Использовании теплового расширения в технике. Применение различного расширение тел в быту. Характеризуем тепловое расширение твердых тел

Т.И.РАДЧЕНКО (сош № 26, г. Владикавказ),
И.В.СИЛАЕВ (Северо-Осетинский госуниверситет)
[email protected] ,
г. Владикавказ, Респ. Северная Осетия (Алания)

Тепловое расширение твёрдых тел

Изменится ли диаметр отверстия в круглой пластинке при её нагревании?

(Вопрос предложен газетой «Физика» в № 11/06.)

Примеры из техники

Диаметр отверстия при нагревании увеличивается. Это находит применение в технике. Например, в двигателях автомобилей ВАЗ-1111, «Таврия» ЗАЗ-1102 и др. каждый поршень соединяют с верхней головкой своего шатуна шарнирно, с помощью поршневого пальца (стальной трубки), который вставляется в соответствующие отверстия поршня и шатуна. При этом палец фиксируют в верхней головке шатуна путём горячей посадки, нагревая верхнюю часть шатуна. При остывании диаметр отверстия в головке уменьшается, и палец оказывается плотно зажатым, что исключает его продольные перемещения и образование задиров на стенках цилиндров, когда поршни совершают возвратно-поступательное движение .

Аналогично крепится предварительно нагретое зажимное кольцо на полуосях, связывающих дифференциал с ведущими колёсами, например, на автомобилях «Волга» и «Жигули». (Дифференциал – устройство, позволяющее ведущим колёсам автомобиля вращаться с разной частотой, например, на повороте, когда внутреннее колесо, ближнее к центру поворота, идёт по окружности меньшего радиуса, чем внешнее.) Наружный конец полуоси (с колесом автомобиля) установлен на шариковом подшипнике, наружное кольцо которого плотно зажато. Полуось вращается вместе с внутренним кольцом подшипника. Чтобы полуось не вышла из подшипника из-за продольных смещений, её удерживают зажимным кольцом . Это кольцо, будучи надетым на полуось, вращается вместе с ней. Оно закрыто кожухом полуоси и через пружинное кольцо упирается в закреплённый подшипник, что не даёт возможности полуоси с колесом отдаляться от продольной оси автомобиля.

Примеры можно было бы продолжить...

Физика теплового расширения

Рассмотрим теперь вопрос с точки зрения физики. Представим, что отверстие образовано восемью атомами или молекулами (дальше мы будем говорить о частицах ). Частицы твёрдого тела главным образом колеблются около своих положений равновесия и перескакивают на другие места достаточно редко – время их «оседлой» жизни составляет даже вблизи точки плавления 0,1–0,001 с, а при более низких температурах – уже часы и сутки (вспомним и о скорости диффузии в твёрдых телах) . Таким образом, количество частиц, обрамляющих отверстие, будет оставаться неизменным до тех пор, пока не начнётся переход в жидкую фазу. При повышении температуры размах колебаний каждой частицы увеличится, она станет занимать больше места в пространстве, следовательно, диаметр отверстия увеличится. Сближаться частицы не могут, т.к. при этом они начнут «перекрываться».

Чтобы привести научные объяснения, придётся вспомнить график зависимости силы взаимодействия F частиц от расстояния r между этими частицами . Он получается в результате сложения ординат соответствующих точек верхней кривой II, описывающей силу отталкивания, и нижней I, описывающей силу притяжения. Результирующая кривая III имеет достаточно сложную форму, т.к. сила отталкивания обратно пропорциональна тринадцатой степени расстояния, а сила притяжения – седьмой. Сходным образом выглядит кривая IV, показывающая зависимость от расстояния потенциальной энергии E p . В положении равновесия r 0 кривая III проходит через нуль (результирующая приложенных сил равна нулю), а кривая IV – через минимум (потенциальная яма). Это положение устойчивого равновесия, и при уменьшении расстояния между частицами будет производиться работа против сил отталкивания, что приведёт к уменьшению кинетической энергии частицы до нуля, так что «удара» одной частицы о другую, подобно удару бильярдных шаров, не произойдёт .

В целом же тепловое движение частиц рассматривается как их колебания возле центров, находящих друг от друга на равновесном расстоянии, которое различно для разных веществ. Свободный объём в жидкостях составляет примерно 29% всего объёма, а в твёрдых телах до 26% . «Молекулы (атомы) твёрдых тел расположены так плотно, что их электронные оболочки соприкасаются, а иногда перекрывают друг друга». Так что, видимо, правильнее говорить о положении не самих молекул, а их центров.

Посмотрим ещё раз на кривую IV. Глубина потенциальной ямы определяет энергию связи молекул. Обратим внимание, что кривая не симметрична относительно своего минимума. «По этой причине только очень малые колебания частиц около положения равновесия будут иметь гармонический характер. С ростом амплитуды колебаний (что происходит при повышении температуры) всё сильнее будет проявляться ангармоничность (т.е. отклонение колебаний от гармонических). Это приводит к возрастанию средних расстояний между частицами и, следовательно, к увеличению объёма» . «При более низкой температуре молекула совершает колебания около точки А в пределах отрезка А 1 А 2 . Среднее расстояние между взаимодействующими молекулами (вторую молекулу мы мысленно поместили в начало координат) есть r 0 . При повышении температуры энергия колебаний повышается; теперь молекула колеблется в пределах отрезка В 1 В 2 . Положению равновесия соответствует середина отрезка В 1 В 2 , т.е. точка В » . Таким образом, хотя амплитуды колебаний невелики, благодаря ангармонизму отдельные колебания не независимы, а связаны друг с другом . Поэтому r 0 (расстояние, на котором сумма сил притяжения и отталкивания двух молекул равна нулю) при повышении температуры начинает увеличиваться.

Учёт теплопроводности и теплового расширения твёрдых тел для двигателя внутреннего сгорания автомобиля

С тепловым расширением в технике приходится всё время считаться. Если взять упомянутые поршни в автомобильных двигателях, то уже здесь будет сразу несколько вариантов. Так, например, головка поршня (его верхняя часть) имеет несколько меньший диаметр, чем юбка (нижняя часть), т.к. головка непосредственно контактирует с нагретыми газами. Она сильнее нагревается и больше расширяется. При этом инженерам надо соблюдать два взаимоисключающих требования. С одной стороны, необходимо обеспечить хорошее уплотнение поршня с цилиндром, а с другой, избежать заклинивания поршня при нагревании. С этой целью по окружности головки делают канавки, в которые ставят специальные кольца: компрессионные и маслосъёмное.

Компрессионные кольца имеют разрезы, называемые замками , которые позволяют уплотнять зазор без заклинивания поршня. Заеданию препятствует и специальная форма юбки поршня – в виде эллипса, большая ось которого перпендикулярна оси поршневого пальца и лежит в плоскости действия боковых сил. В результате устраняется и стук при холодном двигателе, и заедание юбки при нагреве: эллипс становится окружностью, и поршень продолжает свободно перемещаться внутри цилиндра.

Предотвратить заклинивание можно также, сделав в юбке компенсационные разрезы: косые, Т-образные, П-образные, благодаря которым расширение металла при нагревании не приводит к увеличению диаметра поршня. Уменьшить нагревание верхнего поршневого компрессионного кольца можно за счёт канавки, проточенной в поршне, или огневого пояска, препятствующего поступлению дополнительного количества теплоты от верхней части головки поршня, разогретой находящимися в цилиндре горячими газами.

Для лучшего отвода тепла от поршней и цилиндров как сами поршни, так и головка цилиндров изготавливаются из алюминиевого сплава, обладающего хорошей теплопроводностью. Есть двигатели, где весь блок цилиндров отлит из алюминиевого сплава. Кроме того, предусмотрена специальная система охлаждения (воздушная или жидкостная). Например, так называемая рубашка охлаждения жидкостной системы обеспечивает отвод тепла и от цилиндров, и от камер сгорания.

Литература

1. Плеханов И.П. Автомобиль. – М.: Просвещение, 1984.

2. Шестопалов К.С. , Демиховский С.Ф. Легковые автомобили. – М.: ДОСААФ, 1989.

3. Подгорнова И.И . Молекулярная физика в средней школе. – М.: Просвещение, 1970.

4. Бергер Н.М . Изучение тепловых явлений в курсе физики средней школы. – М.: Просвещение, 1981.

5. Шамаш С.Я. Методика преподавания физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1975.

6. Блудов М.И. Беседы по физике. – М.: Просвещение, 1992.

7. Савельев А.В. Курс общей физики: Т. 1. – М.: Наука, 1970.

8. Физический энциклопедический словарь: Под ред. Прохорова А.М. – М.: Советская энциклопедия, 1984.

Термическим расширением называется изменение размеров и объёма тела под воздействием температуры.

При изменении температуры изменяются размеры твёрдых тел. Расширение под воздействием температуры характеризуется коэффициентом линейного термического расширения .

Изменение линейных размеров тела описывается формулой: l = l 0 (1 + α ⋅ Δ T) , где

l - длина тела;

l 0 - первоначальная длина тела;

α - коэффициент линейного термического расширения;

Δ T - разница температур.

Коэффициент линейного термического расширения показывает, на какую часть первоначальной длины или ширины изменится размер тела, если его температура повысится на 1 градус.

Пример:

\(10\) км железнодорожного пути при увеличении температуры воздуха на \(9\) градусов (например, от \(-5\) до \(+4\)), удлиняются на 10 000 ⋅ 0,000012 ⋅ 9 = 1 , 08 метр. По этой причине между участками рельсов оставляют промежутки.

Термическое расширение надо учитывать и в трубопроводах, там используют компенсаторы - изогнутые трубы, которые при изменении температуры воздуха при необходимости могут сгибаться. На рисунке видно, что произойдёт, если не будет компенсатора.

Инженерам, проектирующим мосты, оборудование, здания, которые подвержены изменениям температуры, необходимо знать, какие материалы можно соединять, чтобы не образовались трещины.

Электрикам, которые протягивают линии электропередачи, необходимо знать, каким изменениям температуры будут подвержены провода. Если летом провода натянуты, то зимой они оборвутся.

При термическом расширении металлов используют автоматические выключатели тепловых приборов. Этот выключатель состоит из двух плотно соединённых пластин различных металлов (с различными термическими коэффициентами). Биметаллические пластины под воздействием температуры сгибаются или выпрямляются, замыкая или размыкая электрическую цепь.

С изменением линейных размеров изменяется также и объём тела. Изменение объёма тела описывается формулой, похожей на формулу линейного расширения, только вместо коэффициента линейного термического расширения используется коэффициент объёмного термического расширения .

Изменение объёма тела под воздействием температуры описывается формулой: V = V 0 (1 + β ⋅ Δ T) , где

V - объём тела;

V 0 - первоначальный объём тела;

β - коэффициент объёмного термического расширения;

Δ T - разница температур.

Коэффициент объёмного термического расширения показывает, на какую часть первоначального объёма изменится объём тела после повышения температуры на 1 градус.

Из предыдущих параграфов нам известно, что все вещества состоят из частиц (атомов, молекул). Эти частицы непрерывно хаотически движутся. При нагревании вещества движение его частиц становится более быстрым. При этом увеличиваются расстояния между частицами, что приводит к увеличению размеров тела.

Изменение размеров тела при его нагревании называется тепловым расширением .

Тепловое расширение твердых тел легко подтвердить опытом. Стальной шарик (рис. 87, а, б, в), свободно проходящий через кольцо, после нагревания на спиртовке расширяется и застревает в кольце. После охлаждения шарик вновь свободно проходит через кольцо. Из опыта следует, что размеры твердого тела при нагревании увеличиваются, а при охлаждении - уменьшаются.

Рис. 87

Тепловое расширение различных твердых тел неодинаково .

При тепловом расширении твердых тел появляются огромные силы, которые могут разрушать мосты, изгибать железнодорожные рельсы, разрывать провода. Чтобы этого не случилось, при конструировании того или иного сооружения учитывается фактор теплового расширения. Провода линий электропередачи провисают (рис. 88), чтобы зимой, сокращаясь, они не разорвались.

Рис. 88

Рис. 89

Рельсы на стыках имеют зазор (рис. 89). Несущие детали мостов ставят на катки, способные передвигаться при изменениях длины моста зимой и летом (рис. 90).

Рис. 90

А расширяются ли при нагревании жидкости? Тепловое расширение жидкостей тоже можно подтвердить на опыте. В одинаковые колбы нальем: в одну - воду, а в другую - такой же объем спирта. Колбы закроем пробками с трубками. Начальные уровни воды и спирта в трубках отметим резиновыми кольцами (рис. 91, а). Поставим колбы в емкость с горячей водой. Уровень воды в трубках станет выше (рис. 91, б). Вода и спирт при нагревании расширяются. Но уровень в трубке колбы со спиртом выше. Значит, спирт расширяется больше. Следовательно, тепловое расширение разных жидкостей , как и твердых веществ, неодинаково .

Рис. 91

А испытывают ли тепловое расширение газы? Ответим на вопpoс с помощью опыта. Закроем колбу с воздухом пробкой с изогнутой трубкой. В трубке (рис. 92, а) находится капля жидкости. Достаточно приблизить руки к колбе, как капля начинает перемещаться вправо (рис. 92, б). Это подтверждает тепловое расширение воздуха при его даже незначительном нагревании. Причем, что очень важно, все газы, в отличие от твердых веществ и жидкостей, при нагревании расширяются одинаково .

Рис. 92

Подумайте и ответьте 1. Что называют тепловым расширением тел? 2. Приведите примеры теплового расширения (сжатия) твердых тел, жидкостей, газов. 3. Чем отличается тепловое расширение газов от теплового расширения твердых тел и жидкостей?

Сделайте дома сами

Используя пластиковую бутылку и тонкую трубку для сока, проведите дома опыт по тепловому расширению воздуха и воды. Результаты опыта опишите в тетради.

Интересно знать!

Нельзя после горячего чая сразу пить холодную воду. Резкое изменение температуры часто приводит к порче зубов. Это объясняется тем, что основное вещество зуба - дентин - и покрывающая зуб эмаль при одном и том же изменении температуры расширяются неодинаково.

Рис. 9.5
Тепловое расширение тел нужно учитывать при конструировании многих сооружений. Необходимо принимать меры для того, чтобы тела могли свободно расширяться или сжи-маться при изменении температуры.
Нельзя, например, туго натягивать телеграфные провода, а также провода линий электропередачи (ЛЭП) между опорами. Летом провисание проводов заметно больше, чем зимой.
Металлические паропроводы, а также трубы водяного отопления приходится снабжать изгибами (компенсаторами) в виде петель (рис. 9.6).
Внутренние напряжения могут воз- ^^
никать при неравномерном нагревании яГ Л
однородного тела. Например, стеклян- Я Я
ная бутылка или стакан из толстого стекла могут лопнуть, если налить в них горячей воды. В первую очередь проис- Рис. 9.6 1. ходит нагрев внутренних частей сосуда, соприкасающихся с горячей водой. Они расширяются и оказывают сильное давле-ние на внешние холодные части. Поэтому может произойти разрушение сосуда. Тонкий же стакан не лопается при нали-вании в него горячей воды, так как его внутренняя и внешняя части одинаково быстро прогреваются.
Очень малый температурный коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло. Такое стекло выдерживает, не трескаясь, неравномерное нагревание или охлаждение. Например, в раскаленную докрасна колбочку из кварцевого стекла можно вливать холодную воду, тогда как колба из обычного стекла при таком опыте лопается.
Разнородные материалы, подвергающиеся периодическому нагреванию и охлаждению, следует соединять вместе только тогда, когда их размеры при изменении температуры меняются одинаково. Это особенно важно при больших размерах изделий. Так, например, железо и бетон при нагревании расширяются одинаково. Именно поэтому широкое распространение получил железобетон - затвердевший бетонный раствор, залитый в стальную решетку - арматуру (рис. 9.7). Если бы железо и бетон расширялись по-разному, то в результате суточных и годовых колебаний температуры железобетонное сооружение вскоре бы разрушилось.
Еще несколько примеров. Металлические проводники, впаянные в стеклянные баллоны электроламп и радиоламп, делают из сплава (железа и никеля), имеющего такой же коэффициент расширения, как и стекло, иначе при нагревании металла стекло треснуло бы. Эмаль, которой покрывают посуду, и металл, из которого эта посуда изготовляется, должны иметь одинаковый коэффициент линейного расширения. В противном случае эмаль будет лопаться при нагревании и охлаждении покрытой ею посуды.
Значительные силы могут развиваться и жидкостью, если нагревать ее в замкнутом сосуде, не позволяющем жидкости

расширяться. Эти силы могут привести к разрушению сосу-дов, в которых содержится жидкость. Поэтому с этим свойством жидкости тоже приходится считаться. Например, системы труб водяного отопления всегда снабжаются расширительным баком, присоединенным к верхней части системы и сообщающимся с атмосферой. При нагревании воды в системе труб небольшая часть воды переходит в расширительный бак, и этим исключается напряженное состояние воды и труб. По этой же причине в силовом трансформаторе с масляным ох-лаждением наверху имеется расширительный бак для масла. При повышении температуры уровень масла в баке повышает-ся, при охлаждении масла - понижается.
Использование теплового расширения в технике

Рис. 9.8
Терморегулятор
На рисунке 9.10 схематически изображено устройство одного из типов регуляторов температуры. Биметаллическая дуга 1 при изменении температуры изменяет свою кривизну. К ее свободному концу прикреплена металлическая пластинка 2, которая при раскручивании дуги прикасается к контакту 3, а при закручивании отходит от него. Если, например, контакт 3 и пластинка 2 присоединены к концам 4, 5 электрической цепи, содержащей нагревательный прибор, то при соприкос-
Тепловое расширение тел находит широкое применение в технике. Приведем лишь несколько примеров. Две разнород-ные пластинки (например, железная и медная), сваренные вместе, образуют так называемую биметаллическую пластинку (рис. 9.8). При нагревании такие пластинки изгибаются вследствие того, что одна расширяется сильнее другой. Та из полосок (медная), которая расширяется больше, оказывается всегда с выпуклой стороны (рис. 9.9). Это свойство биметалли-ческих пластинок широко используется для измерения темпе-ратуры и ее регулирования.

новении контакта и пластинки электрическая цепь замкнется: прибор начнет нагревать помещение. Биметаллическая дуга 1 при нагревании начнет закручиваться и при определенной температуре отсоединит пластинку 2 от контакта 3: цепь разорвется, нагревание прекратится. При охлаждении дуга 1, раскручиваясь, снова заставит включиться нагревательный прибор. Таким образом, температура помещения будет поддерживаться на данном уровне. Подобный терморегулятор устанавливают в инкубаторах, где требуется поддерживать температуру постоянной. В быту терморегуляторы установлены в холодильниках, электроутюгах и т. д. Обод (бандаж) колеса железнодорожного вагона изготавливают из стали, остальную часть колеса делают из более дешевого металла - чугуна. Бандажи на колеса надевают в нагретом состоянии. После охлаждения они сжимаются и поэтому держатся прочно.
Также в нагретом состоянии надевают шкивы, подшипники на валы, железные обручи на деревянные бочки и т. д. Свойст-во жидкостей расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении используется в приборах, служащих для измере-ния температуры - термометрах. В качестве жидкостей для изготовления термометров применяют ртуть, спирт и др.
При расширении или сжатии тел возникают огромные механические напряжения, если другие тела препятствуют изменению размеров. В технике используются биметаллические пластинки, изменяющие свою форму при нагревании.

Экзамен по физике за 8 класс.

2. Тепловое движение.

Все тела состоят из молекул, которые находятся в непрерывном движении. Нам уже известно что, диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Это означает что скорость движения молекул и температура связаны между собой. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, при понижении уменьшается. Следовательно, температура тела зависит от скорости движения молекул. Явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел называются тепловыми. Например, охлаждение воздуха, таяние льда. Каждая молекула в теле движется по очень сложной траектории. Так, например частицы газа движутся на больших скоростях в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда.

Беспорядочное движение частиц, из которых состоит тело, называется тепловым движением .

Расширение твердых тел.

При нагревании амплитуда колебания молекул увеличивается, расстояние между ними возрастает, и тело заполняет больший объем. Твердые тела при нагревании расширяются во всех направлениях.

Расширение жидкостей.

Жидкости расширяются значительно сильнее твердых тел. Они также расширяются во всех направлениях. Вследствие большой подвижности молекул жидкость принимает форму сосуда, в котором находится.

Учет и использование теплового расширения в технике.

В быту и технике тепловое расширение имеет очень большое значение. На электрических железных дорогах необходимо зимой и летом сохранять постоянное натяжение провода, питающего энергией электровозы. Для этого натяжение провода создается тросом, один конец которого соединен с проводом, а другой перекинут через блок и к нему подвешен груз.

При сооружении моста один конец фермы кладется на катки. Если этого не сделать, то при расширении летом и сжатии зимой ферма будет расшатывать устои, на которые опирается мост.

При изготовлении ламп накаливания часть провода проходящего внутри стекла необходимо делать из такого материала, коэффициент расширения которого такой же как у стекла иначе оно может треснуть.

Приведенные выше примеры далеко не исчерпывают роль и различные применения теплового расширения в быту и технике.

Термометры.

Термометры всегда показывают собственную температуру. Только через определенное время эта температура становится равной температуре окружающей среды. Иначе говоря, термометрам свойственна определенная инерционность.

Жидкостные термометры.

Длина столбика жидкости ртути, спирта, толуола, пентана и других служит мерой температуры. Интервал измерения ограничен температурами кипения и замерзания жидкости в термометре.

Металлические термометры.

Металлический термометр представляет собой биметаллическую пластину, т. е пластинку, сваренную из полосок двух различных металлов. Вследствие разницы в тепловых расширениях металлов пластинка при нагревании будет изгибаться. Из длинной пластинки сгибают спираль. Наружный конец спирали закрепляют, а к внутреннему прикрепляют стрелку, которая указывает по шкале определённую температуру

Термометры сопротивления.

Сопротивление металлов меняется с температурой. Сила тока в цепи зависит от сопротивления проводника, а следовательно и от его температуры. Преимущество термометра сопротивления состоит в том, что измерительный прибор и место, где измеряется температура могут быть разнесены на приличное расстояние.

Особенности теплового расширения воды.

Коэффициент объемного расширения слабо зависит от температуры. Вода является исключением и коэффициент расширения воды сильно зависит от температуры, а в интервале от 0 до 4 градусов С принимает отрицательное значение. Другими словами объём воды уменьшается от 0 до 4 градусов С, а затем возрастает.

Значение теплового расширения в природе.

Тепловое расширение воздуха играет большую роль в явлениях природы. Тепловое расширение воздуха создает движение воздушных масс в вертикальном направлении (нагретый, менее плотный воздух поднимается вверх, холодный и менее плотный вниз). Неравномерный нагрев воздуха в разных частях земли приводит к возникновению ветра. Неравномерный разогрев воды создает течения в океанах.

При нагревании и охлаждении горных пород вследствие суточных и годовых колебаний температуры (если состав породы неоднороден) образуются трещины, что способствует разрушению пород.