Тепловое расширение тел
Тепловое расширение тел — это изменение размеров тела при изменении температуры: при нагревании большинство тел расширяется, а при охлаждении сжимается. Явление наблюдается у твёрдых тел, жидкостей и газов, но выражено у них по-разному.
Причина явления связана с тепловым движением частиц. При повышении температуры частицы движутся интенсивнее. В твёрдом теле они колеблются около положений равновесия, и средние расстояния между ними увеличиваются. Поэтому изменяются размеры тела, хотя само тело обычно не распадается на части.
Для твёрдых тел часто рассматривают линейное расширение — изменение длины. Жидкости не сохраняют собственную форму, поэтому для них обычно говорят об изменении объёма. Газы расширяются особенно заметно: при постоянном давлении их объём увеличивается вместе с температурой.
В формуле \(\Delta V\) — изменение объёма, \(V_0\) — начальный объём, \(\Delta T\) — изменение температуры, а \(\beta\) — коэффициент объёмного расширения вещества. Для небольших изменений температуры коэффициент считают постоянным. Для твёрдого тела при равномерном нагревании также используют формулу линейного расширения: \(\Delta l = \alpha l_0 \Delta T\), где \(\alpha\) — коэффициент линейного расширения.
Металлический стержень длиной \(2\ м\) нагрели на \(50\ ^\circ\mathrm{C}\). Если \(\alpha=1{,}2\cdot10^{-5}\ ^\circ\mathrm{C}^{-1}\), то \(\Delta l=\alpha l_0\Delta T=1{,}2\cdot10^{-5}\cdot2\cdot50=0{,}0012\ м\), то есть стержень удлинится на \(1{,}2\ мм\).
Тепловое расширение — это изменение размеров, а не обязательно изменение массы. При нагревании закрытого твёрдого тела его масса сохраняется, но объём обычно увеличивается, поэтому средняя плотность уменьшается. Исключение — вода в интервале от \(0\) до \(4\ ^\circ\mathrm{C}\): при нагревании она сначала сжимается.
Что произойдёт с длиной металлической проволоки при нагревании, если она может свободно расширяться?
Главное
- При нагревании большинство тел расширяется, а при охлаждении сжимается.
- У твёрдых тел изменяются длина, площадь и объём; у жидкостей и газов обычно рассматривают изменение объёма.
- Тепловое расширение вызвано изменением среднего расстояния между частицами при изменении температуры.