"Физика. Молекулярная физика. Термодинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Тепловое расширение — изменение размеров тела при нагревании или охлаждении. Оно объясняется изменением средних расстояний между частицами вещества и учитывается в строительстве, машиностроении, работе термометров и трубопроводов. Для стержней используют формулу линейного расширения Δl = αl₀ΔT, а для объёма — ΔV = βV₀ΔT. Коэффициенты α и β зависят от вещества.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Тепловое расширение — изменение размеров тела при изменении температуры. Обычно при нагревании размеры увеличиваются, а при охлаждении уменьшаются. Это понятие нужно, чтобы предсказывать поведение деталей, конструкций и сосудов.
Линейное расширение — изменение длины тела при нагревании или охлаждении. Его рассматривают для стержней, проволок, рельсов и других тел, у которых особенно важен один размер. Так можно рассчитать удлинение или укорочение детали.
Коэффициент линейного расширения — величина, характеризующая относительное изменение длины при изменении температуры на один градус. Его обозначают α и измеряют в К⁻¹. Чем больше α, тем заметнее изменяется длина тела при одинаковом нагревании.
Объёмное расширение — изменение объёма тела при изменении температуры. Для него используют коэффициент объёмного расширения β. Это описание особенно важно для жидкостей и газов, которые не сохраняют собственную форму.
При повышении температуры частицы тела получают больше энергии и движутся интенсивнее. Силы взаимодействия между соседними частицами несимметричны: при сближении они обычно возрастают быстрее, чем ослабевают при удалении. Поэтому частицы колеблются около нового среднего положения, а средние расстояния между ними увеличиваются. Совокупность таких изменений и даёт расширение всего тела.
Для стержня при небольшом изменении температуры используют формулу Δl = αl₀ΔT. Здесь Δl — изменение длины, α — коэффициент линейного расширения вещества, l₀ — начальная длина, а ΔT = T₂ − T₁ — изменение температуры. Формула приближённая: она применима, когда тело однородно, коэффициент α можно считать постоянным, а изменение температуры не слишком велико.
Объёмное расширение твёрдого тела описывается формулой ΔV = βV₀ΔT. В ней ΔV — изменение объёма, β — коэффициент объёмного расширения, V₀ — начальный объём, а ΔT — изменение температуры. Для однородного изотропного тела, свойства которого одинаковы по всем направлениям, каждый линейный размер меняется примерно одинаково, поэтому β ≈ 3α.
Жидкость не имеет собственной формы и принимает форму сосуда, поэтому для неё главным образом рассматривают изменение объёма. При нагревании увеличивается не только объём жидкости, но и размеры сосуда. Наблюдаемое заполнение или вытекание определяется разностью этих двух расширений, а не только свойствами жидкости.
Газы расширяются значительно сильнее твёрдых тел и жидкостей, потому что расстояния между их частицами велики, а связи между частицами слабы. Однако объём газа зависит не только от температуры, но и от давления. Поэтому при нагревании газ может увеличить объём при почти постоянном давлении или повысить давление, если объём ограничен.
| Вид расширения | Что изменяется | Основная зависимость | Коэффициент | Для каких тел применяют |
|---|---|---|---|---|
| Линейное расширение | Длина тела | Δl = αl₀ΔT | Коэффициент линейного расширения α | Стержни, проволоки, детали конструкций |
| Объёмное расширение твёрдого тела | Объём тела | ΔV = βV₀ΔT; β ≈ 3α для изотропного тела | Коэффициент объёмного расширения β | Твёрдые тела |
| Объёмное расширение жидкости | Объём жидкости | ΔV = βV₀ΔT | Коэффициент объёмного расширения β | Жидкости |
| Расширение газа | Объём или давление газа | Зависимость определяется условиями процесса и уравнением состояния газа | Параметры газа | Газы |
Сначала определите, какой размер изменяется: длина или объём. Затем выберите соответствующий коэффициент и проверьте, заданы ли условия процесса для газа или расширение сосуда для жидкости.
Все величины в формулах должны быть выражены в согласованных единицах. При нагревании ΔT положительно, а при охлаждении отрицательно, поэтому знак результата показывает направление изменения размера.
Условие. Стальная рейка длиной 2 м нагревается на 50 °C. Коэффициент линейного расширения стали α = 1,2·10⁻⁵ К⁻¹. Найдём изменение длины.
Ответ: рейка удлинится на 1,2 мм.
Условие. Медный провод длиной 10 м нагревают на 80 °C; α = 1,7·10⁻⁵ К⁻¹. Требуется найти конечную длину, поэтому одного удлинения недостаточно.
Ответ: конечная длина провода равна 10,0136 м.
Условие. Стеклянный сосуд полностью заполнен жидкостью и нагревается на 40 °C. Нужно сравнить приросты объёмов и определить объём вытекшей жидкости. Обозначим начальный объём через V₀, коэффициенты жидкости и стекла — βж и βс.
Ответ: без численных коэффициентов объём выражается формулой Vвыт = (βж − βс)V₀ΔT; жидкость вытечет, если её расширение больше расширения сосуда.
Первая ошибка — подставлять в формулу температуру тела, а не её изменение. Её допускают, когда путают конечную температуру с разностью температур; нужно вычислить ΔT = T₂ − T₁. Проверка проста: при одинаковых начальной и конечной температурах расширение должно быть нулевым.
Вторая ошибка — забывать начальный размер l₀ или V₀. Коэффициент показывает относительное изменение, поэтому абсолютный прирост зависит от исходной длины или объёма. Проверьте, что в формуле присутствует множитель начального размера.
Третья ошибка — смешивать коэффициенты α и β. α относится к длине, а β — к объёму; замена одного коэффициента другим допустима только при обосновании связи β ≈ 3α для изотропного твёрдого тела. Полезно сначала записать, что именно изменяется.
Четвёртая ошибка — не учитывать расширение сосуда с жидкостью. Из-за этого весь прирост жидкости ошибочно принимают за вытекший объём. Нужно отдельно найти расширение жидкости и сосуда, а затем вычислить их разность.
Для решения задач нужны перевод единиц длины, площади и объёма, вычисление разности температур и научная запись чисел. Например, 0,001 м = 1 мм, а коэффициенты обычно записывают как числа, умноженные на 10⁻⁵ К⁻¹.
Тема опирается на молекулярно-кинетические представления: температура связана с движением частиц, а расширение — с изменением средних расстояний между ними. Практическое значение явления видно при расчёте мостов, рельсов, трубопроводов, термометров и биметаллических пластин.
Почему тело расширяется при нагревании, если сами частицы почти не увеличиваются?
При нагревании частицы начинают двигаться интенсивнее. Из-за особенностей их взаимодействия средние расстояния между частицами увеличиваются, поэтому растут размеры всего тела.
Почему коэффициент линейного расширения зависит от вещества?
Частицы разных веществ взаимодействуют друг с другом неодинаково. Поэтому при одинаковом нагревании средние расстояния между ними изменяются по-разному, что и отражается в значении коэффициента α.
Чем линейное расширение отличается от объёмного?
Линейное расширение описывает изменение одного размера, например длины стержня. Объёмное расширение показывает, как изменяется пространство, занимаемое телом.
Почему жидкость может вытечь из сосуда при нагревании?
При нагревании увеличивается объём жидкости, но одновременно расширяется и сосуд. Если жидкость увеличивается сильнее, её объём становится больше вместимости сосуда, и избыток вытекает.
Всегда ли газ расширяется при нагревании?
Не всегда: результат зависит от условий процесса. При постоянном давлении газ обычно увеличивает объём, а при постоянном объёме растёт его давление.
§ 9.1. Тепловое расширение тел