Коефіцієнт розширення рідин при нагріванні таблиці. Коефіцієнт об'ємного розширення

При зміні температури відбувається зміна розмірів твердого тіла, Яке називають тепловим розширенням. Розрізняють лінійне та об'ємне теплове розширення. Ці процеси характеризують коефіцієнтами теплового (температурного) розширення: - Середній коефіцієнт лінійного температурного розширеннясередній коефіцієнт об'ємного теплового розширення

ВИЗНАЧЕННЯ

Коефіцієнтом температурного розширенняназивають фізичну величину, що характеризує зміну лінійних розмірів твердого тіла при зміні його температури.

Застосовують, зазвичай, середній коефіцієнт лінійного розширення. Це характеристика теплового розширення матеріалу.

Якщо початкова довжина тіла дорівнює , - Подовження його при збільшенні температури тіла на , Тоді визначений формулою:

p align="justify"> Коефіцієнт лінійного подовження є характеристикою відносного подовження (), яке відбувається при збільшенні температури тіла на 1К.

При збільшенні температури зростає обсяг твердого тіла. У першому наближенні можна вважати, що:

де - Початковий об'єм тіла, - Зміна температури тіла. Тоді коефіцієнтом об'ємного розширення тіла є фізична величинаяка характеризує відносну зміну об'єму тіла (), що відбувається при нагріванні тіла на 1 K і незмінному тиску. Математичним визначеннямкоефіцієнтом об'ємного розширення є формула:

Теплове розширення твердого тіла пов'язують з ангармонічністю теплових коливань частинок, що становлять кристалічні ґратитіла. В результаті даних коливань зі збільшенням температури тіла збільшується рівноважна відстань між сусідніми частинками цього тіла.

При зміні об'єму тіла відбувається зміна його густини:

де - початкова щільність, - щільність речовини при новій температурі. Так як величина то вираз (4) іноді записують як:

Коефіцієнти теплового розширення залежить від речовини. У загальному випадкувони залежатимуть від температури. Коефіцієнти теплового розширення вважають незалежними від температури у невеликому інтервалі температур.

Існує низка речовин, що мають негативний коефіцієнт теплового розширення. Так, при підвищенні температури такі матеріали стискаються. Зазвичай це відбувається у вузькому інтервалі температур. Є речовини, у яких коефіцієнт теплового розширення майже дорівнює нулюпри деякому певному інтервалі температур.

Вираз (3) застосовують як для твердих тіл, а й рідин. При цьому вважають, що коефіцієнт температурного розширення для краплинних рідин змінюється при зміні температури не суттєво. Однак при розрахунку систем опалення його враховують.

Зв'язок коефіцієнтів теплового розширення

Одиниці виміру

Основною одиницею вимірювання коефіцієнтів температурного розширення у системі СІ є:

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання Для того щоб визначати коефіцієнт об'ємного розширення рідин, використовують прилади, які називають пікнометри. Це скляні колби із вузьким горлом (рис.1). На шийці ставлять позначки про місткості судини (зазвичай у мл). Як застосовують пікнометри?

Рішення Вимірюють коефіцієнт об'ємного розширення в такий спосіб. Пікнометр наповнюють рідиною, що досліджується, до обраної мітки. Колбу нагрівають, відзначаючи зміну рівня речовини. За таких відомих величинахяк: початковий об'єм пікнометра, площа перерізу каналу шийки колби, зміна температури визначають частку початкового об'єму рідини, яка надійшла в шийку пікнометра, при нагріванні на 1 К. При цьому слід врахувати, що коефіцієнт розширення рідини більше отриманої величини, так як відбулося нагрівання та розширення та колби. Отже, для обчислення коефіцієнта розширення рідини додають коефіцієнт розширення речовини колби (зазвичай скла). Треба сказати, що оскільки коефіцієнт об'ємного розширення скла істотно менше, ніж рідини, при приблизних розрахунках коефіцієнтом розширення скла можна знехтувати.

ПРИКЛАД 2

Завдання У чому полягають особливості розширення води? У чому значення цього явища?
Рішення Вода, на відміну більшості інших рідких речовин, розширюється при нагріванні тільки тоді, коли температура вище 4 o С. В інтервалі температур об'єм води при збільшенні температури зменшується. Прісна вода має максимальну щільність. Для морської водимаксимальна щільність досягається при. Зростання тиску знижує температуру максимальної щільностіводи.

Оскільки майже 80% поверхні планети покрито водою, то особливості розширення її відіграють значну роль у створенні клімату на Землі. Промені Сонця, потрапляючи на водну поверхнюнагрівають її. Якщо температура нижче 1-2 o С, то шари води, що нагрілися, мають велику щільністьніж холодні і опускаються вниз. При цьому їх місце займають холодніші шари, які в свою чергу нагріваються. Так іде постійна змінашарів води і це веде до прогрівання водяної товщі, до досягнення максимальної щільності. Подальше збільшення температури призводить до того, що верхні шари води зменшують свою густину і залишаються нагорі.

Так виходить, що великий шар води прогрівається до температури максимальної щільності досить швидко, а подальше збільшення температури йде повільно. В результаті глибокі водоймища Землі з деякої глибини мають температуру близько 2-3 o С. При цьому температура верхніх шарівводи у морях теплих країн може мати температуру близько 30 o C та вище.

Температурне розширення рідини полягає в тому, що вона може змінювати свій об'єм при зміні температури. Ця властивість характеризується т емпературним коефіцієнтом об'ємного розширення , Що представляє відносну зміну об'єму рідини при зміні температури на одиницю (на 1 про C) і при постійному тиску:

За аналогією із властивістю стисливості рідини можна записати

або через щільність

Зміна об'єму за зміни температури відбувається рахунок зміни щільності.

Для більшості рідин коефіцієнт t із збільшенням тиску зменшується. Коефіцієнт t зі зменшенням щільності нафтопродуктів від 920 до 700 кг/м 3 збільшується від 0,0006 до 0,0008 ; для робочих рідин гідросистем t зазвичай приймають незалежно від температури. Для цих рідин збільшення тиску від атмосферного до 60 МПа призводить до зростання t приблизно на 10 – 20 % . При цьому чим вище температура робочої рідини, тим більше збільшення t . Для води зі збільшенням тиску при температурі до 50 о C t зростає, а при температурі вище 50 о C зменшується.

Розчинення газів

Розчинення газів - здатність рідини поглинати (розчиняти) гази, що перебувають у дотику до неї. Всі рідини тією чи іншою мірою поглинають і розчиняють гази. Ця властивість характеризується коефіцієнтом розчинності k р .

Е якщо в закритій посудині рідина знаходиться в контакті з газом при тиску P 1 то газ почне розчинятися в рідині. Через деякий час

станеться насичення рідини газом і тиск у посудині зміниться. Коефіцієнт розчинності пов'язує зміну тиску в посудині з об'ємом розчиненого газу та об'ємом рідини наступним співвідношенням

де V Г - Об'єм розчиненого газу за нормальних умов,

V ж - Об'єм рідини,

P 1 і P 2 - Початковий і кінцевий тиск газу.

Коефіцієнт розчинності залежить від типу рідини, газу та температури.

При температурі 20 ºС і атмосферному тискуу воді міститься близько 1,6% розчиненого повітря за обсягом ( k p = 0,016 ). Зі збільшенням температури від 0 до 30 ºС коефіцієнт розчинності повітря у воді зменшується. Коефіцієнт розчинності повітря в оліях при температурі 20 ºС дорівнює приблизно 0,08 – 0,1 . Кисень відрізняється більш високою розчинністю, ніж повітря, тому вміст кисню в повітрі, розчиненому в рідині, приблизно на 50% вище, ніж у атмосферному. При зменшенні тиску газ із рідини виділяється. Процес виділення газу протікає інтенсивніше, ніж розчинення.

Кипіння

Кипіння – здатність рідини переходити до газоподібного стану. Інакше цю властивість рідин називають випаровуваністю .

Рідина можна довести до кипіння підвищенням температури до значень, більших температурикипіння при даному тиску, або зниженням тиску до значень, менших за тиск насиченої пари p нп рідини при цій температурі. Утворення бульбашок при зниженні тиску до тиску насиченої пари називається холодним кипінням.

Рідина, з якої видалено розчинений у ній газ, називається дегазованою. У такій рідині кипіння не виникає і при температурі більшої температури кипіння при даному тиску.

Головна > Закон

Міцність рідини на розрив під час вирішення практичних завданьне враховується. Температурне розширення краплинних рідин характеризується коефіцієнтом температурного розширення t, що виражає відносне збільшення об'єму рідини при збільшенні температури на 1 град, тобто:

Де W - Початковий обсяг рідини; Δ W - Зміна цього обсягу при підвищенні температури на величину ΔТ . Коефіцієнт температурного розширення краплинних рідин, як видно з табл. 5, незначний.

Таблиця 5

Коефіцієнт температурного розширення води

Тиск Па∙10 4

При температурі, °С

Так, для води при зміні температури від 10 до 20°С та при тиску 10 5 Па β t=0.00015 1/град. При значних різницях температур вплив температури на питому вагу часом доводиться враховувати. Щільність та питома вага краплинних рідин, як це випливає з попередніх міркувань, мало змінюються зі зміною тиску та температури. Можна приблизно вважати, що щільність не залежить від тиску і визначається тільки температурою. З виразів (9) і (1) можна знайти наближене співвідношення для розрахунку зміни щільності краплинних рідин із зміною температури:

Значення коефіцієнта (10) знаходяться з таблиць в межах заданого інтервалу температур (див., наприклад, табл. 5). Здатність рідин змінювати щільність (питому вагу) при зміні температури широко використовується створення природної циркуляції в котлах, опалювальних системах, видалення продуктів згоряння тощо. буд. B табл. 6 наведено значення щільності води при різних температурах.

Таблиця 6

Залежність щільності ρ, кінематичної ν та динамічної μ в'язкості води від температури

Температура, °С

ν∙10 4 , м 2 /с

μ∙10 3 , Па∙с

На відміну від краплинних рідин гази характеризуються значною стисливістю та високими значеннямикоефіцієнта температурного розширення Залежність щільності газів від тиску та температури встановлюється рівнянням стану. Найбільш простими властивостямимає газ, розріджений настільки, що взаємодія між його молекулами може не враховуватися - так званий досконалий ( ідеальний) газ. Для досконалих газів справедливе рівняння Клапейрона, що дозволяє визначати щільність газу при відомих тиску та температурі:

(11)

Де р - Абсолютний тиск; R - Питома газова постійна, різна для різних газів, але не залежить від температури і тиску [для повітря R = 287 Дж / (кг К)] ; Т - абсолютна температура. Поведінка реальних газів в умовах, далеких від зрідження, лише трохи відрізняється від поведінки досконалих газів, і для них у широких межах можна користуватися рівняннями стану досконалих газів. У технічних розрахунках щільність газу зазвичай призводять до нормальним фізичним умовам(t=0°; р=101325 Па) або до стандартнимумовам (t = 20 ° С; р = 101325 Па). Щільність повітря при R=287 Дж/(кг∙К) у стандартних умовах за формулою (11) дорівнюватиме ρ 0 =101325/287/(273+20)=1.2 кг/м 3 . Щільність повітря за інших умов визначається за формулою:

(12)

На рис. 1 наведені певні за цією формулою графіки залежності щільності повітря від температури при різних тисках.

Рис. 1 Залежність щільності повітря від барометричного тиску та температури

Для ізотермічного процесу(T=const) з формули (12) маємо:

(13)

(14)

Де k= з p / с ν - адіабатична постійна газу; p - теплоємність газу при постійному тиску; з ν - те ж, при постійному обсязі. Стискання газів залежить від характеру процесу зміни стану. Для ізотермічного процесу:

(15)

Для адіабатичного процесу:

З виразу (15) випливає, що ізотермічна стисливість для атмосферного повітрястановить ~9,8∙10 4 Па (близько 1 ат), що у 20 тис. разів перевищує стисливість води. Оскільки обсяг газу великою мірою залежить від температури і тиску, висновки, отримані щодо краплинних рідин, можна поширювати на гази лише тому випадку, якщо межах аналізованого явища зміни тиску і температури незначні. Значні різниці тисків, що викликають суттєву зміну щільності газів, можуть виникнути при їх русі з великими швидкостями. Співвідношення між швидкістю руху рідини та швидкістю звуку в ній дозволяє судити про необхідність урахування стисливості в кожному конкретному випадку. Практично газ можна приймати несжимаемим при швидкостях руху, що не перевищують 100 м/с. В'язкість рідин.В'язкістю називається властивість рідин чинити опір зсуву. всі реальні рідинимають певну в'язкість, яка проявляється у вигляді внутрішнього тертя при відносному переміщенні суміжних частинок рідини. Поруч із легко рухомими рідинами (наприклад, водою, повітрям) існують дуже в'язкі рідини, опір яких зсуву дуже значно (гліцерин, важкі олії та інших.). Таким чином, в'язкість характеризує ступінь плинності рідини чи рухливості її частинок. Нехай рідина тече вздовж плоскої стінки паралельними їй шарами (рис. 2), як це спостерігається при ламінарному русі. Внаслідок гальмівного впливу стінки шари рідини будуть рухатися різними швидкостями, значення яких зростають у міру віддалення від стінки.

Рис. 2 Розподіл швидкостей при перебігу рідини вздовж твердої стінки

Розглянемо два шари рідини, що рухаються на відстані Δу один від одного. Шар A рухається зі швидкістю u , a шар У - зі швидкістю u + Δu . Внаслідок різниці швидкостей за одиницю часу шар У зсувається щодо шару А на величину Δ u . Величина Δ u є абсолютним зрушенням шару A по шару, а Δ u y є градієнт швидкості (відносне зрушення). Дотичне напруження (сила тертя на одиницю площі), що з'являється при цьому, позначимо через . Тоді аналогічно явищу зсуву у твердих тілах ми отримаємо наступну залежність між напругою та деформацією:

(17)

Або, якщо шари будуть нескінченно близько один до одного,

(18)

Величина µ , аналогічна коефіцієнту зсуву в твердих тілах і характеризує опірність рідини зсуву, називається динамічноїабо абсолютної в'язкістю. На існування співвідношення (18) перша вказівка ​​є у Ньютона, і тому називається законом тертя Ньютона. У міжнародній системі одиниць динамічна в'язкість виявляється у H∙с/м 2 чи Па∙c. У технічної системиодиниць динамічна в'язкість має розмірність кгс∙с∙м -2. В системі CGS за одиницю динамічної в'язкості приймається пуаз (П) на згадку про французького лікаря Пуазейля, який досліджував закони руху крові в судинах людського тіла, рівний 1 г∙см -1 ∙с -1; 1 Па∙с=0,102 кгс∙с/м 2 =10 П. В'язкість рідин у сильного ступенязалежить від температури; при цьому в'язкість краплинних рідин при збільшенні температури зменшується, в'язкість газів зростає. Це тим, що природа в'язкості краплинних рідин і газів різна. B газах Середня швидкість(інтенсивність) теплового рухумолекул з підвищенням температури зростає, отже, зростає в'язкість. У краплинних рідинах молекули не можуть рухатися, як у газі, по всіх напрямках, вони можуть лише коливатися біля свого середнього становища. З підвищенням температури середні швидкості коливальних рухівмолекул збільшуються, завдяки чому легше долаються утримують їх зв'язки, і рідина набуває більшої рухливості (її в'язкість зменшується). Так, для чистої прісної водизалежність динамічної в'язкості від температури визначається за формулою Пуазейля:

(19)

Де µ - абсолютна (динамічна) в'язкість рідини П; t - температура в ° С. Зі збільшенням температури від 0 до 100 ° С в'язкість води зменшується майже в 7 разів (див. табл. 6). При температурі 20°C динамічна в'язкість води дорівнює 0,001 Па∙с=0,01 П. Вода належить до найменш в'язких рідин. Лише небагато з практично використовуваних рідин (наприклад, ефір і спирт) мають трохи меншу в'язкість, ніж вода. Найменшу в'язкість має рідка вуглекислота (у 50 разів менша за в'язкість води). Всі рідкі олії мають значно більшу в'язкість, ніж вода (касторове масло при температурі 20 ° С має в'язкість в 1000 разів більшу, ніж вода при тій же температурі). B табл. 1.7 наведено значення в'язкості деяких рідин.

Таблиця 7

Кінематична та динамічна в'язкість краплинних рідин (при t=20° C)

Рідина

ν∙10 4 , м 2 /с

Вода прісна

Гліцерин безводний

Гас (при 15° C)

Бензин (при 15° C)

Олія рицинова

Олія мінеральна

Нафта при 15°C

Спирт етиловий безводний

Для визначення величини динамічної в'язкості повітря в системі МКГСС застосовується формула Міллікена:

Що дає при t=15° С =1,82∙10 -6 кгс∙с/м 2 (~1,82∙10 -5 Па∙с). Динамічна в'язкість інших газів має приблизно той самий порядок величини. Поряд із поняттям абсолютної або динамічної в'язкості в гідравліці знаходить застосування поняття кінематичної в'язкості; представляє собою відношення абсолютної в'язкості до щільності рідини:

(21)

Ця в'язкість названа кінематичної, оскільки у її розмірності відсутні одиниці сили. B дійсно, підставивши розмірність µ і ρ , Отримаємо [ v]=[L 2 /Т]. B міжнародній системі одиниць кінематична в'язкість вимірюється м2 /с; одиницею для вимірювання кінематичної в'язкості у системі CGS служить стокc (на честь англійського фізика Стокса): 1 Ст=1 см 2 /с=10 -4 м 2 /с. Сота частина стоксу називається сантистоксом (сСт): 1 м 2 /с = 1∙10 4 Ст=1∙10 6 cCт. У табл. 7 наведено чисельні значення кінематичної в'язкості краплинних рідин, на рис. 3 - залежність кінематичної в'язкості води та індустріальної олії від температури. Для попередніх підрахунків величину кінематичної в'язкості води v можна прийняти рівною 0,01 см 2 /с=1.10 -6 м 2 /с, що відповідає температурі 20 ° C.

Рис. 3 Залежність кінематичної в'язкості води та олії від температури

Кінематична в'язкість краплинних рідин при тисках, що зустрічаються в більшості випадків на практиці (до 200 ат), дуже мало залежить від тиску, і цією зміною у звичайних гідравлічних розрахунках нехтують. Кінематична в'язкість газів залежить як від температури, так і від тиску, зростаючи зі збільшенням температури та зменшуючись зі збільшенням тиску (табл. 8). Кінематична в'язкість повітря для нормальних умов(температура 20 ° С, тиск ~1ат) v= µ/ ρ =1,57∙10 -5 м 2 /сек, тобто. приблизно в 15 разів більше, ніж для води при тій же температурі. Це тим, що у знаменник вирази для кінематичної в'язкості (21) входить щільність, що у газів значно менше, ніж у краплинних рідин. Для обчислення кінематичної в'язкості повітря за різних температур і тисків можна користуватися графіком (рис. 4).

Таблиця 1.8

Значення кінематичної і питомої газової постійної К для деяких газів

ν∙10 4 м2 /с при температурі в °С

R, Дж/(кг∙К)

Федеральні закони Російської Федерації: «Про освіту» (від 10 липня 1992 року №3266-1) та «Про вищу та післявузівську професійну освіту» (від 22 серпня 1996 року №125-ФЗ);

  • Основна освітня програма вищої професійної освіти Напрям підготовки 270800 Будівництво (1)

    Основна освітня програма

    1.1. Мета (місія) ООП – підготовка конкурентоспроможного професіонала, готового до діяльності в галузях пов'язаних із забезпеченням будівництва, а також здатного до подальшого професійного самовдосконалення та творчого розвитку.

  • Зв'язки між частинками рідини, як ми знаємо, слабші, ніж між молекулами у твердому тілі. Тому слід очікувати, що при однаковому нагріванні рідини розширюються в більшою міроюніж тверді тіла. Це справді підтверджується на досвіді.

    Наповнимо колбу з вузьким і довгим шийкою підфарбованою рідиною (водою або краще гасом) до половини шийки і відзначимо гумовим кільцем рівень рідини. Після цього опустимо колбу в посудину з гарячою водою. Спочатку буде видно зниження рівня рідини в шийці колби, а потім рівень почне підвищуватися і підніметься значно вище за початковий. Це тим, що спочатку нагрівається посудина і його збільшується. Через це рівень рідини опускається. Потім нагрівається рідина. Розширюючись, вона не тільки заповнює обсяг судини, що збільшився, а й значно перевищує цей обсяг. Отже, рідини розширюються більшою мірою, ніж тверді тіла.

    Температурні коефіцієнти об'ємного розширення рідин значно більші за коефіцієнти об'ємного розширення твердих тіл; вони можуть досягати значення 10 -3 -1 .

    Рідина не можна нагріти, не нагріваючи посудини, в яких вона знаходиться. Тому ми можемо спостерігати справжнього розширення рідини в посудині, оскільки розширення судини занижує видиме збільшення обсягу рідини. Втім, коефіцієнт об'ємного розширення скла та інших твердих тіл зазвичай значно менше коефіцієнта об'ємного розширення рідини, і при не дуже точних вимірахзбільшенням обсягу судини можна знехтувати.

    Особливості розширення води

    Найбільш поширена на Землі рідина - вода - має особливі властивості, що відрізняють її від інших рідин. У води при нагріванні від 0 до 4 ° С обсяг не збільшується, а зменшується. Лише з 4 °С обсяг води починає при нагріванні зростати. При 4 °С таким чином об'єм води мінімальний, а щільність максимальна*. На малюнку 9.4 показано приблизну залежність щільності води від температури.

    * Ці дані відносяться до прісної (хімічно чистої) води. У морської води найбільша щільність спостерігається приблизно за 3 °С.

    Зазначена особлива властивість води дуже впливає на характер теплообміну у водоймах. При охолодженні води спочатку щільність верхніх шарів збільшується і вони опускаються вниз. Але після досягнення повітрям температури 4 °С подальше охолодження вже зменшує щільність і холодні шари води залишаються на поверхні. В результаті в глибоких водоймищах навіть при дуже низькій температурі повітря вода має температуру близько 4 °С.

    Об'єм рідких і твердих тіл збільшується прямо пропорційно зростанню температури. У води виявляється аномалія: її щільність максимальна при 4 °С.

    § 9.4. Облік та використання теплового розширення тіл у техніці

    Хоча лінійні розміри та обсяги тіл при зміні температури змінюються мало, проте ця зміна нерідко доводиться враховувати у практиці; водночас це явище широко використовується у побуті та техніці.

    Облік теплового розширення тіл

    Зміна розмірів твердих тіл внаслідок теплового розширення призводить до появи величезних сил пружності, якщо інші тіла перешкоджають цій зміні розмірів. Наприклад, сталева бруківка балка перетином 100 см 2 при нагріванні від -40 °С взимку до +40 °С влітку, якщо опори перешкоджають її подовженню, створює тиск на опори (напруга) до 1,6 10 8 Па, тобто діє на опори із силою 1,6 10 6 Н.

    Наведені значення можуть бути отримані із закону Гука та формули (9.2.1) для теплового розширення тел.

    Відповідно до закону Гука механічна напруга
    де
    - відносне подовження, a Е- Модуль Юнга. Згідно (9.2.1)
    . Підставляючи це значення відносного подовження у формулу закону Гука, отримаємо

    (9.4.1)

    У сталі модуль Юнга Е= 2,1 10 11 Па, температурний коефіцієнтлінійного розширення α 1 = 9 10 -6 К -1. Підставивши ці дані у вираз (9.4.1), отримаємо, що за Δ t = 80 °С механічна напруга σ = 1,6 10 8 Па.

    Так як S = 10 -2 м 2 то сила F = σS = 1,6 10 6 Н.

    Для демонстрації сил, що з'являються під час охолодження металевого стрижня, можна зробити наступний досвід. Нагріємо залізний стрижень з отвором на кінці, в який вставлений чавунний стрижень (рис. 9.5). Потім вставимо цей стрижень у масивну металеву підставку із пазами. При охолодженні стрижень скорочується, і в ньому виникають такі великі сили пружності, що чавунний стрижень ламається.

    Теплове розширення тіл потрібно враховувати під час конструювання багатьох споруд. Необхідно вживати заходів для того, щоб тіла могли вільно розширюватись або стискатися при зміні температури.

    Не можна, наприклад, туго натягувати телеграфні дроти, а також дроти ліній електропередач (ЛЕП) між опорами. Влітку провисання дротів помітно більше, ніж узимку.

    Металеві паропроводи, а також труби водяного опалення доводиться постачати вигинами (компенсаторами) у вигляді петель (рис. 9.6).

    Внутрішня напруга може виникати при нерівномірному нагріванні однорідного тіла. Наприклад, скляна пляшка або склянка з товстого скла можуть луснути, якщо налити в них гарячої води. Насамперед відбувається нагрівання внутрішніх частин судини, що стикаються з гарячою водою. Вони розширюються і сильний тиск на зовнішні холодні частини. Тому може статися руйнація судини. Тонка склянка не лопається при наливанні в нього гарячої води, так як його внутрішня і зовнішня частини однаково швидко прогріваються.

    Дуже низький температурний коефіцієнт лінійного розширення має кварцове скло. Таке скло витримує, не тріскаючись, нерівномірне нагрівання чи охолодження. Наприклад, в розпечену до червоного колбочку з кварцового скла можна вливати холодну воду, тоді як колба зі звичайного скла при такому досвіді лопається.

    Різнорідні матеріали, що піддаються періодичному нагріванню та охолодженню, слід з'єднувати разом лише тоді, коли їх розміри при зміні температури змінюються однаково. Це особливо важливо при великих розмірахвиробів. Так, наприклад, залізо та бетон при нагріванні розширюються однаково. Саме тому широкого поширення набув залізобетон – затверділий бетонний розчин, залитий у сталеву решітку – арматуру (рис. 9.7). Якби залізо та бетон розширювалися по-різному, то в результаті добових та річних коливань температури залізобетонна споруда незабаром зруйнувалася б.

    Ще кілька прикладів. Металеві провідники, впаяні в скляні балони електроламп і радіоламп, роблять із сплаву (заліза та нікелю), що має такий же коефіцієнт розширення, як і скло, інакше при нагріванні металу скло тріснуло б. Емаль, якою покривають посуд, і метал, з якого цей посуд виготовляється, повинні мати однаковий коефіцієнт лінійного розширення. В іншому випадку емаль лопатиметься при нагріванні та охолодженні покритого нею посуду.

    Значні сили можуть розвиватися і рідиною, якщо нагрівати її в замкнутій посудині, що не дозволяє розширюватися рідини. Ці сили можуть призвести до руйнування судин, у яких міститься рідина. Тому з цією властивістю рідини теж доводиться зважати. Наприклад, системи труб водяного опалення завжди забезпечуються розширювальним баком, приєднаним до верхньої частини системи та сполученим з атмосферою. При нагріванні води в системі труб невелика частина води перетворюється на розширювальний бак, і цим виключається напружений стан води та труб. З цієї ж причини в силовому трансформаторі з масляним охолодженням зверху є розширювальний бак для олії. При підвищенні температури рівень олії в баку підвищується, при охолодженні олії - знижується.

    Подібно до температурного коефіцієнта лінійного розширення можна ввести та застосовувати температурний коефіцієнт об'ємного розширення, який є характеристикою зміни об'єму тіла при зміні його температури. Емпірично встановлено, що збільшення обсягу в цьому випадку можна вважати пропорційним зміні температури, якщо вона змінюється не дуже велику величину. Коефіцієнт об'ємного розширення може бути позначений по-різному, немає жодного позначення. Часто зустрічається позначення:

    ВИЗНАЧЕННЯ

    Позначимо об'єм тіла при початковій температурі (t) як V, об'єм тіла при кінцевій температурі , як , об'єм тіла при температурі , як , тоді коефіцієнт об'ємного розширеннявизначимо у вигляді формули:

    Тверді тіла та рідини збільшують свій об'єм зі збільшенням температури незначно, отже, так званий «нормальний об'єм» () при температурі несуттєво відрізняється від об'єму за іншої температури. Тому у виразі (1) замінюють на V, при цьому виходить:

    Слід зауважити, що для газів теплове розширення інше та заміна «нормального» обсягу на V можливе лише для малих інтервалів температур.

    Коефіцієнт об'ємного розширення та об'єм тіла

    Використовуючи коефіцієнт об'ємного розширення можна записати формулу, яка дозволяє розрахувати об'єм тіла, якщо відомі початковий об'єм та збільшення температури:

    де. Вираз () називають біномом об'ємного розширення.

    Теплове розширення твердого тіла пов'язують з ангармонічністю теплових коливань частинок, що становлять кристалічну решітку тіла. В результаті даних коливань зі збільшенням температури тіла збільшується рівноважна відстань між сусідніми частинками цього тіла.

    Коефіцієнт об'ємного розширення та щільність речовини

    Якщо при незмінній масі відбувається зміна об'єму тіла, це призводить до зміни щільності його речовини:

    де - Початкова щільність, - щільність речовини при новій температурі. Так як величина то вираз (4) іноді записують як:

    Формули (3)-(5) можна використовувати при нагріванні тіла та при його охолодженні.

    Зв'язок об'ємного та лінійного коефіцієнтів теплового розширення

    Одиниці виміру

    Основною одиницею вимірювання коефіцієнта температурного розширення у системі СІ є:

    Приклади розв'язання задач

    ПРИКЛАД 1

    Завдання Який тиск показує ртутний барометр, який знаходиться в кімнаті, якщо температура в приміщенні постійна і дорівнює t = 37 o С. Коефіцієнт об'ємного розширення ртуті дорівнює Розширення скла можна знехтувати.
    Рішення Фактичним обсягом ртуті в барометрі буде величина V, яку можна знайти відповідно до виразу:

    де - обсяг ртуті при нормальному атмосферному тиску та температурі.

    Так температура в кімнаті не змінюється, то можна використовувати закон Бойля - Маріотта і записати, що:

    Проїдемо обчислення:

    Відповідь Па

    ПРИКЛАД 2

    Завдання Яка різниця рівнів рідини в двох однакових трубках, що сполучаються, якщо ліва трубка має постійну температуру, а права title="(!LANG:Rendered by QuickLaTeX.com" height="18" width="66" style="vertical-align: -4px;">). Высота жидкости в левой трубке равна (рис.1). Коэффициент объемного расширения жидкости равен . Расширение стекла моно не учитывать.!}


    Останні матеріали розділу:

    Дати та події великої вітчизняної війни
    Дати та події великої вітчизняної війни

    О 4-й годині ранку 22 червня 1941 року війська фашистської Німеччини (5,5 млн осіб) перейшли кордони Радянського Союзу, німецькі літаки (5 тис) почали...

    Все, що ви повинні знати про радіацію Джерела радіації та одиниці її виміру
    Все, що ви повинні знати про радіацію Джерела радіації та одиниці її виміру

    5. Дози випромінювання та одиниці виміру Дія іонізуючих випромінювань є складним процесом. Ефект опромінення залежить від величини...

    Мізантропія, або Що робити, якщо я ненавиджу людей?
    Мізантропія, або Що робити, якщо я ненавиджу людей?

    Шкідливі поради: Як стати мізантропом і всіх радісно ненавидіти Ті, хто запевняє, що людей треба любити незалежно від обставин або...