Почему тела расширяются что изменяется у тела в процессе расширения кратко

Обновлено: 06.07.2024

Вопрос по физике:

Почему тела расширяются? Что изменяется у тела в процессе расширения?

Трудности с пониманием предмета? Готовишься к экзаменам, ОГЭ или ЕГЭ?

Воспользуйся формой подбора репетитора и занимайся онлайн. Пробный урок - бесплатно!

23.08.2015 03:06
Физика
remove_red_eye 2451
thumb_up 23

Ответы и объяснения 2

Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры.
При нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее (это можно и назвать изменением внутри тела). Также изменяется размер тела

Пример: при высокой температуре увеличивается размер рельс на железнодорожном пути

Знаете ответ? Поделитесь им!

Как написать хороший ответ?

Чтобы добавить хороший ответ необходимо:

Отвечать достоверно на те вопросы, на которые знаете правильный ответ;
Писать подробно, чтобы ответ был исчерпывающий и не побуждал на дополнительные вопросы к нему;
Писать без грамматических, орфографических и пунктуационных ошибок.

Этого делать не стоит:

Есть сомнения?

Не нашли подходящего ответа на вопрос или ответ отсутствует? Воспользуйтесь поиском по сайту, чтобы найти все ответы на похожие вопросы в разделе Физика.

Трудности с домашними заданиями? Не стесняйтесь попросить о помощи - смело задавайте вопросы!

Физика — область естествознания: естественная наука о простейших и вместе с тем наиболее общих законах природы, о материи, её структуре и движении.

Пример: при высокой температуре увеличивается размер рельс на железнодорожном пути

Если тебя не устраивает ответ или его нет, то попробуй воспользоваться поиском на сайте и найти похожие ответы по предмету Физика.

О том, что тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются известно всем, но никто не знает, что физически происходит при этом процессе. Обычно приводится множество примеров такого расширения: стыки между рельсами, между пролетами мостов, зигзаги на различных трубах, биметаллические пластины, отверстия и шары и множество другого. Все это все прекрасно знают. Нагрелось – увеличилось, остыло – уменьшилось. Правда у воды, а возможно и некоторых других соединениях существуют аномальные зоны, где коэффициент расширения имеет обратный знак. Здесь примешивается строение молекулы и получается такой замечательный результат в районе нуля градусов. Я пока буду рассуждать о нормальном коэффициенте расширения.

Все знают, что электрон может поглощать или излучать энергию в виде квантов, а точнее фотонов . Если электрон поглотил фотон , то он добавил в свое тело энергии, а если излучил, то потеряет часть энергии, то есть часть себя. А энергия – это масса с коэффициентом скорости света. Так что, чтобы кто чего не говорил, масса электрона меняется в соответствии с количеством поглощенной и излученной энергии. Чем большую скорость придаем электрону, тем большую порцию энергии он излучает. Статья "Воздействие силы на электрон" .

Когда мы тело охлаждаем, мы создаем вокруг него как бы вакуум тепловых фотонов, которые он мог бы поглотить, чем как будь то уменьшаем давление тепла на электрон. Теперь электрон, излучивший фотон, не сможет возвратится на прежний уровень из-за отсутствия требуемого фотона, который он может получить только из внешней среды. Электрон потеряет часть себя и уменьшится в размере. И в результате этого приблизится к ядру, перейдя на ближний уровень. Так уж получается, что чем более низкая температура, тем больше скорость электрона в атоме и тем ближе он прижимается к ядру. Статья "Атом, его устройство" .

Ну а теперь все просто. При понижении температуры атомы тела становятся меньше по своему физическому размеру, а не становятся, например, плоскими как у Эйнштейна. При повышении температуры электроны поглощают тепловые фотоны, все раздуваясь и все дальше уходя от ядра и в конце концов могут покинуть вообще ядро, и мы получим плазму. В замкнутом объеме в результате увеличения объемов атомов, больших неровностей их формы, и, естественно, больших их импульсов движения, из-за возрастания массы, возрастает давление в виде толчков атомов со стенками сосуда.

Вывод из рассказанного можно сделать следующий:

При повышении температуры атомы тела физически увеличиваются в размере из-за поглощения тепловых фотонов , в результате чего увеличивается весь объем тела .

Тот, кому не нравятся эти версии, и кто полагает, что он знает Шредингера, возможно, построит более правдоподобную версию расширения тел от повышения температуры. Действительно вероятность ведь зависит от температуры. Вероятность возникновения дождя летом больше нежели зимой. Только я осмелюсь напомнить, что по Шредингеру вероятностно расплывается все, не только электроны в атоме. Расплывается ядро, нейтроны, протоны, кварки, да и весь атом.

а) зависимость длины твердого тела от температуры;
б) длина тела при любой температуре.

а) зависимость объема твердого тела от температуры;
б) объем тела при любой температуре.

Оборудование: шар с кольцом; биметаллическая пластинка; тепловое реле; колба с резиновой и стеклянной трубкой, вставленной в пробку; Г – обрезанная стеклянная трубка с каплей воды; неокрашенная вода; электрическая плитка; трансформатор; проволока.

Особенности теплового расширения воды.

Мотивация познавательной деятельности студентов

Общеизвестно, что вещество обычно расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, т.е. происходит тепловая деформация тела под действием молекулярных сил в процессе нагревания и охлаждения. Это явление объясняется тем, что повышение температуры связанно с увеличением скорости движения молекул, а это ведет к увеличению межмолекулярных расстояний и в свою очередь, к расширению тела.

Тепловое расширение надо обязательно учитывать при термообработке и при термическом способе изготовления деталей и оборудования, при строительстве машин, трубопроводов, электрических линий, мостов, зданий, подверженных температурным изменениям.

I. Организация начала урока

Приветствие, формулировка темы, цели занятия, указание на предстоящий объем работы. Мотивация познавательной деятельности.

II. Повторение изученного материала

1. Проверка домашнего задания

Проверить решение качественных физических задач по теме “Твердые тела и их свойства” (фронтальный опрос студентов).

Повторить формулы из курса математики (а+в) 3 , а 3 +в 3 ;
Повторить тему “Тепловое расширение газов” (закон Гей-Люссака)
Повторить тему “Деформация твердых тел”.

Что происходит с телами при охлаждении и расширении?
Почему тела расширяются? Что изменяется у тела в процессе расширения?

В ходе обсуждения вводится понятие теплового расширения тел, примеры расширения тел, виды теплового расширения.

Тепловым расширением называется увеличение линейных размеров тела и его объема, происходящие при повышении температуры.

При расширении тела происходит увеличение его объема, и говорят об объемном расширении тела. Но иногда нас интересует лишь изменение одного размера, например длины железнодорожных рельсов или металлического стержня. В том случае говорят о линейном расширении. Конструкторы автомобилей интересуются расширением поверхности листов металла, применяемых при постройке машины. Здесь вопрос стоит о поверхностном расширении.

Вопрос: одинаково ли расширяются тела при нагревании на одно и то же число градусов?

Ответ: нет, так как у разных веществ молекулы имеют разные массы. Изменение температуры на одно то же число градусов характеризует одинаковую среднюю квадратичную скорость молекул. Е_к= молекул с меньшей массой будет меньше, чем молекул с большой массой. Поэтому межмолекулярные пространства различных веществ изменяются различно при одинаковой температуре, что и приводит к неодинаковому расширению.

2. Рассмотрим линейное расширение твердых тел и его особенности

Расширение твердого тела вдоль одного его измерения называется линейным.

Для характеристики степени линейного расширения различных твердых тел вводят понятие коэффициента линейного расширения.

Величина, показывающая, на какую долю начальной длины, взятой при 0 0 С, увеличивается длина тела от нагревания его на 1 0 С, называется коэффициентом линейного расширения и обозначается через .

[ ] =К -1 = или [ ] = 0 С -1 =

Введем обозначения: t₀ – начальная температура; t – конечная температура; l₀ – длина тела при t₀=0 0 С; l_t – длина тела при t 0 С; l – изменение длины тела; t – изменение температуры.

Допустим, что произошло нагревание провода на 60 0 С. В начале провод имел длину 100 см, а при нагревании его длина увеличилась на 0,24 см.

Отсюда, можно вычислить увеличение длины провода при нагревании на 1 0 С.

Общее удлинение (0,024 см) разделим на длину провода и изменение температуры: =0,000004 0 С -1 =(4*10 -6 ) 0 С -1 .

Для случая, когда начальная температура t₀=0 0 C t=t-t₀=t и = (2)

Обратить внимание студентов на то, что - очень малая величина и находится по таблице.

3. а) Для вычисления длины тела в зависимости от температуры t преобразуем формулу (2)

l_t-l₀= l₀t l_t=l₀+ l₀t l_t=l₀(1+ t)

Двучлен (1+t) называется биномом линейного расширения. Он показывает, во сколько раз увеличилась длина тела при нагревании его от 0 0 до t 0 С.

Итак, конечная длина тела равна начальной длине, умноженной на бином линейного расширения.

Формула l_t=l₀(1+? t) является приближенной и ею можно пользоваться при не очень больших температурах (200 0 С-300 0 С).

При больших изменениях температуры эту формулу применять нельзя.

б) Часто при решении задач пользуются другой приближенной формулой, которая упрощает вычисления. Например, если необходимо вычислить длину тела при нагревании от температуры t₁ до температуры t₂, то используют формулу:

l₂~ l₁ [1+ (t₂-t₁)] , коэффициент линейного расширения ~

IV. Промежуточное закрепление материала

Отправимся гулять вдоль полотна железной дороги. Если погода холодная, то мы заметим, что концы двух смежных рельсов отделены друг от друга промежутками 0,6-1,2 см, в жаркую погоду эти концы почти сходятся вплотную. Отсюда вывод, что рельсы при нагревании расширяются, сжимаются при охлаждении. Следовательно, если дорога строилась зимой, то надо было оставить некоторый запас, чтобы дать рельсам свободно расширяться в жаркое время года. Возникает вопрос, какой запас требуется оставить для этого расширения?

Допустим, что в нашей местности изменение температуры в году бывает от -30 0 С до -35 0 С и длина рельса 12,5 м. Какой зазор надо оставлять между рельсами?

Ответ: т.о. надо оставить зазор в 1 см, если укладка рельсов идет при низкой температуре или укладывать рельсы друг с другом в стык, если рельсы укладываются в самую жаркую погоду.

V. Изучения нового материала (продолжение)

Увеличение объема тел при нагревании называется объемным расширением.

Объемное расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения и обозначается через ? .

Задание: по аналогии с линейным расширением дать определение коэффициента объемного расширения и вывести формулу =.

Студенты самостоятельно реализуют решение этого вопроса и вводят обозначения: V₀ – начальный объем при 0 0 С; V_t – конечный объем при t 0 С; V – изменение объема тела; t₀ – начальная температура; t – конечная температура.

Величина, показывающая, на какую долю начального объема, взятого при 0 0 С, увеличивается объем тела от нагревания на 1 0 С, называется коэффициентом объемного расширения.

а) Найдем зависимость объема твердого тела от температуры. Из формулы = найдем конечный объем V_t.

V_t-V₀= V₀t, V_t=V₀+ V₀t, V_t=V₀(1+ t).

Двучлен (1+? t) называется биномом объемного расширения. Он показывает, во сколько раз увеличился объем тела при нагревании его от 0 до t 0 С.

Итак, конечный объем тела равен начальному объему, умноженному на бином объемного расширения.

Если известен объем тела V₁ при температуре t₁, то объем V₂ при температуре t₂ можно находить по приближенной формуле V₂~V₁ [1+ *(t₂-t₁] , а коэффициент объемного расширения ~ .

Вывод и запись формул реализуется студентами самостоятельно.

6. Значение коэффициента объемного расширения ? очень малая величина.

Однако, если мы обратимся к таблицам, то увидим, что значении ? для твердых тел там нет. Оказывается между коэффициентами линейного и объемного расширения существует зависимость ? =3? .

Выведем это соотношение.

Допустим, что мы имеем кубик, длина ребра которого при 0 0 С равна 1 см. нагреем кубик на 1 0 С, тогда длина его ребра будет l_t=1+? *1 0 =1+? . Объем нагретого кубика V_t=(1+? ) 3 . С другой стороны, объем этого же кубика можно вычислить по формуле V_t=1+? *1 0 =1+? .

Из последних равенств получим 1+? =(1+? ) 3 , отсюда 1+? =1+3? +3? 2 +? 3 .

Так как числовые значения ? очень малы – порядка миллионных долей, то 3? 2 и ? 3 подавно являются величинами чрезвычайно малыми. На этом основании, пренебрегая величинами 3? 2 и ? 3 , получим, что ? =3? .

Коэффициент объемного расширения твердого тела равен утроенному коэффициенту линейного расширения.

7. Выясним как изменяется плотность тел при изменении температуры. Плотность тела при 0 0 С.

p, откуда m=p₀*V₀, где m – масса тела; V₀ – объём при 0 0 С;

m = const при изменении температуры, но объём тела изменяется, значит меняется и плотность.

На этом основании можно написать, что плотность тела при температуре t = 0 0 C , т.к. V_t = V₀(1+? t), то .

При расчётах нужно учитывать, что в таблицах указывается плотность вещества при 0 0 С. Плотность при других температурах, вычисляется по формуле? _t.

Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (см. Закон Бойля—Мариотта, Закон Шарля, Уравнение состояния идеального газа).

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на Δ Т расширяется на величину Δ L , равную:

Δ L = αLΔ T

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.

Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями, которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.

Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.

То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.

Читайте также: