6.Теплове розширення твердих і рідких тіл

6.1.Графік залежності потенціальної енергії взаємодії найпростіших молекул від відстані між ними (потенціальна яма)

У рідинах і твердих тілах при збільшенні температури збільшується амплітуда коливального руху молекул біля положення, що відповідає мінімуму потенціальної енер-

rа й збільшення­ середньої від-

де l0 — довжина тіла при температурі 0 °С; l — довжина тіла при температурі t;

— коефіцієнт лінійного розширення; α = К−1 .

α

σводи ≈2 10−4 К−1 ; σефіру ≈16 10−4 К−1 .

Об’ємне розширення:

V = V0 (1+βt) ,

де V0 — об’єм тіла при температурі 0 °С; V — об’єм тіла при температурі t;

β— коефіцієнт об’ємного розширення; β = К−1 .

182

6. Теплове розширення твердих і рідких тіл

Зв’язок між коефіцієнтами об’ємного і лінійного розширення для твердих тіл:

βт. т ≈3α .

Щоб визначити коефіцієнт об’ємного розширення рідини (βрід ) , що міститься в скляній колбі, треба до експериментально визначеного коефіцієнта (βK ) додати коефіцієнт об’ємного розширення скла (3αск ):

βрід =βK +3αск ,

де βK = ∆VK ; ∆VK — уявна зміна об’єму.

V0t

6.3. Особливості теплового розширення води

—Вода при нагріванні від 0 до 4°С зменшується в об’ємі (її густина максимальна при 4 °С). Подальше нагрівання води спричиняє збільшення її об’єму.

—Густина води зменшується при замерзанні, внаслідок чого лід плаває на її поверхні. Ці особливості пояснюються тим, що в твердому стані кристалічна структура

має менш щільну упаковку, ніж у рідкому. А максимум густини упаковки молекул води буде при 4 °С.

Особливість теплового розширення води має важливе значення для збереження живих організмів у водоймах узимку. Охолоджувані повітрям верхні шари води опускаються вниз, а теплі піднімаються вгору. Таке змішування

води відбувається доти, поки температура води не опуститься до 4 °С. При подальшому охолодженні верхні шари не опускаються, і при 0 °С зверху утворюється лід, який плаває на поверхні й оберігає водойму від повного промерзання.

6.4. Приклади розв’язання задач

Задача 1.

Якої величини силу треба докласти до мідного дроту перерізом 10 мм2, щоб розтягнути його на стільки, на скільки він подовжується при нагріванні на 20 К?

183

Молекулярна фізика

Розв’язання:

При нагріванні дроту відбувається подовження його на

∆l =l2 −l1. l1 =l0 (1+αt1 ),

де l0 — довжина дроту при 0 °С;

{ F} =1,7 10−5 20 10−5 1,2 1011 ≈410.

Відповідь: F ≈410 Н.

Задача 2.

Чому при нагріванні та охолодженні залізобетонних конструкцій залізо в них не відділяється від бетону?

Аналіз і розв’язання:

Тому що їхні коефіцієнти лінійного розширення майже

однакові.

Тепловим рухом називається хаотичний рух атомів і молекул.

184

Основи

термодинаміки

Термодинаміка — розділ фізики, який вивчає загальні властивості макроскопічних систем, що перебувають у стані термодинамічної рівноваги. Термодинаміка вивчає найбільш загальні закономірності перетворення енергії, але не розглядає молекулярної будови речовини.

Будь-яка система, що складається з великої кількості частинок — атомів, молекул, іонів та електронів, які здій-

снюють хаотичний тепловий рух і при взаємодії між собою обмінюються енергією, називається термодинамічною си­ стемою. Такими системами є гази, рідини й тверді тіла (їх

ще називають макроскопічними тілами).

Стан термодинамічної системи зумовлюється температурою, об’ємом, зовнішнім тиском та іншими термодинамічними параметрами.

1. Внутрішня енергія і її зміна при теплопередачі

Внутрішня енергія макроскопічного тіла дорівнює сумі кінетичних енергій безладного руху всіх молекул (або

185