Въпреки че линейните размери и обеми на телата се променят малко с промяна на температурата, въпреки това тази промяна често трябва да се вземе предвид на практика; в същото време това явление се използва широко в ежедневието и технологиите.
Като се вземе предвид топлинното разширение на телата
Промяната в размера на твърдите тела поради термичното разширение води до появата на огромни еластични сили, ако други тела предотвратяват тази промяна в размера. Например, стоманена мостова греда с напречно сечение 100 cm2, когато се нагрява от -40 ° C през зимата до +40 ° C през лятото, ако опорите предотвратяват удължаването му, създава натиск върху опорите (напрежение) нагоре до 1,6 108 Pa, тоест действа върху опорите със сила от 1,6 106N.
Дадените стойности могат да бъдат получени от закона на Хук и формулата (9.2.1) за топлинното разширение на телата.
Ф
Според закона на Хук механичното напрежение е a = ^ = Ee,
където? = y- - относително удължение, и E - модул на Юнг, "около
Съгласно (9.2.1) y1 = e = Заместване на тази стойност с
удължавайки се във формулата на закона на Хук, получаваме
Стоманата има модул на Юнг E = 2,1 1011 Pa, температурен коефициент на линейно разширение a1 = 9 10-6K-1. Замествайки тези данни в израз (9.4.1), получаваме, че при At = 80 ° C механичното напрежение е a = 1,6 108 Pa.
Тъй като S = 10 ~ 2 m2, силата F = aS = 1,6 106 N.
За да се демонстрират силите, които се появяват при охлаждане на метален прът, може да се направи следният експеримент. Загряваме желязна пръчка с отвор в края, в която се вкарва чугунен прът (Фигура 9.5). След това ще вмъкнем този прът в масивна метална стойка с канали. При охлаждане прътът се свива и в него възникват толкова големи еластични сили, че чугуненият прът се счупва.
Ориз. 9.5
При проектирането на много конструкции трябва да се вземе предвид топлинното разширение на телата. Трябва да се вземат мерки, така че телата да могат да се разширяват или свиват свободно при промяна на температурата.
Например, невъзможно е, например, да се издърпат плътно телеграфни проводници, както и проводници на електропроводи (електропроводи) между опорите. През лятото увисването на проводниците е забележимо по-голямо, отколкото през зимата.
Металните паропроводи, както и тръбите за нагряване на вода, трябва да бъдат снабдени с извивки (компенсатори) под формата на бримки (фиг. 9.6).
Вътрешните напрежения могат да причинят- ^^
дриблиране с неравномерно нагряване на YG L
хомогенно тяло. Например стъкло- аз съм
Дебела стъклена бутилка или стъкло може да се спука, ако в нея се налее гореща вода. На първо място, има фиг. 9.6 1. Вътрешните части на съда, които са в контакт с гореща вода, се нагряват. Те се разширяват и оказват силен натиск върху външните студени части. Следователно може да настъпи разрушаване на съда. Тънка чаша не се спука, когато в нея се налее гореща вода, тъй като нейната вътрешна и външна част се затоплят еднакво бързо.
Кварцовото стъкло има много нисък температурен коефициент на линейно разширение. Такова стъкло издържа, без напукване, неравномерно нагряване или охлаждане. Например студена вода може да се излее в нажежена до червено кварцова стъклена колба, докато обикновена стъклена колба се спука по време на този експеримент.
Различни материали, които се подлагат на периодично нагряване и охлаждане, трябва да се съединяват само когато размерите им се променят еднакво с температурните промени. Това е особено важно за продукти с големи размери. Така например желязото и бетонът се разширяват по същия начин при нагряване. Ето защо стоманобетонът стана широко разпространен - втвърден бетонен разтвор, излят в стоманена решетка - армировка (Фигура 9.7). Ако желязото и бетонът се разширяват по различни начини, тогава в резултат на дневни и годишни температурни колебания, стоманобетонната конструкция скоро ще се срути.
Още няколко примера. Металните проводници, запоени в стъклени цилиндри на електрически лампи и радиотръби, са направени от сплав (желязо и никел), която има същия коефициент на разширение като стъклото, в противен случай стъклото би се напукало, когато металът се нагрее. Емайлът, използван за покриване на съдовете за готвене, и металът, от който са направени съдовете, трябва да имат еднакъв коефициент на линейно разширение. В противен случай емайлът ще се спука при нагряване и охлаждане на съдовете, покрити с него.
В течност могат да се развият и значителни сили, ако се нагрява в затворен съд, който не пропуска течност
разширяване. Тези сили могат да доведат до разрушаване на съдовете, в които се съдържа течността. Следователно, това свойство на течността също трябва да се съобразява. Например, тръбните системи за гореща вода винаги са оборудвани с разширителен съд, свързан към горната част на системата и комуникиращ с атмосферата. Когато водата в тръбната система се нагрява, малка част от водата преминава в разширителния резервоар и това елиминира напрежението на водата и тръбите. По същата причина силовият трансформатор с маслено охлаждане има разширителен резервоар за масло в горната част. Когато температурата се повиши, нивото на маслото в резервоара се повишава; когато маслото изстине, то намалява.
Използването на топлинно разширение в инженерството
Ориз. 9.8
Термостат
Фигура 9.10 показва схематично устройството на един от видовете температурни регулатори. Биметална дъга 1 променя своята кривина при промяна на температурата. Към свободния му край е прикрепена метална пластина 2, която при разгръщане на дъгата докосва контакта 3, а при усукване се отдалечава от него. Ако например контакт 3 и плоча 2 са свързани към краищата 4, 5 на електрическа верига, съдържаща нагревателно устройство, тогава при контакт
Топлинното разширение на телата се използва широко в технологиите. Ето само няколко примера. Две различни плочи (например желязо и мед), заварени заедно, образуват така наречената биметална плоча (Фигура 9.8). При нагряване такива плочи се огъват поради факта, че едната се разширява по-силно от другата. Тази от лентите (медна), която се разширява повече, винаги е от изпъкналата страна (фиг. 9.9). Това свойство на биметалните плочи се използва широко за измерване и регулиране на температурата.
Когато контактът и плочата се отстранят, електрическата верига ще се затвори: устройството ще започне да загрява стаята. Биметална дъга 1, когато се нагрява, ще започне да се усуква и при определена температура ще откачи плоча 2 от контакт 3: веригата ще се счупи, отоплението ще спре. При охлаждане дъга 1, въртяща се нагоре, отново ще принуди нагревателното устройство да се включи. Така стайната температура ще се поддържа на това ниво. Подобен термостат е инсталиран в инкубатори, където се изисква поддържане на постоянна температура. В ежедневието термостатите се монтират в хладилници, електрически ютии и др. Джантата (лентата) на колелото на железопътния вагон е изработена от стомана, останалата част от колелото е изработена от по-евтин метал - чугун. Превръзките на колелата се поставят в загрято състояние. След охлаждане те се свиват и следователно държат здраво.
Също в загрято състояние шайбите, лагерите се поставят на валове, железни обръчи върху дървени бъчви и т. н. Свойството на течностите да се разширяват при нагряване и да се свиват при охлаждане се използва в устройствата, използвани за измерване на температурата - термометри. Като течности за производството на термометри се използват живак, алкохол и др.
Когато телата се разширяват или свиват, възникват огромни механични напрежения, ако други тела пречат на промяната в размера. Техниката използва биметални плочи, които променят формата си при нагряване.
Добре известно е, че твърдите вещества увеличават обема си при нагряване. Това е термично разширение. Помислете за причините, водещи до увеличаване на обема на тялото при нагряване.
Очевидно е, че обемът на кристала нараства с увеличаване на средното разстояние между атомите. Това означава, че повишаването на температурата води до увеличаване на средното разстояние между атомите на кристала. Каква е причината за увеличаването на разстоянието между атомите при нагряване?
Повишаването на температурата на кристала означава увеличаване на енергията на топлинното движение, т.е. на топлинните вибрации на атомите в решетката (виж стр. 459), и следователно увеличаване на амплитудата на тези вибрации.
Но увеличаването на амплитудата на вибрациите на атомите не винаги води до увеличаване на средното разстояние между тях.
Ако вибрациите на атомите бяха строго ухармонични, тогава всеки атом би се приближил до един от съседите си толкова, колкото се отдалечава от другия, и увеличаването на амплитудата на неговите вибрации не би довело до промяна в средното междуатомно разстояние, а оттам и до термично разширение.
В действителност атомите в кристалната решетка извършват анхармонични (т.е. не хармонични) вибрации. Това се дължи на естеството на зависимостта на силите на взаимодействие между / атомите от разстоянието между тях. Както е посочено в началото на тази глава (виж фиг. 152 и 153), тази зависимост е такава, че при големи разстояния между атомите силите на взаимодействие между атомите изглеждат като привличащи сили и с намаляване на това разстояние те променят знака си и се превръщат в отблъскващи сили, бързо нарастващи с намаляване на разстоянието.
Това води до факта, че с увеличаване на "амплитудата" на вибрациите на атомите поради нагряване на кристала, нарастването на силите на отблъскване между атомите преобладава над нарастването на силите на привличане. С други думи, за един атом е „по-лесно“ да се отдалечи от съсед, отколкото да се приближи до друг. Това, разбира се, трябва да доведе до увеличаване на средното разстояние между атомите, т.е. до увеличаване на обема на тялото, когато то се нагрява.
Оттук следва, че причината за термичното разширение на твърдите тела е анхармоничността на атомните вибрации в кристалната решетка.
Топлинното разширение се характеризира количествено с коефициентите на линейно и обемно разширение, които се определят, както следва. Нека тяло с дължина I, когато температурата се промени с градуси, промени дължината си с Коефициентът на линейно разширение се определя от съотношението
тоест коефициентът на линейно разширение е равен на относителната промяна на дължината с промяна на температурата с един градус. По същия начин коефициентът на обемно разширение се определя от формулата
тоест коефициентът е равен на относителната промяна в обема на градус.
От тези формули следва, че дължината и обема при определена температура, която се различава от първоначалната с градуси, се изразяват с формулите (за малка
където са първоначалната дължина и обем на тялото.
Поради анизотропията на кристалите, коефициентът на линейно разширение a може да бъде различен в различни посоки. Това означава, че ако от даден кристал е издълбана топка, то след нагряване тя ще загуби сферичната си форма. Може да се покаже, че в най-общия случай такава сфера при нагряване се превръща в триаксиален елипсоид, чиито оси са свързани с кристалографските оси на кристала.
Коефициентите на термично разширение по трите оси на този елипсоид се наричат главни коефициенти на кристално разширение.
Ако ги обозначим, съответно, чрез коефициента на обемно разширение на кристала
За кристали с кубична симетрия, както и за изотропни тела,
Топка, изработена от такива тела, остава топка дори след нагряване (разбира се, с по-голям диаметър).
В някои кристали (например шестоъгълни)
Коефициентите на линейно и обемно разширение практически остават постоянни, ако температурните диапазони, в които се измерват, са малки, а самите температури са високи. Като цяло коефициентите на термично разширение зависят от температурата и освен това по същия начин като топлинния капацитет, тоест при ниски температури коефициентите намаляват с понижаване на температурата пропорционално на куба температура, стремящи се, както топлината капацитет,
до нула при абсолютна нула. Това не е изненадващо, тъй като както топлинният капацитет, така и топлинното разширение са свързани с вибрациите на решетката: топлинният капацитет дава количеството топлина, необходимо за увеличаване на средната енергия на топлинните вибрации на атомите, което зависи от амплитудата на вибрациите, докато коефициентът на термичното разширение е пряко свързано със средните разстояния между атомите, които също зависят от амплитудата на атомните вибрации.
Това предполага важен закон, открит от Грюнайзен: съотношението на коефициента на топлинно разширение към атомния топлинен капацитет на твърдо вещество за дадено вещество е постоянна стойност (т.е. независимо от температурата).
Коефициентите на термично разширение на твърдите тела обикновено са много малки, както може да се види от табл. 22. Стойностите на коефициента a дадени в тази таблица се отнасят за температурния интервал между и
Таблица 22 (виж сканирането) Коефициенти на термично разширение на твърди вещества
Някои вещества имат особено нисък коефициент на топлинно разширение. Това свойство е различно, например кварц.Друг пример е сплав от никел и желязо (36% Ni), известна като инвар.Тези вещества се използват широко в прецизното уреди.
Топлинно разширение
Топлинно разширение- промяна в линейните размери и формата на тялото при промяна на температурата му. Количествено термичното разширение на течности и газове при постоянно налягане се характеризира с изобарен коефициент на разширение (обемен коефициент на топлинно разширение). За характеризиране на термичното разширение на твърдите тела допълнително се въвежда коефициентът на линейно топлинно разширение.
Клонът на физиката, който изучава това свойство, се нарича дилатометрия.
Топлинното разширение на телата се взема предвид при проектирането на всички инсталации, устройства и машини, работещи при променливи температурни условия.
Основен закон на термичното разширениегласи, че тяло с линеен размер в съответното измерение, с повишаване на температурата му, се разширява със сума, равна на:
,където е т. нар. коефициент на линейно топлинно разширение. Налични са подобни формули за изчисляване на промените в телесната площ и обема. В дадения най-прост случай, когато коефициентът на термично разширение не зависи нито от температурата, нито от посоката на разширение, веществото ще се разширява равномерно във всички посоки в стриктно съответствие с горната формула.
Вижте също
Връзки
Фондация Уикимедия. 2010 г.
Вижте какво е "Термично разширение" в други речници:
Промени в размера на тялото в процеса на нагряване. Количествено Т. п. при постоянно налягане p се характеризира с изобарен коеф. разширение (коефициент на обемно T. p.) a = 1 / VX (dV / dT) p, където V е обемът на тялото (твърдо, течно или газообразно), T it ... ... Физическа енциклопедия
ТЕРМИЧНО РАЗШИРЕНИЕ, промяна в размера и формата на тялото при промяна на температурата му. Характеризира се с коефициентите на обемно (за твърди тела и линейно) термично разширение, т.е. промяна в обема (линейните размери) на тялото, когато се променя ... ... Съвременна енциклопедия
Промяна в размера на тялото при нагряване; характеризиращ се с коефициента на обемно разширение, а за твърдите тела и коефициента на линейно разширение, където l е промяната в линейния размер,? V на обема на тялото,? T на температурата, индексът показва ... ... Голям енциклопедичен речник
термично разширение- - [Я. Н. Лугински, М. С. Фези Жилинская, Ю. С. Кабиров. Английско-руски речник по електротехника и електротехника, Москва, 1999 г.] Предмети на електротехниката, основни понятия EN топлинно разширение топлинно разширение ... Ръководство за технически преводач
ТЕРМИЧНО РАЗШИРЕНИЕ- промяна в размера и формата на телата при нагряване. Разликата в силите на сцепление между молекулите на тялото в различния му агрегат (виж) влияе върху стойността на T. p. Твърдите тела, чиито молекули взаимодействат силно, се разширяват малко, течности ... ... Голяма политехническа енциклопедия
Промени в размера на тялото в процеса на нагряване. Количествено Т. п. при постоянно налягане се характеризира с изобарен коефициент на разширение (обемен коефициент на T. p.) T2> T1, V е първоначалният обем на тялото (температурна разлика T2 T1 ... ... Голяма съветска енциклопедия
термично разширение- šiluminis plėtimasis statusas T sritis Стандартизация и метрология apibrėžtis Kaitinamo kūno matmenų padidėjimas. atitikmenys: angl. топлинно разширение; термично разширение вок. thermische Ausdehnung, f; Wärmeausdehnung, f rus. термично разширение, ...... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
термично разширение- šiluminis plėtimasis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kaitinamo kūno matmenų padidėjimas. atitikmenys: angl. топлинно разширение; термично разширение рус. термично разширение; термично разширение... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
термично разширение- šiluminis plėtimasis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. топлинно разширение; термично разширение вок. thermische Ausdehnung, f; Wärmeausdehnung, f rus. топлинно разширение, n; топлинно разширение, n pranc. термична дилатация, f; разширяване…… Fizikos terminų žodynas
Промяна в размера на тялото при нагряване; се характеризира с коефициент на обемно разширение αυ = 1 / V (ΔV / VT) Ξ, а за твърди тела и коефициент на линейно разширение αl = 1 / l (Δl / ΔТ) Ξ, където Δl е промяната в линейния размер, ΔV на обема на тялото, ΔТ ... ... енциклопедичен речник
Книги
- Топлинно разширение на твърди тела, С. И. Новикова, В монографията се разглеждат подробно различни аспекти на съществуващите теории за топлинно разширение на твърди тела: въпроси за връзката на топлинното разширение с други свойства на твърдите тела, влиянието на ... Категория: Физика на твърдо тяло. Кристалография Издател: Наука,
- Физика. Топлинни явления. Термично разширение на твърди вещества и течности. Газове. 9-11 клас. Задачи за подготовка за олимпиадите,
От предишните параграфи знаем, че всички вещества са съставени от частици (атоми, молекули). Тези частици непрекъснато се движат хаотично. Когато веществото се нагрява, движението на неговите частици става по-бързо. В този случай разстоянието между частиците се увеличава, което води до увеличаване на размера на тялото.
Промяната в размера на тялото при нагряване се нарича топлинно разширение..
Термичното разширение на твърдите вещества е лесно да се потвърди от опит. Стоманена топка (фиг. 87, а, б, в), минаваща свободно през пръстена, се разширява след нагряване на алкохолна лампа и се забива в пръстена. След охлаждане топката отново преминава свободно през пръстена. От опит следва, че размерът на твърдото тяло се увеличава с нагряване, а с охлаждане - намалява.
Ориз. 87
Топлинното разширение на различните твърди вещества не е едно и също.
С термичното разширение на твърдите тела се появяват огромни сили, които могат да разрушат мостове, да огънат железопътните релси и да счупят проводници. За да се предотврати това, при проектирането на конструкцията се взема предвид факторът на топлинно разширение. Проводниците на електропроводите висят надолу (фиг. 88), за да не се скъсат при скъсяване през зимата.
Ориз. 88
Ориз. 89
Релсите на ставите имат празнина (фиг. 89). Носещите части на мостовете са поставени върху ролки, които могат да се движат при промяна на дължината на моста през зимата и лятото (фиг. 90).
Ориз. 90
Разширява ли се при нагряване на течността? Термичното разширение на течности може да бъде потвърдено и експериментално. Изсипете в еднакви колби: в едната - вода, а в другата - същия обем алкохол. Затваряме колбите със запушалки с епруветки. Маркираме началните нива на вода и алкохол в епруветките с гумени пръстени (фиг. 91, а). Поставяме колбите в съд с гореща вода. Нивото на водата в тръбите ще стане по-високо (фиг. 91, б). Водата и алкохолът се разширяват при нагряване. Но нивото в епруветката на колбата с алкохол е по-високо. Това означава, че алкохолът се разширява повече. следователно, термично разширение на различни течностикато твърди вещества, неравномерно.
Ориз. 91
Претърпяват ли термично разширение газовете? Ще отговорим на въпроса с помощта на опит. Затваряме колбата с въздух със запушалка с извита тръба. В тръбата (фиг. 92, а) има капка течност. Достатъчно е да доближите ръцете си до колбата и капката започва да се движи надясно (фиг. 92, б). Това потвърждава термичното разширение на въздуха, когато е дори леко загрят. Освен това, което е много важно, всички газове, за разлика от твърдите вещества и течностите, при нагряване разширете същото.
Ориз. 92
Помислете и отговорете 1. Какво се нарича топлинно разширение на телата? 2. Дайте примери за термично разширение (свиване) на твърди тела, течности, газове. 3. Каква е разликата между термичното разширение на газовете и топлинното разширение на твърдите тела и течностите?
Направи си сам у дома
С помощта на пластмасова бутилка и тънка тръба за сок направете експеримент за термичното разширение на въздуха и водата у дома. Опишете резултатите от експеримента в тетрадка.
Интересно е да се знае!
Не можете веднага да пиете студена вода след горещ чай. Внезапните промени в температурата често водят до кариес. Това се дължи на факта, че основното вещество на зъба - дентинът - и емайлът, покриващ зъба, се разширяват неравномерно при една и съща промяна на температурата.
Топлинното разширение на телата се използва широко в технологиите. Ето само няколко примера. Две различни плочи (например желязо и мед), заварени заедно, образуват така наречената биметална плоча (Фигура 9.8). При нагряване такива плочи се огъват поради факта, че едната се разширява по-силно от другата. Тази от лентите (медна), която се разширява повече, винаги е от изпъкналата страна (фиг. 9.9). Това свойство на биметалните плочи се използва широко за измерване на температурата и контрол на температурата.
Термостат
Фигура 9.10 показва схематично устройството на един от видовете температурни регулатори. Биметална дъга 1 когато температурата се промени, тя променя своята кривина. Към свободния му край е прикрепена метална пластина. 2, който при развъртане на дъгата докосва контакт 3, а при усукване се отдалечава от него. Ако например щифт 3 и плочата 2 прикрепен към краищата 4, 5 електрическа верига, съдържаща отоплителното устройство, тогава когато контактът и плочата влязат в контакт, електрическата верига ще се затвори: устройството ще започне да загрява стаята. Биметална дъга 1 при нагряване ще започне да се усуква и при определена температура ще отдели плочата 2 от клема 3: веригата е прекъсната, отоплението спира. При охлаждане на дъгата 1, завъртането нагоре ще принуди нагревателя да се включи отново. Така стайната температура ще се поддържа на това ниво. Подобен термостат е инсталиран в инкубатори, където се изисква поддържане на постоянна температура. В ежедневието термостатите се монтират в хладилници, електрически ютии и др.
Джантата (лентата) на колелото на железопътния вагон е изработена от стомана, останалата част от колелото е изработена от по-евтин метал - чугун. Превръзките на колелата се поставят в загрято състояние. След охлаждане те се свиват и следователно държат здраво.
Също така, в загрято състояние, макарите, лагерите се поставят на валове, железни обръчи върху дървени бъчви и т. н. Свойството на течностите да се разширяват при нагряване и да се свиват при охлаждане се използва в устройствата, използвани за измерване на температурата - термометри. Като течности за производството на термометри се използват живак, алкохол и др.
Когато телата се разширяват или свиват, възникват огромни механични напрежения, ако други тела пречат на промяната в размера. Техниката използва биметални плочи, които променят формата си при нагряване.
§ 9.5. Примери за решаване на проблеми
Задача 1
Диаметърът на стъклената запушалка, залепена в гърлото на бутилката, д 0 = 2,5 см. За да премахнете щепсела, шията се нагрява до температура T 1 = 150°С. Самият корк имаше време да се нагрее до температура T 2 = 50°C. Колко голяма е разликата? Температурен коефициент на линейно разширение на стъкло α 1 = 9 · 10 -6 K -1.
Решение.Да обозначим началната температура на стъклената бутилка и забитата в нея тапа T 0 . След това, след нагряване, диаметърът на гърлото на бутилката ще бъде
