První teploměry využívaly změny objemu plynu nebo kapaliny se změnou teploty. Právě tato vlastnost umožnila jakémukoli tělesu přiřadit určitou teplotu, vyjádřenou jako číslo. V této kapitole se podíváme na to, jak se lineární rozměry pevných látek, stejně jako objemy pevných látek a kapalin, mění v závislosti na teplotě. O závislosti objemu plynu na teplotě toho bylo řečeno dost.
§ 9.1. Tepelná roztažnost těles
Při změně teploty se mění velikosti těles: při zahřívání se obvykle zvětšují a při ochlazení se zmenšují. Proč se tohle děje?
Nárůst velikosti malého těla je malý a je těžké si ho všimnout. Ale pokud vezmete železný drát dlouhý 1,5-2 m a zahřejete ho elektrickým proudem, pak lze prodloužení detekovat okem bez speciálních nástrojů. K tomu musí být jeden konec drátu zajištěn a druhý přehozen přes blok. Na tento konec musí být připevněno závaží, které táhne drát dolů (obr. 9.1). Indikátor připojený k zátěži se používá k posouzení změny délky drátu během procesu zahřívání nebo chlazení.
Při průchodu prstencem lze pozorovat expanzi malé ocelové kuličky zahřáté plynovým hořákem. Studená koule snadno projde prstencem, ale zahřátá se v něm zasekne. Když míček vychladne, znovu projde prstencem.
Jak můžeme vysvětlit, proč se tělesa při zahřívání roztahují?
Molekulární vzor tepelné roztažnosti
Závislost potenciální energie interakce mezi molekulami na vzdálenosti mezi nimi umožňuje zjistit příčinu tepelné roztažnosti. Jak je vidět z obrázku 9.2, křivka potenciální energie je vysoce asymetrická. Zvyšuje se velmi rychle (strmě) od minimální hodnoty E p0 (v bodě r 0) při poklesu G a roste poměrně pomalu s rostoucím r.
V absolutní nule, ve stavu rovnováhy, by molekuly byly ve vzájemné vzdálenosti r 0, odpovídající minimální hodnotě potenciální energie E p0 .
Jak se molekuly zahřívají, začnou vibrovat kolem své rovnovážné polohy. Rozsah kmitání je určen průměrnou hodnotou energie E. Pokud by křivka potenciálu byla symetrická, pak by průměrná poloha molekuly stále odpovídala vzdálenosti r 0 To by znamenalo obecnou neměnnost průměrných vzdáleností mezi molekulami při zahřívání, a tedy absenci tepelné roztažnosti. Ve skutečnosti je křivka asymetrická. Tedy s průměrnou energií rovnou 
,
průměrná poloha vibrující molekuly odpovídá vzdálenosti r 1
>
r 0
.
Změna průměrné vzdálenosti mezi dvěma sousedními molekulami znamená změnu vzdálenosti mezi všemi molekulami v těle. Proto se zvětšuje velikost těla.
Další zahřívání těla vede ke zvýšení průměrné energie molekuly na určitou hodnotu 
,
atd. Současně se také zvyšuje průměrná vzdálenost mezi molekulami, protože nyní dochází k vibracím s větší amplitudou kolem nové rovnovážné polohy: r 2
> r 1
,
r 3
>
r 2
atd.
Při zahřívání tělesa se průměrná vzdálenost mezi vibrujícími molekulami zvětšuje, a proto se zvětšuje i velikost tělesa.
BRUŠENÉ KORKY
Každý ví, že při zahřívání se tělesa roztahují.
Někdy je zabroušená zátka ve skleněné láhvi tak těsná, že ji nelze vytáhnout. Je nebezpečné používat příliš velkou sílu – můžete si zlomit krk a pořezat si ruce. Proto se uchýlí k osvědčené metodě: k hrdlu se přivede hořící zápalka a láhev se otočí tak, aby se hrdlo rovnoměrně zahřálo.
Plamen jedné zápalky stačí na to, aby se sklo hrdla vlivem zahřívání roztáhlo a zátka, která se nestihla zahřát, se dá snadno vyjmout.
PRODLOUŽENÍ JEHLY
Vystřihněte mašli z korku, z prkénka nebo z překližky, jako je ta na našem obrázku. Jehlu zapíchneme špičkou do celého konce mašle (na obrázku levý) a na pravý ustřižený konec volně nasadíme oko. Vyberte jinou jehlu, tenčí. Jeho špička by měla procházet okem první vodorovné jehly a také vstupovat do dřeva o 2-3 mm.
Tato vertikální jehla bude šipkou našeho zařízení. Aby byl jeho pohyb znatelnější, nalepte vedle něj druhý ovladač.
Kontrolní jehla by měla být rovnoběžná s jehlou šipky.
Nyní zahřejte vodorovnou jehlu na svíčku nebo zápalku.
Prodlouží se, ucho se plazí doprava a vychyluje svislou šipku!
TEPELNÉ VÁHY
Zkušenost 1
Chcete-li to provést, vezměte rovný kus měděného drátu o tloušťce 1-2 milimetry, asi 40 centimetrů dlouhý. Konec tohoto drátu zapíchněte do otvoru vyvrtaného v přibližně stejně dlouhé dřevěné tyčce a vzniklou tepelnou vahu zavěste ze středu na nit. Vyrovnejte to.
Chcete-li to provést, možná budete muset oříznout dřevěnou hůl nebo naopak zavěsit na ni malé závaží, například kousky papíru. Rovnováhy dosáhnete posunutím závěsného bodu vahadla. Zapalte vahadlo stolní lampou tak, aby jeden konec, například měděný, vrhal stín na zeď. V tomto okamžiku připevněte na zeď bílý papír a označte si tužkou polohu stínu, když kolébka visí přísně vodorovně. Pak vezměte dvě zapálené svíčky a umístěte je pod měděný drát. Když se dobře zahřeje, prodlouží se a rovnováha se naruší. Protože byl narušen poměr ramen. Konec drátu klesne o několik milimetrů. To bude jasně viditelné ze stínu na zdi.
Pokud se svíčky vyjmou, měděný drát vychladne, zkrátí se, tedy stejný jako byl před zahřátím, a vahadlo naší tepelné bilance, respektive její stín, dopadne na jeho značku.
Zkušenost 2
S ocelovou pletací jehlou lze udělat krásný experiment.
Protáhněte korkem (nebo šrotem mrkve). Na obou stranách pletací jehly zasuňte do této zátky dva kolíky, jak je znázorněno na obrázku. Měly by stát ostrými konci na dně sklenice.
Na konce pletacích jehel položte mrkev. Je lepší ne uprostřed, ale tak, aby hlavní část každé mrkve byla dole. Tím bude rovnováha paprsku stabilnější: těžiště přece jen kleslo níže! Ukázalo se něco jako měřítko Pohybem mrkve se ujistěte, že pletací jehla je zcela vodorovná.
Stalo?
Nyní položte zapálenou svíčku pod jedno rameno těchto vah.
Pozor... Podívejte: vyhřívané rameno kleslo! Vyjměte svíčku a po chvíli se obnoví rovnováha.
Co se tady děje?
Ztěžkla jedna strana pletací jehlice vlivem zahřívání? Samozřejmě že ne. Prostě se to prodloužilo a mrkev se „pohnula“ dále od opěrného bodu. Proto to táhla, jako pták tahá hrocha! A když pletací jehlice vychladla, znovu se zkrátila a vše bylo stejné.
ODDĚLOVACÍ SKLENĚ
Všechna tělesa se při zahřívání roztahují a při ochlazení smršťují – zákon!
Doma se neustále setkáváme s projevy zákeřného zákona: buď praskne sklenice, do které byla nalita vroucí voda, nebo se šroubovací uzávěr na zavařovací sklenici tlakem stlačí tak, že ji nelze otevřít, nebo vodovodní potrubí praskne vlivem silného mrazu (v posledním příkladu mluvíme o „špatném chování vody, protože se při zamrznutí roztahuje).
Ale je lepší se s tímto zákonem kamarádit!
Zkušenosti
Jak oddělit dvě sklenice vložené jedna do druhé?
Včera je umyli horkou vodou a nechali tak. A „chytili“ se tak, že se raději zlomili, než aby se oddělili. Do horní sklenice nalijte studenou vodu a druhou sklenici vložte do misky s horkou vodou. Pár okamžiků – a kouzelnickým gestem je oddělíte.
REZAVÝ ŠROUB
Nahřejte hlavu rezavého šroubu, který nelze odstranit šroubovákem s páječkou. Nechte šroub vychladnout a zkuste to znovu.
Náhlým roztažením a následným smrštěním by se měly oddělit částečky rzi a jiných cizích látek na povrchu závitu. Pokud to okamžitě nepomůže, zahřívání zopakujte.
DESKA JE CHYTRÁ
Pokud byste chtěli předvést svou sílu, tedy ukázat, jak se tlusté prkno pod hranou dlaně tříští na třísky, prozradíme tajemství jednoho cirkusáka: před představením namočil připravené prkno do vody a vystavit ho mrazu. Pak ho nechal rozmrazit, znovu namočil a znovu zmrazil. A tak dále několikrát.
Jak asi tušíte, mrazivá voda roztrhala dřevěné buňky a deska se uvolnila a zeslábla. Není těžké ji zlomit prudkým úderem dlaně. Není však dobré lhát...
Mimochodem, co byste měli udělat s koblihou, aby se jeho díra zvětšila?
ROZTAŽENÍ KULIČKY
Udělejme pokus s roztažností způsobenou zahřátím pevného předmětu. Bylo by hezké najít kovovou kouli z kulečníkového stolu nebo z kuličkového ložiska. Podle jeho velikosti hledejte nějakou kovovou destičku s dírou. Pokud je průměr dírky menší než kulička, použijte k jejímu rozšíření kulatý pilník.
Ujistěte se, že míček, pokud je umístěn na jamce, propadá skrz, aniž by se v ní zastavil. Mezi míčkem a jamkou by ale neměla být mezera. Umístěte míč na horkou plotnu. Pokud je sporák plynový, pak jej postavte na kovový kruh, který musí každá hospodyňka chránit před připálením. Když je koule dobře zahřátá, vezměte ji kleštěmi a rychle ji položte na otvor v talíři, který byl předtím upevněn nad kovovou krabicí. Při zahřátí se míč zvětší a zůstane v otvoru, dokud nevychladne. Když vychladne, samo jím proklouzne.
ROZŠÍŘENÍ MINCÍ
Zahřejte minci a zkuste ji znovu protáhnout mezi talíři. Neuspějete, dokud mince nevychladne a nevrátí se do své předchozí velikosti.
Pokus můžete provést ještě jednodušeji pomocí dvou hřebíků zaražených do desky. Vzdálenost mezi hřebíky by měla být rovna průměru nevyhřívané záplaty.
Dráty se v létě mnohem více prohýbají než v zimě, t.j. v létě jsou delší. Pokud vezmete plnou láhev studené vody a postavíte ji na teplé místo, časem část vody z láhve vyteče, protože voda se během zahřívání rozpíná. Balónek vytažený z místnosti do chladu zmenšuje objem.
1. Dbáme na tepelnou roztažnost pevných látek, kapalin a plynů
Jednoduché experimenty a četná pozorování nás přesvědčují, že pevné látky, kapaliny a plyny se zpravidla při zahřívání roztahují a při ochlazování smršťují.
Tepelnou roztažnost kapalin a plynů lze snadno pozorovat pomocí baňky, jejíž hrdlo je těsně utěsněno a do zátky je vložena skleněná trubička. Baňku naplněnou vzduchem proměníme v nádobu s vodou.
Nyní stačí baňku uchopit rukou a zanedlouho bude vzduch, expandující v baňce, vycházet v podobě bublinek z trubice pod vodou (obr. 2.30).
Nyní naplňte baňku obarvenou kapalinou a uzavřete ji tak, aby část kapaliny vnikla do zkumavky (obr. 2.31, a). Označíme si hladinu kapaliny ve zkumavce a baňku položíme do nádoby s horkou vodou. V prvním okamžiku hladina kapaliny mírně poklesne (obr. 2.31, b), což lze vysvětlit tím, že baňka se nejprve zahřeje a roztáhne a teprve poté při zahřátí expanduje voda.
Rýže. 2.30. Při zahřátí se vzduch v baňce rozpíná a část baňky opouští - to je vidět na vzduchových bublinách vycházejících z trubice
Rýže. 2.31 Experiment prokazující, že při zahřívání kapalina (jako pevné látky a plyny) expanduje: a - uzavřená baňka s kapalinou v trubici; b - v prvním okamžiku zahřátí hladina kapaliny mírně klesá; c - s dalším ohřevem hladina kapaliny výrazně stoupá
Brzy uvidíme, že jak se baňka a voda v ní zahřívají, hladina kapaliny ve zkumavce se znatelně zvýší (obr. 2.31, c). Pevné látky a kapaliny, stejně jako plyny, se při zahřívání roztahují. Výzkum odhalil, že pevné látky a kapaliny expandují během zahřívání mnohem méně než plyny.
Tepelnou roztažnost pevných látek lze také demonstrovat v následujícím experimentu. Vezměme si měděnou kuličku, která v nezahřátém stavu snadno projde kroužkem, který je k ní připevněn. Zahřejme kuličku v plameni lihové lampy a ujistěte se, že kulička již neprojde prstencem (obr. 2.32, a). Po vychladnutí kulička opět snadno projde prstencem (obr. 2.32, b).
2. Zjistěte příčinu tepelné roztažnosti
Jaký je důvod zvětšování objemu těles při ohřevu, jelikož počet molekul se s rostoucí teplotou nemění?
Atomově-molekulární teorie vysvětluje tepelnou roztažnost těles tím, že s rostoucí teplotou roste rychlost pohybu atomů a molekul. V důsledku toho se zvyšuje průměrná vzdálenost mezi atomy (molekulami).
Rýže. 2.32. Experiment ilustrující tepelnou roztažnost pevných látek: a - v zahřátém stavu kulička neprojde prstencem; b - po vychladnutí kulička projde prstencem
Podle toho se zvětšuje objem těla. A naopak, čím nižší je teplota látky, tím menší jsou mezimolekulární mezery. Výjimkou je voda, litina a některé další látky. Voda například expanduje pouze při teplotách nad 4 °C; při teplotách od O 0C do 4 0C se objem vody při ohřevu zmenšuje.
3. Charakterizujte tepelnou roztažnost pevných látek
Pojďme zjistit, jak se mění lineární rozměry pevného tělesa v důsledku změn teploty. Chcete-li to provést, změřte délku hliníkové trubice a poté trubici zahřejte tak, že jí procházíte horkou vodou. Po nějaké době si můžete všimnout, že délka trubky se mírně zvětšila.
Nahrazením hliníkové trubice skleněnou o stejné délce se přesvědčíme, že při stejném zvýšení teploty se délka skleněné trubice zvětšuje mnohem méně než délka hliníkové. Dojdeme tedy k závěru: tepelná roztažnost tělesa závisí na látce, ze které je vyrobeno.
Fyzikální veličina, která charakterizuje tepelnou roztažnost materiálu a je číselně rovna poměru změny délky tělesa v důsledku jeho zahřátí o 1 °C a jeho počáteční délky, se nazývá teplotní koeficient lineární roztažnosti.
Teplotní koeficient lineární roztažnosti je označen symbolem a a vypočítá se podle vzorce:
Z definice teplotního koeficientu lineární roztažnosti lze získat jednotku této fyzikální veličiny:
Níže uvedená tabulka ukazuje teplotní koeficienty lineární roztažnosti některých látek.
4. Poznávání teplotní roztažnosti v přírodě a technologii
Schopnost těles expandovat při zahřívání a smršťovat se při ochlazování hraje v přírodě velmi důležitou roli. Povrch Země se ohřívá nerovnoměrně. V důsledku toho se vzduch v blízkosti Země také nerovnoměrně rozšiřuje a tvoří se vítr, který určuje změny počasí. Nerovnoměrný ohřev vody v mořích a oceánech vede ke vzniku proudů, které výrazně ovlivňují klima. Ostré teplotní výkyvy v horských oblastech způsobují rozpínání a smršťování hornin. A jelikož stupeň rozpínání závisí na druhu horniny, dochází k rozpínání a smršťování nerovnoměrně a v důsledku toho vznikají trhliny, které vedou k destrukci těchto hornin.
Tepelnou roztažnost je třeba brát v úvahu při stavbě mostů a elektrických vedení, pokládání topných trubek, pokládání železničních kolejí, výrobě železobetonových konstrukcí a v mnoha dalších případech.
Fenomén tepelné roztažnosti je široce používán v technologii a každodenním životě. K automatickému uzavírání a otevírání elektrických obvodů se tedy používají bimetalové desky - skládají se ze dvou pásků s různými koeficienty lineární roztažnosti (obr. 2.33). Tepelná roztažnost vzduchu napomáhá rovnoměrnému prohřátí bytu, chlazení potravin v lednici a větrání místnosti.
Rýže. 2.33. Pro výrobu automatických pojistek (a), pro automatické zapínání a vypínání topných zařízení (b) se široce používají bimetalové desky (c). S rostoucí teplotou se jeden z kovů roztahuje mnohem více než druhý, v důsledku čehož se deska ohýbá (d) a otevírá (nebo zavírá)
5. Naučit se řešit problémy
Délka ocelové kolejnice při teplotě 0 o C je 8 g O kolik se její délka zvětší v horkém letním dni při teplotě 40 °C?
Analýza problémových podmínek. Když budeme vědět, jak se změní délka ocelového dílu vlivem ohřevu o 1 °C, tedy známe teplotní koeficient lineární roztažnosti oceli, zjistíme, jak moc se změní délka kolejnice v důsledku ohřevu o 40 °C. Teplotní koeficient lineární roztažnosti oceli lze zjistit z tabulky výše.
- Pojďme si to shrnout
Pevné látky, kapaliny a plyny mají tendenci expandovat při zahřívání. Důvodem tepelné roztažnosti je to, že s rostoucí teplotou se zvyšuje rychlost pohybu atomů a molekul. V důsledku toho se zvyšuje průměrná vzdálenost mezi atomy (molekulami). Tepelná roztažnost pevných látek je charakterizována koeficientem lineární roztažnosti. Koeficient lineární roztažnosti je číselně roven poměru změny délky tělesa jeho zahřátím o 1 o C a jeho počáteční délky
- Kontrolní otázky
1. Uveďte příklady, které ukazují, že pevné látky, kapaliny a plyny expandují při zahřívání.
2. Popište pokus demonstrující tepelnou roztažnost kapalin.
3. Jaký je důvod zvětšení objemu těles při ohřevu?
4. Co kromě teploty určuje změnu velikosti těles při jejich ohřevu (ochlazování)?
5. V jakých jednotkách se měří koeficient lineární roztažnosti?
- Cvičení
1. Vyberte všechny správné odpovědi. Když se tělo ochladí, pak:
a) rychlost pohybu jeho molekul klesá;
b) zvyšuje se rychlost pohybu jeho molekul;
c) vzdálenost mezi jeho molekulami se zmenšuje;
d) vzdálenost mezi jeho molekulami se zvětšuje.
2. Jak se změní objem balónku, když jej přemístíme z chladné místnosti do teplé? Proč?
3. Co se stane se vzdálenostmi mezi částicemi kapaliny v teploměru, když se ochladí?
4. Je správné říci, že při zahřívání se těleso zvětšuje, protože se zvětšuje velikost jeho molekul? Pokud ne, nabídněte svou vlastní, opravenou verzi.
5. Proč přesné měřicí přístroje ukazují teplotu?
6. Vzpomeňte si na pokus s měděnou kuličkou, která se vlivem zahřívání zasekla v kroužku (viz obr. 2.32). Jak se vlivem zahřívání změnilo: objem koule; jeho hmotnost; hustota; průměrná rychlost atomů?
7. Po průchodu páry z vroucí vody mosaznou trubicí se délka trubice zvětšila o 1,62 mm. Jaký je koeficient lineární roztažnosti mosazi při teplotě 15 0C
Je délka trubky 1 m? Připomínáme, že teplota vařící vody je 100 °C.
8. Platinový drát o délce 1,5 m měl teplotu 0 °C. Průchodem elektrického proudu se drát zahřál a prodloužil se o 15 mm. Na jakou teplotu se to zahřálo?
9. Obdélníkový měděný plech, jehož rozměry při teplotě 20 0C jsou 60 cm x 50 cm, byl zahřát na 600 °C. Jak se změnila listová plocha?
- Experimentální úlohy
1. Jak můžete s prknem, kladivem, dvěma hřebíky, lihovou lampou a pinzetou ukázat, že velikost 5kopeckové mince se při zahřátí zvětšuje? Proveďte příslušný experiment. Vysvětlete pozorovaný jev.
2. Naplňte láhev vodou, dokud uvnitř nezůstane vzduchová bublina. Láhev zahřejte v horké vodě. Sledujte, jak se mění velikost bubliny. Vysvětlete výsledek..
Fyzika. 7. třída: Učebnice / F. Ya Bozhinova, N. M. Kiryukhin, E. A. Kiryukhina. - X.: Nakladatelství "Ranok", 2007. - 192 s.: ill.
Obsah lekce poznámky k lekci a podpůrný rámec prezentace lekce interaktivní technologie akcelerátor výukové metody Praxe testy, testování online úkolů a cvičení domácí úkoly workshopy a tréninkové otázky pro třídní diskuse Ilustrace video a audio materiály fotografie, obrázky, grafy, tabulky, diagramy, komiksy, podobenství, rčení, křížovky, anekdoty, vtipy, citáty Doplňky abstrakce cheat sheets tipy pro kuriózní články (MAN) literatura základní a doplňkový slovník pojmů Zkvalitnění učebnic a lekcí opravování chyb v učebnici, nahrazování zastaralých znalostí novými Pouze pro učitele kalendář plány tréninkové programy metodická doporučeníZměna velikosti pevných látek v důsledku tepelné roztažnosti vede ke vzniku obrovských elastických sil, pokud jiná tělesa brání této změně velikosti. Například ocelový mostní nosník o průřezu 100 cm2 vytváří při zahřátí z -40 °C v zimě na +40 °C v létě, pokud podpěry brání jeho protažení, tlak na podpěry (tah) až 1,6 10 8 Pa, tedy na podpěrách o síle 1,6 10 6 N.
Uvedené hodnoty lze získat z Hookova zákona a vzorce (9.2.1) pro tepelnou roztažnost těles.
Podle Hookova zákona je mechanické napětí, kde je relativní prodloužení, a E- Youngův modul. Podle (9.2.1). Dosazením této hodnoty relativního prodloužení do vzorce Hookova zákona získáme
Ocel má Youngův modul E= 2,1 10 11 Pa, teplotní koeficient lineární roztažnosti α 1 = 910-6 K-1. Dosazením těchto dat do výrazu (9.4.1) získáme to pro Δ t= 80 °C mechanické napětí σ = 1,6 10 8 Pa.
Protože S= 10 -2 m 2, pak síla F=σS = 1,6 10 6 N.
Chcete-li demonstrovat síly, které se objevují, když se kovová tyč ochladí, můžete provést následující experiment. Nahřejeme železnou tyč s otvorem na konci, do kterého se zasune litinová tyč (obr. 9.5). Poté tuto tyč vložíme do masivního kovového stojanu s drážkami. Při ochlazení se tyč stahuje a vznikají v ní tak velké pružné síly, že se litinová tyč zlomí.
Při navrhování mnoha konstrukcí je třeba zohlednit tepelnou roztažnost těles. Je třeba dbát na to, aby se tělesa mohla volně roztahovat nebo smršťovat při změnách teplot.
Například je zakázáno pevně tahat telegrafní dráty, stejně jako dráty elektrického vedení mezi podpěrami. V létě je prověšení drátů znatelně větší než v zimě.
Kovová parní potrubí, stejně jako potrubí ohřevu vody, musí být opatřena ohyby (kompenzátory) ve formě smyček (obr. 9.6).
Vnitřní pnutí může vznikat při nerovnoměrném zahřívání homogenního tělesa. Například skleněná láhev nebo sklenice vyrobená ze silného skla může prasknout, pokud se do ní nalije horká voda. Nejprve se ohřejí vnitřní části nádoby, které jsou v kontaktu s horkou vodou. Roztahují se a vyvíjejí velký tlak na vnější studené části. Proto může dojít k destrukci nádoby. Tenká sklenice nepraskne, když se do ní nalije horká voda, protože její vnitřní a vnější části se zahřívají stejně rychle.
Křemenné sklo má velmi nízký teplotní koeficient lineární roztažnosti. Takové sklo vydrží nerovnoměrné zahřívání nebo ochlazování bez praskání. Například do rozžhavené baňky z křemenného skla lze nalít studenou vodu, zatímco baňka z obyčejného skla při takovém experimentu praskne.
Různé materiály, které se periodicky zahřívají a ochlazují, by se měly spojovat pouze tehdy, pokud se jejich rozměry mění stejně se změnami teploty. To je důležité zejména pro velké velikosti produktů. Například železo a beton se při zahřívání rovnoměrně roztahují. Proto se rozšířil železobeton - ztvrdlá betonová malta nalévaná do ocelové mříže - armatura (obr. 9.7). Pokud by železo a beton expandovaly jinak, pak by se v důsledku denních a ročních teplotních výkyvů železobetonová konstrukce brzy zhroutila.
Ještě pár příkladů. Kovové vodiče připájené do skleněných válců elektrických lamp a rádiových lamp jsou vyrobeny ze slitiny (železa a niklu), která má stejný koeficient roztažnosti jako sklo, jinak by sklo při zahřívání kovu prasklo. Smalt použitý k potažení nádobí a kov, ze kterého je toto nádobí vyrobeno, musí mít stejný koeficient lineární roztažnosti. Jinak smalt praskne, když se jím potažené nádobí zahřeje a ochladí.
Značné síly může vyvinout i kapalina, pokud se zahřívá v uzavřené nádobě, která kapalině nedovolí expandovat. Tyto síly mohou vést k destrukci nádob, které obsahují tekutinu. Proto je třeba vzít v úvahu i tuto vlastnost kapaliny. Například potrubní systémy teplovodního vytápění jsou vždy vybaveny expanzní nádobou připojenou k horní části systému a vystavenou atmosféře. Při ohřevu vody v potrubním systému jde malá část vody do expanzní nádoby a tím odpadá namáhaný stav vody a potrubí. Ze stejného důvodu má výkonový transformátor chlazený olejem nahoře olejovou expanzní nádrž. Se stoupající teplotou se hladina oleje v nádrži zvyšuje a jak se olej ochlazuje, klesá.
Změna velikosti nebo objemu těla při zahřátí
Animace
Popis
Tepelná roztažnost je účinek změny velikosti tělesa se změnou teploty při konstantním tlaku. Tento jev u pevných látek je způsoben asymetrií interakčního potenciálu atomů látky v mřížce, což vede k neharmoničnosti vibrací atomů vzhledem k průměrné poloze. U plynů je to způsobeno zvýšením kinetické energie molekul a atomů.
Kvantitativně je tepelná roztažnost při konstantním tlaku P charakterizována koeficientem izobarické roztažnosti (objemovým nebo lineárním).
Koeficient objemové roztažnosti a je definován jako relativní změna objemu V při zahřátí tělesa (pevného, kapalného nebo plynného) o 1 K.
zde T je absolutní tělesná teplota.
Praktická hodnota a se vypočítá pomocí vzorce:
kde V 1, V 2 jsou objemy těles při teplotách T 1 a T 2 (T 1<Т 2 ).
K charakterizaci tepelné roztažnosti se spolu s a používá koeficient lineární roztažnosti a L:
kde l je velikost tělesa v daném směru.
V obecném případě polykrystalických anizotropních těles sestávajících z anizotropních monokrystalů je a L = a x + a y + a z a rozdíl nebo rovnost lineárních koeficientů tepelné roztažnosti a x, a y, a z podél krystalografických os x, y, z určen symetrie krystalu. Například pro krystaly kubické soustavy, stejně jako pro izotropní tělesa platí L = a x = a y = a z a a = 3a l. Pro většinu těles a >0, ale existují i anomálie. Například voda při zahřátí z 0 na 40 C za normálního atmosférického tlaku je stlačena (a<0). Зависимость a (Т ) наиболее заметна у газов (для идеального газа a =1/Т ); у жидкостей она проявляется слабее. У ряда веществ в твердом состоянии (кварца, инвара и т.д.) коэффициент a мал и практически постоянен в широком интервале температур. При Т ® 0, a® 0. Коэффициент a и a L определяются экспериментальными методами.
Časové charakteristiky
Doba iniciace (log do -1 až 3);
Životnost (log tc od 0 do 6);
Doba degradace (log td od -1 do 3);
Doba optimálního vývoje (log tk od 3 do 5).
Diagram:
Technické realizace efektu
Teploměr
Realizace tohoto efektu nevyžaduje žádné další prostředky kromě běžného domácího lihového nebo rtuťového teploměru. Při jeho zahřívání roste sloupec kapaliny, což znamená objemovou expanzi kapaliny.
Použití efektu
Tento efekt je široce využíván při návrhu technických systémů pracujících v extrémních nebo optimálních tepelných podmínkách s velkými teplotními rozdíly. Anomální vlastnost vody zmenšovat objem při zvýšení teploty z 0 na 40 C je na jedné straně škodlivá, vede k odmrazování „hydraulických systémů“, tzn. jejich mechanické ničení a na druhé straně je základem řady technologických procesů, například ničení hornin. Kromě toho se v technických zařízeních široce používají takzvané bimetalové desky jako snímače teplotních limitů, což vede k automatickému zapínání a vypínání domácích elektrických zařízení (žehličky, vysavače, ledničky atd.).
