что называется тепловым расширением

Тепловое расширение

Тепловое расширение — изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом теплового расширения). Для характеристики теплового расширения твёрдых тел дополнительно вводят коэффициент линейного теплового расширения.

Раздел физики изучающий данное свойство называется дилатометрией.

Тепловое расширение тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях.

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

,

где — 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.

См. также

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Тепловое расширение» в других словарях:

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ — изменение размеров тела в процессе его нагревания. Количественно Т. р. при постоянном давлении р характеризуется изобарным коэфф. расширения (коэфф. объёмного Т. p.) a=1/VX(dV/dT)p, где V объём тела (твёрдого, жидкого или газообразного), Т его… … Физическая энциклопедия

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ — ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ, изменение размеров и формы тела при изменении его температуры. Характеризуется коэффициентами объемного (для твердых тел и линейного) теплового расширения, т.е. изменением объема (линейных размеров) тела при изменении его… … Современная энциклопедия

тепловое расширение — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN heat expansionthermal expansion … Справочник технического переводчика

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ — изменение размеров и формы тел при их нагревании. Различие в силах сцепления между молекулами тела в различных его агрегатных (см.) сказывается на величине Т. р. Твёрдые тела, молекулы которых сильно взаимодействуют, расширяются мало, жидкости… … Большая политехническая энциклопедия

Тепловое расширение — изменение размеров тела в процессе его нагревания. Количественно Т. р. при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом Т. р.) Т2 > T1, V исходный объём тела (разность температур T2 T1… … Большая советская энциклопедия

тепловое расширение — šiluminis plėtimasis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Kaitinamo kūno matmenų padidėjimas. atitikmenys: angl. heat expansion; thermal expansion vok. thermische Ausdehnung, f; Wärmeausdehnung, f rus. тепловое расширение,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

тепловое расширение — šiluminis plėtimasis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kaitinamo kūno matmenų padidėjimas. atitikmenys: angl. heat expansion; thermal expansion rus. тепловое расширение; термическое расширение … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

тепловое расширение — šiluminis plėtimasis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. heat expansion; thermal expansion vok. thermische Ausdehnung, f; Wärmeausdehnung, f rus. тепловое расширение, n; термическое расширение, n pranc. dilatation thermique, f; expansion… … Fizikos terminų žodynas

тепловое расширение — изменение размеров тела при его нагревании; характеризуется коэффициентом объёмного расширения αυ = 1/V (ΔV/VT)Ξ, а для твёрдых тел и коэффициентом линейного расширения αл = 1/l(Δl/ΔТ)Ξ, где Δl изменение линейного размера, ΔV объёма тела, ΔТ … … Энциклопедический словарь

Источник

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ

Для большинства тел a>0, но существуют исключения. Напр., вода при нагреве от 0 до 4 °С при атм. давлении сжимается (a л осуществляется методами дилатометрии. Т. р. тел учитывается при конструировании приборов, машин и установок, работающих в переменных температурных условиях.

Лит.: Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Новикова С. И., Тепловое расширение твердых тел, М., 1974.

Полезное

Смотреть что такое «ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ» в других словарях:

Тепловое расширение — Тепловое расширение изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным… … Википедия

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ — ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ, изменение размеров и формы тела при изменении его температуры. Характеризуется коэффициентами объемного (для твердых тел и линейного) теплового расширения, т.е. изменением объема (линейных размеров) тела при изменении его… … Современная энциклопедия

тепловое расширение — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN heat expansionthermal expansion … Справочник технического переводчика

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ — изменение размеров и формы тел при их нагревании. Различие в силах сцепления между молекулами тела в различных его агрегатных (см.) сказывается на величине Т. р. Твёрдые тела, молекулы которых сильно взаимодействуют, расширяются мало, жидкости… … Большая политехническая энциклопедия

Тепловое расширение — изменение размеров тела в процессе его нагревания. Количественно Т. р. при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом Т. р.) Т2 > T1, V исходный объём тела (разность температур T2 T1… … Большая советская энциклопедия

тепловое расширение — šiluminis plėtimasis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Kaitinamo kūno matmenų padidėjimas. atitikmenys: angl. heat expansion; thermal expansion vok. thermische Ausdehnung, f; Wärmeausdehnung, f rus. тепловое расширение,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

тепловое расширение — šiluminis plėtimasis statusas T sritis chemija apibrėžtis Kaitinamo kūno matmenų padidėjimas. atitikmenys: angl. heat expansion; thermal expansion rus. тепловое расширение; термическое расширение … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

тепловое расширение — šiluminis plėtimasis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. heat expansion; thermal expansion vok. thermische Ausdehnung, f; Wärmeausdehnung, f rus. тепловое расширение, n; термическое расширение, n pranc. dilatation thermique, f; expansion… … Fizikos terminų žodynas

тепловое расширение — изменение размеров тела при его нагревании; характеризуется коэффициентом объёмного расширения αυ = 1/V (ΔV/VT)Ξ, а для твёрдых тел и коэффициентом линейного расширения αл = 1/l(Δl/ΔТ)Ξ, где Δl изменение линейного размера, ΔV объёма тела, ΔТ … … Энциклопедический словарь

Источник

Тепловое расширение твердых тел

Тепловое расширение — изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Для характеристики теплового расширения твёрдых тел вводят коэффициент линейного теплового расширения.

Механизм теплового расширения твердых тел можно представить следующим образом. Если к твердому телу подвести тепловую энергию, то благодаря колебанию атомов в решетке происходит процесс поглощения им теплоты. При этом колебания атомов становятся более интенсивными, т.е. увеличиваются их амплитуда и частота. С увеличением расстояния между атомами увеличивается и потенциальная энергия, которая характеризуется межатомным потенциалом.

Последний выражается суммой потенциалов сил отталкивания и притяжения. Силы отталкивания между атомами с изменением межатомного расстояния меняются быстрее, чем силы притяжения; в результате форма кривой минимума энергии оказывается несимметричной, и равновесное межатомное расстояние увеличивается. Это явление и соответствует тепловому расширению.

Зависимость потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними позволяет выяснить причину возникновения теплового расширения. Как видно из рисунка 9.2, кривая потенциальной энергии сильно несимметрична. Она очень быстро (круто) возрастает от минимального значения Е_р0 (в точке r₀) при уменьшении r и сравнительно медленно растет при увеличении r.

Рисунок 2.5

При абсолютном нуле в состоянии равновесия молекулы находились бы друг от друга на расстоянии r₀, соответствующем минимальному значению потенциальной энергии Е_р0. По мере нагревания молекулы начинают совершать колебания около положения равновесия. Размах колебаний определяется средним значением энергии Е. Если бы потенциальная кривая была симметричной, то среднее положение молекулы по-прежнему соответствовало бы расстоянию r₀. Это означало бы общую неизменность средних расстояний между молекулами при нагревании и, следовательно, отсутствие теплового расширения. На самом деле кривая несимметрична. Поэтому при средней энергии, равной , среднее положение колеблющейся молекулы соответствует расстоянию r₁ > r₀.

Изменение среднего расстояния между двумя соседними молекулами означает изменение расстояния между всеми молекулами тела. Поэтому размеры тела увеличиваются. Дальнейшее нагревание тела приводит к увеличению средней энергии молекулы до некоторого значения , и т. д. При этом увеличивается и среднее расстояние между молекулами, так как теперь колебания совершаются с большей амплитудой вокруг нового положения равновесия: r₂ > r₁, r₃ > r₂ и т. д.

Применительно к твердым телам, форма которых при изменении температуры (при равномерном нагревании или охлаждении) не меняется, различают изменение линейных размеров (длины, диаметра и т. п.) — линейное расширение и изменение объема — объемное расширение. У жидкостей при нагревании форма может меняться (например, в термометре ртуть входит в капилляр). Поэтому в случае жидкостей имеет смысл говорить только об объемном расширении.

Основной закон теплового расширения твердых тел гласит, что тело с линейным размером L₀ при увеличении его температуры на ΔT расширяется на величину ΔL, равную:

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.

Коэффициент линейного расширения зависит от природы вещества, а также от температуры. Однако, если рассматривать изменения температуры в не слишком широких пределах, зависимостью α от температуры можно пренебречь и считать температурный коэффициент линейного расширения величиной постоянной для данного вещества. В этом случае линейные размеры тела, как вытекает из формулы (2.28), зависят от изменения температуры следующим образом:

Из твердых тел сильнее всех расширяется воск, превышая в этом отношении многие жидкости. Коэффициент теплового расширения воска в зависимости от сорта в 25 – 120 раз больше чем у железа. Из жидкостей сильнее других расширяется эфир. Однако есть жидкость, расширяющаяся в 9 раз сильнее эфира – жидкая углекислота (СО3) при +20 градусах Цельсия. Ее коэффициент расширения в 4 раза больше, чем у газов.

Наименьшим коэффициентом теплового расширения из твердых тел обладает кварцевое стекло – в 40 раз меньше, чем железо. Кварцевую колбу раскаленную до 1000 градусов можно смело опускать в ледяную воду, не опасаясь за целостность сосуда: колба не лопается. Малым коэффициентом расширения, хотя и большим, чем у кварцевого стекла, отличается также алмаз.

Из металлов, меньше всего расширяется сорт стали, носящий название инвар, коэффициент его теплового расширения в 80 раз меньше, чем у обычной стали.

В приведенной ниже таблице 2.1 показаны коэффициенты объемного расширения некоторых веществ.

9Кислород3,665Вольфрам4,5ЖидкостиМедь16,6Вода0,2066АлюминийРтуть0,182ЖелезоГлицерин0,500Инвар (36,1% Ni)0,9Этиловый спирт1,659Лед-10 o до 0 о С50,7

Контрольные вопросы

1. Дать характеристику распределению нормальных колебаний по частотам.

3. Объяснить физический смысл температуры Дебая. Чем определяется значение температуры Дебая для данного вещества?

4. Почему при низких температурах решёточная теплоёмкость кристалла не остается постоянной?

5. Что называется теплоёмкостью твёрдого тела? Чем она определяется?

6. Объяснить зависимость решёточной теплоёмкости кристалла Cреш от температуры T.

7. Получить закон Дюлонга-Пти для молярной теплоёмкости решётки.

8. Получить закон Дебая для молярной теплоёмкости решётки кристалла.

9. Какой вклад вносит электронная теплоемкость в молярную теплоемкость металла?

10. Что называется теплопроводностью твёрдого тела? Чем она характеризуется? Чем осуществляется теплопроводность в случаях металла и диэлектрика.

11. Как зависит коэффициент теплопроводности кристаллической решётки от температуры? Объяснить.

12. Дать определение теплопроводности электронного газа. Сравнить χ_эл и χ_реш в металлах и диэлектриках.

13. Дать физическое объяснение механизму теплового расширения твёрдых тел? Может ли КТР быть отрицательным? Если да, то объяснить причину.

14. Объяснить температурную зависимость коэффициента теплового расширения.

Источник

Тепловое расширение тел

Содержание:

Тепловое расширение (также используется термин «термическое расширение») — изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным коэффициентом теплового расширения). Для характеристики теплового расширения твёрдых тел дополнительно вводят коэффициент линейного теплового расширения.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Тепловое расширение тел

Тепловое расширение характеризуется величиной, называемой температурным коэффициентом расширения. 2. Длина l тела при нагревании от 0 °С до температуры t °С вычисляется по формуле: где l0 — длина тела при температуре 0 °С, β — температурный коэффициент линейного расширения.

Понятие о тепловом расширении тел

Зависимость объема газа от температуры была установлена в гл. 5. Рассмотрим опыты, показывающие, что при нагревании расширяются все вещества, а не только газы.

Нальем в колбу какую-либо жидкость, например воду, закроем колбу пробкой, сквозь которую пропущена стеклянная трубка, и заметим уровень жидкости в трубке (рис. 13.1).

Если нагревать жидкость в колбе, то уровень жидкости в трубке повышается. При охлаждении жидкости уровень понижается. Оказывается, что жидкости при нагревании расширяются меньше газа.

Труднее заметить расширение твердых веществ при нагревании, так как оно значительно меньше, чем у жидкостей. Чтобы показать на опыте их расширение, изготовляют металлический шар и кольцо, сквозь которое шар при комнатной температуре проходит у «впритирку». После нагревания шара в пламени горелки он уже не проходит сквозь кольцо. Однако после остывания шар опять начинает проходить сквозь кольцо. Причина расширения твердых тел и жидкостей от нагревания была выяснена в § 2.4.

Итак, все вещества при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Выясним теперь, как определяется величина такого расширения.

Линейное расширение твердых тел при нагревании

Вспомним, что кристаллы обладают анизотропией, поэтому, вообще говоря, величина расширения кристалла при нагревании зависит от направления. Однако большинство твердых веществ имеет поликристаллическое строение, и потому они являются изотропными. Все изложенное дальше в этой главе относится к изотропным телам.

Итак, расширение твердых веществ при нагревании происходит одинаково по всем направлениям. Однако во многих случаях на практике приходится учитывать расширение только в одном направлении. Например, при прокладке труб для паропровода приходится учитывать удлинение этих труб при нагревании, а изменение площади поперечного сечения стенок труб практического значения не имеет. Изменение одного определенного размера твердого тела при изменениях температуры называется линейным расширением (линейным сжатием).

Пусть имеется стержень, длина которого при 0°С равна , а при температуре t равна . Следовательно, изменение длины стержня при его нагревании на будет равно . На основании опытов легко установить, что изменение длины стержня прямо пропорционально приросту температуры и его длине при 0°С, т. е.

Зависимость от рода вещества выражается коэффициентом пропорциональности .

Величина , характеризующая зависимость линейного расширения при нагревании от рода вещества и внешних условий, называется коэффициентом линейного расширения. Коэффициент линейного расширения показывает, на какую часть длины тела, взятого при 0°С, изменяется его длина при нагревании на 1°С:

Найдем формулу, позволяющую вычислять длину тела при различных температурах по известной длине . Из (13.1) имеем

Из формулы (13.3) получаем приближенную формулу для вычисления коэффициента линейного расширения твердого вещества:

Объемное расширение тел при нагревании

Зависимость плотности вещества от температуры. Пусть при 0°С и при температуре t объемы какого-либо тела соответственно равны и . Тогда изменение объема тела в процессе повышения температуры на будет . Опыт показывает, что это изменение объема тела прямо пропорционально приросту температуры и начальному объему :

Величина , характеризующая зависимость объемного расширения тела при нагревании от рода вещества и внешних условий, называется коэффициентом объемного расширения. Коэффициент объемного расширения показывает, на какую часть объема тела, взятого при 0°С, изменяется объем этого тела при нагревании на 1°С:

Формула (13.4) позволяет легко получить зависимость объема тела от температуры:

Если известен объем тела при температуре то его объем при температуре можно находить по приближенной формуле:

Из (13.6) получаем приближенную формулу для вычисления коэффициента объемного расширения:

Отметим, что все формулы, написанные в этом параграфе, справедливы, если масса тела т при изменении температуры остается постоянной. Это означает, что плотность вещества должна зависеть от температуры, поскольку объем меняется с температурой.

Действительно, плотность вещества при 0°С выражается формулой , а при температуре t — формулой . Подставляя в последнюю формулу значение из (13.5), получаем

При расчетах нужно учитывать, что в таблицах указывается плотность вещества при 0°С. Плотность при других температурах нужно вычислять, пользуясь формулой (13.7). Обратим внимание на то, что плотность вещества при нагревании уменьшается, а при охлаждении увеличивается.

Особенности теплового расширения твердых тел

Покажем, что между коэффициентами объемного расширения и линейного расширения для твердого вещества существует простая зависимость.

На рис. 13.2 изображен куб из твердого вещества с коэффициентами расширения и со стороной при О °С. Можно записать . После нагревания до температуры t ребро куба будет иметь длину , а объем куба . Таким образом,

Так как, с другой стороны,

Если учесть, что очень мало, то членами с и можно пренебречь. Поэтому получаем, что, откуда

Теперь видно, что по коэффициентам линейного расширения а с помощью формулы (13.8) легко рассчитать числовые значения коэффициентов объемного расширения , поэтому на практике для твердых веществ составляют только таблицы коэффициентов линейного расширения . В связи с этим формулу (13.5) для твердых тел целесообразно писать в виде

Нетрудно сообразить, что для определения площади поверхности твердого тела при температуре t можно пользоваться формулой

где — площадь этой поверхности при 0 °С.

Заметим, что при нагревании однородного твердого тела произвольной. формы расстояние между любыми двумя точками тела увеличивается и его можно определить по формуле (13.2) или (13.3).

Например, отверстие в металлическом листе (рис. 13.3) при нагревании увеличивается, причем точно так же, как и круг такого же диаметра, нарисованный на сплошном листе. Таким образом, отверстия и полости в твердом теле при изменениях температуры изменяются так, как будто они сплошь заполнены материалом, из которого сделано тело. (Подумайте, как изменится при нагревании зазор между концами стержня, согнутого в виде кольца.)

Некоторые особенности теплового расширения жидкостей

Был описан опыт нагревания жидкости в колбе, доказывающий расширение жидкости от нагревания. Теперь мы знаем, что при этом увеличивается и объем колбы. Следовательно, жидкость расширяется больше, чем колба, иначе уровень жидкости в колбе, не поднимался бы при нагревании.

Сравнение коэффициентов объемного расширения показывает, что жидкости при нагревании расширяются в несколько десятков, а иногда и в сотни раз больше, чем твердые вещества. Поэтому при расчетах, связанных с нагреванием жидкостей, расширением сосудов, в которых находится жидкость,, иногда пренебрегают.

При более строгом расчете необходимо учитывать и расширение сосуда при нагревании . Условимся расширение жидкости при нагревании, найденное по изменению ее уровня в сосуде, называть кажущимся и обозначать . Тогда истинное расширение жидкости должно быть равно сумме расширения внутреннего объема сосуда, занятого жидкостью, и кажущегося расширения жидкости, т. е.

Напомним еще, что среди жидкостей есть одно замечательное исключение: вода при нагревании от 0 до 4 °С сжимается, а при охлаждении от 4 до О °С расширяется. Причина этого объяснена в § 12.3. Кроме того, коэффициент для воды сильно изменяется при повышении температуры. В интервале 5—10 °С =0,000053, а в интервале 60—80 °С =0,00059, т. е. изменяется в 10 раз.

Значение теплового расширения тел в природе и технике

Расширение тел при нагревании и сжатие при охлаждении в природе играют огромную роль. Неравномерный прогрев воздуха у поверхности Земли создает конвекционные потоки (ветер), обусловливающие изменение погоды. Неравномерный прогрев воды в морях и океанах создает течения, оказывающие влияние на климат прибрежных стран. Особенно резкие колебания температуры происходят в горных местностях. Это приводит к поочередному расширению и сжатию горных пород. Так как такие изменения объема зависят от рода вещества, то в горных породах, имеющих сложный состав, возникают трещины, которые постепенно увеличиваются, т. е. происходит разрушение этих пород.

В быту и технике зависимость плотности вещества, длины и объема тел от температуры тоже имеет очень большое значение. Зависимость плотности воздуха от температуры используется в квартирах для равномерного распределения тепла, выделяемого печами и радиаторами, в печах — для создания тяги, в холодильниках — для равномерного охлаждения камеры и т. д.

В различного рода автоматических устройствах используются биметаллические пластинки. Такая пластинка состоит из двух разнородных металлических полос, склепанных друг с другом. При нагревании биметаллической пластинки одна полоса удлиняется больше другой и вся пластинка изгибается (рис. 13.4, а); контакт на биметаллических пластинках (рис. 13.4, б) при нагревании размыкается.

Такие пластинки используются для автоматического замыкания и размыкания электрических цепей в термостатах, в холодильниках, в противопожарных устройствах и т. п.

Зависимость длины от температуры приходится учитывать при натягивании проводов на линиях электропередач, устройстве паропроводов, сооружении мостов, прокладке рельсов и т. д.

Для получения спаев металла со стеклом, например, при изготовлении электрических ламп и радиоламп, используются металлы и стекла с близкими коэффициентами расширения.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник