Sự phụ thuộc của kích thước các cơ thể vào nhiệt độ - Đại siêu thị tri thức. Có tính đến sự giãn nở nhiệt của các vật thể

Khi các vật bị đốt nóng, động năng trung bình của chuyển động tịnh tiến của các phân tử và khoảng cách trung bình giữa các phân tử tăng lên. Do đó, tất cả các chất đều nở ra khi nóng lên và co lại khi nguội đi. Phân biệt giữa khai triển tuyến tính và thể tích.

Sự thay đổi về một kích thước cụ thể của vật rắn với sự thay đổi của nhiệt độ được gọi là mở rộng tuyến tính (hoặc co lại).

Chiều dài của thanh là 0 0 ở đâu,

Hệ số khai triển tuyến tính. Thứ nguyên = О С -1.

Chiều dài cơ thểở bất kỳ nhiệt độ t: ;

Với sự mở rộng thể tích thể tích tăng:, trong đó: - thể tích vật ở 0 0 C.

Thể tích cơ thểở nhiệt độ t bất kỳ :, trong đó:

Hệ số nở thể tích;

Nó đã được thực nghiệm thiết lập rằng. Đó là lý do tại sao .

Tương tự như vậy cho diện tích bề mặt chất rắn: .

Trong chất lỏng, có một ngoại lệ đáng chú ý: nước, khi đun nóng từ 0 0 C đến +4 0 C, co lại, và khi làm lạnh từ +4 0 C đến 0 0 C, nó nở ra. Hệ số nở thể tích của nước thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ.

Các ví dụ về sự giãn nở nhiệt:

Khi nước đóng băng, nó nở ra và làm vỡ đá, ống kim loại và các cấu trúc kỹ thuật khác.

Trong tự động hóa, các tấm lưỡng kim được sử dụng, sử dụng sự khác biệt trong hệ số giãn nở tuyến tính của mỗi tấm trong số hai tấm. Khi bị đốt nóng, tấm lưỡng kim mất đi tính ổn định, nhấn công tắc, kết quả là bộ truyền động được kích hoạt.

Sự giãn nở nhiệt là điều quan trọng cần xem xét khi đặt đường ray, kéo dây, xây dựng cầu, v.v. Kết luận từ bóng đèn và ống vô tuyến được làm từ vật liệu trong đó hệ số giãn nở tuyến tính gần với hệ số giãn nở tuyến tính của thủy tinh.

Nóng chảy và kết tinh.
Biểu đồ trạng thái pha

Sự chuyển của một chất từ ​​trạng thái rắn sang trạng thái lỏng được gọi là nóng chảy, và sự chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn là đông đặc hoặc kết tinh. Sự nóng chảy và sự đông đặc xảy ra ở cùng một nhiệt độ, được gọi là độ nóng chảy. Thực tế áp suất không ảnh hưởng đến giá trị của điểm nóng chảy. Nhiệt độ nóng chảy của một chất ở áp suất khí quyển bình thường được gọi là độ nóng chảy.

Khi một chất rắn nóng chảy, khoảng cách giữa các hạt tạo thành mạng tinh thể tăng lên, và bản thân mạng tinh thể bị phá hủy. Trong phần lớn các chất, thể tích tăng khi nóng chảy và giảm trong quá trình đông đặc.

Khu vực trong đó một chất đồng nhất về tất cả các tính chất vật lý và hóa học được gọi là giai đoạn trạng thái của chất này. Pha lỏng và pha rắn của một chất ở cùng nhiệt độ có thể ở trạng thái cân bằng trong một thời gian dài tùy ý (nước đá và nước ở 0 0 C). Do đó, cho đến khi tất cả các chất nóng chảy thì nhiệt độ của nó không đổi., bằng nhiệt độ nóng chảy.

Bằng sức nóng của sự nhiệt hạchđược gọi là nhiệt lượng phải cung cấp cho vật có khối lượng m nằm ở điểm nóng chảyđể làm tan chảy nó.

Nhiệt dung riêng của nhiệt hạch ở đâu.

1 J / kg.

Hình 34 cho thấy đồ thị của sự thay đổi nhiệt độ của một chất trong quá trình nóng chảy và đông đặc. Phân đoạn (Hình 34a) biểu thị lượng nhiệt, nhận chất khi đun nóng ở trạng thái rắn (từ đến T PL), một đoạn - khi nóng chảy và một đoạn - khi đun nóng ở trạng thái lỏng. Phân đoạn (Hình 34b) biểu thị lượng nhiệt, Cho đi chất khi nguội ở trạng thái lỏng (từ sang), hình cắt - khi đông đặc và hình cắt - khi nguội ở trạng thái rắn.

Hình 34. Đồ thị về sự thay đổi nhiệt độ của một chất trong quá trình nóng chảy và đông đặc

Nhiều chất rắn không mùi. Điều này chứng tỏ rằng chất rắn có thể chuyển sang trạng thái khí, bỏ qua trạng thái lỏng. Sự bay hơi của chất rắn được gọi là thăng hoa hay thăng hoa(từ tiếng Latinh "sublimate" - tôn lên). Trong công nghiệp thực phẩm, đá khô (CO 2) với đặc tính này được sử dụng. Quá trình ngược lại cũng có thể xảy ra - sự phát triển của các tinh thể từ chất khí (băng trên cửa sổ, phát triển quá mức của các jumper ROM).

Đối với mỗi chất, bạn có thể soạn biểu đồ trạng tháiở tọa độ P và T (hình 35), trên cơ sở đó người ta có thể dễ dàng xác định được chất này sẽ ở trạng thái nào trong những điều kiện bên ngoài nhất định. Mỗi điểm của giản đồ tương ứng với trạng thái cân bằng của chất, trong đó nó có thể ở trong một thời gian dài tùy ý.

Đường cong KC - sự phụ thuộc của áp suất hơi bão hòa vào nhiệt độ. Điểm K là điểm tới hạn.

Đường cong CA - sự phụ thuộc nhiệt độ của áp suất của hơi bão hòa ở trạng thái cân bằng với bề mặt của chất rắn.

Đường cong KC - đường cân bằng của pha lỏng và pha khí. Đường thẳng BC - đường cân bằng giữa pha lỏng và pha rắn. Đường cong AC là đường cân bằng giữa pha rắn và pha khí.

Điểm C thể hiện sự cân bằng giữa cả ba pha, nó được gọi là điểm ba. Heli không có điểm ba.

Câu hỏi kiểm soát:

1. Cho biết sự nở vì nhiệt của chất rắn.

2. Sự nóng chảy và sự kết tinh là gì? Nhiệt của nhiệt hạch là gì?

3. Thế nào là sự thăng hoa của vật chất?

4. Hãy cho chúng tôi biết về biểu đồ các trạng thái của vật chất.

Sự thay đổi kích thước tuyến tính của vật khi bị đốt nóng tỷ lệ với sự thay đổi của nhiệt độ.

Đại đa số các chất đều nở ra khi bị nung nóng. Điều này có thể dễ dàng giải thích theo quan điểm của lý thuyết cơ học về nhiệt, vì khi bị nung nóng, các phân tử hoặc nguyên tử của một chất bắt đầu chuyển động nhanh hơn. Trong chất rắn, các nguyên tử bắt đầu dao động với biên độ lớn hơn xung quanh vị trí trung bình của chúng trong mạng tinh thể, và chúng cần nhiều không gian tự do hơn. Kết quả là, cơ thể nở ra. Tương tự như vậy, phần lớn chất lỏng và chất khí nở ra khi nhiệt độ tăng do tốc độ chuyển động nhiệt của các phân tử tự do tăng lên ( cm.Định luật Boyle - Mariotte, Định luật Charles, Phương trình trạng thái khí lý tưởng).

Định luật cơ bản của sự giãn nở nhiệt nói rằng một vật thể có kích thước tuyến tính L theo chiều tương ứng với sự gia tăng nhiệt độ của nó bằng Δ NS mở rộng một lượng Δ L tương đương với:

Δ L = αLΔ NS

ở đâu α — cái gọi là Hệ số tuyến tính giãn nở tuyến tính. Các công thức tương tự có sẵn để tính toán những thay đổi về diện tích và thể tích của cơ thể. Trong trường hợp đơn giản nhất đã cho, khi hệ số nở vì nhiệt không phụ thuộc vào nhiệt độ hay chiều nở thì chất sẽ nở đều theo mọi hướng theo đúng công thức trên.

Đối với các kỹ sư, sự giãn nở nhiệt là rất quan trọng. Khi thiết kế một cây cầu thép bắc qua sông ở một thành phố có khí hậu lục địa, người ta phải tính đến sự chênh lệch nhiệt độ có thể có, từ -40 ° C đến + 40 ° C trong suốt cả năm. Sự khác biệt như vậy sẽ gây ra sự thay đổi về tổng chiều dài của cây cầu lên đến vài mét, và để cây cầu không bị xô lệch vào mùa hè và không chịu tải trọng phá vỡ mạnh vào mùa đông, các nhà thiết kế đã tạo ra cây cầu từ các phần riêng biệt, kết nối họ đặc biệt khớp đệm nhiệt, là những hàng răng có mắt lưới, nhưng không nối với nhau một cách cứng nhắc, đóng chặt khi có nhiệt và phân ra khá rộng khi lạnh. Có thể có khá nhiều vùng đệm này trên một cây cầu dài.

Tuy nhiên, không phải tất cả các vật liệu, đặc biệt là chất rắn kết tinh, giãn nở đồng nhất theo mọi hướng. Và không phải tất cả các vật liệu đều giãn nở theo cách giống nhau ở các nhiệt độ khác nhau. Ví dụ nổi bật nhất của loại thứ hai là nước. Khi làm lạnh, nước đầu tiên co lại, giống như hầu hết các chất. Tuy nhiên, bắt đầu từ + 4 ° C và lên đến điểm đóng băng 0 ° C, nước bắt đầu nở ra khi làm mát và co lại khi đun nóng (theo quan điểm của công thức trên, chúng ta có thể nói rằng trong phạm vi nhiệt độ từ 0 ° C đến + 4 ° C hệ số giãn nở nhiệt của nước α nhận giá trị âm). Nhờ hiệu ứng hiếm có này mà các biển và đại dương trên trái đất không bị đóng băng ở đáy ngay cả trong những đợt sương giá khắc nghiệt nhất: nước lạnh hơn + 4 ° C trở nên ít đặc hơn so với ấm hơn, và nổi lên bề mặt, làm dịch chuyển nước có nhiệt độ cao hơn. hơn + 4 ° C đến đáy.

Thực tế là băng có trọng lượng riêng thấp hơn trọng lượng riêng của nước là một đặc tính bất thường khác (mặc dù không liên quan đến trước đó) của nước mà chúng ta có được sự tồn tại của sự sống trên hành tinh của chúng ta. Nếu không có hiệu ứng này, băng sẽ đi xuống đáy sông, hồ và đại dương, và chúng, một lần nữa, sẽ đóng băng ở đáy, giết chết tất cả sự sống.

Phân loại bài học: bài học học kiến ​​thức mới và cách hành động

Loại bài: kết hợp

Mục tiêu bài học:

• giáo huấn:
giải thích bản chất vật lý của sự nở vì nhiệt của các vật; dạy học sinh thực hiện các phép tính về sự thay đổi thể tích và tuyến tính của chất rắn và chất lỏng khi nhiệt độ của chúng thay đổi;
• giáo dục:
nâng cao kỹ năng vận dụng kiến ​​thức lý thuyết thu được vào giải quyết các vấn đề thực tiễn của học sinh; khơi dậy hứng thú đối với quá trình đang học;
• đang phát triển:
phát triển ở học sinh tư duy về công dụng và ý nghĩa của sự nở vì nhiệt trong tự nhiên và công nghệ; Giải thích được cơ chế giãn nở vì nhiệt của các vật trên cơ sở thuyết động học phân tử.

Kế hoạch bài học

1. Tổ chức đầu bài
2. Lặp lại các tài liệu đã học
3. Học tài liệu mới
4. Cố định vật liệu trung gian
5. Học tài liệu mới (tiếp theo) phụ lục 1
6. Củng cố tài liệu đã học Phụ lục 2,
7. Bài tập về nhà Phụ lục 4

Kế hoạch nghiên cứu của đề tài.

Thiết bị: bóng có vòng; tấm lưỡng kim; rơle nhiệt; một bình với một ống cao su và thủy tinh được chèn vào nút; D - cắt ống thủy tinh bằng một giọt nước; nước không màu; bếp điện; máy biến áp; dây điện.

Minh chứng:

1. Sự nở vì nhiệt của chất rắn.
2. Sự nở vì nhiệt của chất lỏng.
3. Hoạt động và mục đích của bộ điều nhiệt lưỡng kim.

Thông điệp:

Đặc điểm về sự nở vì nhiệt của nước.

Động cơ thúc đẩy hoạt động nhận thức của học sinh

Người ta thường biết rằng một chất thường nở ra khi nóng lên và co lại khi nguội đi, tức là biến dạng nhiệt của cơ thể xảy ra dưới tác dụng của các lực phân tử trong quá trình nóng và lạnh. Hiện tượng này được giải thích là do sự gia tăng nhiệt độ có liên quan đến sự gia tăng tốc độ chuyển động của các phân tử, và điều này dẫn đến sự gia tăng khoảng cách giữa các phân tử và do đó dẫn đến sự giãn nở của cơ thể.

Sự giãn nở nhiệt phải được tính đến trong nhiệt luyện và trong phương pháp nhiệt chế tạo các bộ phận và thiết bị, trong chế tạo máy, đường ống, đường dây điện, cầu, các công trình chịu sự thay đổi nhiệt độ.

TIẾN TRÌNH BÀI GIẢNG

I. Tổ chức đầu bài

Lời chào, xây dựng chủ đề, mục tiêu của bài học, một chỉ báo về khối lượng công việc sắp tới. Động cơ thúc đẩy hoạt động nhận thức.

II. Lặp lại các tài liệu đã học

1. Kiểm tra bài tập về nhà

Kiểm tra việc giải các bài toán vật lý chất lượng cao chủ đề “Chất rắn và tính chất của chúng” (khảo sát trực diện học sinh).

2. Chuẩn bị cho nhận thức về vật liệu mới

1. Lặp lại các công thức từ khóa học toán học (a + b) 3, và 3 + trong 3;
2. Xem lại chuyên đề “Sự nở vì nhiệt của chất khí” (Định luật Gay-Lussac)
3. Nhắc lại chủ đề “Sự biến dạng của chất rắn”.

III. Học tài liệu mới

1. Học sinh được mời trả lời các câu hỏi:
1. Điều gì xảy ra với các cơ thể khi chúng nguội đi và nở ra?
2. Tại sao các cơ thể lại nở ra? Những gì thay đổi trong cơ thể khi nó nở ra?

Trong quá trình thảo luận, giới thiệu khái niệm về sự nở vì nhiệt của các vật, các ví dụ về sự nở ra của các vật, các dạng nở vì nhiệt.

Sự giãn nở nhiệt là sự gia tăng các kích thước tuyến tính của vật thể và thể tích của nó, xảy ra khi nhiệt độ tăng.

Khi cơ thể mở rộng, khối lượng của nó tăng lên và họ nói về thể tích cơ thể mở rộng... Nhưng đôi khi chúng ta chỉ quan tâm đến việc thay đổi một chiều, chẳng hạn như chiều dài của đường ray xe lửa hoặc một thanh kim loại. Trong trường hợp đó, họ nói về Mở rộng tuyến tính... Các nhà thiết kế xe hơi quan tâm đến việc mở rộng bề mặt của các tấm kim loại được sử dụng trong việc chế tạo xe hơi. Đây là câu hỏi về mở rộng bề ngoài.

Bố trí thí nghiệm:

1. sự nở ra của chất lỏng khi đun nóng (mực nước trong bình có ống tăng lên);
2. sự nở ra của chất rắn khi bị nung nóng (quả cầu có vòng, tăng chiều dài của dây căng);
3. hoạt động của bộ điều chỉnh lưỡng kim (rơ le nhiệt).

Câu hỏi: Các vật có nở ra như nhau khi bị nung nóng cùng một số độ không?

Câu trả lời là không, vì các chất khác nhau có khối lượng phân tử khác nhau. Sự thay đổi nhiệt độ theo cùng một số độ đặc trưng cho cùng một vận tốc trung bình căn bậc hai của các phân tử. E k = phân tử có khối lượng nhỏ hơn sẽ nhỏ hơn phân tử có khối lượng lớn. Do đó, không gian giữa các phân tử của các chất khác nhau thay đổi khác nhau ở cùng một nhiệt độ, điều này dẫn đến sự giãn nở không bằng nhau.

2. Hãy xem xét sự nở ra tuyến tính của chất rắn và các tính năng của nó

Sự mở rộng của một cơ thể cứng dọc theo một trong các kích thước của nó được gọi là tuyến tính.

Để đặc trưng cho mức độ giãn nở tuyến tính của các chất rắn khác nhau, người ta đưa ra khái niệm hệ số của độ giãn nở tuyến tính.

Giá trị cho biết chiều dài ban đầu, được lấy ở 0 0 С, chiều dài của phần thân tăng lên bao nhiêu khi làm nóng nó thêm 1 0 С, được gọi là hệ số mở rộng tuyến tính và được ký hiệu là.

K -1 = hoặc = 0 C -1 =

Hãy giới thiệu các ký hiệu: t 0 - nhiệt độ ban đầu; t là nhiệt độ cuối cùng; l 0 - chiều dài cơ thể lúc t 0 = 0 0 С; l t - chiều dài cơ thể tại t 0 С; l - sự thay đổi chiều dài cơ thể; t - sự thay đổi nhiệt độ.

Giả sử đốt nóng dây thêm 60 0 C. Lúc đầu dây có chiều dài 100 cm, khi nung nóng thì chiều dài của dây tăng thêm 0,24 cm.

Từ đây, bạn có thể tính được độ dài của dây tăng lên khi bị nung nóng thêm 1 0 C.

Tổng độ giãn dài (0,024 cm) được chia cho chiều dài của dây và sự thay đổi nhiệt độ: = 0,000004 0 С -1 = (4 * 10 -6) 0 С -1.

Sau đó = hoặc = (1)

3. a) Để tính chiều dài của vật phụ thuộc vào nhiệt độ t, ta biến đổi công thức (2)

l t -l 0 = l 0 t l t = l 0 + l 0 t l t = l 0 (1+ t)

Nhị thức (1 + t) được gọi là khai triển tuyến tính nhị thức ... Cho biết chiều dài vật tăng lên bao nhiêu lần khi được nung nóng từ 0 0 đến 0 C.

Vì thế, chiều dài thân cuối cùng bằng chiều dài ban đầu nhân với thùng giãn nở tuyến tính.

Công thức l t = l 0 (1+? T) là gần đúng và nó có thể được sử dụng ở nhiệt độ không quá cao (200 0 С-300 0 С).

Với sự thay đổi nhiệt độ lớn, không thể áp dụng công thức này.

b) Thông thường, khi giải các bài toán, một công thức gần đúng khác được sử dụng để đơn giản hóa các phép tính. Ví dụ, nếu cần tính chiều dài của vật khi nung nóng từ nhiệt độ t 1 đến nhiệt độ t 2, thì sử dụng công thức:

l 2 ~ l 1, hệ số giãn nở tuyến tính ~

IV. Cố định vật liệu trung gian

Chúng ta hãy đi dạo dọc theo đường ray xe lửa. Nếu thời tiết lạnh, chúng ta sẽ nhận thấy rằng các đầu của hai thanh ray liền kề cách xa nhau khoảng 0,6-1,2 cm, khi thời tiết nóng, các đầu này gần như hội tụ. Từ đó rút ra kết luận rằng thanh ray nở ra khi nóng lên, co lại khi nguội đi. Do đó, nếu đường được xây dựng vào mùa đông, thì cần phải chừa lại một số lề để đường ray có thể mở rộng tự do trong mùa nóng. Câu hỏi đặt ra, bạn cần để lại bao nhiêu ký quỹ cho phần mở rộng này?

Giả sử trong khu vực của chúng ta, nhiệt độ thay đổi trong một năm là từ -30 0 С đến -35 0 С và chiều dài của đường ray là 12,5 m.

Trả lời: do đó. Phải chừa một khoảng cách 1 cm nếu ray được đặt ở nhiệt độ thấp hoặc phải xếp chồng lên nhau nếu ray được đặt trong thời tiết nóng nhất.

V. Học tài liệu mới (tiếp theo)

4. Hãy xem xét sự nở ra theo thể tích của chất rắn và các đặc điểm của nó

Sự tăng thể tích của các vật khi bị nung nóng gọi là sự nở thể tích.

Sự nở ra theo thể tích được đặc trưng bởi hệ số của sự nở ra theo thể tích và được kí hiệu là? ...

Nhiệm vụ: tương tự với khai triển tuyến tính, xác định hệ số của khai triển thể tích và suy ra công thức =.

Học sinh thực hiện độc lập lời giải cho vấn đề này và nhập các ký hiệu: V 0 - thể tích ban đầu ở 0 0 C; V t - thể tích cuối cùng lúc t 0 С; V - sự thay đổi thể tích vật thể; t 0 - nhiệt độ ban đầu; t là nhiệt độ cuối cùng.

Giá trị cho biết thể tích ban đầu được lấy ở 0 0 С là bao nhiêu thì thể tích của vật bị nung nóng thêm 1 0 С được gọi là hệ số giãn nở thể tích .

a) Hãy tìm sự phụ thuộc của thể tích vật rắn vào nhiệt độ. Từ công thức = ta tìm được thể tích cuối cùng V t.

V t -V 0 = V 0 t, V t = V 0 + V 0 t, V t = V 0 (1+ t).

Nhị thức (1+? T) được gọi là nhị thức mở rộng khối lượng ... Cho biết thể tích của vật đã tăng lên bao nhiêu lần khi nung nóng từ 0 đến 0C.

Vì thế, thể tích cuối cùng của vật bằng thể tích ban đầu nhân với thể tích thùng giãn nở.

Nếu biết thể tích của vật thể V 1 ở nhiệt độ t 1, thì thể tích V 2 ở nhiệt độ t 2 có thể được tìm thấy bằng công thức gần đúng V 2 ~ V 1, và hệ số nở thể tích ~.

Việc suy ra và viết công thức do học sinh thực hiện một cách độc lập.

6. Giá trị của hệ số giãn nở thể tích là bao nhiêu? giá trị rất nhỏ.

Tuy nhiên, nếu chúng ta nhìn vào các bảng, chúng ta sẽ thấy rằng giá trị? đối với chất rắn không có. Nó chỉ ra rằng có một mối quan hệ giữa các hệ số của khai triển tuyến tính và thể tích? = 3? ...

Hãy suy ra tỷ lệ này.

Giả sử rằng chúng ta có một hình lập phương, độ dài của cạnh tại 0 0 С bằng 1 cm. Ta nung khối lập phương thêm 1 0 С thì độ dài cạnh của nó sẽ là l t = 1 +? * 1 0 = 1 +? ... Thể tích của khối lập phương nung nóng V t = (1+?) 3. Mặt khác, thể tích của cùng một khối lập phương có thể được tính bằng công thức V t = 1 +? * 1 0 = 1 +? ...

Từ các bằng nhau cuối cùng, chúng ta nhận được 1+? = (1+?) 3, do đó 1+? = 1 + 3? +3? 2 +? 3.

Vậy các giá trị số như thế nào? rất nhỏ - theo thứ tự ppm, sau đó là 3? 2 và? 3 thậm chí còn có giá trị cực kỳ nhỏ hơn. Trên cơ sở này, bỏ qua các giá trị của 3? 2 và? 3, chúng tôi nhận được những gì? = 3? ...

Hệ số nở thể tích của vật rắn bằng ba lần hệ số nở thẳng.

7. Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu xem mật độ của các vật thể thay đổi như thế nào khi nhiệt độ thay đổi. Mật độ cơ thể ở 0 0 С.

p, khi đó m = p 0 * V 0, với m là trọng lượng vật thể; V 0 - thể tích tại 0 0 С;

m = const khi nhiệt độ thay đổi, nhưng thể tích của vật thay đổi, nghĩa là khối lượng riêng cũng thay đổi.

Trên cơ sở này, chúng ta có thể viết rằng khối lượng riêng của một vật ở nhiệt độ t = 0 0 C, vì V t = V 0 (1+? T), thì .

Khi tính toán, cần lưu ý các bảng biểu thị khối lượng riêng của chất ở 0 0 C. Khối lượng riêng ở nhiệt độ khác được tính bằng công thức nào? NS.

Khi đun nóng, p t - giảm, khi làm lạnh, p t - tăng.

1. Kể về thiết bị, mục đích và nguyên lý hoạt động của rơ le nhiệt lưỡng kim, trình bày hoạt động của nó. Nêu ví dụ về tác hại của biến dạng nhiệt trong công nghệ, giao thông, xây dựng, v.v.
2. Nói sơ qua về đặc điểm về sự nở vì nhiệt của chất lỏng.
3. Thông điệp “Tính năng nở vì nhiệt của nước”.

Vi. Củng cố các tài liệu đã học.

1. Một cuộc khảo sát-trò chuyện ngắn được thực hiện để hiểu sâu hơn và củng cố tài liệu đã nghiên cứu về các vấn đề.
2. Làm việc độc lập của học sinh. Giải quyết các vấn đề về chủ đề.

1. SỐ PI. Samoilenko, A.V. Sergeev.
Vật lý học. –M .: 2002.
2. A.A. Pinsky, G.Yu. Grakovsky.
Vật lý học. –M .: 2002.
3. V.F. Dmitrieva.
Vật lý.-M .: 2000.
4. G.I. Ryabovodov, P.I. Samoilenko, E.I. Ogorodnikov.
Lập kế hoạch quá trình giáo dục trong vật lý.-M .: Trung học phổ thông, 1988.
5. A.A. Gladkova
... Bộ sưu tập các nhiệm vụ và câu hỏi dành cho các cơ sở giáo dục trung học cơ sở môn vật lý. -M .: Khoa học. Năm 1996.

Người ta biết rằng dưới tác dụng của nhiệt, các hạt gia tốc chuyển động hỗn loạn của chúng. Nếu bạn đốt nóng chất khí, thì các phân tử tạo thành nó sẽ đơn giản bay ra khỏi nhau. Đầu tiên chất lỏng được làm nóng sẽ tăng thể tích và sau đó bắt đầu bay hơi. Và điều gì sẽ xảy ra với chất rắn? Không phải tất cả chúng đều có thể thay đổi trạng thái tập hợp của chúng.

Sự giãn nở nhiệt: định nghĩa

Sự nở vì nhiệt là sự thay đổi kích thước và hình dạng của các vật thể với sự thay đổi của nhiệt độ. Hệ số giãn nở thể tích có thể được tính toán toán học để dự đoán hành vi của chất khí và chất lỏng trong điều kiện bên ngoài thay đổi. Để có được kết quả tương tự đối với chất rắn, cần phải tính đến các nhà vật lý đã chọn ra một phần toàn bộ cho loại nghiên cứu này và gọi nó là phép đo độ giãn nở.

Các kỹ sư và kiến ​​trúc sư cần có kiến ​​thức về hành vi của các vật liệu khác nhau khi tiếp xúc với nhiệt độ cao và thấp để thiết kế các tòa nhà, đường đi và đường ống.

Sự giãn nở của chất khí

Sự nở vì nhiệt của các chất khí đi kèm với sự giãn nở thể tích của chúng trong không gian. Điều này đã được các nhà triết học tự nhiên thời cổ đại chú ý, nhưng chỉ có các nhà vật lý hiện đại mới thành công trong việc xây dựng các phép tính toán học.

Trước hết, các nhà khoa học trở nên quan tâm đến sự giãn nở của không khí, vì đối với họ, đó dường như là một nhiệm vụ khả thi. Họ lao vào công việc kinh doanh một cách hăng say đến nỗi nhận được những kết quả khá mâu thuẫn. Đương nhiên, kết quả này không làm hài lòng giới khoa học. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào nhiệt kế được sử dụng, áp suất và nhiều điều kiện khác. Một số nhà vật lý thậm chí còn đưa ra kết luận rằng sự giãn nở của chất khí không phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ. Hoặc sự phụ thuộc này không hoàn toàn ...

Tác phẩm của Dalton và Gay-Lussac

Các nhà vật lý sẽ tiếp tục tranh luận đến mức khản cổ hoặc sẽ từ bỏ các phép đo nếu không có He và một nhà vật lý khác, Gay Lussac, đồng thời độc lập với nhau có thể thu được cùng một kết quả đo.

Lussac đã cố gắng tìm ra lý do của nhiều kết quả khác nhau và nhận thấy rằng trong một số thiết bị tại thời điểm thí nghiệm có nước. Đương nhiên, trong quá trình đốt nóng, nó biến thành hơi nước và làm thay đổi số lượng và thành phần của các chất khí đang nghiên cứu. Do đó, điều đầu tiên nhà khoa học làm là làm khô cẩn thận tất cả các dụng cụ mà ông dùng để tiến hành thí nghiệm, và loại trừ ngay cả phần trăm độ ẩm tối thiểu của khí đang nghiên cứu. Sau tất cả những thao tác này, một vài thí nghiệm đầu tiên trở nên đáng tin cậy hơn.

Dalton đã nghiên cứu vấn đề này lâu hơn đồng nghiệp của mình và công bố kết quả vào đầu thế kỷ 19. Ông ta làm khô không khí bằng hơi axit sunfuric, rồi đun nóng. Sau một loạt các thí nghiệm, John đi đến kết luận rằng tất cả các chất khí và hơi đều nở ra bằng hệ số 0,376. Lussac lấy con số 0,375. Đây là kết quả chính thức của nghiên cứu.

Tính đàn hồi của hơi nước

Sự nở vì nhiệt của các chất khí phụ thuộc vào tính đàn hồi của chúng, nghĩa là khả năng trở lại thể tích ban đầu. Ziegler là người đầu tiên khám phá vấn đề này vào giữa thế kỷ XVIII. Nhưng kết quả thí nghiệm của anh ấy quá khác biệt. Các số liệu đáng tin cậy hơn đã thu được khi ông sử dụng nồi hơi của bố cho nhiệt độ cao và một khí áp kế cho nhiệt độ thấp.

Vào cuối thế kỷ 18, nhà vật lý người Pháp Prony đã cố gắng tìm ra một công thức duy nhất để mô tả tính đàn hồi của chất khí, nhưng hóa ra nó quá cồng kềnh và khó sử dụng. Dalton quyết định kiểm tra thực nghiệm tất cả các phép tính bằng cách sử dụng phong vũ biểu siphon. Mặc dù thực tế là nhiệt độ không giống nhau trong tất cả các thí nghiệm, nhưng kết quả rất chính xác. Vì vậy, ông đã xuất bản chúng dưới dạng một bảng trong sách giáo khoa vật lý của mình.

Lý thuyết bay hơi

Sự nở vì nhiệt của các chất khí (như một lý thuyết vật lý) đã trải qua nhiều thay đổi khác nhau. Các nhà khoa học đã cố gắng đi sâu tìm hiểu các quá trình tạo ra hơi nước. Ở đây một lần nữa, nhà vật lý Dalton, đã được chúng ta biết đến, đã làm nổi bật mình. Ông đưa ra giả thuyết rằng bất kỳ không gian nào cũng được bão hòa với hơi khí, bất kể có bất kỳ khí hoặc hơi nước nào khác trong bình chứa (phòng) này hay không. Do đó, có thể kết luận rằng chất lỏng sẽ không bay hơi chỉ đơn giản bằng cách tiếp xúc với không khí trong khí quyển.

Áp suất của cột không khí trên bề mặt chất lỏng làm tăng không gian giữa các nguyên tử, xé chúng ra và bay hơi, tức là nó thúc đẩy sự hình thành hơi. Nhưng lực hấp dẫn vẫn tiếp tục tác động lên các phân tử hơi, vì vậy các nhà khoa học tin rằng áp suất khí quyển không ảnh hưởng đến sự bay hơi của chất lỏng theo bất kỳ cách nào.

Sự giãn nở của chất lỏng

Sự nở vì nhiệt của chất lỏng được nghiên cứu song song với sự nở ra của chất khí. Các nhà khoa học cũng tham gia vào nghiên cứu khoa học. Để làm được điều này, họ đã sử dụng nhiệt kế, khí kế, bình thông tin liên lạc và các dụng cụ khác.

Tất cả các thí nghiệm cùng nhau và mỗi thí nghiệm đều bác bỏ lý thuyết của Dalton rằng các chất lỏng đồng nhất nở ra tỷ lệ với bình phương nhiệt độ mà chúng được đốt nóng. Tất nhiên, nhiệt độ càng cao, thể tích của chất lỏng càng lớn, nhưng không có mối quan hệ trực tiếp nào giữa nó. Và tốc độ giãn nở đối với tất cả các chất lỏng là khác nhau.

Ví dụ, sự giãn nở nhiệt của nước bắt đầu ở 0 độ C và tiếp tục khi nhiệt độ giảm dần. Trước đây, những kết quả thí nghiệm như vậy gắn liền với thực tế là không phải bản thân nước nở ra mà là vật chứa đựng nó đang thu hẹp lại. Nhưng một thời gian sau, nhà vật lý Deluk đã đưa ra kết luận rằng lý do nên được tìm kiếm trong chính chất lỏng. Ông quyết định tìm nhiệt độ của mật độ cao nhất của nó. Tuy nhiên, anh đã không thành công do sơ suất một số chi tiết. Rumfort, người đã nghiên cứu hiện tượng này, phát hiện ra rằng mật độ tối đa của nước có thể quan sát được trong khoảng từ 4 đến 5 độ C.

Sự giãn nở nhiệt của các cơ thể

Trong chất rắn, cơ chế giãn nở chính là sự thay đổi biên độ dao động mạng tinh thể. Nói một cách dễ hiểu, các nguyên tử tạo nên vật chất và được liên kết chặt chẽ với nhau bắt đầu "run rẩy".

Định luật giãn nở vì nhiệt của các vật thể được xây dựng như sau: bất kỳ vật thể nào có kích thước tuyến tính L trong quá trình nóng lên bởi dT (delta T là hiệu giữa nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ cuối cùng) thì nở ra theo giá trị dL (delta L là đạo hàm của hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính theo chiều dài của vật và theo nhiệt độ chênh lệch). Đây là phiên bản đơn giản nhất của luật này, theo mặc định, có tính đến việc cơ thể mở rộng theo mọi hướng cùng một lúc. Nhưng đối với công việc thực tế, các phép tính phức tạp hơn nhiều được sử dụng, vì trong thực tế, các vật liệu hoạt động khác với mô phỏng của các nhà vật lý và toán học.

Sự giãn nở nhiệt của đường ray

Các nhà vật lý luôn tham gia vào việc đặt đường ray, vì họ có thể tính toán chính xác khoảng cách giữa các khớp nối của đường ray để đường ray không bị biến dạng khi nóng lên hoặc nguội đi.

Như đã đề cập ở trên, sự giãn nở tuyến tính nhiệt có thể áp dụng cho mọi chất rắn. Và đường sắt cũng không ngoại lệ. Nhưng có một chi tiết. Một sự thay đổi tuyến tính xảy ra tự do nếu vật thể không chịu tác dụng của lực ma sát. Các thanh ray được gắn chặt vào tà vẹt và hàn vào các thanh ray liền kề, do đó định luật mô tả sự thay đổi chiều dài có tính đến việc vượt qua các chướng ngại vật dưới dạng lực cản tuyến tính và đối đầu.

Nếu đường ray không thể thay đổi chiều dài của nó, thì với sự thay đổi nhiệt độ, ứng suất nhiệt sẽ tích tụ trong nó, có thể vừa kéo căng vừa có thể nén nó. Hiện tượng này được mô tả bởi định luật Hooke.

Biết rằng chất rắn tăng thể tích khi đun nóng. Đây là sự giãn nở vì nhiệt. Xem xét các lý do dẫn đến sự gia tăng thể tích cơ thể khi được làm nóng.

Rõ ràng là thể tích của tinh thể lớn lên khi khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử tăng lên. Điều này có nghĩa là sự gia tăng nhiệt độ kéo theo sự gia tăng khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử của tinh thể. Nguyên nhân làm cho khoảng cách giữa các nguyên tử trong quá trình đun nóng tăng lên là gì?

Nhiệt độ tinh thể tăng lên có nghĩa là năng lượng của chuyển động nhiệt tăng, tức là dao động nhiệt của các nguyên tử trong mạng tinh thể (xem trang 459), và do đó, biên độ của những dao động này tăng lên.

Nhưng sự gia tăng biên độ dao động của các nguyên tử không phải lúc nào cũng dẫn đến sự gia tăng khoảng cách trung bình giữa chúng.

Nếu dao động của các nguyên tử hoàn toàn là Uharmonic, thì mỗi nguyên tử sẽ tiếp cận một trong những nguyên tử lân cận của nó nhiều khi nó di chuyển ra xa nguyên tử kia, và sự gia tăng biên độ dao động của nó sẽ không dẫn đến sự thay đổi khoảng cách giữa các nguyên tử trung bình, và do đó dẫn đến sự giãn nở vì nhiệt.

Trong thực tế, các nguyên tử trong mạng tinh thể thực hiện dao động aharmonic (tức là không điều hòa). Điều này là do bản chất của sự phụ thuộc của lực tương tác giữa các nguyên tử / vào khoảng cách giữa chúng. Như đã chỉ ra ở đầu chương này (xem Hình 152 và 153), sự phụ thuộc này là do ở khoảng cách lớn giữa các nguyên tử, lực tương tác giữa các nguyên tử xuất hiện dưới dạng lực hấp dẫn, và khi khoảng cách này giảm, chúng thay đổi dấu và trở thành lực đẩy, tăng nhanh khi quãng đường giảm dần.

Điều này dẫn đến một thực tế là với sự gia tăng "biên độ" dao động của các nguyên tử do tinh thể nóng lên, thì sự phát triển của lực đẩy giữa các nguyên tử sẽ chiếm ưu thế hơn sự phát triển của lực hút. Nói cách khác, một nguyên tử di chuyển ra khỏi một người hàng xóm sẽ "dễ dàng hơn" so với việc đến gần một nguyên tử khác. Tất nhiên, điều này sẽ dẫn đến sự gia tăng khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử, tức là, làm tăng thể tích của vật thể khi nó bị đốt nóng.

Do đó, lý do giải thích cho sự nở vì nhiệt của chất rắn là tính bất tích của dao động nguyên tử trong mạng tinh thể.

Sự giãn nở nhiệt được đặc trưng về mặt định lượng bởi các hệ số của sự giãn nở theo thể tích và tuyến tính, được xác định như sau. Cho một vật có chiều dài I, khi nhiệt độ thay đổi theo độ, thay đổi chiều dài của nó theo Hệ số giãn nở tuyến tính được xác định từ quan hệ

nghĩa là, hệ số giãn nở tuyến tính bằng sự thay đổi tương đối của chiều dài với sự thay đổi nhiệt độ một độ. Theo cách tương tự, hệ số giãn nở thể tích được xác định theo công thức

nghĩa là, hệ số bằng với sự thay đổi tương đối của khối lượng trên mỗi độ.

Từ các công thức này, suy ra rằng độ dài và thể tích ở một nhiệt độ nhất định khác với nhiệt độ ban đầu theo độ, được biểu thị bằng các công thức (đối với một

đâu là chiều dài và khối lượng ban đầu của cơ thể.

Do tính dị hướng của tinh thể, hệ số giãn nở tuyến tính a có thể khác nhau theo các hướng khác nhau. Điều này có nghĩa là nếu một quả bóng được chạm khắc từ một tinh thể nhất định, thì sau khi nung nóng nó sẽ mất hình cầu. Có thể chỉ ra rằng, trong trường hợp chung nhất, một quả cầu như vậy biến đổi khi bị nung nóng thành một ellipsoid ba trục, các trục của chúng được kết nối với các trục tinh thể học của tinh thể.

Hệ số giãn nở nhiệt dọc theo ba trục của ellipsoid này được gọi là hệ số giãn nở tinh thể chính.

Nếu chúng ta ký hiệu chúng, tương ứng, thông qua hệ số giãn nở thể tích của tinh thể

Đối với các tinh thể có đối xứng lập phương, cũng như đối với các vật thể đẳng hướng,

Một quả bóng được gia công từ các cơ thể như vậy vẫn là một quả bóng ngay cả sau khi nung nóng (tất nhiên, có đường kính lớn hơn).

Trong một số tinh thể (ví dụ, hình lục giác)

Các hệ số của sự giãn nở tuyến tính và thể tích thực tế không đổi nếu phạm vi nhiệt độ mà chúng được đo là nhỏ và bản thân nhiệt độ cao. Nói chung, các hệ số giãn nở nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ và hơn nữa, giống như nhiệt dung, tức là ở nhiệt độ thấp, các hệ số giảm khi nhiệt độ giảm theo tỷ lệ với lập phương của nhiệt độ, xu hướng, giống như nhiệt dung,

về 0 ở độ không tuyệt đối. Điều này không có gì đáng ngạc nhiên, vì cả nhiệt dung và sự giãn nở nhiệt đều liên quan đến dao động mạng tinh thể: nhiệt dung cung cấp nhiệt lượng cần thiết để tăng năng lượng trung bình của dao động nhiệt của nguyên tử, phụ thuộc vào biên độ dao động, trong khi hệ số giãn nở nhiệt liên quan trực tiếp đến khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử, cũng phụ thuộc vào biên độ dao động của nguyên tử.

Do đó, tuân theo một định luật quan trọng do Gruneisen phát hiện: tỷ số giữa hệ số giãn nở nhiệt và nhiệt dung nguyên tử của một chất rắn đối với một chất nhất định là một giá trị không đổi (tức là không phụ thuộc vào nhiệt độ).

Hệ số giãn nở nhiệt của chất rắn thường rất nhỏ, có thể thấy trong Bảng. 22. Các giá trị của hệ số a cho trong bảng này liên quan đến khoảng nhiệt độ giữa và

Bảng 22 (xem phần quét) Hệ số giãn nở vì nhiệt của chất rắn

Một số chất có hệ số nở vì nhiệt đặc biệt thấp. Tính chất này khác, ví dụ như thạch anh. Một ví dụ khác là hợp kim của niken và sắt (36% Ni), được gọi là invar. Những chất này được sử dụng rộng rãi trong chế tạo dụng cụ chính xác.