Тепловое расширение

Определения и обозначения

Тепловое расширение — изменение размеров тела при изменении его температуры. При нагревании большинство тел расширяется, а при охлаждении сжимается. Это название помогает описать изменения, которые происходят с предметами из-за нагрева или охлаждения, даже если их не видно сразу.

Линейное расширение — изменение длины твёрдого тела при нагревании или охлаждении. Например, нагретый металлический стержень становится немного длиннее. Понятие помогает отдельно говорить об изменении длины, не смешивая его с изменением ширины и высоты.

Объёмное расширение — изменение объёма тела при изменении температуры. Объём — это место, которое занимает тело; он может увеличиваться у твёрдых тел, жидкостей и газов. Это понятие удобно, когда нужно описать изменение всего занимаемого телом пространства.

Тепловое расширение жидкости — увеличение её объёма при нагревании. Если жидкость находится в сосуде с узкой трубкой, она может подняться по трубке. По уровню жидкости легко заметить небольшое увеличение объёма, поэтому такой способ используют, например, в термометрах.

Как это устроено

Любое вещество состоит из частиц, которые непрерывно движутся. Нагревание передаёт веществу энергию, и частицы начинают двигаться быстрее. При этом они в среднем сильнее отталкиваются друг от друга, поэтому расстояния между частицами обычно увеличиваются. Из-за этого тело занимает больше места, хотя количество частиц и масса не становятся больше.

Твёрдое тело сохраняет свою форму, потому что его частицы расположены близко и не могут свободно разлетаться. Но они могут колебаться на своих местах, а при нагревании колебания становятся сильнее. Поэтому меняются длина и объём тела. У металлического стержня особенно легко заметить увеличение длины, а у пластины при нагревании увеличиваются не только длина, но и ширина, то есть меняется её объём.

Жидкость не сохраняет собственную форму и принимает форму сосуда, но её объём при нагревании обычно увеличивается. Представь колбу с окрашенной водой и узкой трубкой: при нагревании вода занимает больше места, поэтому часть жидкости поднимается в трубку. Узкая трубка делает небольшое изменение объёма хорошо заметным. Так устроен простой жидкостный термометр: изменение уровня помогает увидеть изменение температуры.

Газ не имеет собственной формы и занимает весь объём, который ему предоставлен. При нагревании частицы газа движутся быстрее и сильнее раздвигаются, если у газа есть возможность расшириться. Поэтому нагретый воздух может увеличить объём воздушного шара и раздуть его. Если газ заключён в сосуде, который не может расширяться, он не сможет просто занять больший объём — это уже другая ситуация.

Одинаковое нагревание не всегда даёт одинаковое расширение. Например, два предмета из разных веществ могут изменить размеры по-разному, даже если их нагрели на одну и ту же величину. Влияют также исходные размеры: у длинного стержня удлинение может быть заметнее, чем у короткого. Поэтому при оценке расширения учитывают и материал, и начальные размеры тела, и то, насколько его нагрели.

Тепловое расширение разных веществ

Сначала найди в таблице состояние вещества, а затем посмотри, какая величина меняется и какой пример это показывает. Последний ряд относится к охлаждению: это обратное обычному расширению изменение. Таблица помогает связать наблюдения с практическими ситуациями.

Разбор задач

Задача 1. Металлический стержень нагрели. Что произойдёт с его длиной и почему? Нужно определить, какое изменение размеров относится именно к стержню, и объяснить его через поведение частиц.

1. Стержень — твёрдое тело, поэтому при нагревании его частицы не разлетаются, а сильнее колеблются около своих мест.
2. Средние расстояния между частицами обычно увеличиваются. Из-за этого меняется длина стержня: происходит линейное расширение.
3. Значит, при нагревании стержень станет немного длиннее; его масса при этом не увеличится.

Ответ: длина стержня увеличится, потому что при нагревании обычно растут расстояния между частицами металла.

Задача 2. В колбе с узкой трубкой находится окрашенная вода. Что произойдёт с уровнем воды, если колбу нагреть? Здесь нужно проследить, как изменение объёма жидкости проявится в узкой трубке.

1. При нагревании вода обычно расширяется, то есть её объём увеличивается.
2. Колба и трубка занимают место, поэтому дополнительному объёму воды приходится подниматься по узкой трубке.
3. Следовательно, уровень окрашенной воды станет выше. Узкая трубка помогает заметить изменение объёма.

Ответ: уровень воды поднимется, потому что при нагревании её объём обычно увеличивается.

Задача 3. Почему между рельсами оставляют небольшие промежутки, если зимой они короче, чем летом? Чтобы ответить, нужно сравнить состояние рельсов в холодную и тёплую погоду и учесть, что рельсы сделаны из твёрдого материала.

1. Зимой рельсы охлаждаются и обычно немного сжимаются, поэтому становятся короче.
2. Летом они нагреваются и удлиняются. Это пример линейного теплового расширения твёрдого тела.
3. Промежутки дают рельсам место для удлинения. Без них расширяющимся рельсам было бы тесно, и они могли бы выгнуться.

Ответ: промежутки оставляют, чтобы рельсы могли удлиняться при нагревании без опасного изгиба.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что расширяются только твёрдые тела. Так можно подумать, потому что длину стержня легко сравнить до и после нагревания. Но жидкости и газы тоже обычно увеличивают объём. Проверь себя: вспомни воду в узкой трубке и нагретый воздух в шаре.

Ошибка: путать расширение с плавлением. Эти явления могут происходить при нагревании, поэтому их легко смешать. При расширении тело меняет размеры, но может оставаться твёрдым, жидким или газообразным. Чтобы проверить ответ, спроси себя: изменилось только место, которое занимает вещество, или оно перешло в другое состояние?

Ошибка: думать, что нагретое и расширившееся тело стало тяжелее. Увеличение размеров не означает появления новых частиц: меняются расстояния между ними, а не количество вещества. Проверь рассуждение: если тело не получило дополнительное вещество, его масса от одного расширения не увеличилась.

Ошибка: считать, что все вещества расширяются одинаково. Иногда это кажется верным, если сравнивать лишь общий факт увеличения размеров. Но величина изменения зависит от вещества, начальных размеров тела и условий нагревания. Проверь себя: одинаково ли изменятся короткий и длинный предметы из разных материалов при одном и том же нагревании?

Связь с другими темами

Чтобы понять тепловое расширение, нужно знать, что вещества состоят из частиц и что при нагревании частицы движутся быстрее. Это явление помогает объяснить работу термометров и показывает, почему при устройстве мостов, железных дорог и трубопроводов оставляют место для изменения размеров. Позже эти знания пригодятся при изучении температуры, теплопередачи и поведения веществ при нагревании и охлаждении.

Что запомнить

• При нагревании большинство тел расширяется, а при охлаждении сжимается.
• Тепловое расширение связано с изменением расстояний между частицами.
• У твёрдых тел могут изменяться длина и объём.
• Жидкости и газы при нагревании обычно увеличивают объём.
• Разные вещества расширяются неодинаково.
• При строительстве и эксплуатации устройств тепловое расширение нужно учитывать.