Rozszerzalność temperaturowa ciał
Trudno jest zmienić objętość ciał stałych i cieczy. A jednak w pewnych warunkach jest to możliwe. Ze zjawiskiem rozszerzalności cieplnej ciał spotykamy się często, np. gdy trzeba otworzyć słoik z mocno zakręconą metalową pokrywką.
Rozszerzalność cieplna ciał stałych
Ciała stałe zbudowane są z cząsteczek. Po podgrzaniu ciało zajmuje większą objętość, a więc odległości między cząsteczkami musiały się zwiększyć. Cząsteczki ciał stałych znajdują się w bliskiej odległości, a ich ruch jest ograniczony do drgań. Im wyższa jest temperatura, tym większe są drgania cząsteczek, a odległości miedzy nimi powiększają się, ale nie na tyle, aby uległa zniszczeniu struktura ciała stałego. To „rozpychanie się” cząsteczek daje widoczny efekt zwiększenia objętości ciała.
Rozszerzalność linowa ciał stałych polega na wydłużeniu się ciał stałych podczas ogrzewania (wzrostu ich temperatur) i kurczeniu się przy studzeniu (obniżeniu temperatury).
Próba włożenia rozgrzanej kulki do pierścienie Gravesanda przekonuje, że nie mieści się ona w jego otworze (tak jak wcześniej zanim ją rozgrzano). Oznacza to, że gorąca kulka jest powiększona we wszystkich kierunkach, tzw. Ma zwiększoną objętość. Zaszło zjawisko rozszerzalności objętościowej, tzn. zwiększenia objętości pod wpływem ogrzania.
Zastosowania zjawiska rozszerzalności temperaturowej ciał stałych
Zjawisko rozszerzalności temperaturowej ciał stałych ma olbrzymie znaczenie praktyczne. W naszym klimacie zmiany temperatury w ciągu roku mogą przekraczać 50C. Rozszerzalność temperaturowa musi więc być uwzględniona w praktyce, np. przy budowie konstrukcji architektonicznych, przewodowych linii niepowietrznych. Stalowe przęsła mostu mogą być latem nawet o pół metra dłuższe niż zimą. Wymaga to odpowiednich rozwiązań technicznych- stosuje się zazębiające się stalowe „grzebienie”, za których pomocą łączy się poszczególne części nawierzchni mostu. Nie przyczepia się też mostu sztywno do podłoża, lecz pod jednym z końców przęsła umieszcza się stalowe walce, po których ten koniec może się toczyć. Taki ruch umożliwiają opisane poniżej i pokazane na zdjęciach przerwy dylatacyjne.
Budując drogę z betonową nawierzchnią, zostawia się szczeliny, aby beton miał miejsce na rozszerzenie się w upalne dni. Szyny kolejowe i tramwajowe łączy się ze sobą zostawiając pomiędzy kolejnymi odcinkami tzw. Przerwy dylatacyjne. Podczas jazdy pociągiem słychać charakterystyczne stukanie kół w miejscach
przerw w szynach. Obecnie, aby unikać „stukania”, stosuje się często ukośne nacięcia na szynach.
Przerwa dylatacyjna mostu
Ciekawostka
Gitarzyści w czasie występów bardzo często muszą stroić gitary, ponieważ ich metalowe struny ogrzane np. silnym światłem reflektorów rozszerzają się, co powoduje rozstrojenie instrumentu.
Rozszerzalność cieplna cieczy
Poziom cieczy w rurce podniósł się. Świadczy to o rozszerzeniu się wody pod wpływem wzrostu temperatury. Podobnie jak woda tak i inne ciecze zwiększają swoją objętość podczas ogrzewania.W miarę wzrostu temperatury cząsteczki oddalają się od siebie. Zjawisko rozszerzalności cieplnej zachodzi w większym stopniu w cieczach niż w ciałach stałych. Przyrost objętości cieczy jest różny dla różnych rodzajów cieczy. Tabela przedstawia przyrost objętościowy 1dm³ cieczy przy wzroście temperatury o 1C (od 20C do 21C).
Zastosowanie zjawiska rozszerzalności cieplnej cieczy
Termometry służą do pomiary temperatury. „Temperatura” to słowo znane jest dobrze z życia codziennego. Temperatura jest wielkością fizyczną związaną z szybkością ruchu cząsteczek ciała. Im wyższą temperaturę ma ciało, tym szybszy jest chaotyczny ruch cząsteczek, z których ciało jest zbudowane. Podstawową jednostką temperatury w Układzie SI jest kelwin (1 K). W Polsce, w życiu codziennym używa się innej skali temperatur-skali Celsjusza (1C).
Produkuje się wiele rodzajów termometrów, o różnej dokładności i różnym zakresie.
W termometrze wykorzystuje się rozszerzalność cieplną cieczy np. termometry rtęciowe i alkoholowe.
Ciekawostka
William Thomson (1824-1907) był angielskim fizykiem i matematykiem, który za osiągnięcia naukowe otrzymał tytuł lorda Kelvina. Wprowadził bezwzględną skalę temperatur, zwaną skalą Kelvina.
W temperaturze 0 K, tzw. temperaturze zera bezwzględnego, zamiera ruch cząsteczek.
Stosowane są też inne skale temperatur, np.:
Fahrenheita : 100C = 212F, Rèaumura: 100C = 80R
0C = 32F 0C = 0R
0F = -15,5C
Anomalna rozszerzalność temperaturowa wody
Wszystkie substancje wraz ze wzrostem temperatury zwiększają swoją objętość, a wraz ze spadkiem temperatury zmniejszają ją. Z wodą jest nieco inaczej.
W lodzie cząsteczki tworzą szczególną strukturę, w której są położone od siebie dalej niż w wodzie. Gdy lód topnieje, cząsteczki zbliżają się do siebie i powstała z lodu woda zajmująca mniejszą objętość.
Zjawisko rozszerzenia się krzepnącej wody może być niekorzystne. Zimą zdarza się, ze zamarzająca w rurach wodociągowych woda powoduje ich pękanie. Zjawisko to jest także przyczyną procesu wietrzenia skał. Woda dostaje się w szczeliny pomiędzy skałami, w czasie mrozów zamarza i, zwiększając swoją objętość, kruszy skały.
Ogrzewając wodę od temperatury 0C do 4C, można zaobserwować zmniejszenie się jej objętości. Mówi się, że w tym zakresie temperatur za chodzi zjawisko anomalnej rozszerzalności cieplnej wody. Przy wzroście temperatury powyżej 4C objętość wody wzrasta, aczkolwiek wzrost ten jest inny niż pozostałych cieczy.
Zjawisko anomalnej rozszerzalności cieplnej wody ma duże znaczenie w przyrodzie dla utrzymania naturalnego życia w rzekach i jeziorach w okresie zimy. Gdy przy temperaturach poniżej 0C woda zamarza, to pod lodem - przy dnie zbiornika wodnego - gromadzi się woda o największej gęstości (czyli o temperaturze 4C), zapewniając rybom i innym zwierzętom odpowiednie warunki do przeżycia.
Rozszerzalność cieplna gazów
Rozgrzane powietrze nadyma balonik. Powietrze w kolbie zwiększa swoją objętość i jego część wydostaje się na zewnątrz do wody- widzisz je w postaci pęcherzyków. Gdy powietrze w kolbie stygnie, jego objętość maleje. Do kolby dostaje się tyle wody, ile podczas ogrzewania ubyło z niej powietrza. Wynika stąd, że również gazy mogą się rozszerzać podczas ogrzewania. Można to zaobserwować, np. gdy gaz znajdujący się w naczyniu z tłokiem lub w balonie będzie podgrzewany.
Ze wzrostem temperatury rośnie prędkość cząsteczek gazu. Cząsteczki silnie uderzają o ścianki zbiornika i- jeśli to możliwe- powiększają jego objętość. Większość gazów, niezależnie od ich rodzaju, rozszerza się tak samo. W porównaniu z ciałami stałymi gazy rozszerzają się ponad 1000 razy więcej.
Zastosowanie zjawiska rozszerzalności temperaturowej gazów
Zjawisko rozszerzalności temperaturowej gazów wykorzystuje się do produkcji termometrów gazowych. Najczęściej stosowanymi w nich gazami są :wodór, hel, powietrze. Zjawisko rozszerzalności cieplnej gazów możesz także wykorzystywać, naprawiając w prosty sposób zgniecioną piłeczkę pingpongową. Powietrze wewnątrz ogrzanej piłeczki rozszerza się i nadaje jej właściwy, kulisty kształt.
Ciekawostka
Najprawdopodobniej pierwszym uczonym, który udowodnił, że powietrze zwiększa swoją objętość przy podgrzewaniu, był żyjący w III w p.n.e. Filon z Bizancjum. Połączył on wydrążoną kulę z naczyniem pełnym wody. Gdy słońce podgrzewało kulę, powietrze wydostawało się z niej, powodując bulgotanie wody w naczyniu.
Dalton John (1766–1844), chemik angielski, nauczyciel w Manchesterze, wprowadził teorie atomową (1808) i na jej podstawie wytłumaczył prawo stałości składu połączeń chemicznych. Badał absorpcję gazów w cieczach oraz rozszerzalność cieplną gazów.
Największą rozszerzalnością temperaturową odznaczają się gazy, najmniejszą zaś ciała stałe.
Rozszerzalność cieczy i ciał stałych jest różna i zależy od rodzaju substancji.
Szkodliwe skutki tych zjawisk
Ciała stałe:
Ciała stałe również podlegają temu zjawisku, a lekceważenie go może mieć bardzo przykre konsekwencje, włącznie z utratą życia. Takim przykładem są tory kolejowe, które mają specjalne przerwy dylatacyjne między szynami. Gdyby nie te przerwy, to szyny położone jedna za drugą i dokładnie dopasowane, podczas upałów wyginałyby się, nie mogąc znaleźć sobie miejsca. Takie wygięte szyny mogą być przyczyną wykolejenia się pociągu, dlatego pozostawia się kilkucentymetrowe przerwy między nimi, które pozwalają metalowi rozszerzać się i kurczyć.
Ciecze:
Wszyscy wiemy, że w zimie zamarzająca woda zwiększa swoją objętość i może spowodować np. awarię wodociągów. Pękniętą rurę trzeba wymienić, co wiąże się z pewnymi niewygodami dla mieszkańców i kosztami finansowymi. Istnieje kilka sposobów na zabezpieczenie się przed tym nieszczęściem. Po pierwsze rury powinny być położone na głębokości, co najmniej 1,5m. Natomiast, gdy rury są w nieogrzewanych pomieszczeniach lub wystają na zewnątrz jako np. krany do podlewania ogrodu, to powinno się zakręcić zawory i spuścić wodę.
Gazy:
Negatywnym przykładem rozszerzalności gazów jest ogrzewanie lub palenie pojemników po aerozolowych dezodorantach. Hermetycznie zamknięty w pojemniku gaz może rozszczelnić pojemnik i spowodować wybuch groźny i szkodliwy dla zdrowia osób znajdujących się w pobliżu.