Физика · конспекты
★0
Физика › 8 класс › Тепловые явления

Тема 3Тепловое расширение и сжатие

★★★
Термины темы — найди их в тексте:Тепловое расширениеТепловое сжатиегазыжидкоститвёрдые телаТермометрГорячая посадкаБиметаллическая пластиназазорыкаткирасширяется

Металлическую крышку на банке легче открыть, если подержать её под горячей водой. Провода между столбами зимой натянуты, а летом провисают. Обе истории — про одно явление.

Тугая крышка банки. Провисание провода летом и зимойТугая крышка банки. Провисание провода летом и зимой
Тугая крышка банки. Провисание провода летом и зимой Иллюстрация: light-fizika.ru
Определение

Тепловое расширение — увеличение размеров и объёма тела при нагревании. Тепловое сжатие — уменьшение размеров и объёма при охлаждении.

Почему так?

При нагревании частицы движутся быстрее и колеблются с большим размахом, поэтому в среднем отходят друг от друга дальше — тело расширяется. При охлаждении движение замедляется, и тело сжимается.

Чем выше температура, тем сильнее колеблются частицы и тем больше места занимает тело
Чем выше температура, тем сильнее колеблются частицы и тем больше места занимает тело Иллюстрация: light-fizika.ru

Сильнее всего расширяются газы, слабее — жидкости, ещё слабее — твёрдые тела. Разные вещества расширяются по-разному.

Образ для запоминания

Нагрев — это «раздвинь локти». Частицы, как люди в тесном автобусе: пока спокойно — стоят плотно, начали переминаться и толкаться — всем нужно больше места. Остыли, успокоились — снова плотнее.

Где расширение помогает

  • Термометр: жидкость в трубке расширяется и поднимается.
  • Горячая посадка: нагретую деталь надевают на вал, остывая, она сжимается и держится очень прочно.
  • Биметаллическая пластина: две склеенные полоски из разных металлов при нагреве изгибаются. Так работают терморегуляторы утюга, чайника, автоматические выключатели.

Где мешает и как с этим борются

  • Между рельсами оставляют зазоры, мосты ставят на катки, чтобы конструкция могла удлиняться.
  • Толстый стакан от кипятка может лопнуть: внутренняя стенка расширяется раньше наружной.
  • Провода ЛЭП летом провисают; их натягивают с запасом, чтобы зимой они не порвались.
Подвижная опора моста. Бетонная плита длиной 9 м от зимы к лету удлиняется почти на сантиметрПодвижная опора моста. Бетонная плита длиной 9 м от зимы к лету удлиняется почти на сантиметр
Подвижная опора моста. Бетонная плита длиной 9 м от зимы к лету удлиняется почти на сантиметр Иллюстрация: light-fizika.ru
Аномалия воды

При охлаждении от +4 ∘C+4\,{}^\circ\text{C} до 0 ∘C0\,{}^\circ\text{C} вода не сжимается, а расширяется, а лёд занимает ещё больший объём. Поэтому лёд плавает, бутылка с водой на морозе лопается, а водоёмы замерзают сверху — на дне остаётся вода +4 ∘C+4\,{}^\circ\text{C}, и рыбы зимуют.

Объём 1 г воды наименьший при +4\,^\circ\text{C}
Объём 1 г воды наименьший при +4 ∘C+4\,{}^\circ\text{C} Иллюстрация: light-fizika.ru
Дополнительно: насколько удлинится стержень

Удлинение стержня пропорционально его длине и изменению температуры:

Δl=α l0 Δt\Delta l=\alpha\, l_0\,\Delta t

l0l_0 — начальная длина, Δt\Delta t — изменение температуры, α\alpha — коэффициент линейного расширения (из таблицы).

Веществоα\alpha, 1/∘C1/^\circ\text{C}
Алюминий2,4⋅10−52{,}4\cdot10^{-5}
Медь1,7⋅10−51{,}7\cdot10^{-5}
Сталь1,2⋅10−51{,}2\cdot10^{-5}
Стекло0,9⋅10−50{,}9\cdot10^{-5}

⚗ Мини-опыт

Выберите материал, длину и нагрев. Найдите, при каком нагреве стальной рельс длиной 10 м удлинится на 6 мм. Какой металл из списка расширяется сильнее всех?

▶ Симуляция PhET

Выберите твёрдое тело и медленно нагревайте его. Посмотрите, как частицы начинают колебаться сильнее и «расталкивают» соседей — поэтому тело и расширяется.

Агрегатное состояние вещества: основыОткрыть ↗

Симуляция: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, лицензия CC BY-NC 4.0 (phet.colorado.edu); русский перевод интерфейса.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1Почему тела при нагревании расширяются?
Размер частиц не меняется — меняются расстояния между ними.
2Что при одинаковом нагреве расширяется сильнее всего?
В газе частицы слабо связаны друг с другом.
3Зачем между рельсами оставляют зазоры?
Без зазоров удлинившиеся рельсы упираются друг в друга и выгибаются.

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

  1. Почему зимой провода ЛЭП натянуты сильнее, чем летом?

    Ответ

    При охлаждении провода сжимаются (укорачиваются).

    Как получилось?

  2. Что расширяется сильнее при одинаковом нагревании: воздух, вода или железо?

    Ответ

    Воздух (газы расширяются сильнее всего).

    Как получилось?

  3. Стальной рельс длиной 10 м нагрелся на 30 ∘C30\,{}^\circ\text{C}. На сколько он удлинился? (α=1,2⋅10−5 1/∘C\alpha=1{,}2\cdot10^{-5}\ 1/^\circ\text{C})

    Ответ

    Δl=1,2⋅10−5⋅10⋅30=3,6⋅10−3\Delta l=1{,}2\cdot10^{-5}\cdot10\cdot30=3{,}6\cdot10^{-3} м =3,6=3{,}6 мм.

    Как получилось?

  4. Алюминиевая проволока длиной 2 м нагрелась на 50 ∘C50\,{}^\circ\text{C}. На сколько она удлинилась? (α=2,4⋅10−5 1/∘C\alpha=2{,}4\cdot10^{-5}\ 1/^\circ\text{C})

    Ответ

    Δl=2,4⋅10−5⋅2⋅50=2,4⋅10−3\Delta l=2{,}4\cdot10^{-5}\cdot2\cdot50=2{,}4\cdot10^{-3} м =2,4=2{,}4 мм.

    Как получилось?

  5. Почему лёд плавает на поверхности воды?

    Ответ

    При замерзании вода расширяется, поэтому лёд легче воды того же объёма.

    Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

  1. Биметаллическая пластина из латуни (сверху) и стали (снизу) нагрелась. Куда она изогнётся? Латунь расширяется сильнее стали.

    Ответ

    Вниз, в сторону стали: латунь удлиняется больше и оказывается снаружи изгиба.

    Как получилось?

  2. Медный провод длиной 50 м зимой при −20 ∘C-20\,{}^\circ\text{C} натянут без провисания. Насколько он удлинится летом при +30 ∘C+30\,{}^\circ\text{C}? (α=1,7⋅10−5 1/∘C\alpha=1{,}7\cdot10^{-5}\ 1/^\circ\text{C})

    Ответ

    Δt=50 ∘C\Delta t=50\,{}^\circ\text{C}; Δl=1,7⋅10−5⋅50⋅50≈0,043\Delta l=1{,}7\cdot10^{-5}\cdot50\cdot50\approx0{,}043 м ≈4,3\approx4{,}3 см.

    Как получилось?

  3. Какой зазор нужно оставить между стальными рельсами длиной 12,5 м, если за год температура меняется от −35 ∘C-35\,{}^\circ\text{C} до +45 ∘C+45\,{}^\circ\text{C}?

    Ответ

    Δt=80 ∘C\Delta t=80\,{}^\circ\text{C}; Δl=1,2⋅10−5⋅12,5⋅80=0,012\Delta l=1{,}2\cdot10^{-5}\cdot12{,}5\cdot80=0{,}012 м — не меньше 12 мм.

    Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

Тепловое расширение
Увеличение размеров и объёма тела при нагревании.
Тепловое сжатие
Уменьшение размеров и объёма при охлаждении.
Удлинение стержня
Δl=α l0 Δt\Delta l=\alpha\,l_0\,\Delta t
Аномалия воды
При охлаждении от +4 °C до 0 °C вода расширяется; лёд легче воды.
Биметаллическая пластина
Две склеенные полоски разных металлов; при нагреве гнётся к менее расширяющейся.

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.