приведи примеры теплового расширения сжатия твёрдых тел жидкостей. газов
Краткий ответ. При нагревании тела расширяются, при охлаждении сжимаются — уменьшают размеры или объём. Обычно сильнее всего это заметно у газов, затем у жидкостей, слабее — у твёрдых тел.
Примеры
Твёрдые тела
- Летом рельсы и мосты удлиняются, поэтому между рельсами оставляют зазоры, а на мостах делают температурные швы.
- Металлическую крышку банки обдают горячей водой: она расширяется, и крышка легче откручивается. Остывая, крышка снова сжимается.
- В старинном опыте с кольцом: нагретый металлический шар не проходит через кольцо, а после охлаждения — проходит.
- Провода летом провисают сильнее, а зимой натягиваются.
Жидкости
- Жидкость в термометре при нагревании поднимается, при охлаждении опускается.
- В системе отопления ставят расширительный бачок: вода при нагревании увеличивает объём.
- Исключение — вода: от 0 до 4 °C она при нагревании не расширяется, а сжимается; при замерзании вода расширяется, поэтому лёд легче воды и может разорвать бутылку.
Газы
- Воздушный шарик в тёплой комнате или на солнце увеличивается, на морозе сжимается.
- После долгой езды шины нагреваются, давление в них растёт; зимой на холоде давление падает.
- Газ в закрытом баллоне при нагревании давит на стенки сильнее. Поэтому аэрозольные баллончики нельзя нагревать.
Почему так происходит. При нагревании молекулы и атомы движутся быстрее, средние расстояния между ними увеличиваются — тело расширяется. При охлаждении движение замедляется, расстояния уменьшаются — тело сжимается. В твёрдых телах частицы колеблются около своих мест, поэтому расширение небольшое. В жидкостях частицы подвижнее. В газах расстояние между молекулами велико, поэтому при нагревании газ расширяется особенно сильно: при постоянном давлении растёт его объём, а при постоянном объёме растёт давление.
Проверка на примере. Для стали коэффициент линейного расширения примерно \(1{,}2\cdot10^{-5}\ ^\circ\text{C}^{-1}\). Рельс длиной 25 м при нагреве на 30 °C удлинится на
\[
\Delta l \approx 25\cdot1{,}2\cdot10^{-5}\cdot30 \approx 0{,}009\text{ м}=9\text{ мм}.
\]
Это заметно, поэтому зазоры действительно нужны.
Не путать: здесь «сжатие» — уменьшение при охлаждении. Механическое сжатие газа — другое явление: при быстром сжатии газ нагревается, при быстром расширении охлаждается.
Обсуждение
2 сообщенияЧем отличается тепловое расширение газов от теплового расширения твёрдых тел и жидкостей?
Кратко: газы расширяются гораздо сильнее и иначе зависят от условий: у газа важен не только нагрев, но и давление, а также объём сосуда. Твёрдые тела и жидкости при нагревании расширяются незначительно, и их объём почти не зависит от давления.
| Признак | Твёрдые тела | Жидкости | Газы |
|---|---|---|---|
| Что учитывают | Линейное расширение \(\Delta l=\alpha l\Delta T\) и объёмное \(\Delta V=\beta V\Delta T\) | Только объёмное \(\Delta V=\beta V\Delta T\) | Объёмное, но сильно зависит от давления |
| Величина расширения | Малая, \(\alpha \sim 10^{-5}\ ^\circ\mathrm{C}^{-1}\) | Малая, \(\beta \sim 10^{-4}\ ^\circ\mathrm{C}^{-1}\) | Большая: при постоянном давлении \(\Delta V/V=\Delta T/T\) |
| Форма и объём | Есть своя форма и объём | Есть свой объём, но нет своей формы | Нет ни своей формы, ни своего объёма — газ занимает весь сосуд |
| Роль давления | Почти не влияет | Почти не влияет | Очень важна: при постоянном объёме растёт давление |
| Как описать | Тепловое расширение твёрдого тела | Расширение жидкости в сосуде | Уравнением состояния газа \(pV=nRT\) |
Главные отличия
Сила расширения. При одинаковом нагреве газ расширяется намного сильнее. Например, при нагревании на \(1\ ^\circ\mathrm{C}\) объём газа при постоянном давлении увеличивается примерно на \(1/273\) часть, то есть примерно на \(0{,}37\%\). У твёрдых тел и жидкостей это обычно доли процента или ещё меньше.
Зависимость от давления. Для газа нельзя сказать «он расширился при нагревании», не уточнив, что происходило с давлением:
- если давление постоянно, газ расширяется: \(V\sim T\);
- если объём постоянен, газ не расширяется, но растёт его давление: \(p\sim T\).
У твёрдых тел и жидкостей давление几乎 не меняет объём, поэтому их тепловое расширение определяют в основном температурой.
Наличие собственного объёма. Твёрдое тело и жидкость имеют свой объём: при нагревании он увеличивается на небольшую величину. Газ собственного объёма не имеет — он всегда занимает объём сосуда. Поэтому о тепловом расширении газа говорят, когда он находится в сосуде с подвижной стенкой, шарике, при постоянном давлении.
Форма. Твёрдое тело при расширении может менять и длину, и объём, сохраняя форму. Жидкость меняет только объём, а форму принимает по сосуду. Газ меняет объём целиком, заполняя весь доступный сосуд.
Анизотропия. У некоторых кристаллов расширение идёт по разным направлениям неодинаково. У жидкостей и газов такого нет: они расширяются одинаково во все стороны.
Проверка. Для газа при постоянном давлении: \[ \frac{V_2}{V_1}=\frac{T_2}{T_1}, \] где \(T\) — абсолютная температура в кельвинах. Если газ нагреть от \(300\) К до \(330\) К, его объём увеличится на \(10\%\). Для стального стержня при таком же нагреве удлинение было бы порядка \(0{,}1\%\), то есть в десятки раз меньше.
