§ 48. Нагрівання. Розширення / стиснення і збереження маси під час процесів нагрівання й охолодження
Поміркуйте
Чому літають повітряні кулі, наповнені теплим повітрям?
Для чого залізничні рейки укладають так, щоб між ними були проміжки?
Пригадайте
Теплове розширення газів
Дослід (разом із дорослими)
На скляну пляшку надінемо гумову кульку, поставимо пляшку в тарілку та наллємо в тарілку теплу воду. Повітря в пляшці нагріється, розшириться й надує кульку. Ми спостерігаємо теплове розширення газу (повітря).
Гумова кулька не дозволяє повітрю як виходити назовні, так і потрапляти в пляшку. Тобто під час теплового розширення маса газу залишається сталою.
Оскільки під час нагрівання об’єм газу збільшується, а маса залишається тією самою, густина газу зменшується. Так гаряче й менш густе повітря піднімає вгору полум’я багаття, свічки, газового пальника. Ще говорять, що тепле повітря легше за холодне. Саме тому піднімаються вгору повітряні кулі, наповнені теплим повітрям.
Завдання 1
Теплове розширення рідин
Із тепловим розширенням рідин ми стикаємося в рідинних термометрах.
Що відбуватиметься з рідною всередині стовпчика термометра у разі зміни температури? Відповіді на звороті карток!
Зі зниженням температури об’єм рідини в термометрі зменшується — стовпчик рухається вниз
Із підвищенням температури рідина розширюється — стовпчик піднімається
Якщо налити у пластикову пляшку теплої, заздалегідь прокип’яченої води, ретельно закоркувати пляшку, а потім її охолодити в холодильнику або на вулиці, то можна побачити, як стиснулися стінки пляшки.
Це відбувається через те, що під час охолодження об’єм води зменшується і пляшка стискається.
Завдання 2
Теплове розширення твердих тіл
Для спостереження теплового розширення твердих тіл у шкільному кабінеті фізики використовують досить простий прилад — металеві кульку й кільце. Отвір кільця підібрано так, що холодна кулька впритул проходить крізь кільце.
Якщо кульку нагріти на спиртівці й знову спробувати пронести крізь кільце, то вона застрягне. Це доводить, що кулька збільшилася.
Після охолодження кулька стискається і знов проходить крізь отвір.
Теплове розширення в природі
Теплове розширення та стиснення трапляються у природі.
Повітря біля поверхні Землі нагрівається, розширюється і рухається вгору (у вертикальному напрямку), а на його місце в горизонтальному напрямку рухаються більш холодні повітряні маси. Так виникають вітри.
Через нагрівання й охолодження гірських порід, яке відбувається внаслідок добових і річних змін температури, вони розширюються й стискаються. Так утворюються тріщини, що згодом призводить до руйнування порід.
Завдання 3
Теплове розширення в техніці та будівництві
Теплове розширення тіл ураховують під час конструювання всіх установок, приладів і машин, які працюють в умовах змінних температур.
Теплове розширення в побуті
Теплове розширення металів використовують у побутових термометрах. Під час нагрівання або охолодження термометра металева стрічка розширюється або стискається, а за ступенем її вигину виміряють температуру.
Такі термометри зручно використовувати на кухні для вимірювання температури в духовці під час приготування страв.
Дізнайтеся більше
Найпоширеніша на поверхні Землі речовина — вода — має особливість, що відрізняє її від більшості інших рідин. Вона розширюється за нагрівання лише понад 4 °C. У діапазоні температур від 0 до 4 °C об’єм води за нагрівання... зменшується! Отже, найбільшу густину вода має за 4 °C.
Узимку під шаром льоду більш тепла вода опускається на дно водойм, а холодна залишається з температурою близько 0 °С — на поверхні. Це не дає промерзати водоймам й забезпечує життя водних мешканців узимку.
Підсумуємо
Завдання 4
Завдання 5
Завдання 6
Ключова ідея
За нагрівання переважна більшість речовин розширюються, а за охолодження — стискаються. Теплове розширення газів зумовлює те, що тепле повітря підіймається вгору. Теплове розширення рідин використовують у рідинних термометрах. Теплове розширення твердих речовин потрібно враховувати у техніці, під час будівництва тощо.
Запитання для повторення й засвоєння
1. Що відбувається з тілами під час нагрівання?
2. Чому густина газів, зокрема повітря, під час нагрівання зменшується?
3. Де використовують теплове розширення рідин?
4. Як властивість води мати найбільшу густину за 4 °C впливає на життя мешканців водойм?
5. Чому під час конструювання об’єктів, що працюють в умовах змінних температур, потрібно враховувати теплове розширення або стиснення речовин?
6*. Стоматологи не рекомендують їсти дуже гарячу їжу. Як ви вважаєте, чому?