Die Nutzung der Wärmeausdehnung in der Technik. Die Verwendung verschiedener Dehnkörper im Alltag. Wir charakterisieren die thermische Ausdehnung von Festkörpern

T.I.RADCHENKO(Schule № 26, Wladikawkas),
I. V. SILAEV(Nordossetische Staatliche Universität)
[E-Mail geschützt] ,
Wladikawkas, Rep. Nordossetien (Alanien)

Thermische Ausdehnung von Festkörpern

Ändert sich der Durchmesser des Lochs in der runden Platte, wenn sie erhitzt wird?

(Die Frage wurde von der Zeitung "Physik" in Nr. 11/06 vorgeschlagen.)

Engineering-Beispiele

Der Durchmesser des Lochs vergrößert sich beim Erhitzen. Es findet Anwendung in der Technik. Beispielsweise ist bei den Motoren der Autos VAZ-1111, Tavria ZAZ-1102 usw. jeder Kolben mit einem Kolbenbolzen (Stahlrohr), der in die entsprechenden Löcher eingeführt wird, schwenkbar mit dem oberen Kopf seiner Pleuelstange verbunden von Kolben und Pleuel. In diesem Fall wird der Stift im oberen Kopf der Pleuelstange durch eine Heißpassung fixiert, wodurch der obere Teil der Pleuelstange erwärmt wird. Beim Abkühlen nimmt der Durchmesser des Lochs im Kopf ab und der Stift wird fest eingespannt, wodurch seine Längsbewegung und die Bildung von Riefen an den Zylinderwänden beim Hin- und Herbewegen der Kolben vermieden werden.

In ähnlicher Weise wird ein vorgewärmter Klemmring an den Achswellen befestigt, die das Differential mit den Antriebsrädern verbinden, beispielsweise bei Wolga- und Zhiguli-Fahrzeugen. (Ein Differential ist eine Vorrichtung, die es den Antriebsrädern eines Autos ermöglicht, sich mit unterschiedlichen Frequenzen zu drehen, z. B. bei Kurvenfahrten, wenn das innere Rad, das dem Mittelpunkt der Kurve am nächsten liegt, einen Kreis mit einem kleineren Radius als das äußere fährt. ) Das äußere Ende der Achswelle (mit dem Autorad) ist auf einem Kugellager gelagert, dessen Außenring fest eingespannt ist. Die Achswelle dreht sich zusammen mit dem Innenring des Lagers. Damit die Achswelle bei Längsverschiebungen nicht aus dem Lager kommt, wird sie mit einem Klemmring gehalten. Dieser auf die Achswelle aufgesetzte Ring dreht sich mit. Es wird durch das Achswellengehäuse verschlossen und liegt über den Federring am Festlager an, wodurch verhindert wird, dass sich die Achswelle mit dem Rad von der Längsachse des Autos entfernt.

Beispiele ließen sich fortsetzen...

Physik der thermischen Ausdehnung

Betrachten wir die Frage nun aus physikalischer Sicht. Stellen Sie sich vor, dass das Loch aus acht Atomen oder Molekülen besteht (weiter werden wir darüber sprechen Partikel). Teilchen eines Festkörpers schwingen hauptsächlich um ihre Gleichgewichtslagen und springen ziemlich selten an andere Orte - die Zeit ihres "eingeschwungenen" Lebens beträgt sogar in der Nähe des Schmelzpunktes 0,1–0,001 s und bei niedrigeren Temperaturen bereits Stunden und Tage (Erinnerung über Diffusionsgeschwindigkeiten in Festkörpern). Somit bleibt die Anzahl der das Loch umrahmenden Teilchen unverändert, bis der Übergang in die flüssige Phase beginnt. Mit steigender Temperatur nimmt der Schwingungsbereich jedes Teilchens zu, es nimmt mehr Platz im Raum ein, daher nimmt der Durchmesser des Lochs zu. Teilchen können sich nicht nähern, weil Gleichzeitig beginnen sie sich zu "überlappen".

Um wissenschaftliche Erklärungen zu geben, muss man sich den Graphen der Abhängigkeit der Wechselwirkungsstärke merken F Teilchen aus der Ferne R zwischen diesen Partikeln. Sie ergibt sich aus der Addition der Ordinaten der entsprechenden Punkte der oberen Kurve II, die die Abstoßungskraft beschreibt, und der unteren Kurve I, die die Anziehungskraft beschreibt. Die resultierende Kurve III hat eine ziemlich komplexe Form, da die abstoßende Kraft ist umgekehrt proportional zur dreizehnten Potenz der Entfernung, und die anziehende Kraft ist die siebte. Kurve IV sieht ähnlich aus und zeigt die Abstandsabhängigkeit der potentiellen Energie Ep. In einer Position des Gleichgewichts R 0, Kurve III geht durch Null (die Resultierende der angelegten Kräfte ist Null), und Kurve IV geht durch ein Minimum (Potentialmulde). Dies ist eine Position des stabilen Gleichgewichts, und wenn der Abstand zwischen den Teilchen abnimmt, wird Arbeit gegen die Abstoßungskräfte geleistet, was zu einer Verringerung der kinetischen Energie des Teilchens auf Null führt, so dass der „Aufprall“ eins wird Teilchen auf ein anderes, wie der Aufprall von Billardkugeln, wird nicht auftreten.

Im Großen und Ganzen wird die thermische Bewegung von Partikeln als ihre Schwingungen in der Nähe von Zentren betrachtet, die sich in einem Gleichgewichtsabstand voneinander befinden, der für verschiedene Substanzen unterschiedlich ist. Das freie Volumen beträgt bei Flüssigkeiten etwa 29 % des Gesamtvolumens, bei Feststoffen bis zu 26 %. „Die Moleküle (Atome) von Festkörpern sind so dicht gepackt, dass sich ihre Elektronenhüllen berühren und teilweise überlappen.“ Offensichtlich ist es also richtiger, nicht von der Position der Moleküle selbst, sondern von ihren Zentren zu sprechen.

Schauen wir uns noch einmal Kurve IV an. Die Tiefe des Potentialtopfs bestimmt die Bindungsenergie von Molekülen. Beachten Sie, dass die Kurve nicht symmetrisch um ihr Minimum ist. „Aus diesem Grund haben nur sehr kleine Schwingungen von Teilchen um die Gleichgewichtslage einen harmonischen Charakter. Mit zunehmender Amplitude der Schwingungen (die mit steigender Temperatur auftritt) wird die Anharmonizität (d. h. die Abweichung der Schwingungen von den harmonischen) immer ausgeprägter. Dies führt zu einer Vergrößerung der mittleren Partikelabstände und damit zu einer Volumenvergrößerung. „Bei einer niedrigeren Temperatur schwingt das Molekül um den Punkt herum EIN innerhalb des Segments EIN 1 EIN 2. Der durchschnittliche Abstand zwischen den interagierenden Molekülen (wir haben das zweite Molekül gedanklich am Koordinatenursprung platziert) beträgt R 0 . Mit steigender Temperatur nimmt die Schwingungsenergie zu; jetzt schwingt das Molekül innerhalb des Segments v 1 v 2. Die Gleichgewichtslage entspricht der Segmentmitte v 1 v 2, d.h. Punkt v» . Obwohl also die Amplituden der Schwingungen klein sind, sind die einzelnen Schwingungen aufgrund der Anharmonizität nicht unabhängig, sondern stehen in Beziehung zueinander. So R 0 (der Abstand, bei dem die Summe der Anziehungs- und Abstoßungskräfte zweier Moleküle gleich Null ist) beginnt mit steigender Temperatur zuzunehmen.

Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung von Feststoffen für einen Verbrennungsmotor eines Autos

Mit Wärmeausdehnung in der Technik muss ständig gerechnet werden. Nehmen wir die erwähnten Kolben rein Automobilmotoren, dann gibt es mehrere Optionen auf einmal. So hat zum Beispiel der Kolbenkopf (sein Oberteil) einen etwas kleineren Durchmesser als der Schaft (Unterteil), weil. Der Kopf steht in direktem Kontakt mit erhitzten Gasen. Es erwärmt sich mehr und dehnt sich mehr aus. In diesem Fall müssen Ingenieure zwei sich gegenseitig ausschließende Anforderungen erfüllen. Einerseits ist auf eine gute Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder zu achten und andererseits ein Verklemmen des Kolbens bei Erwärmung zu vermeiden. Zu diesem Zweck werden am Umfang des Kopfes Rillen angebracht, in die spezielle Ringe eingelegt werden: Kompressions- und Ölabstreifer.

Kompressionsringe haben Einschnitte genannt Schlösser, die es ermöglichen, den Spalt abzudichten, ohne den Kolben zu klemmen. Ein Verklemmen wird auch durch die besondere Form des Kolbenschafts verhindert – in Form einer Ellipse, deren große Achse senkrecht zur Achse des Kolbenbolzens steht und in der Wirkungsebene der Seitenkräfte liegt. Dadurch wird sowohl das Klopfen bei kaltem Motor als auch das Festsitzen der Schürze bei Erwärmung eliminiert: Die Ellipse wird zu einem Kreis, und der Kolben bewegt sich weiterhin frei im Zylinder.

Ein Verklemmen kann auch durch Ausgleichsschnitte im Schaft verhindert werden: schräg, T-förmig, U-förmig, wodurch die Ausdehnung des Metalls bei Erwärmung nicht zu einer Vergrößerung des Kolbendurchmessers führt. Es ist möglich, die Erwärmung des oberen Kolbenkompressionsrings durch eine in den Kolben eingearbeitete Nut oder einen Feuergürtel zu reduzieren, der zusätzliche Wärme aus dem oberen Teil des Kolbenbodens verhindert, der durch die heißen Gase im Zylinder erhitzt wird.

Zur besseren Wärmeableitung von Kolben und Zylindern bestehen sowohl die Kolben selbst als auch der Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Es gibt Motoren, bei denen der gesamte Zylinderblock aus einer Aluminiumlegierung gegossen ist. Zusätzlich ist ein spezielles Kühlsystem (Luft oder Flüssigkeit) vorgesehen. Zum Beispiel die sog Kühlmantel Das Fluidsystem führt Wärme sowohl aus den Zylindern als auch aus den Brennkammern ab.

Literatur

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2. Shestopalov K.S.,Demikhovsky S.F. Autos. – M.: DOSAAF, 1989.

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5. Shamash S. Ya. Methoden des Physikunterrichts in der Oberstufe. - M.: Bildung, 1975.

6. Bludov M.I. Gespräche über Physik. – M.: Aufklärung, 1992.

7. Saveliev A.V. Kurs Allgemeine Physik: T. 1. - M.: Nauka, 1970.

8. Physikalisches Enzyklopädisches Wörterbuch: Ed. Prochorowa A.M. - M.: Sowjetische Enzyklopädie, 1984.

Wärmeausdehnung ist eine Änderung der Größe und des Volumens eines Körpers unter Temperatureinfluss.

Wenn sich die Temperatur ändert, ändern sich die Abmessungen von Festkörpern. Die Ausdehnung unter Temperatureinfluss ist dadurch gekennzeichnet Koeffizient der linearen Wärmeausdehnung.

Die Änderung der linearen Abmessungen des Körpers wird durch die Formel beschrieben: l \u003d l 0 (1 + α ⋅ Δ T) , wobei

l - Körperlänge;

l 0 - anfängliche Körperlänge;

α - linearer Wärmeausdehnungskoeffizient;

ΔT ist die Temperaturdifferenz.

Der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient gibt an, um welchen Teil der ursprünglichen Länge oder Breite sich die Größe des Körpers ändert, wenn seine Temperatur um 1 Grad ansteigt.

Beispiel:

\(10\) km Eisenbahngleise mit einem Anstieg der Lufttemperatur um \(9\) Grad (z. B. von \(-5\) auf \(+4\)), um 10.000 ⋅ 0,000012 ⋅ 9 \u003d 1,08 Meter verlängern. Aus diesem Grund werden Lücken zwischen den Schienenabschnitten gelassen.

Auch bei Rohrleitungen, wo sie zum Einsatz kommen, muss die Wärmeausdehnung berücksichtigt werden Kompensatoren- gebogene Rohre, die bei Bedarf gebogen werden können, wenn sich die Lufttemperatur ändert. Die Abbildung zeigt, was passiert, wenn kein Kompensator vorhanden ist.

Ingenieure, die Brücken, Ausrüstungen und Gebäude entwerfen, die Temperaturänderungen ausgesetzt sind, müssen wissen, welche Materialien verbunden werden können, damit sich keine Risse bilden.

Elektriker, die Stromleitungen installieren, müssen sich der Temperaturänderungen bewusst sein, denen die Kabel ausgesetzt sind. Wenn die Drähte im Sommer gedehnt werden, brechen sie im Winter.

Bei der thermischen Ausdehnung von Metallen werden automatische Schalter von thermischen Geräten verwendet. Dieser Schalter besteht aus zwei fest verbundenen Platten aus unterschiedlichen Metallen (mit unterschiedlichen thermischen Koeffizienten). Bimetallplatten Unter dem Einfluss von Temperatur biegen oder richten sie sich, schließen oder öffnen einen elektrischen Stromkreis.

Mit einer Änderung der Längenmaße ändert sich auch das Volumen des Körpers. Die Änderung des Körpervolumens wird durch eine Formel ähnlich der linearen Ausdehnungsformel beschrieben, jedoch anstelle des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, volumetrischer WärmekoeffizientErweiterungen.

Die Änderung des Körpervolumens unter Temperatureinfluss wird durch die Formel beschrieben: V = V 0 (1 β ⋅ Δ T), wobei

V ist das Volumen des Körpers;

V 0 - das Anfangsvolumen des Körpers;

β - Volumenwärmeausdehnungskoeffizient;

ΔT ist die Temperaturdifferenz.

Der volumetrische Wärmeausdehnungskoeffizient gibt an, um welchen Teil des Anfangsvolumens sich das Volumen des Körpers ändert, nachdem die Temperatur um 1 Grad angestiegen ist.

Aus den vorangegangenen Abschnitten wissen wir, dass alle Substanzen aus Teilchen (Atome, Moleküle) bestehen. Diese Partikel bewegen sich ständig zufällig. Wenn eine Substanz erhitzt wird, wird die Bewegung ihrer Teilchen schneller. Dabei vergrößern sich die Abstände zwischen den Partikeln, was zu einer Vergrößerung des Körpers führt.

Als Wärmeausdehnung bezeichnet man die Größenänderung eines Körpers bei Erwärmung..

Die thermische Ausdehnung von Festkörpern lässt sich leicht experimentell bestätigen. Eine Stahlkugel (Abb. 87, a, b, c), die frei durch den Ring geht, dehnt sich nach dem Erhitzen mit einer Spirituslampe aus und bleibt im Ring stecken. Nach dem Abkühlen läuft die Kugel wieder frei durch den Ring. Erfahrungsgemäß nehmen die Abmessungen eines Festkörpers bei Erwärmung zu und bei Abkühlung ab.

Reis. 87

Die Wärmeausdehnung verschiedener Festkörper ist nicht gleich.

Bei der thermischen Ausdehnung von Festkörpern treten enorme Kräfte auf, die Brücken zerstören, Eisenbahnschienen verbiegen und Drähte brechen können. Um dies zu verhindern, wird beim Entwurf einer Struktur der Faktor der thermischen Ausdehnung berücksichtigt. Die Drähte der Stromleitungen hängen durch (Abb. 88), damit sie im Winter beim Kürzen nicht brechen.

Reis. 88

Reis. 89

Die Schienen an den Stoßstellen haben einen Spalt (Abb. 89). Tragteile von Brücken werden auf Rollen gelegt, die sich bewegen können, wenn sich die Länge der Brücke im Winter und Sommer ändert (Abb. 90).

Reis. 90

Dehnen sich Flüssigkeiten bei Erwärmung aus? Die thermische Ausdehnung von Flüssigkeiten kann auch experimentell bestätigt werden. Gießen Sie in identische Kolben: in einem - Wasser und in dem anderen - das gleiche Volumen Alkohol. Wir verschließen die Kolben mit Stopfen mit Röhrchen. Wir markieren die anfänglichen Wasser- und Alkoholwerte in den Röhrchen mit Gummiringen (Abb. 91, a). Wir stellen die Flaschen in einen Behälter mit heißem Wasser. Der Wasserstand in den Rohren wird höher (Abb. 91, b). Wasser und Alkohol dehnen sich beim Erhitzen aus. Aber der Stand im Rohr des Kolbens mit Alkohol ist höher. Der Alkohol dehnt sich also stärker aus. Somit, Wärmeausdehnung verschiedener Flüssigkeiten, wie Feststoffe, ungleichmäßig.

Reis. 91

Erleiden Gase Wärmeausdehnung? Wir werden die Frage mit Hilfe von Erfahrung beantworten. Wir verschließen den Kolben mit Luft mit einem Korken mit einem gebogenen Rohr. In der Röhre (Abb. 92, a) befindet sich ein Flüssigkeitstropfen. Es reicht aus, die Hände näher an den Kolben zu bringen, wenn sich der Tropfen nach rechts zu bewegen beginnt (Abb. 92, b). Dies bestätigt die Wärmeausdehnung von Luft, wenn sie auch nur leicht erwärmt wird. Außerdem, was sehr wichtig ist, alle Gase, im Gegensatz zu Feststoffen und Flüssigkeiten, wenn sie erhitzt werden gleichmäßig erweitern.

Reis. 92

Denke und antworte 1. Wie nennt man die Wärmeausdehnung von Körpern? 2. Nennen Sie Beispiele für die Wärmeausdehnung (Kompression) von Festkörpern, Flüssigkeiten, Gasen. 3. Wie unterscheidet sich die Wärmeausdehnung von Gasen von der Wärmeausdehnung von Feststoffen und Flüssigkeiten?

Mach es selbst zu Hause

Verwenden Sie eine Plastikflasche und ein dünnes Saftröhrchen, um die Wärmeausdehnung von Luft und Wasser zu Hause zu testen. Beschreiben Sie die Ergebnisse des Experiments in einem Notizbuch.

Interessant zu wissen!

Trinken Sie nach heißem Tee nicht sofort kaltes Wasser. Ein plötzlicher Temperaturwechsel führt oft zu Karies. Dies liegt daran, dass sich die Hauptsubstanz des Zahns – Dentin – und der Zahnschmelz, der den Zahn umgibt, bei gleicher Temperaturänderung unterschiedlich ausdehnen.

Reis. 9.5
Die Wärmeausdehnung von Körpern muss bei der Konstruktion vieler Strukturen berücksichtigt werden. Es müssen Maßnahmen ergriffen werden, damit sich die Körper bei einer Temperaturänderung frei ausdehnen oder zusammenziehen können.
Es ist beispielsweise unmöglich, Telegrafendrähte sowie Drähte von Stromleitungen (Stromleitungen) fest zwischen Stützen zu ziehen. Im Sommer ist der Kabeldurchhang deutlich größer als im Winter.
Metallische Dampfleitungen sowie Wasserheizungsrohre müssen mit Bögen (Kompensatoren) in Form von Schleifen versehen werden (Abb. 9.6).
Eigenspannungen können ^^
Kerben mit ungleichmäßiger Erwärmung yG L
homogener Körper. Zum Beispiel Glas - I I
Eine Flasche oder ein Glas aus dickem Glas kann platzen, wenn heißes Wasser hineingegossen wird. Zunächst einmal die 9.6 1. Erwärmung der Innenteile des Behälters in Kontakt mit heißem Wasser. Sie dehnen sich aus und üben viel Druck auf die äußeren kalten Teile aus. Daher kann es zur Zerstörung des Gefäßes kommen. Ein dünnes Glas platzt nicht, wenn heißes Wasser hineingegossen wird, da sich sein innerer und äußerer Teil gleich schnell erwärmen.
Quarzglas hat einen sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten der linearen Ausdehnung. Solches Glas widersteht ohne Rissbildung einer ungleichmäßigen Erwärmung oder Abkühlung. So kann beispielsweise kaltes Wasser in einen glühenden Quarzglaskolben gegossen werden, während ein gewöhnlicher Glaskolben während eines solchen Experiments platzt.
Ungleiche Materialien, die regelmäßiger Erwärmung und Abkühlung ausgesetzt sind, sollten nur dann miteinander verbunden werden, wenn sich ihre Abmessungen bei Temperaturänderungen in gleicher Weise ändern. Dies ist besonders wichtig für große Produktgrößen. So dehnen sich beispielsweise Eisen und Beton bei Erwärmung in gleicher Weise aus. Aus diesem Grund hat sich Stahlbeton durchgesetzt - eine ausgehärtete Betonlösung, die in ein Stahlgitter gegossen wird - Bewehrung (Abb. 9.7). Würden sich Eisen und Beton unterschiedlich ausdehnen, würde die Stahlbetonkonstruktion aufgrund der täglichen und jährlichen Temperaturschwankungen bald zusammenbrechen.
Noch ein paar Beispiele. Metallleiter, die in Glaskolben von elektrischen Lampen und Radiolampen eingelötet sind, bestehen aus einer Legierung (Eisen und Nickel), die den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie Glas hat, da sonst das Glas beim Erhitzen des Metalls brechen würde. Das Email, mit dem das Geschirr beschichtet ist, und das Metall, aus dem dieses Geschirr besteht, müssen den gleichen linearen Ausdehnungskoeffizienten haben. Andernfalls platzt die Emaille beim Erhitzen und Abkühlen des damit bedeckten Geschirrs.
Erhebliche Kräfte können auch von einer Flüssigkeit entwickelt werden, wenn sie in einem geschlossenen Gefäß erhitzt wird, das die Flüssigkeit nicht zulässt

erweitern. Diese Kräfte können zur Zerstörung von Flüssigkeitsbehältern führen. Daher muss auch diese Eigenschaft der Flüssigkeit berücksichtigt werden. Zum Beispiel sind Wasserheizungs-Rohrsysteme immer mit einem Ausdehnungsgefäß ausgestattet, das oben am System angebracht und in die Atmosphäre entlüftet wird. Wenn Wasser im Rohrsystem erhitzt wird, gelangt ein kleiner Teil des Wassers in das Ausdehnungsgefäß, wodurch der belastete Zustand von Wasser und Rohren beseitigt wird. Aus dem gleichen Grund hat ein ölgekühlter Leistungstransformator oben einen Ölausgleichsbehälter. Bei steigender Temperatur steigt der Ölstand im Tank, bei Abkühlung des Öls sinkt er.
Die Nutzung der Wärmeausdehnung in der Technik

Reis. 9.8
Thermostat
Abbildung 9.10 zeigt schematisch das Gerät einer der Arten von Temperaturreglern. Der Bimetallbogen 1 ändert bei Temperaturänderung seine Krümmung. An seinem freien Ende ist eine Metallplatte 2 befestigt, die beim Abwickeln des Lichtbogens den Kontakt 3 berührt und sich beim Verdrehen von ihm entfernt. Wenn beispielsweise der Kontakt 3 und die Platte 2 mit den Enden 4, 5 eines Stromkreises verbunden sind, der eine Heizvorrichtung enthält, dann, wenn sie sich berühren
Die Wärmeausdehnung von Körpern ist in der Technik weit verbreitet. Hier sind nur einige Beispiele. Zwei ungleiche Platten (z. B. Eisen und Kupfer), miteinander verschweißt, bilden die sogenannte Bimetallplatte (Abb. 9.8). Beim Erhitzen biegen sich solche Platten aufgrund der Tatsache, dass sich eine stärker ausdehnt als die andere. Die der Streifen (Kupfer), die sich stärker ausdehnt, fällt immer auf der konvexen Seite aus (Abb. 9.9). Diese Eigenschaft von Bimetallplatten wird vielfach zur Temperaturmessung und -regelung genutzt.

Wenn der Kontakt und die Platte berührt werden, wird der Stromkreis geschlossen: Das Gerät beginnt, den Raum zu heizen. Der Bimetallbogen 1 beginnt sich beim Erhitzen zu verdrehen und trennt bei einer bestimmten Temperatur die Platte 2 vom Kontakt 3: Der Stromkreis wird unterbrochen, die Erwärmung stoppt. Nach dem Abkühlen zwingt der Lichtbogen 1, der sich aufdreht, die Heizung erneut zum Einschalten. Somit wird die Raumtemperatur auf diesem Niveau gehalten. Ein ähnlicher Thermostat wird in Inkubatoren installiert, wo es erforderlich ist, eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten. Im Alltag werden Thermostate in Kühlschränken, Bügeleisen usw. eingebaut. Die Felge (Bandage) der Räder eines Eisenbahnwagens besteht aus Stahl, der Rest des Rades besteht aus billigerem Metall - Gusseisen. Reifen werden in erwärmtem Zustand auf die Räder aufgezogen. Nach dem Abkühlen schrumpfen sie und halten dadurch fest.
Außerdem werden im erhitzten Zustand Riemenscheiben, Lager an Wellen, Eisenreifen an Holzfässern usw. angebracht Die Eigenschaft von Flüssigkeiten, sich bei Erwärmung auszudehnen und bei Abkühlung zusammenzuziehen, wird in Geräten zur Temperaturmessung - Thermometern - genutzt. Quecksilber, Alkohol usw. werden als Flüssigkeiten zur Herstellung von Thermometern verwendet.
Wenn sich Körper ausdehnen oder zusammenziehen, entstehen enorme mechanische Spannungen, wenn andere Körper die Größenänderung verhindern. Die Technik verwendet Bimetallplatten, die ihre Form ändern, wenn sie erhitzt werden.

Klausur in Physik Klasse 8.

2. Thermische Bewegung.

Alle Körper bestehen aus Molekülen, die in ständiger Bewegung sind. Wir wissen bereits, dass die Diffusion bei einer höheren Temperatur schneller ist. Das bedeutet, dass die Bewegungsgeschwindigkeit von Molekülen und die Temperatur zusammenhängen. Wenn die Temperatur steigt, nimmt die Bewegungsgeschwindigkeit der Moleküle zu, wenn sie abnimmt, nimmt sie ab. Daher hängt die Körpertemperatur von der Bewegungsgeschwindigkeit der Moleküle ab. Die mit der Erwärmung und Abkühlung von Körpern verbundenen Phänomene werden als thermisch bezeichnet. Zum Beispiel Luftkühlung, Eisschmelze. Jedes Molekül im Körper bewegt sich auf einer sehr komplexen Bahn. So bewegen sich beispielsweise Gasteilchen mit hoher Geschwindigkeit in verschiedene Richtungen, kollidieren miteinander und mit den Gefäßwänden.

Die zufällige Bewegung der Teilchen, aus denen ein Körper besteht, wird als thermische Bewegung.

Expansion von Feststoffen.

Beim Erhitzen nimmt die Schwingungsamplitude der Moleküle zu, der Abstand zwischen ihnen nimmt zu und der Körper füllt ein größeres Volumen aus. Feststoffe dehnen sich bei Erwärmung in alle Richtungen aus.

Ausdehnung von Flüssigkeiten.

Flüssigkeiten dehnen sich viel stärker aus als Feststoffe. Sie dehnen sich auch in alle Richtungen aus. Aufgrund der hohen Beweglichkeit der Moleküle nimmt die Flüssigkeit die Form des Gefäßes an, in dem sie sich befindet.

Berücksichtigung und Nutzung der Wärmeausdehnung in der Technik.

Im Alltag und in der Technik ist die Wärmeausdehnung sehr wichtig. Auf elektr Eisenbahnen Es ist notwendig, eine konstante Spannung im Draht aufrechtzuerhalten, der elektrische Lokomotiven im Winter und Sommer mit Energie versorgt. Dazu wird die Spannung des Drahtes durch ein Kabel erzeugt, dessen eines Ende mit dem Draht verbunden ist, und das andere über den Block geworfen und eine Last daran aufgehängt wird.

Während des Baus der Brücke wird ein Ende des Fachwerks auf die Rollen gelegt. Geschieht dies nicht, lockert der Hof beim Erweitern im Sommer und Zusammenziehen im Winter die Fundamente, auf denen die Brücke ruht.

Bei der Herstellung von Glühlampen muss ein Teil des im Inneren des Glases verlaufenden Drahtes aus einem Material bestehen, dessen Ausdehnungskoeffizient dem von Glas entspricht, da es sonst zu Rissen kommen kann.

Die obigen Beispiele erschöpfen die Rolle und die vielfältigen Anwendungen der Wärmedehnung in Alltag und Technik noch lange nicht.

Thermometer.

Thermometer zeigen immer ihre eigene Temperatur an. Erst nach einer gewissen Zeit gleicht sich diese Temperatur der Umgebungstemperatur an. Mit anderen Worten, Thermometer zeichnen sich durch eine gewisse Trägheit aus.

Flüssigkeitsthermometer.

Als Maß für die Temperatur dient die Länge einer Flüssigkeitssäule aus Quecksilber, Alkohol, Toluol, Pentan und anderen. Das Messintervall wird durch die Siede- und Gefriertemperatur der Flüssigkeit im Thermometer begrenzt.

Metallthermometer.

Ein Metallthermometer ist eine Bimetallplatte, dh eine Platte, die aus Streifen zweier verschiedener Metalle geschweißt ist. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Metallen verbiegt sich die Platte beim Erhitzen. Aus einer langen Platte wird eine Spirale gebogen. Das äußere Ende der Spirale ist fixiert, und am inneren Ende ist ein Pfeil angebracht, der eine bestimmte Temperatur auf der Skala anzeigt

Widerstandsthermometer.

Der Widerstand von Metallen ändert sich mit der Temperatur. Die Stärke des Stroms im Stromkreis hängt vom Widerstand des Leiters und damit von seiner Temperatur ab. Der Vorteil eines Widerstandsthermometers besteht darin, dass das Messgerät und der Ort, an dem die Temperatur gemessen wird, in einem angemessenen Abstand voneinander getrennt werden können.

Merkmale der thermischen Ausdehnung von Wasser.

Der Volumenausdehnungskoeffizient hängt schwach von der Temperatur ab. Wasser ist eine Ausnahme und der Ausdehnungskoeffizient von Wasser ist stark temperaturabhängig und nimmt im Bereich von 0 bis 4 Grad C einen negativen Wert an. Mit anderen Worten, das Wasservolumen nimmt von 0 bis 4 Grad C ab und steigt dann an.

Der Wert der Wärmeausdehnung in der Natur.

Die Wärmeausdehnung der Luft spielt bei Naturphänomenen eine wichtige Rolle. Die Wärmeausdehnung der Luft erzeugt eine Bewegung von Luftmassen in vertikaler Richtung (erwärmte, weniger dichte Luft steigt auf, kalte, weniger dichte Luft sinkt). Eine ungleichmäßige Erwärmung der Luft in verschiedenen Teilen der Erde führt zum Auftreten von Wind. Die ungleichmäßige Erwärmung des Wassers erzeugt Strömungen in den Ozeanen.

Beim Heizen und Kühlen Felsen Aufgrund täglicher und jährlicher Temperaturschwankungen (bei heterogener Zusammensetzung des Gesteins) bilden sich Risse, die zur Zerstörung von Gesteinen beitragen.