Малое удлинение — заметный эффект
Меняй материал, исходную длину и нагрев. Увидишь реальное расчётное удлинение и его увеличенный рисунок.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Дополнительная линейная модель Δl = αl₀ΔT. Приняты приблизительные α: 12, 23 и 9 × 10⁻⁶ 1/°C; у конкретных сплавов и стёкол значения различаются. Исходный участок условно укорочен, добавка показана в увеличенном масштабе.
Размер тела может меняться
Многие тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Для твёрдого стержня это означает изменение длины, для жидкости — изменение объёма.
Изменение размеров обычно невелико, но в длинных конструкциях становится важным. Поэтому инженер учитывает ожидаемые температуры и свойства материала.
Нагревание
Меняется тепловое движение
Структура вещества
Обычно растут средние расстояния
Размер образца
Увеличивается
Тепловое расширение — изменение размеров тела при изменении температуры.
При нагревании увеличиваются сами атомы как воздушные шарики?
Основную роль играет изменение средних расстояний и расположения частиц, а не такое увеличение самих атомов.
Материалы расширяются неодинаково
При одинаковом изменении температуры равные по длине стержни разных материалов обычно удлиняются по-разному. Для одного материала увеличение исходной длины увеличивает и абсолютное удлинение.
В модели сравниваются сталь, алюминий и стекло. Удлинения изображены увеличенными, иначе при размерах экранной схемы их было бы трудно заметить.
| Что сравниваем | Что сохраняем | Что наблюдаем |
|---|---|---|
| Материалы | Длина и нагрев одинаковы | Разные удлинения |
| Длины | Материал и нагрев одинаковы | Длинный стержень удлиняется больше |
| Нагрев | Материал и длина одинаковы | Больший нагрев даёт большее удлинение |
Расширение зависит от материала, исходного размера и изменения температуры.
Почему нельзя судить о свойстве материала по двум стержням разной длины?
Различие удлинений может быть вызвано и длиной. Для честного сравнения её сохраняют одинаковой.
Температурный шов моста
Шов оставляет конструкции пространство для изменения размеров.
Ramsch · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Жидкостный термометр
Тепловое расширение жидкости используется в термометре.
Rama · CC BY-SA 3.0 fr · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Расширение в технике
Деформационные зазоры позволяют деталям изменять размеры, не создавая чрезмерного напряжения. Если нагретую деталь жёстко удерживать, вместо свободного удлинения могут возникнуть значительные силы.
В жидкостном термометре используют заметное перемещение столбика при изменении объёма жидкости. Узкая трубка делает небольшое изменение объёма хорошо видимым.
Мост
Зазор допускает перемещение
Трубопровод
Компенсатор уменьшает напряжение
Термометр
Расширение жидкости двигает столбик
Тепловое расширение используют в приборах и учитывают при строительстве.
Почему термометр имеет узкую капиллярную трубку?
Малому изменению объёма соответствует заметное перемещение жидкости вдоль узкой трубки.
Вода — важное исключение
Правило «при нагревании объём всегда растёт» имеет исключения. При обычном давлении вода при нагревании от 0 до примерно 4 °C сжимается и достигает наибольшей плотности около 4 °C.
При замерзании обычная вода увеличивает объём. Это важно для труб, закрытых ёмкостей и природных водоёмов. Общую закономерность нужно применять с учётом конкретного вещества.
| Процесс | Изменение |
|---|---|
| Нагрев воды от 0 до 4 °C | Объём уменьшается |
| Нагрев воды выше 4 °C | Объём обычно растёт |
| Замерзание воды | Объём возрастает |
Особые свойства воды показывают, что правило расширения нельзя применять безусловно.
Почему заполненная водой ёмкость может разрушиться при замерзании?
Образующийся лёд занимает больший объём и при ограничении расширения может создавать большое давление.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 7 класс», § 12. Тема и содержание сверены с файлом «7 класс. Физика — § 12. Тепловое.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Число частиц, размеры и цвета учебных схем условны.