При нагревании металлов жидкостей газов объем их

Обновлено: 17.05.2024

Глава 1. Первоначальные сведения о строении вещества
§ 7. Строение вещества

Ещё в глубокой древности, 2500 лет назад, некоторые учёные высказывали предположение о строении вещества. Греческий учёный Демокрит (460—370 до н. э.) считал, что все вещества состоят из мельчайших частичек. В научную теорию эта идея превратилась только в XVIII в. и получила дальнейшее развитие в XIX в. Возникновение представлений о строении вещества позволило не только объяснить многие явления, но и предсказать, как они будут протекать в тех или иных условиях. Появилась возможность влиять на прохождение явлений, объяснять свойства веществ, создавать новые вещества с заданными свойствами. Так появились вещества из пластмассы (пенопласт, плексиглас, стеклопласт, металлопласт и т. п.), синтетический каучук, который используют для изготовления шин для автомобилей, ластиков и др.

О том, что все тела состоят из мельчайших частиц, позволяют судить некоторые простые опыты.

Попытаемся сжать теннисный мячик. При этом объём воздуха, который заполняет мяч, уменьшится. Можно уменьшить и объём надувного шарика, и кусочка воска, если приложить некоторое усилие.

Объём тела изменяется также при его нагревании и охлаждении.

Проделаем опыт. Возьмём медный или латунный шарик, который в ненагретом состоянии проходит сквозь кольцо (рис. 18, а). Если шарик нагреть, то, расширившись, он уже сквозь кольцо не пройдёт (рис. 18, б). Через некоторое время шарик, остыв, уменьшится в объёме, а кольцо, нагревшись от шарика, расширится, и шарик вновь пройдёт сквозь кольцо.

С помощью опыта определим, как меняется объём жидкости при нагревании.

Колбу, наполненную доверху водой, плотно закроем пробкой. Сквозь пробку пропустим стеклянную трубочку. Вода частично заполнит трубку (рис. 19). Отметим уровень жидкости в трубке. Нагревая колбу, мы заметим, что через некоторое время уровень воды в трубке поднимется.

Следовательно, при нагревании объём тела увеличивается, а при охлаждении уменьшается.

Попытаемся объяснить, почему происходит изменение объёма тела.

По-видимому, все вещества состоят из отдельных частичек, между которыми имеются промежутки. Если частицы удаляются друг от друга, то объём тела увеличивается. И наоборот, когда частицы сближаются, объём тела уменьшается.

Тогда возникает вопрос: если все тела состоят из мельчайших частиц, почему они кажутся нам сплошными (например, железо, вода, стекло, дерево)?

Современная наука доказала, что частицы вещества так малы, что мы их не видим.

Для того чтобы убедиться в том, что частицы вещества малы, проделаем опыт.

В сосуде с водой растворим маленькую крупинку марганцовки. Через некоторое время вода в нём станет малиновой. Отольём немного окрашенной воды в другой сосуд и дольём в него чистую воду. Раствор во втором сосуде будет окрашен слабее, чем в первом. Потом из второго сосуда снова отольём раствор уже в третий сосуд и дольём его вновь чистой водой. В этом сосуде вода будет окрашена ещё слабее, чем во втором (рис. 20). Поскольку в воде растворили очень маленькую крупинку марганцовки и только часть её попала в третий сосуд, то можно предположить, что крупинка состояла из большого числа мельчайших частиц.

Этот опыт и многие другие подтверждают гипотезу о том, что вещества состоят из очень маленьких частиц.

При нагревании металлов, жидкостей, газов объём их A) увеличивается, потому что вещества являются непрерывными, сплошны

Вещество состоит из атомов химических элементов или из их химических соединений - молекул. И те, и другие имеют в своем составе электроны, которые обращаются вокруг ядра или вокруг нескольких ядер химического соединения (молекулы) . Размер атома или молекулы определяется диаметром орбиты внешних электронов. Атомы или молекулы вещества имеют свои индивидуальные размеры и химический состав. Размеры атомов (молекул) вещества зависят от температуры. Сделаем оговорку, что при объяснении состояний вещества речь идёт о средних вероятностных значениях характеристик микрочастиц связанных с температурой.
Тепловая энергия переносится фотонами инфракрасного диапазона. При нагревании вещества внешние электроны поглощают фотоны инфракрасного диапазона и перескакивают на соответствующую его энергии более дальнюю орбиту, увеличивая тем самым размер атомов (молекул) данного вещества. При остывании вещества внешние электроны излучают фотоны инфракрасного диапазона и перескакивают, соответственно, на внутреннюю орбиту, уменьшая размер атомов (молекул) данного вещества.
Тепловая энергия поступает от нагревателя. Нагревателем может быть пламя огня, нагретый предмет, нагретый газ, инфракрасная лампа, Солнце и многое другое. Во всех этих случаях нагреватель излучает фотоны инфракрасного диапазона. Однако нагрев объекта начинается с поверхности или части поверхности. Затем с нагретой поверхности электроны переизлучают фотоны внутрь вещества объекта. Многократное переизлучение фотонов инфракрасного диапазона внутри вещества объекта является теплопроводностью.
Изменение размеров атомов (молекул) в веществе является линейным или объёмным расширением. Для каждого вещества коэффициент линейного и объёмного расширения разный и зависит от химического элемента (точнее изотопа) или, если химическое соединение, то от его химического состава.
При дальнейшем нагревании вещества размеры атомов (молекул) увеличиваются настолько, что молекулярное взаимодействие ослабевает и твёрдое вещество переходит в жидкое состояние.
Таким образом, в результате нагревания твёрдых веществ:
- увеличиваются размеры атомов (молекул) , из которых состоит вещество;
- уменьшаются силы взаимодействия между атомами (молекулами) вещества;
- изменяются физические свойства вещества, в частности уменьшается прочность кристаллических веществ.
В жидкостях молекулярные силы ослаблены, по сравнению с твёрдыми веществами. Положение атомов (молекул) в жидкостях друг относительно друга изменяется. При нагревании жидкости также увеличиваются размеры атомов (молекул) , ослабляя молекулярное взаимодействие (вязкость) . Наиболее простым является газообразное состояние вещества. Газ можно представить себе в виде отдельных летающих по всем направлениям молекул. Согласно закону Авогадро при давлении 1атм. и температуре 20 градусов Цельсия, атомы и молекулы одного грамм-моля газа стараются заполнить объём 22,4 л. Это соответствует десятикратному расстоянию между молекулами, в сравнении с их размерами. При столкновении они ведут себя как упругие шарики. Среднее расстояние между молекулами газа при нормальном атмосферном давлении более чем в 10 раз превосходит диаметр самих молекул. На таких расстояниях молекулярное взаимодействие себя не проявляет.

7 класс

Зависимость размеров тел от температуры в физике - определение с примерами

Если вы наблюдательны, то, наверное, обратили внимание на та кие факты. Электрические провода летом провисают намного силы нее, чем зимой, т. е. летом они длиннее. Если набрать полную бутылку холодной воды и поставить в теплое место, то со временем часть воды из бутылки выльется, так как во время нагревания вода расширяется. Воздушный шарик, вынесенный из комнаты на мороз, уменьшается в объеме.

Тепловое расширение твердых тел, жидкостей и газов

Несложные опыты и многочисленные наблюдения убеждают нас в том, что, как правило, твердые тела, жидкости и газы во время нагревания расширяются, а во время охлаждения сжимаются.

Тепловое расширение жидкостей и газов легко наблюдать с помощью колбы, шейка которой плотно закупорена, а в пробку вставлена стеклянная трубка. Перевернем колбу, заполненную воздухом, в сосуд с водой. Теперь достаточно взяться за колбу рукой, и в скором времени воздух, расширяясь в колбе, будет выходить в виде пузырьков из трубки под водой (рис. 2.30).

Теперь наполним колбу какой-нибудь подкрашенной жидкостью и закупорим так, чтобы часть жидкости вошла в трубку (рис. 2.31, а). Обозначим уровень жидкости в трубке и опустим колбу в сосуд с горячей водой. В первый момент уровень жидкости немного снизится (рис. 2.31, б), и это можно объяснить тем, что сначала нагревается

и расширяется колба, а уже потом, нагреваясь, расширяется вода. В скором времени мы убедимся, что по мере нагревания колбы и воды в ней уровень жидкости в трубке заметно повысится (рис. 2.31, в). Итак, твердые тела и жидкости, как и газы, во время нагревания расширяются. Исследовательским путем выяснено, что твердые тела и жидкости во время нагревания расширяются намного меньше, чем газы.

Тепловое расширение твердых тел можно продемонстрировать также на следующем опыте. Возьмем медный шарик, который в ненагретом состоянии легко проходит сквозь пригнанное к нему кольцо. Нагреем шарик в пламени спиртовки и убедимся в том, что шарик теперь не будет проходить сквозь кольцо (рис. 2.32, а). После охлаждения шарик снова легко пройдет сквозь кольцо (рис. 2.32, б).

Причина теплового расширения

В чем же причина увеличения объема тел во время нагревания, ведь количество молекул с увеличением температуры не изменяется?

Атомно-молекулярная теория объясняет тепловое расширение тел тем, что с увеличением температуры увеличивается скорость движения атомов и молекул. В результате увеличивается

среднее расстояние между атомами (молекулами). Соответственно, увеличивается объем тела. И наоборот, чем ниже температура вещества, тем меньше межмолекулярные промежутки. Исключением является вода, чугун и некоторые другие вещества. Вода, например, расширяется только при температуре выше 4 °С; при температуре от О °С до 4 °С объем воды во время нагревания уменьшается.

Тепловое расширение твердых тел

Выясним, как изменяются линейные размеры твердого тела вследствие изменения температуры. Для этого измерим длину алюминиевой трубки, потом нагреем трубку, пропуская сквозь нее горячую воду. Спустя некоторое время можно заметить, что длина трубки незначительно увеличилась.

Заменив алюминиевую трубку стеклянной такой же длины, мы убедимся, что в случае одинакового увеличения температуры длина стеклянной трубки увеличивается намного меньше, чем длина алюминиевой. Таким образом, делаем вывод: тепловое расширение тела зависит от вещества, из которого оно изготовлено.

Физическая величина, характеризующая тепловое расширение материала и численно равная отношению изменения длины тела вследствие его нагревания на 1 °С и его начальной длины, называется температурным коэффициентом линейного расширения.

Температурный коэффициент линейного расширения обозначается символом а и вычисляется по формуле:

где —изменение температуры тела; ; l — длина тела при температуре t.

Из определения температурного коэффициента линейного расширения можно получить единицу этой физической величины:

Ниже в таблице приведены температурные коэффициенты линейного расширения некоторых веществ.
Тепературные коэффициенты линейного расширения некоторых веществ

Тепловое расширение в природе и технике

Способность тел расширяться во время нагревания и сжиматься во время охлаждения играет очень важную роль в природе. Поверхность Земли прогревается неравномерно. В результате воздух вблизи Земли также расширяется неравномерно, и образуется ветер, предопределяющий изменение погоды. Неравномерное прогревание воды в морях и океанах приводит к возникновению течений, которые существенно влияют на климат. Резкие колебания температуры р горных районах вызывают расширение и сжатие горных пород. А поскольку степень расширения зависит от вида породы, то расширения и сжатия происходят неравномерно, и в результате образуются трещины, которые приводят к разрушению этих пород.

Тепловое расширение приходится принимать во внимание при строительстве мостов и линий электропередач, прокладывании труб отопления, укладке железнодорожных рельсов, изготовлении железобетонных конструкций и во многих других случаях.

Явление теплового расширения широко используется в технике и быту. Так, для автоматического замыкания и размыкания электрических цепей используют биметаллические пластинки — они состоят из двух полос с разным коэффициентом линейного расширения (рис. 2.33). Тепловое расширение воздуха помогает равномерно прогреть квартиру, охладить продукты в холодильнике, проветрить комнату.

Рис. 2.33. Для изготовления автоматических предохранителей (о), для автоматического включения и выключения нагревательных приборов (б) широко используются биметаллические пластинки (в). Один из металлов при увеличении температуры расширяется намного больше, чем другой, в результате этого пластинка изгибается (г) и электрическая цепь размыкается (или замыкается).

Пример решения задачи

Длина стального железнодорожного рельса при температуре 0°С равна 8 На сколько увеличится его длина в знойный летний день при температуре 40 °С? Анализ условия задачи. Зная, как изменяется длина стальной детали вследствие нагревания на 1 °С, т. е. зная температурный коэффициент линейного расширения стали, мы найдем, на сколько изменится длина рельса вследствие нагревания на 40 °С. Температурный коэффициент линейного расширения стали найдем по таблице, приведенной выше.
Дано:

Поиск математической модели

По определению температурного коэффициента линейного расширения:

Решение и анализ результатов

Из формулы для определения температурного коэффициента линейного расширения найдем удлинение рельса:

Поскольку Проверим единицу искомой величины:

Найдем числовое значение:

таким образом,

Проанализируем результат: увеличение длины рельса вполне реально.

Ответ: длина рельса увеличилась на 3,92 мм.

Итоги:

Твердые тела, жидкости и газы во время нагревания, как правило, расширяются. Причина теплового расширения в том, что с увеличением температуры увеличивается скорость движения атомов и молекул. В результате увеличивается среднее расстояние между атомами (молекулами). Тепловое расширение твердых веществ характеризуется коэффициентом линейного расширения. Коэффициент линейного расширения численно равен отношению изменения длины тела вследствие нагревания его на 1 °С и его начальной длины

Строение вещества:

1. Изучая этот раздел, вы еще раз вспомнили, что все физические тела состоят из веществ, познакомились с некоторыми физическими величинами, характеризующими тело и вещество.

2.Вы вспомнили основные положения атомно-молекулярной теории строения вещества.

3.Вы выяснили, чем и почему отличаются физические свойства веществ в разных агрегатных состояниях.

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Читайте также: