Зависимость размеров тел от температуры — Гипермаркет знаний. Учет теплового расширения тел

При нагревании тел растет средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул и среднее расстояние между молекулами. Поэтому все вещества при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Различают линейное и объемное расширение.

Изменение одного определенного размера твердого тела при изменениях температуры называетсялинейным расширением (или сжатием).

Где – длина стержня при 0 0 ,

Коэффициент линейного расширения. Размерность = О С -1 .

Длина тела при любой температуре t: ;

При объемном расширении увеличивается объем: , где: – объем тела при 0 0 C.

Объем тела при любой температуре t: , где:

Коэффициент объемного расширения;

Экспериментально установлено, что . Поэтому .

Аналогично для площади поверхности твердого тела: .

В жидкостях есть одно замечательное исключение: вода при нагревании от 0 0 C до +4 0 C сжимается, а при охлаждении от +4 0 C до 0 0 C – расширяется. Коэффициент объемного расширения воды сильно меняется при изменении температуры.

Примеры тепловых расширений:

Вода при замерзании расширяется и разрывает горные породы, металлические трубы и другие технические конструкции.

В автоматике применяются биметаллические пластины, использующие различие коэффициентов линейного расширения каждой из двух пластин. При нагревании биметаллическая пластина теряет устойчивость, нажимает на переключатель, в результате чего исполнительный механизм срабатывает.

Тепловые расширения важно учитывать при прокладывании рельсов, натягивании проводов, сооружении мостов и т.д. Выводы из электроламп и радиоламп производят из материала, у которого коэффициент линейного расширения близок к коэффициенту линейного расширения стекла.

Плавление и кристаллизация.
Диаграмма фазовых состояний

Переход вещества из твердого состояния в жидкоесостояние называется плавлением, а переход из жидкого состояния в твердое –отвердеванием или кристаллизацией. Плавление и отвердевание происходит при одной и той же температуре, называемойтемпературой плавления. Давление практически не влияет на величину температуры плавления. Температуру плавления вещества при нормальном атмосферном давлении называютточкой плавления.

При плавлении твердого тела увеличивается расстояния между частицами, образующими кристаллическую решетку, и происходит разрушение самой решетки. У подавляющего большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается.

Область, в которой вещество однородно по всем физическим и химическим свойствам, называется фазой состояния этого вещества. Жидкая и твердая фазы вещества при одинаковой температуре могут оставаться в равновесии сколь угодно долгое время (лед и вода при 0 0 C). Поэтому пока все вещество не расплавится, его температура остается неизменной , равной температуре плавления.

Теплотой плавления называется количество теплоты, которое необходимо подвести к телу массой m, находящемуся при температуре плавления , чтобы его расплавить.

Где – удельная теплота плавления.

1 Дж/кг.

На рисунке 34 показаны графики изменения температуры вещества при плавлении и отвердевании. Отрезок (рисунок 34а) выражает количество теплоты, полученное веществом при нагревании в твердом состоянии (от до T ПЛ), отрезок - при плавлении и отрезок - при нагревании в жидком состоянии. Отрезок (рисунок 34б) выражает количество теплоты, отданное веществом при охлаждении в жидком состоянии (от до ), отрезок - при отвердевании и отрезок - при охлаждении в твердом состоянии.

Рисунок 34. Графики изменения температуры вещества при плавлении и отвердевании

Многие твердые вещества обладают запахом. Это доказывает, что твердые вещества могут переходить в газообразное состояние, минуя жидкое. Испарение твердых тел называетсявозгонкой или сублимацией (от латинского “сублимате” - возносить). В пищевой промышленности используется обладающий таким свойством “сухой лед” (СО 2). Возможен и обратный процесс – рост кристаллов из газообразного вещества (лед на окнах, зарастание перемычек ПЗУ).

Для каждого вещества можно составить диаграмму состояний в координатах Р и Т (рисунок 35), на основании которой можно легко определить, в каком состоянии будет находиться это вещество при тех или иных внешних условиях. Каждая точка диаграммы соответствует равновесному состоянию вещества, в которых оно может находиться сколь угодно долго.

Кривая KC – зависимость давления насыщающего пара от температуры. Точка K – критическая точка.

Кривая CA – зависимость от температуры давления насыщающих паров, находящихся в равновесном состоянии с поверхностью твердого тела.

Кривая KC – линия равновесия жидкой и газообразной фаз. Прямая BC – линия равновесия жидкой и твердой фаз. Кривая AC – линия равновесия твердой и газообразной фаз.

Точка C изображает равновесие между всеми тремя фазами, ее называют тройной точкой. У гелия нет тройной точки.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о тепловом расширении твердых тел.

2. Что такое плавление и кристаллизация? Что такое теплота плавления?

3. Что такое возгонка вещества?

4. Расскажите о диаграмме состояний вещества.

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 = αL ΔT

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.

Типология урока: урок изучения новых знаний и способов действий

Вид урока: комбинированный

Цели урока:

• дидактические:
объяснить физическую природу теплового расширения тел; научить студентов производить расчеты линейных и объемных изменений твердых и жидких тел при изменении их температуры;
• воспитательные:
совершенствовать умения студентов применять полученные теоретические знания к решению практических задач; вызвать интерес к изучаемому процессу;
• развивающие:
развивать у студентов мышление использования и значения теплового расширения в природе и технике; уметь объяснять механизм теплового расширения тел на основе молекулярно-кинетической теории.

План урока

1. Организация начала урока
2. Повторение изученного материала
3. Изучение нового материала
4. Промежуточное закрепление материала
5. Изучение нового материала (продолжение)Приложение 1
6. Закрепление изученного материала Приложение 2 ,
7. Задание на дом Приложение 4

План изучения темы.

Оборудование: шар с кольцом; биметаллическая пластинка; тепловое реле; колба с резиновой и стеклянной трубкой, вставленной в пробку; Г – обрезанная стеклянная трубка с каплей воды; неокрашенная вода; электрическая плитка; трансформатор; проволока.

Демонстрации:

1. Тепловое расширение твердых тел.
2. Тепловое расширение жидкостей.
3. Действие и назначение биметаллического теплового регулятора.

Сообщение:

Особенности теплового расширения воды.

Мотивация познавательной деятельности студентов

Общеизвестно, что вещество обычно расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, т.е. происходит тепловая деформация тела под действием молекулярных сил в процессе нагревания и охлаждения. Это явление объясняется тем, что повышение температуры связанно с увеличением скорости движения молекул, а это ведет к увеличению межмолекулярных расстояний и в свою очередь, к расширению тела.

Тепловое расширение надо обязательно учитывать при термообработке и при термическом способе изготовления деталей и оборудования, при строительстве машин, трубопроводов, электрических линий, мостов, зданий, подверженных температурным изменениям.

ХОД ЗАНЯТИЯ

I. Организация начала урока

Приветствие, формулировка темы, цели занятия, указание на предстоящий объем работы. Мотивация познавательной деятельности.

II. Повторение изученного материала

1. Проверка домашнего задания

Проверить решение качественных физических задач по теме “Твердые тела и их свойства” (фронтальный опрос студентов).

2. Подготовка к восприятию нового материала

1. Повторить формулы из курса математики (а+в) 3 , а 3 +в 3 ;
2. Повторить тему “Тепловое расширение газов” (закон Гей-Люссака)
3. Повторить тему “Деформация твердых тел”.

III. Изучение нового материала

1. Студентам предлагается ответить на вопросы:
1. Что происходит с телами при охлаждении и расширении?
2. Почему тела расширяются? Что изменяется у тела в процессе расширения?

В ходе обсуждения вводится понятие теплового расширения тел, примеры расширения тел, виды теплового расширения.

Тепловым расширением называется увеличение линейных размеров тела и его объема, происходящие при повышении температуры.

При расширении тела происходит увеличение его объема, и говорят об объемном расширении тела . Но иногда нас интересует лишь изменение одного размера, например длины железнодорожных рельсов или металлического стержня. В том случае говорят о линейном расширении . Конструкторы автомобилей интересуются расширением поверхности листов металла, применяемых при постройке машины. Здесь вопрос стоит о поверхностном расширении .

Постановка опытов:

1. расширение жидкостей при нагревании (увеличение уровня воды в колбе с трубкой);
2. расширение твердых тел при нагревании (шар с кольцом, увеличение длины натянутых проводов);
3. действие биметаллического регулятора (теплового реле).

Вопрос: одинаково ли расширяются тела при нагревании на одно и то же число градусов?

Ответ: нет, так как у разных веществ молекулы имеют разные массы. Изменение температуры на одно то же число градусов характеризует одинаковую среднюю квадратичную скорость молекул. Е к = молекул с меньшей массой будет меньше, чем молекул с большой массой. Поэтому межмолекулярные пространства различных веществ изменяются различно при одинаковой температуре, что и приводит к неодинаковому расширению.

2. Рассмотрим линейное расширение твердых тел и его особенности

Расширение твердого тела вдоль одного его измерения называется линейным.

Для характеристики степени линейного расширения различных твердых тел вводят понятие коэффициента линейного расширения.

Величина, показывающая, на какую долю начальной длины, взятой при 0 0 С, увеличивается длина тела от нагревания его на 1 0 С, называется коэффициентом линейного расширения и обозначается через .

К -1 = или = 0 С -1 =

Введем обозначения: t 0 – начальная температура; t – конечная температура; l 0 – длина тела при t 0 =0 0 С; l t – длина тела при t 0 С; l – изменение длины тела; t – изменение температуры.

Допустим, что произошло нагревание провода на 60 0 С. В начале провод имел длину 100 см, а при нагревании его длина увеличилась на 0,24 см.

Отсюда, можно вычислить увеличение длины провода при нагревании на 1 0 С.

Общее удлинение (0,024 см) разделим на длину провода и изменение температуры: =0,000004 0 С -1 =(4*10 -6) 0 С -1 .

Тогда = или = (1)

3. а) Для вычисления длины тела в зависимости от температуры t преобразуем формулу (2)

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

Двучлен (1+t) называется биномом линейного расширения . Он показывает, во сколько раз увеличилась длина тела при нагревании его от 0 0 до t 0 С.

Итак, конечная длина тела равна начальной длине, умноженной на бином линейного расширения.

Формула l t =l 0 (1+? t) является приближенной и ею можно пользоваться при не очень больших температурах (200 0 С-300 0 С).

При больших изменениях температуры эту формулу применять нельзя.

б) Часто при решении задач пользуются другой приближенной формулой, которая упрощает вычисления. Например, если необходимо вычислить длину тела при нагревании от температуры t 1 до температуры t 2 , то используют формулу:

l 2 ~ l 1 , коэффициент линейного расширения ~

IV. Промежуточное закрепление материала

Отправимся гулять вдоль полотна железной дороги. Если погода холодная, то мы заметим, что концы двух смежных рельсов отделены друг от друга промежутками 0,6-1,2 см, в жаркую погоду эти концы почти сходятся вплотную. Отсюда вывод, что рельсы при нагревании расширяются, сжимаются при охлаждении. Следовательно, если дорога строилась зимой, то надо было оставить некоторый запас, чтобы дать рельсам свободно расширяться в жаркое время года. Возникает вопрос, какой запас требуется оставить для этого расширения?

Допустим, что в нашей местности изменение температуры в году бывает от -30 0 С до -35 0 С и длина рельса 12,5 м. Какой зазор надо оставлять между рельсами?

Ответ: т.о. надо оставить зазор в 1 см, если укладка рельсов идет при низкой температуре или укладывать рельсы друг с другом в стык, если рельсы укладываются в самую жаркую погоду.

V. Изучения нового материала (продолжение)

4. Рассмотрим объемное расширение твердых тел и его особенности

Увеличение объема тел при нагревании называется объемным расширением.

Объемное расширение характеризуется коэффициентом объемного расширения и обозначается через? .

Задание: по аналогии с линейным расширением дать определение коэффициента объемного расширения и вывести формулу =.

Студенты самостоятельно реализуют решение этого вопроса и вводят обозначения: V 0 – начальный объем при 0 0 С; V t – конечный объем при t 0 С; V – изменение объема тела; t 0 – начальная температура; t – конечная температура.

Величина, показывающая, на какую долю начального объема, взятого при 0 0 С, увеличивается объем тела от нагревания на 1 0 С, называется коэффициентом объемного расширения .

а) Найдем зависимость объема твердого тела от температуры. Из формулы = найдем конечный объем V t .

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

Двучлен (1+? t) называется биномом объемного расширения . Он показывает, во сколько раз увеличился объем тела при нагревании его от 0 до t 0 С.

Итак, конечный объем тела равен начальному объему, умноженному на бином объемного расширения.

Если известен объем тела V 1 при температуре t 1 , то объем V 2 при температуре t 2 можно находить по приближенной формуле V 2 ~V 1 , а коэффициент объемного расширения ~ .

Вывод и запись формул реализуется студентами самостоятельно.

6. Значение коэффициента объемного расширения? очень малая величина.

Однако, если мы обратимся к таблицам, то увидим, что значении? для твердых тел там нет. Оказывается между коэффициентами линейного и объемного расширения существует зависимость? =3? .

Выведем это соотношение.

Допустим, что мы имеем кубик, длина ребра которого при 0 0 С равна 1 см. нагреем кубик на 1 0 С, тогда длина его ребра будет l t =1+? *1 0 =1+? . Объем нагретого кубика V t =(1+?) 3 . С другой стороны, объем этого же кубика можно вычислить по формуле V t =1+? *1 0 =1+? .

Из последних равенств получим 1+? =(1+?) 3 , отсюда 1+? =1+3? +3? 2 +? 3 .

Так как числовые значения? очень малы – порядка миллионных долей, то 3? 2 и? 3 подавно являются величинами чрезвычайно малыми. На этом основании, пренебрегая величинами 3? 2 и? 3 , получим, что? =3? .

Коэффициент объемного расширения твердого тела равен утроенному коэффициенту линейного расширения.

7. Выясним как изменяется плотность тел при изменении температуры. Плотность тела при 0 0 С.

p, откуда m=p 0 *V 0 , где m – масса тела; V 0 – объём при 0 0 С;

m = const при изменении температуры, но объём тела изменяется, значит меняется и плотность.

На этом основании можно написать, что плотность тела при температуре t = 0 0 C , т.к. V t = V 0 (1+? t), то .

При расчётах нужно учитывать, что в таблицах указывается плотность вещества при 0 0 С. Плотность при других температурах, вычисляется по формуле? t .

При нагревании p t – уменьшается, при охлаждении p t – увеличивается.

1. Рассказать об устройстве, назначении и принципе действия биметаллического теплового реле, продемонстрировать его действия. Привести примеры о полезных и вредных действиях тепловой деформации в технике, транспорте, строительстве и т.п.
2. Кратко рассказать об особенностях теплового расширения жидкостей.
3. Сообщение “Особенности теплового расширения воды”.

VI. Закрепление изученного материала.

1. Проводится краткий опрос-беседа для более глубокого понимания и закрепления изученного материала по вопросам.
2. Самостоятельная работа студентов. Решить задачи по теме.

1. П.И. Самойленко, А.В. Сергеев.
Физика. –М.: 2002.
2. А.А. Пинский, Г.Ю. Граковский.
Физика. –М.: 2002.
3. В.Ф. Дмитриева.
Физика.-М.: 2000.
4. Г.И. Рябоводов, П.И. Самойленко, Е.И. Огородникова.
Планирование учебного процесса по физике.-М.: Высшая школа, 1988.
5. А.А. Гладкова
. Сборник задач и вопросов для ССУЗ по физике. -М.: Наука. 1996.

Известно, что под действием тепла частицы ускоряют свое хаотичное движение. Если нагревать газ, то молекулы, составляющие его, просто разлетятся друг от друга. Нагретая жидкость сначала увеличится в объеме, а затем начнет испаряться. А что будет с твердыми телами? Не каждое из них может изменить свое агрегатное состояние.

Термическое расширение: определение

Тепловое расширение - это изменение размеров и формы тел при изменении температуры. Математически можно высчитать объемный коэффициент расширения, позволяющий спрогнозировать поведение газов и жидкостей в изменяющихся внешних условиях. Чтобы получить такие же результаты для твердых тел, необходимо учитывать Физики выделили целый раздел для такого рода исследований и назвали его дилатометрией.

Инженерам и архитекторам необходимы знания о поведении разных материалов под воздействием высоких и низких температур для проектировки зданий, прокладывания дорог и труб.

Расширение газов

Тепловое расширение газов сопровождается расширением их объема в пространстве. Это заметили философы-естественники еще в глубокой древности, но построить математические расчеты получилось только у современных физиков.

В первую очередь ученые заинтересовались расширением воздуха, так как это казалось им посильной задачей. Они настолько рьяно взялись за дело, что получили довольно противоречивые результаты. Естественно, такой исход научное сообщество не удовлетворил. Точность измерения зависела от того, какой использовался термометр, от давления и множества других условий. Некоторые физики даже пришли к мнению, что расширение газов не зависит от изменения температуры. Или эта зависимость не полная...

Работы Дальтона и Гей-Люссака

Физики продолжали бы спорить до хрипоты или забросили бы измерения, если бы не Он и еще один физик, Гей-Люссак, в одно и то же время независимо друг от друга смогли получить одинаковые результаты измерений.

Люссак пытался найти причину такого количества разных результатов и заметил, что в некоторых приборах в момент опыта была вода. Естественно, в процессе нагревания она превращалась в пар и изменяла количество и состав исследуемых газов. Поэтому первое, что сделал ученый, - это тщательно высушил все инструменты, которые использовал для проведения эксперимента, и исключил даже минимальный процент влажности из исследуемого газа. После всех этих манипуляций первые несколько опытов оказались более достоверными.

Дальтон занимался этим вопросом дольше своего коллеги и опубликовал результаты еще в самом начале XIX века. Он высушивал воздух парами серной кислоты, а затем нагревал его. После серии опытов Джон пришел к выводу, что все газы и пар расширяются на коэффициент 0,376. У Люссака получилось число 0,375. Это и стало официальным результатом исследования.

Упругость водяных паров

Тепловое расширение газов зависит от их упругости, то есть способности возвращаться в исходный объем. Первым данный вопрос стал исследовать Циглер в середине восемнадцатого века. Но результаты его опытов слишком разнились. Более достоверные цифры получил который использовал для высоких температур папинов котел, а для низких - барометр.

В конце XVIII века французский физик Прони предпринял попытку вывести единую формулу, которая бы описывала упругость газов, но она получилась лишком громоздкая и сложная в использовании. Дальтон решил опытным путем проверить все расчеты, используя для этого сифонный барометр. Не смотря на то что температура не во всех опытах была одинакова, результаты получились очень точными. Поэтому он опубликовал их в виде таблицы в своем учебнике по физике.

Теория испарения

Тепловое расширение газов (как физическая теория) претерпевала различные изменения. Ученые пытались добраться до сути процессов, при которых получается пар. Здесь снова отличился известный уже нам физик Дальтон. Он высказал гипотезу, что любое пространство насыщается парами газа независимо от того, присутствует ли в этом резервуаре (помещении) какой-либо другой газ или пар. Следовательно, можно сделать вывод, что жидкость не будет испаряться, просто входя в соприкосновение с атмосферным воздухом.

Давление столба воздуха на поверхность жидкости увеличивает пространство между атомами, отрывая их друг от друга и испаряя, то есть способствует образованию пара. Но на молекулы пара продолжает действовать сила тяжести, поэтому ученые посчитали, что атмосферное давление никак не влияет на испарение жидкостей.

Расширение жидкостей

Тепловое расширение жидкостей исследовали параллельно с расширением газов. Научными изысканиями занимались те же самые ученые. Для этого они использовали термометры, аэрометры, сообщающиеся сосуды и прочие инструменты.

Все опыты вместе и каждый в отдельности опровергли теорию Дальтона о том, что однородные жидкости расширяются пропорционально квадрату температуры, на которую их нагревают. Конечно, чем выше температура, тем больше объем жидкости, но прямой зависимости между ним не было. Да и скорость расширения у всех жидкостей была разной.

Тепловое расширение воды, например, начинается с нуля градусов по Цельсию и продолжается с понижением температуры. Раньше такие результаты опытов связывали с тем, что расширяется не сама вода, а сужается емкость, в которой она находится. Но некоторое время спустя физик Делюка все-таки пришел к мысли, что причину следует искать в самой жидкости. Он решил найти температуру ее наибольшей плотности. Однако это ему не удалось ввиду пренебрежения некоторыми деталями. Румфорт, занимавшийся изучением этого явления, установил, что максимальная плотность воды наблюдается в пределах от 4 до 5 градусов по Цельсию.

Тепловое расширение тел

В твердых телах главным механизмом расширения является изменение амплитуды колебаний кристаллической решетки. Если говорить простыми словами, то атомы, входящие в состав материала и жестко сцепленные между собой, начинают «дрожать».

Закон теплового расширения тел сформулирован так: любое тело с линейным размером L в процессе нагревания на dT (дельта Т - разница между начальной температурой и конечной), расширяется на величину dL (дельта L - это производная коэффициента линейного теплового расширения на длину объекта и на разность температуры). Это самый простой вариант этого закона, который по умолчанию учитывает, что тело расширяется сразу во все стороны. Но для практической работы используют куда более громоздкие вычисления, так как в реальности материалы ведут себя не так, как смоделировано физиками и математиками.

Тепловое расширение рельса

Для прокладки железнодорожного полотна всегда привлекают инженеров-физиков, так как они могут точно вычислить, какое расстояние должно быть между стыками рельсов, чтобы при нагревании или охлаждении пути не деформировались.

Как уже было сказано выше, тепловое линейное расширение применимо для всех твердых тел. И рельс не стал исключением. Но есть одна деталь. Линейное изменение свободно происходит в том случае, если на тело не воздействует сила трения. Рельсы жестко прикреплены к шпалам и сварены с соседними рельсами, поэтому закон, который описывает изменение длинны, учитывает преодоление препятствий в виде погонных и стыковых сопротивлений.

Если рельс не может изменить свою длину, то с изменением температуры в нем нарастает тепловое напряжение, которое может как растянуть, так и сжать его. Этот феномен описывается законом Гука.

Общеизвестно, что твердые тела при нагревании увеличивают свой объем. Это - тепловое расширение. Рассмотрим причины, приводящие к увеличению объема тела при нагревании.

Очевидно, что объем кристалла растет с увеличением среднего расстояния между атомами. Значит, повышение температуры влечет за собой увеличение среднего расстояния между атомами кристалла. Чем же обусловлено увеличение расстояния между атомами при нагревании?

Повышение температуры кристалла означает увеличение энергии теплового движения, т. е. тепловых колебаний атомов в решетке (см. стр. 459), а следовательно, и рост амплитуды этих колебаний.

Но увеличение амплитуды колебаний атомов не всегда приводит к увеличению среднего расстояния между ними.

Если бы колебания атомов были строго Уармоническими, то каждый атом настолько же приближался бы к одному из своих соседей, насколько удалялся от другого, и увеличение амплитуды его колебаний не привело бы к изменению среднего межатомного расстояния, а значит, и к тепловому расширению.

В действительности атомы в кристаллической решетке совершают ангармонические (т. е. не гармонические) колебания. Это Обусловлено характером зависимости сил взаимодействия между/атомами от расстояния между ними. Как было указано в начале настоящей главы (см. рис. 152 и 153), зависимость эта такова, что при больших расстояниях между атомами силы взаимодействия между атомами проявляются как силы притяжения, а при уменьшении этого расстояния меняют свой знак и становятся силами отталкивания, быстро возрастающими с уменьшением расстояния.

Это приводит к тому, что при возрастании «амплитуды» колебаний атомов вследствие нагревания кристалла рост сил отталкивания между атомами преобладает над ростом сил притяжения. Другими словами, атому «легче» удалиться от соседа, чем приблизиться к другому. Это, конечно, должно привести к увеличению среднего расстояния между атомами, т. е. к увеличению объема тела при его нагревании.

Отсюда следует, что причиной теплового расширения твердых тел является ангармоничность колебаний атомов в кристаллической решетке.

Количественно тепловое расширение характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения, которые определяются следующим образом. Пусть тело длиной I при изменении температуры на градусов изменяет свою длину на Коэффициент линейного расширения определяется из соотношения

т. е. коэффициент линейного расширения равен относительному изменению длины при изменении температуры на один градус. Точно так же коэффициент объемного расширения определяется формулой

т. е. коэффициент равен относительному изменению объема отнесенному к одному градусу.

Из этих формул следует, что длина и объем при некоторой температуре, отличающейся от начальной на градусов, выражаются формулами (при малом

где начальные длина и объем тела.

Вследствие анизотропии кристаллов коэффициент линейного расширения а может быть различным в разных направлениях. Это означает, что если из данного кристалла выточить шар, то после его нагревания он потеряет свою сферическую форму. Можно показать, что в самом общем случае такой шар при нагревании превращается в трехосный эллипсоид, оси которого связаны с кристаллографическими осями кристалла.

Коэффициенты теплового расширения по трем осям этого эллипсоида называются главными коэффициентами расширения кристалла.

Если их обозначить соответственно через то коэффициент объемного расширения кристалла

Для кристаллов с кубической симметрией, так же как и для изотропных тел,

Шар, выточенный из таких тел, остается шаром и после нагревания (разумеется, большего диаметра).

В некоторых кристаллах (например, гексагональных)

Коэффициенты линейного и объемного расширения практически остаются постоянными, если интервалы температур, в которых они измеряются, малы, а сами температуры высокие. Вообще же коэффициенты теплового расширения зависят от температуры и притом так же, как теплоемкость, т. е. при низких температурах коэффициенты уменьшаются с понижением температуры пропорционально кубу температуры, стремясь, как и теплоемкость,

к нулю при абсолютном нуле. Это неудивительно, так как и теплоемкость, и тепловое расширение связаны с колебаниями решетки: теплоемкость дает количество теплоты, необходимое для увеличения средней энергии тепловых колебаний атомов, зависящей от амплитуды колебаний, коэффициент же теплового расширения непосредственно связан со средними расстояниями между атомами, которые тоже зависят от амплитуды атомных колебаний.

Отсюда следует важный закон, открытый Грюнейзеном: отношение коэффициента теплового расширения к атомной теплоемкости твердого тела для данного вещества есть величина постоянная (т. е. не зависящая от температуры).

Коэффициенты теплового расширения твердых тел обычно очень малы, как это видно из табл. 22. Приведенные в этой таблице значения коэффициента а относятся к интервалу температур между и

Таблица 22 (см. скан) Коэффициенты теплового расширения твердых тел

Некоторые вещества имеют особенно малый коэффициент теплового расширения. Таким свойством отличается, например, кварц Другим примером может служить сплав никеля и железа (36% Ni), известный под названием инвар Эти вещества получили широкое применение в точном приборостроении.