рельсы на стыках имеют зазор (рис. 89). Несущие детали мостов ставят на катки, способные передвигаться при изменениях длины моста зимой и летом (рис. 90).

Рис. 90

А расширяются ли при нагревании жидкости? Тепловое расширение жидкостей тоже можно подтвердить на опыте. В одинаковые колбы нальем: в одну - воду, а в другую - такой же объем спирта. Колбы закроем пробками с трубками. Начальные уровни воды и спирта в трубках отметим резиновыми кольцами (рис. 91, а). Поставим колбы в емкость с горячей водой. Уровень воды в трубках станет выше (рис. 91, б). Вода и спирт при нагревании расширяются. Но уровень в трубке колбы со спиртом выше. Значит, спирт расширяется больше. Следовательно, тепловое расширение разных жидкостей , как и твердых веществ, неодинаково .

Рис. 91

А испытывают ли тепловое расширение газы? Ответим на вопpoс с помощью опыта. Закроем колбу с воздухом пробкой с изогнутой трубкой. В трубке (рис. 92, а) находится капля жидкости. Достаточно приблизить руки к колбе, как капля начинает перемещаться вправо (рис. 92, б). Это подтверждает тепловое расширение воздуха при его даже незначительном нагревании. Причем, что очень важно, все газы, в отличие от твердых веществ и жидкостей, при нагревании расширяются одинаково .

Рис. 92

Подумайте и ответьте 1. Что называют тепловым расширением тел? 2. Приведите примеры теплового расширения (сжатия) твердых тел, жидкостей, газов. 3. Чем отличается тепловое расширение газов от теплового расширения твердых тел и жидкостей?

Сделайте дома сами

Используя пластиковую бутылку и тонкую трубку для сока, проведите дома опыт по тепловому расширению воздуха и воды. Результаты опыта опишите в тетради.

Интересно знать!

Нельзя после горячего чая сразу пить холодную воду. Резкое изменение температуры часто приводит к порче зубов. Это объясняется тем, что основное вещество зуба - дентин - и покрывающая зуб эмаль при одном и том же изменении температуры расширяются неодинаково.

При равномерном нагревании однородного тела оно не разрушается, но неравномерный нагрев может вызвать значительные механические напряжения (внутренние нагрузки). Например, стеклянная бутылка или стакан из толстого стекла могут лопнуть, если налить в них горячей воды. Почему? В первую очередь происходит нагрев внутренних частей сосуда, соприкасающихся с горячей водой. Они расширяются и оказывают сильное давление на внешние холодные части этого же сосуда. Тонкий же стакан не лопается при наливании в него горячей воды, так как его внутренняя и внешняя части быстро и почти одномоментно прогреваются.

Разнородные материалы, подвергающиеся периодическому нагреванию и охлаждению, следует соединять вместе только тогда, когда их размеры при изменении температуры меняются одинаково (вещества имеют аналогичные коэффициенты). Это особенно важно при больших размерах изделий. Так, например, железо и бетон при нагревании расширяются одинаково. Именно поэтому широкое распространение получил железобетон – затвердевший бетонный раствор, залитый в стальную решётку. Если бы железо и бетон расширялись по-разному, то в результате суточных и годовых колебаний температуры железобетонное сооружение вскоре бы разрушилось.

Ещё несколько примеров. Металлические проводники, впаянные в стеклянные баллоны электроламп и радиоламп, делают из сплава железа и никеля, имеющего такой же коэффициент расширения, как и стекло, иначе при нагревании металла стекло треснуло бы. Эмаль, которой покрывают посуду, и металл, из которого эта посуда изготовляется, должны иметь одинаковые коэффициенты линейного расширения. В противном случае эмаль будет лопаться при нагревании и охлаждении покрытой ею посуды.

Тепловое расширение тел находит широкое применение в технике. Приведем лишь несколько примеров. Две разнородные пластины (например, железная и медная), сваренные или «склёпанные» вместе, образуют так называемую биметаллическую пластину. При нагревании такие пластины изгибаются вследствие того, что одна расширяется сильнее другой. Та из полосок (медная), которая расширяется больше, оказывается всегда с выпуклой стороны.

Это свойство биметаллических пластин широко используется для измерения температуры и её регулирования. Металлический термометр имеет спираль, сделанную из двух полос различных металлов, сваренных (или склёпанных) друг с другом. Один из этих металлов расширяется при нагревании сильнее, чем другой. Вследствие одностороннего расширения спираль развёртывается, и указатель смещается по шкале вправо. При охлаждении спираль снова скручивается и указатель отходит по шкале влево.

(C) 2012. Савинкова Галина Львовна (г. Самара)

При нагревании тел растет средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул и среднее расстояние между молекулами. Поэтому все вещества при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Различают линейное и объемное расширение.

Изменение одного определенного размера твердого тела при изменениях температуры называетсялинейным расширением (или сжатием).

Где – длина стержня при 0 0 ,

Коэффициент линейного расширения. Размерность = О С -1 .

Длина тела при любой температуре t: ;

При объемном расширении увеличивается объем: , где: – объем тела при 0 0 C.

Объем тела при любой температуре t: , где:

Коэффициент объемного расширения;

Экспериментально установлено, что . Поэтому .

Аналогично для площади поверхности твердого тела: .

В жидкостях есть одно замечательное исключение: вода при нагревании от 0 0 C до +4 0 C сжимается, а при охлаждении от +4 0 C до 0 0 C – расширяется. Коэффициент объемного расширения воды сильно меняется при изменении температуры.

Примеры тепловых расширений:

Вода при замерзании расширяется и разрывает горные породы, металлические трубы и другие технические конструкции.

В автоматике применяются биметаллические пластины, использующие различие коэффициентов линейного расширения каждой из двух пластин. При нагревании биметаллическая пластина теряет устойчивость, нажимает на переключатель, в результате чего исполнительный механизм срабатывает.

Тепловые расширения важно учитывать при прокладывании рельсов, натягивании проводов, сооружении мостов и т.д. Выводы из электроламп и радиоламп производят из материала, у которого коэффициент линейного расширения близок к коэффициенту линейного расширения стекла.

Плавление и кристаллизация.
Диаграмма фазовых состояний

Переход вещества из твердого состояния в жидкоесостояние называется плавлением, а переход из жидкого состояния в твердое –отвердеванием или кристаллизацией. Плавление и отвердевание происходит при одной и той же температуре, называемойтемпературой плавления. Давление практически не влияет на величину температуры плавления. Температуру плавления вещества при нормальном атмосферном давлении называютточкой плавления.

При плавлении твердого тела увеличивается расстояния между частицами, образующими кристаллическую решетку, и происходит разрушение самой решетки. У подавляющего большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается.

Область, в которой вещество однородно по всем физическим и химическим свойствам, называется фазой состояния этого вещества. Жидкая и твердая фазы вещества при одинаковой температуре могут оставаться в равновесии сколь угодно долгое время (лед и вода при 0 0 C). Поэтому пока все вещество не расплавится, его температура остается неизменной , равной температуре плавления.

Теплотой плавления называется количество теплоты, которое необходимо подвести к телу массой m, находящемуся при температуре плавления , чтобы его расплавить.

Где – удельная теплота плавления.

1 Дж/кг.

На рисунке 34 показаны графики изменения температуры вещества при плавлении и отвердевании. Отрезок (рисунок 34а) выражает количество теплоты, полученное веществом при нагревании в твердом состоянии (от до T ПЛ), отрезок - при плавлении и отрезок - при нагревании в жидком состоянии. Отрезок (рисунок 34б) выражает количество теплоты, отданное веществом при охлаждении в жидком состоянии (от до ), отрезок - при отвердевании и отрезок - при охлаждении в твердом состоянии.

Рисунок 34. Графики изменения температуры вещества при плавлении и отвердевании

Многие твердые вещества обладают запахом. Это доказывает, что твердые вещества могут переходить в газообразное состояние, минуя жидкое. Испарение твердых тел называетсявозгонкой или сублимацией (от латинского “сублимате” - возносить). В пищевой промышленности используется обладающий таким свойством “сухой лед” (СО 2). Возможен и обратный процесс – рост кристаллов из газообразного вещества (лед на окнах, зарастание перемычек ПЗУ).

Для каждого вещества можно составить диаграмму состояний в координатах Р и Т (рисунок 35), на основании которой можно легко определить, в каком состоянии будет находиться это вещество при тех или иных внешних условиях. Каждая точка диаграммы соответствует равновесному состоянию вещества, в которых оно может находиться сколь угодно долго.

Кривая KC – зависимость давления насыщающего пара от температуры. Точка K – критическая точка.

Кривая CA – зависимость от температуры давления насыщающих паров, находящихся в равновесном состоянии с поверхностью твердого тела.

Кривая KC – линия равновесия жидкой и газообразной фаз. Прямая BC – линия равновесия жидкой и твердой фаз. Кривая AC – линия равновесия твердой и газообразной фаз.

Точка C изображает равновесие между всеми тремя фазами, ее называют тройной точкой. У гелия нет тройной точки.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о тепловом расширении твердых тел.

2. Что такое плавление и кристаллизация? Что такое теплота плавления?

3. Что такое возгонка вещества?

4. Расскажите о диаграмме состояний вещества.

Тепловое расширение — изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Для характеристики теплового расширения твёрдых тел вводят коэффициент линейного теплового расширения.

Механизм теплового расширения твердых тел можно представить следующим образом. Если к твердому телу подвести тепловую энергию, то благодаря колебанию атомов в решетке происходит процесс поглощения им теплоты. При этом колебания атомов становятся более интенсивными, т.е. увеличиваются их амплитуда и частота. С увеличением расстояния между атомами увеличивается и потенциальная энергия, которая характеризуется межатомным потенциалом.

Последний выражается суммой потенциалов сил отталкивания и притяжения. Силы отталкивания между атомами с изменением межатомного расстояния меняются быстрее, чем силы притяжения; в результате форма кривой минимума энергии оказывается несимметричной, и равновесное межатомное расстояние увеличивается. Это явление и соответствует тепловому расширению.

Зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними позволяет выяснить причину возникновения теплового расширения. Как видно из рисунка 9.2, кривая потенциальной энергии сильно несимметрична. Она очень быстро (круто) возрастает от минимального значения Е р0 (в точке r 0) при уменьшении r и сравнительно медленно растет при увеличении r .

Рисунок 2.5

При абсолютном нуле в состоянии равновесия молекулы находились бы друг от друга на расстоянии r 0 , соответствующем минимальному значению потенциальной энергии Е р0 . По мере нагревания молекулы начинают совершать колебания около положения равновесия. Размах колебаний определяется средним значением энергии Е. Если бы потенциальная кривая была симметричной, то среднее положение молекулы по-прежнему соответствовало бы расстоянию r 0 . Это означало бы общую неизменность средних расстояний между молекулами при нагревании и, следовательно, отсутствие теплового расширения. На самом деле кривая несимметрична. Поэтому при средней энергии, равной , среднее положение колеблющейся молекулы соответствует расстоянию r 1 > r 0 .

Изменение среднего расстояния между двумя соседними молекулами означает изменение расстояния между всеми молекулами тела. Поэтому размеры тела увеличиваются. Дальнейшее нагревание тела приводит к увеличению средней энергии молекулы до некоторого значения , и т. д. При этом увеличивается и среднее расстояние между молекулами, так как теперь колебания совершаются с большей амплитудой вокруг нового положения равновесия: r 2 > r 1 , r 3 > r 2 и т. д.

Применительно к твердым телам, форма которых при изменении температуры (при равномерном нагревании или охлаждении) не меняется, различают изменение линейных размеров (длины, диаметра и т. п.) — линейное расширение и изменение объема — объемное расширение. У жидкостей при нагревании форма может меняться (например, в термометре ртуть входит в капилляр). Поэтому в случае жидкостей имеет смысл говорить только об объемном расширении.

Основной закон теплового расширения твердых тел гласит, что тело с линейным размером L 0 при увеличении его температуры на ΔT расширяется на величину ΔL , равную:

ΔL = αL 0 ΔT, (2.28)

где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения .

Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Коэффициент линейного расширения зависит от природы вещества, а также от температуры. Однако, если рассматривать изменения температуры в не слишком широких пределах, зависимостью α от температуры можно пренебречь и считать температурный коэффициент линейного расширения величиной постоянной для данного вещества. В этом случае линейные размеры тела, как вытекает из формулы (2.28), зависят от изменения температуры следующим образом:

L = L 0 (1 +αΔT ) (2.29)

Из твердых тел сильнее всех расширяется воск, превышая в этом отношении многие жидкости. Коэффициент теплового расширения воска в зависимости от сорта в 25 - 120 раз больше чем у железа. Из жидкостей сильнее других расширяется эфир. Однако есть жидкость, расширяющаяся в 9 раз сильнее эфира - жидкая углекислота (СО3) при +20 градусах Цельсия. Ее коэффициент расширения в 4 раза больше, чем у газов.

Наименьшим коэффициентом теплового расширения из твердых тел обладает кварцевое стекло - в 40 раз меньше, чем железо. Кварцевую колбу раскаленную до 1000 градусов можно смело опускать в ледяную воду, не опасаясь за целостность сосуда: колба не лопается. Малым коэффициентом расширения, хотя и большим, чем у кварцевого стекла, отличается также алмаз.

Из металлов, меньше всего расширяется сорт стали, носящий название инвар, коэффициент его теплового расширения в 80 раз меньше, чем у обычной стали.

В приведенной ниже таблице 2.1 показаны коэффициенты объемного расширения некоторых веществ.

Таблица 2.1 - Значение изобарического коэффициента расширения некоторых газов, жидкостей и твёрдых тел при атмосферном давлении

Коэффициент объёмного расширения	Коэффициент линейного расширения
Вещество	Тем-ра, °С	α×10 3 , (°C) -1	Вещество	Тем-ра, °С	α×10 3 , (°C) -1
Газы	Алмаз		1,2
Графит		7,9
Гелий	0-100	3,658	Стекло	0-100	~9
Кислород	3,665	Вольфрам		4,5
Жидкости	Медь	16,6
Вода		0,2066	Алюминий
Ртуть	0,182	Железо
Глицерин	0,500	Инвар (36,1% Ni)	0,9
Этиловый спирт	1,659	Лед	-10 o до 0 о С	50,7

Контрольные вопросы

1. Дать характеристику распределению нормальных колебаний по частотам.

2. Что такое фонон?

3. Объяснить физический смысл температуры Дебая. Чем определяется значение температуры Дебая для данного вещества?

4. Почему при низких температурах решёточная теплоёмкость кристалла не остается постоянной?

5. Что называется теплоёмкостью твёрдого тела? Чем она определяется?

6. Объяснить зависимость решёточной теплоёмкости кристалла Cреш от температуры T.

7. Получить закон Дюлонга-Пти для молярной теплоёмкости решётки.

8. Получить закон Дебая для молярной теплоёмкости решётки кристалла.

9. Какой вклад вносит электронная теплоемкость в молярную теплоемкость металла?

10. Что называется теплопроводностью твёрдого тела? Чем она характеризуется? Чем осуществляется теплопроводность в случаях металла и диэлектрика.

11. Как зависит коэффициент теплопроводности кристаллической решётки от температуры? Объяснить.

12. Дать определение теплопроводности электронного газа. Сравнить χ эл и χ реш в металлах и диэлектриках.

13. Дать физическое объяснение механизму теплового расширения твёрдых тел? Может ли КТР быть отрицательным? Если да, то объяснить причину.

14. Объяснить температурную зависимость коэффициента теплового расширения.