Термическое расширение твердых тел, жидкостей и газов

В термической физике основная концепция, которую мы изучаем, заключается в том, как вещества изменяются при добавлении тепла. Это часто связано не только с изменением их внутренней энергии, но и с изменением их физических размеров. Этот феномен известен как термическое расширение. По мере увеличения температуры объекта его частицы начинают двигаться быстрее и занимают больше пространства, в результате чего вещество расширяется. Это повсеместно наблюдается в твердых телах, жидкостях и газах. Каждое состояние вещества реагирует по-разному на изменения температуры и расширяется в разной степени.

Термическое расширение твердых тел

Твердые тела по своей природе имеют определенную форму и определенный объем благодаря относительно сильным силам между их атомами или молекулами. Однако твердые тела также подвергаются термическому расширению. При нагревании атомы в твердом теле начинают быстрее вибрировать, увеличивая расстояние между ними. Это расширение обычно носит линейный, объемный или плоскостной характер.

Линейное расширение

Линейное расширение относится к увеличению длины твердого тела при его нагревании. Изменение длины пропорционально первоначальной длине и изменению температуры. Формула линейного расширения выражается как:

ΔL = α × L₀ × ΔT

Где:

• ΔL — изменение длины,
• α — коэффициент линейного расширения (специфичен для материала),
• L₀ — первоначальная длина,
• ΔT — изменение температуры.

Например, рассмотрим металлический стержень длиной 1 м при начальной температуре 20°C. Если коэффициент линейного расширения составляет 12 × 10^-6 /°C, и температура увеличивается до 100°C, расширение длины можно рассчитать как:

ΔL = 12 × 10-6 /°C × 1 м × (100°C - 20°C) = 0.00096 м

Стержень удлиняется на 0.96 мм.

Наглядный пример

Представьте это представляет собой твердую штангу. При нагревании штанга может расширяться, указывая на увеличение длины.

Термическое расширение жидкостей

Жидкости не имеют определенной формы, но имеют определенный объем. Они также расширяются при нагревании. Поскольку жидкости не имеют определенной формы, мы в основном обсуждаем объемное расширение. Формула объемного расширения жидкости задается как:

ΔV = β × V₀ × ΔT

Где:

• ΔV — изменение объема,
• β — коэффициент объемного расширения (специфичен для жидкости),
• V₀ — первоначальный объем,
• ΔT — изменение температуры.

Например, если у вас есть контейнер с 2 литрами воды при 25°C, и коэффициент объемного расширения для воды составляет около 210 × 10^-6 /°C. Когда воду нагревают до 75°C, изменение объема рассчитывается как:

ΔV = 210 × 10-6 /°C × 2 л × (75°C - 25°C) = 0.021 л

Объем увеличивается на 21 мл.

Наглядный пример

Представьте это представляет собой контейнер, заполненный жидкостью. После нагревания он может расширяться, что указывает на увеличение количества.

Термическое расширение газов

Газы значительно отличаются от твердых тел и жидкостей в отношении расширения. Они расширяются намного больше, чем твердые тела и жидкости при нагревании. Это связано с тем, что силы между частицами в газе чрезвычайно слабые по сравнению с двумя остальными состояниями материи. Поведение газов в термических условиях часто описывается с помощью закона идеального газа и связанных с ним принципов, таких как закон Шарля, который утверждает, что при постоянном давлении объем газа прямо пропорционален его температуре (измеренной в Кельвинах).

Для описания увеличения объема газов при постоянном давлении используется:

V₁/T₁ = V₂/T₂

Где:

• V₁ и V₂ — начальный и конечный объемы соответственно,
• T₁ и T₂ — начальная и конечная температуры в Кельвинах соответственно.

Рассмотрим пример с образцом газа в шарике, объем которого изначально составляет 1,5 литра при 300 К. Если температура увеличивается до 400 К без изменения давления, новый объем можно рассчитать как:

V₂ = V₁ × (T₂/T₁) = 1.5 л × (400К / 300К) = 2.0 л

Объем газа увеличивается до 2.0 литров.

Наглядный пример

Представьте, что это представляет собой шарик, наполненный газом. При нагревании он может расширяться, что указывает на большее количество.

Практическое значение термического расширения

Понимание термического расширения важно в повседневной жизни и во многих технических приложениях. Инженеры и проектировщики должны учитывать его при строительстве всего, от мостов до термометров, из-за возможного влияния термических изменений. Примеры включают:

• Мосты и железные дороги: Дилатационные швы включены в конструкцию мостов и железнодорожных путей, чтобы учесть расширение и сжатие металла из-за изменения температуры.
• Термометр: Большинство жидкостных термометров работают по принципу объемного расширения жидкости внутри термометра.
• Биметаллические полосы: Они используются в многих устройствах, таких как термостаты. Они состоят из двух различных металлов, соединенных друг с другом, которые расширяются с разной скоростью, чтобы изгибаться при нагревании. Этот изгиб может открывать или закрывать цепь. Иллюстративное примечание: Представьте себе две соединенные полосы, где красная полоса (более высокий коэффициент расширения) изгибается больше при нагревании, заставляя полосу свернуться.

Особые случаи и аспекты

Термическое расширение имеет некоторые специфические эффекты, такие как когда вода приближается к своей точке замерзания. В отличие от большинства веществ, вода расширяется при замерзании, поэтому лед плавает на воде. Это необычное расширение важно для водных существ в холодных климатах, так как это препятствует замерзанию воды подо льдом.

С газами, отклонения от идеального поведения возникают при высоких давлениях и низких температурах. Реальные газы не всегда подчиняются закону идеального газа из-за взаимодействий между частицами газа и объема, который они занимают, что становится более важным в этих условиях.

Кроме того, некоторые материалы имеют отрицательные коэффициенты расширения при определенных диапазонах температур, что означает, что они сжимаются при нагревании. Инженеры и ученые должны учитывать эти уникальные свойства, чтобы избежать серьезных структурных или механических поломок.

Применения и более широкое влияние

Принципы термического расширения выходят за рамки земных приложений. Они важны в космических технологиях, таких как спутники и Международная космическая станция, которые испытывают значительные температурные колебания. Материалы, используемые в этих условиях, должны быть тщательно подобраны, чтобы выдерживать такие условия без деградации или отказа.

В электронной промышленности термическое расширение является важным фактором в связи с миниатюризацией компонентов. Расширение и сжатие электронных материалов может создавать напряжения и вызывать отказы в цепях и микросхемах, что требует точного проектирования и подбора материалов.

Заключение

Термическое расширение — это увлекательный и сложный феномен, который имеет широкие последствия в различных областях. От повседневного использования, такого как кулинарные термометры, до важных компонентов инфраструктуры и передовых научных приложений, жизненно важно понимать, как различные состояния вещества реагируют на изменения температуры. Эти знания не только помогают нам строить более безопасные и эффективные системы, но и связаны с нашим глубоким научным любопытством по отношению к окружающему миру.

Комментарии