Тепловое расширение твердых тел, жидкостей и газов

Понимание того, как вещества реагируют на изменения температуры, является фундаментальным аспектом физики. Одной из таких реакций является тепловое расширение. В общем смысле, тепловое расширение относится к тенденции вещества изменять свою форму, площадь, объем и плотность в ответ на изменения температуры.

Что такое тепловое расширение?

Тепловое расширение — это увеличение размера вещества при его нагревании. Когда вещества становятся горячее, их молекулы движутся быстрее. Это движение заставляет частицы занимать больше пространства, что приводит к увеличению размеров вещества.

Примеры из реальной жизни

• Металлические крышки на стеклянных банках могут быть легче открыты, если крышку подержать под теплой водой. Это происходит потому, что металл расширяется больше, чем стеклянная банка, и крышка ослабляется.
• Мосты часто имеют зазоры, называемые деформационными швами. Эти зазоры позволяют материалу расширяться на жаре и предохраняют мост от изгиба или растрескивания.

Тепловое расширение твердых тел

Твердые тела имеют фиксированные формы и объемы из-за сильных сил между их частицами. Однако даже в твердых телах частицы могут вибрировать на месте. Когда твердое тело нагревается, эти вибрации увеличиваются, вызывая расширение твердого тела.

Линейное расширение

Линейное расширение относится к изменению одного размера (длины) твердого материала при нагревании. Поведение расширения можно описать математически по формуле:

ΔL = α * L₀ * ΔT

Где:

• ΔL = изменение длины
• α = коэффициент линейного расширения
• L₀ = первоначальная длина
• ΔT = изменение температуры

Визуальный пример линейного расширения

На графике выше синяя прямоугольник представляет собой твердое тело в его первоначальной длине, а красная прямоугольник представляет то же твердое тело после нагрева, показывая увеличение длины.

Тепловое расширение жидкостей

Жидкости не имеют определенной формы, но имеют определенный объем. В отличие от твердых тел, частицы в жидкости двигаются свободно. При нагревании эти частицы движутся быстрее и отталкиваются друг от друга, вызывая расширение жидкости.

Объемное расширение

Расширение в жидкостях обычно описывается в терминах объема. Формула объемного расширения:

ΔV = β * V₀ * ΔT

Где:

• ΔV = изменение объема
• β = коэффициент объемного расширения
• V₀ = первоначальный объем
• ΔT = изменение температуры

Текстовый пример расширения жидкости

Представьте, что вы заполнили стеклянную бутылку водой и плотно закрыли её. Если бутылка останется в горячей машине, вы можете заметить, что из бутылки вытекает немного воды. Это происходит потому, что вода расширяется больше, чем бутылка при нагревании, заставляя бутылку переполниться.

Тепловое расширение газов

Газы расширяются эффективнее, чем твердые тела и жидкости. Это происходит потому, что частицы газа далеко расположены друг от друга и имеют минимальные силы притяжения. При нагревании газы их частицы движутся быстрее и расширяются более быстро.

Закон Шарля

Поведение газов при тепловом расширении в основном описывается законом Шарля. В соответствии с ним объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре при постоянном давлении:

V₁ / T₁ = V₂ / T₂

Где:

• V₁ и V₂ — первоначальный и конечный объемы
• T₁ и T₂ — первоначальная и конечная температура в Кельвинах

Текстовый пример расширения газа

Шарик, выпущенный на солнце, начнет расширяться, так как частицы газа внутри шарика будут двигаться быстрее и дальше друг от друга при повышенной температуре.

Вывод

Тепловое расширение является важной концепцией для понимания поведения материалов при изменении температуры. Она играет жизненно важную роль в повседневной жизни и имеет много практических приложений в различных инженерных и строительных проектах. Учитывая тепловое расширение, инженеры могут разрабатывать конструкции, которые учитывают колебания температуры.

Комментарии