Тепловое расширение

Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры.

Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (см. Закон Бойля—Мариотта, Закон Шарля, Уравнение состояния идеального газа).

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL, равную:

    ΔL = αLΔT

где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями, которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.

Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.

То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.


1
Показать комментарии (1)
Свернуть комментарии (1)

  • Свойвзгляд  | 07.02.2010 | 11:23 Ответить
    Всё, что связано с теплом и холодом связано с важнейшим физическим термином и понятием - "ТЕМПЕРАТУРА". А это самое непроработанное физическое понятие в основе которого до сих пор нет самого физического объекта (предмета) обозначаемого словом температура. Объект-теплоноситель этой самой температуры не выявлен. Какая температура у отдельной молекулы? Какие объекты дают температуру в глубоком космическом вакууме? Что является источником температуры в 1000К в ионосфере Земли? Знает ли современная физика ответы на эти вопросы? Почему энтропия вселенной сейчас возрастает? Будет ли период в развитии нашей вселенной, когда второе начало термодинамики станет своей противоположностью и энтропия начнёт падать (уменьшаться)? Если знать объект-источник "Температуры", то и на все эти вопросы сможем ответить легко и непринуждённо.
    Ответ на вопрос о причине расширения тел при нагревании найдёт своё однозначное решение. И не только тел. Даже вукуум при нагревании расширяется. Это что касается проблемы предсказания правильной теории. Если это прочитают физики эксперементаторы, то попробуйте на инструментальной основе подтвердить этот факт. Вероятность подтверждения 100%. Это будет значительный вклад в развитие физики. Ну, а уж право теоретического обоснования оставляю за собой.
    Ответить
Написать комментарий

около 1800
Тепловое расширение
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»