Використання теплового розширення у техніці. Застосування різного розширення тіл у побуті. Характеризуємо теплове розширення твердих тіл

Т.І.РАДЧЕНКА(ЗОШ № 26, м. Владикавказ),
І.В.СІЛАЄВ(Північно-Осетинський держуніверситет)
[email protected] ,
м. Владикавказ, Респ. Північна Осетія Аланія)

Теплове розширення твердих тіл

Чи зміниться діаметр отвору в круглій пластинці під час її нагрівання?

(Питання запропоноване газетою «Фізика» у № 11/06.)

Приклади з техніки

Діаметр отвору під час нагрівання збільшується. Це знаходить застосування у техніці. Наприклад, у двигунах автомобілів ВАЗ-1111, «Таврія» ЗАЗ-1102 та ін. кожен поршень з'єднують з верхньою головкою свого шатуна шарнірно, за допомогою поршневого пальця (сталевої трубки), який вставляється у відповідні отвори поршня та шатуна. При цьому палець фіксують у верхній головці шатуна шляхом гарячої посадки, нагріваючи верхню частину шатуна. При охолодженні діаметр отвору в голівці зменшується, і палець виявляється щільно затиснутим, що виключає його поздовжні переміщення та утворення задирів на стінках циліндрів, коли поршні здійснюють зворотно-поступальний рух.

Аналогічно кріпиться попередньо нагріте затискне кільце на півосях, що зв'язують диференціал з провідними колесами, наприклад, на автомобілях "Волга" та "Жигулі". (Диференціал – пристрій, що дозволяє провідним колесам автомобіля обертатися з різною частотою, наприклад, на повороті, коли внутрішнє колесо, ближче до центру повороту, йде по колу меншого радіусу, ніж зовнішнє.) Зовнішній кінець півосі (з колесом автомобіля) встановлений на кульковому підшипнику , зовнішнє кільце якого щільно затиснуто. Піввісь обертається разом із внутрішнім кільцем підшипника. Щоб піввісь не вийшла з підшипника через поздовжні зсуви, її утримують затискним кільцем. Це кільце, будучи одягненим на піввісь, обертається разом із нею. Воно закрите кожухом півосі і через пружинне кільце упирається в закріплений підшипник, що не дає можливості півосі з колесом віддалятися від поздовжньої осі автомобіля.

Приклади можна було б продовжити...

Фізика теплового розширення

Розглянемо тепер питання щодо фізики. Уявімо, що отвір утворено вісьмома атомами або молекулами (далі ми говоритимемо про частках). Частинки твердого тіла головним чином коливаються біля своїх положень рівноваги і перескакують на інші місця досить рідко – час їхнього «осілого» життя становить навіть поблизу точки плавлення 0,1–0,001 с, а за нижчих температур – вже години та доба (згадаймо і про швидкості дифузії у твердих тілах). Таким чином, кількість частинок, що обрамляють отвір, залишатиметься незмінним доти, доки не почнеться перехід у рідку фазу. При підвищенні температури розмах коливань кожної частки збільшиться, вона займатиме більше місця у просторі, отже, діаметр отвору збільшиться. Зближуватися частки що неспроможні, т.к. при цьому вони почнуть перекриватися.

Щоб навести наукові пояснення, доведеться згадати графік залежності сили взаємодії Fчастинок від відстані rміж цими частинками. Він виходить в результаті складання ординат відповідних точок верхньої кривої II, що описує силу відштовхування, і нижньої I, що описує силу тяжіння. результуюча крива III має досить складну форму, т.к. сила відштовхування назад пропорційна тринадцятому ступені відстані, а сила тяжіння – сьомий. Подібним чином виглядає крива IV, що показує залежність від відстані потенційної енергії E p. У положенні рівноваги r 0 крива III проходить через нуль (результуюча прикладена сила дорівнює нулю), а крива IV – через мінімум (потенційна яма). Це положення стійкої рівноваги, і при зменшенні відстані між частинками буде проводитися робота проти сил відштовхування, що призведе до зменшення кінетичної енергії частки до нуля, так що удару однієї частинки про іншу, подібно удару більярдних куль, не відбудеться.

В цілому ж тепловий рух частинок розглядається як їх коливання біля центрів, що знаходяться один від одного на рівноважній відстані, яка різна для різних речовин. Вільний обсяг рідинах становить приблизно 29% всього обсягу, а твердих тілах до 26% . «Молекули (атоми) твердих тіл розташовані настільки щільно, що й електронні оболонки стикаються, інколи ж перекривають одне одного». Тож, мабуть, правильніше говорити про становище не самих молекул, а їхніх центрів.

Подивимося вкотре на криву IV. Глибина потенційної ями визначає енергію зв'язку молекул. Звернемо увагу, що крива не симетрична щодо свого мінімуму. «З цієї причини тільки дуже малі коливання часток біля положення рівноваги матимуть гармонійний характер. Зі зростанням амплітуди коливань (що відбувається при підвищенні температури) все сильніше виявлятиметься ангармонічність (тобто відхилення коливань від гармонійних). Це призводить до зростання середніх відстаней між частинками і, отже, збільшення обсягу» . «При нижчій температурі молекула здійснює коливання біля точки Ав межах відрізка А 1 А 2 . Середня відстань між взаємодіючими молекулами (другу молекулу ми подумки помістили на початок координат) є r 0 . У разі підвищення температури енергія коливань підвищується; тепер молекула коливається в межах відрізка В 1 В 2 . Положення рівноваги відповідає середина відрізка В 1 В 2, тобто. крапка В». Отже, хоча амплітуди коливань невеликі, завдяки ангармонізму окремі коливання не незалежні, а пов'язані друг з одним . Тому r 0 (відстань, на якій сума сил тяжіння та відштовхування двох молекул дорівнює нулю) при підвищенні температури починає збільшуватися.

Облік теплопровідності та теплового розширення твердих тіл для двигуна внутрішнього згоряння автомобіля

З тепловим розширенням у техніці доводиться постійно зважати. Якщо взяти згадані поршні в автомобільних двигунах, то вже тут буде одразу кілька варіантів. Приміром, головка поршня (його верхня частина) має трохи менший діаметр, ніж спідниця (нижня частина), т.к. головка безпосередньо контактує із нагрітими газами. Вона сильніше нагрівається та більше розширюється. При цьому інженерам треба дотримуватися двох взаємовиключних вимог. З одного боку, необхідно забезпечити хороше ущільнення поршня з циліндром, а з іншого, уникнути заклинювання поршня при нагріванні. З цією метою по колу голівки роблять канавки, в які ставлять спеціальні кільця: компресійні та маслознімні.

Компресійні кільця мають розрізи, які називаються замками, які дозволяють ущільнювати проміжок без заклинювання поршня. Заїдання перешкоджає і спеціальна форма спідниці поршня - у вигляді еліпса, велика вісь якого перпендикулярна до осі поршневого пальця і ​​лежить в площині дії бічних сил. В результаті усувається і стукіт при холодному двигуні, і заїдання спідниці при нагріванні: еліпс стає коло, і поршень продовжує вільно переміщатися всередині циліндра.

Запобігти заклинювання можна також, зробивши у спідниці компенсаційні розрізи: косі, Т-подібні, П-подібні, завдяки яким розширення металу при нагріванні не призводить до збільшення діаметра поршня. Зменшити нагрівання верхнього поршневого компресійного кільця можна за рахунок канавки, проточеної в поршні, або вогневого пояска, що перешкоджає надходженню додаткової кількості теплоти від верхньої частини головки поршня, розігрітої гарячими газами, що знаходяться в циліндрі.

Для кращого відведення тепла від поршнів і циліндрів самі поршні, так і головка циліндрів виготовляються з алюмінієвого сплаву, що має хорошу теплопровідність. Є двигуни, де весь блок циліндрів відлитий із алюмінієвого сплаву. Крім того, передбачено спеціальну систему охолодження (повітряну або рідинну). Наприклад, так звана сорочка охолодженнярідинна система забезпечує відведення тепла і від циліндрів, і від камер згоряння.

Література

1. Плеханов І.П.Автомобіль. - М.: Просвітництво, 1984.

2. Шестопалов К.С.,Деміховський С.Ф.Легкові автомобілі. - М.: ДТСААФ, 1989.

3. Підгорнова І.І. Молекулярна фізика в середній школі. - М.: Просвітництво, 1970.

4. Бергер Н.М. Вивчення теплових явищ у курсі фізики середньої школи. - М.: Просвітництво, 1981.

5. Шамаш С.Я.Методика викладання фізики у середній школі. - М.: Просвітництво, 1975.

6. Блудов М.І.Розмови з фізики. - М.: Просвітництво, 1992.

7. Савельєв А.В.Курс загальної фізики: Т. 1. - М: Наука, 1970.

8. Фізичний енциклопедичний словник: За ред. Прохорова А.М. - М.: Радянська енциклопедія, 1984.

Термічним розширенням називається зміна розмірів та обсягу тіла під впливом температури.

При зміні температури змінюються розміри твердих тіл. Розширення під впливом температури характеризується коефіцієнтом лінійного термічного розширення.

Зміна лінійних розмірів тіла описується формулою: l = l 0 (1 + α ⋅ Δ T) , де

l – довжина тіла;

l 0 - Початкова довжина тіла;

- коефіцієнт лінійного термічного розширення;

ΔT – різниця температур.

Коефіцієнт лінійного термічного розширення показує, яку частину початкової довжини чи ширини зміниться розмір тіла, якщо його температура підвищиться на 1 градус.

Приклад:

\(10\) кмзалізничної колії при збільшенні температури повітря на \(9\) градусів (наприклад, від \(-5\) до \(+4\)), подовжуються на 10 000 ⋅ 0,000012 ⋅ 9 = 1,08 метр. Тому між ділянками рейок залишають проміжки.

Термічне розширення треба враховувати і в трубопроводах, які там використовують компенсатори- вигнуті труби, які при зміні температури повітря за необхідності можуть згинатися. На малюнку видно, що станеться, якщо не буде компенсатора.

Інженерам, які проектують мости, обладнання, будівлі, які піддаються змінам температури, необхідно знати, які матеріали можна з'єднувати, щоб не утворилися тріщини.

Електрикам, які простягають лінії електропередачі, необхідно знати, яким змінам температури будуть піддані дроти. Якщо влітку дроти натягнуті, то взимку вони обірвуться.

Під час термічного розширення металів використовують автоматичні вимикачі теплових приладів. Цей вимикач складається із двох щільно з'єднаних пластин різних металів (з різними термічними коефіцієнтами). Біметалеві пластинипід впливом температури згинаються або випрямляються, замикаючи або розмикаючи електричний ланцюг.

Зі зміною лінійних розмірів змінюється також обсяг тіла. Зміна об'єму тіла описується формулою, схожою на формулу лінійного розширення, тільки замість коефіцієнта лінійного термічного розширення використовується коефіцієнт об'ємного термічногорозширення.

Зміна об'єму тіла під впливом температури описується формулою: V = V 0 (1 β ⋅ Δ T) , де

V – обсяг тіла;

V 0 - Початковий обсяг тіла;

- коефіцієнт об'ємного термічного розширення;

ΔT – різниця температур.

p align="justify"> Коефіцієнт об'ємного термічного розширення показує, на яку частину початкового об'єму зміниться об'єм тіла після підвищення температури на 1 градус.

З попередніх параграфів відомо, що це речовини складаються з частинок (атомів, молекул). Ці частинки безперервно хаотично рухаються. При нагріванні речовини рух частинок стає більш швидким. При цьому збільшуються відстані між частинками, що призводить до збільшення розмірів тіла.

Зміна розмірів тіла при його нагріванні називається тепловим розширенням.

Теплове розширення твердих тіл легко підтвердити досвідом. Сталева кулька (рис. 87, а, б, в), що вільно проходить через кільце, після нагрівання на спиртовці розширюється і застряє в кільці. Після охолодження кулька знову вільно проходить через кільце. З досвіду випливає, що розміри твердого тіла при нагріванні збільшуються, а при охолодженні зменшуються.

Рис. 87

Теплове розширення різних твердих тіл неоднакове.

При тепловому розширенні твердих тіл виникають величезні сили, які можуть руйнувати мости, згинати залізничні рейки, розривати дроти. Щоб цього не сталося, при конструюванні тієї чи іншої споруди враховується фактор теплового розширення. Провід ліній електропередач провисають (мал. 88), щоб взимку, скорочуючись, вони не розірвалися.

Рис. 88

Рис. 89

Рейки на стиках мають зазор (рис. 89). Несучі деталі мостів ставлять на катки, здатні пересуватися при змінах довжини моста взимку та влітку (рис. 90).

Рис. 90

А чи розширюються при нагріванні рідини? Теплове розширення рідин також можна підтвердити на досвіді. В однакові колби наллємо: в одну – воду, а в іншу – такий самий обсяг спирту. Колби закриємо пробками із трубками. Початкові рівні води та спирту у трубках відзначимо гумовими кільцями (рис. 91, а). Поставимо колби в ємність із гарячою водою. Рівень води в трубках стане вищим (рис. 91, б). Вода та спирт при нагріванні розширюються. Але рівень у трубці колби зі спиртом вищий. Отже спирт розширюється більше. Отже, теплове розширення різних рідин, як і твердих речовин, неоднаково.

Рис. 91

А чи відчувають теплове розширення гази? Відповімо на питання за допомогою досвіду. Закриємо колбу з повітрям пробкою із зігнутою трубкою. У трубці (рис. 92 а) знаходиться крапля рідини. Достатньо наблизити руки до колби, як крапля починає переміщатися праворуч (рис. 92, б). Це підтверджує теплове розширення повітря за його навіть незначному нагріванні. Причому дуже важливо, всі гази, на відміну від твердих речовин і рідин, при нагріванні розширюються однаково.

Рис. 92

Подумайте та дайте відповідь 1. Що називають тепловим розширенням тіл? 2. Наведіть приклади теплового розширення (стиснення) твердих тіл, рідин, газів. 3. Чим відрізняється теплове розширення газів від теплового розширення твердих тіл та рідин?

Зробіть вдома самі

Використовуючи пластикову пляшку та тонку трубку для соку, проведіть вдома досвід з теплового розширення повітря та води. Результати досвіду опишіть у зошиті.

Цікаво знати!

Не можна після гарячого чаю одразу пити холодну воду. Різка зміна температури часто призводить до псування зубів. Це пояснюється тим, що основна речовина зуба - дентин - і емаль, що покриває зуб, при одному і тому ж зміні температури розширюються неоднаково.

Рис. 9.5
Теплове розширення тіл потрібно враховувати при конструюванні багатьох споруд. Необхідно вживати заходів для того, щоб тіла могли вільно розширюватися або стискатися при зміні температури.
Не можна, наприклад, туго натягувати телеграфні дроти, а також дроти ліній електропередач (ЛЕП) між опорами. Влітку провисання дротів помітно більше, ніж узимку.
Металеві паропроводи, а також труби водяного опалення доводиться постачати вигинами (компенсаторами) у вигляді петель (рис. 9.6).
Внутрішня напруга може ^^
никати при нерівномірному нагріванні яГ Л
однорідного тіла. Наприклад, склян- Я
ня пляшка або склянка з товстого скла можуть луснути, якщо налити в них гарячої води. В першу чергу від- Рис. 9.6 1. ходить нагрівання внутрішніх частин судини, що стикаються з гарячою водою. Вони розширюються і надають сильний тиск на зовнішні холодні частини. Тому може статися руйнація судини. Тонка ж склянка не лопається при наливанні в нього гарячої води, так як його внутрішня і зовнішня частини однаково швидко прогріваються.
Дуже низький температурний коефіцієнт лінійного розширення має кварцове скло. Таке скло витримує, не тріскаючись, нерівномірне нагрівання або охолодження. Наприклад, в розпечену до червоного колбочку з кварцового скла можна вливати холодну воду, тоді як колба зі звичайного скла при такому досвіді лопається.
Різнорідні матеріали, що піддаються періодичному нагріванню та охолодженню, слід з'єднувати разом лише тоді, коли їх розміри при зміні температури змінюються однаково. Це особливо важливо за великих розмірів виробів. Так, наприклад, залізо та бетон при нагріванні розширюються однаково. Саме тому широкого поширення набув залізобетон – затверділий бетонний розчин, залитий у сталеву решітку – арматуру (рис. 9.7). Якби залізо та бетон розширювалися по-різному, то в результаті добових та річних коливань температури залізобетонна споруда незабаром зруйнувалася б.
Ще кілька прикладів. Металеві провідники, впаяні в скляні балони електроламп і радіоламп, роблять із сплаву (заліза та нікелю), що має такий самий коефіцієнт розширення, як і скло, інакше при нагріванні металу скло тріснуло б. Емаль, якою покривають посуд, і метал, з якого цей посуд виготовляється, повинні мати однаковий коефіцієнт лінійного розширення. В іншому випадку емаль лопатиметься при нагріванні та охолодженні покритого нею посуду.
Значні сили можуть розвиватися і рідиною, якщо нагрівати її в замкнутій посудині, що не дозволяє рідині

розширюватися. Ці сили можуть призвести до руйнування судин, у яких міститься рідина. Тому з цією властивістю рідини теж доводиться зважати. Наприклад, системи труб водяного опалення завжди забезпечуються розширювальним баком, приєднаним до верхньої частини системи та сполученим з атмосферою. При нагріванні води у системі труб невелика частина води перетворюється на розширювальний бак, і цим виключається напружений стан води та труб. З цієї ж причини в силовому трансформаторі з масляним охолодженням зверху є розширювальний бак для олії. При підвищенні температури рівень олії в баку підвищується, при охолодженні олії - знижується.
Використання теплового розширення у техніці

Рис. 9.8
Терморегулятор
На малюнку 9.10 схематично зображено пристрій одного з типів регуляторів температури. Біметалічна дуга 1 за зміни температури змінює свою кривизну. До її вільного кінця прикріплена металева пластинка 2, яка при розкручуванні дуги торкається контакту 3, а при закручуванні відходить від нього. Якщо, наприклад, контакт 3 і пластинка 2 приєднані до кінців 4, електричного 5 ланцюга, що містить нагрівальний прилад, то при соприкос-
Теплове розширення тіл знаходить широке застосування у техніці. Наведемо лише кілька прикладів. Дві різнорідні пластинки (наприклад, залізна та мідна), зварені разом, утворюють так звану біметалеву пластинку (рис. 9.8). При нагріванні такі пластинки згинаються внаслідок того, що одна розширюється сильніше за іншу. Та зі смужок (мідна), яка розширюється більше, виявляється завжди з опуклої сторони (рис. 9.9). Ця властивість біметалічних пластинок широко використовується для вимірювання температури та її регулювання.

новленні контакту та пластинки електричний ланцюг замкнеться: прилад почне нагрівати приміщення. Біметалічна дуга 1 при нагріванні почне закручуватися і за певної температури від'єднає пластинку 2 від контакту 3: ланцюг розірветься, нагрівання припиниться. При охолодженні дуга 1, розкручуючи, знову змусить увімкнутися нагрівальний прилад. Таким чином, температура приміщення буде підтримуватись на даному рівні. Подібний терморегулятор встановлюють в інкубаторах, де потрібно підтримувати постійну температуру. У побуті терморегулятори встановлені в холодильниках, електропрасках і т. д. Обід (бандаж) колеса залізничного вагона виготовляють із сталі, решту колеса роблять із більш дешевого металу – чавуну. Бандажі на колеса надягають у нагрітому стані. Після охолодження вони стискуються і тому тримаються міцно.
Також у нагрітому стані надягають шківи, ​​підшипники на вали, залізні обручі на дерев'яні бочки і т. д. Властивість рідин розширюватися при нагріванні і стискатися при охолодженні використовується в приладах, що служать для вимірювання температури - термометрах. Як рідини для виготовлення термометрів застосовують ртуть, спирт та ін.
При розширенні чи стисканні тіл виникають величезні механічні напруги, якщо інші тіла перешкоджають зміні розмірів. У техніці використовуються біметалічні пластинки, що змінюють форму при нагріванні.

Іспит з фізики за 8 клас.

2. Тепловий рух.

Всі тіла складаються з молекул, які перебувають у безперервному русі. Нам вже відомо, що дифузія при вищій температурі відбувається швидше. Це означає, що швидкість руху молекул і температура пов'язані між собою. У разі підвищення температури швидкість руху молекул збільшується, при зниженні зменшується. Отже температура тіла залежить від швидкості руху молекул. Явлення, пов'язані з нагріванням та охолодженням тіл, називаються тепловими. Наприклад, охолодження повітря, танення льоду. Кожна молекула в тілі рухається дуже складною траєкторією. Так, наприклад, частинки газу рухаються на великих швидкостях у різних напрямках, стикаються один з одним і зі стінками судини.

Безладний рух частинок, з яких складається тіло, називається тепловим рухом.

Розширення твердих тіл.

При нагріванні амплітуда коливання молекул збільшується, відстань між ними зростає і тіло заповнює більший обсяг. Тверді тіла при нагріванні розширюються у всіх напрямках.

Розширення рідин.

Рідини розширюються значно сильніше за тверді тіла. Вони також розширюються у всіх напрямках. Внаслідок великої рухливості молекул рідина набуває форми судини, в якій знаходиться.

Облік та використання теплового розширення в техніці.

У побуті та техніці теплове розширення має дуже велике значення. на електричних залізницяхнеобхідно взимку та влітку зберігати постійне натяг дроту, що живить енергією електровози. Для цього натяг дроту створюється тросом, один кінець якого з'єднаний з дротом, а інший перекинутий через блок і до нього підвішений вантаж.

При спорудженні мосту один кінець ферми кладеться на ковзанки. Якщо цього не зробити, то при розширенні влітку та стисненні взимку ферма розхитуватиме підвалини, на які спирається міст.

При виготовленні ламп розжарювання частина дроту, що проходить усередині скла, необхідно робити з такого матеріалу, коефіцієнт розширення якого такий же як у скла інакше воно може тріснути.

Наведені вище приклади далеко не вичерпують роль та різні застосування теплового розширення у побуті та техніці.

Термометри.

Термометри завжди показують свою температуру. Тільки через певний час ця температура стає рівною температурі навколишнього середовища. Інакше висловлюючись, термометрам властива певна інерційність.

Рідкісні термометри.

Довжина стовпчика рідини ртуті, спирту, толуолу, пентану та інших є мірою температури. Інтервал вимірювання обмежений температурами кипіння та замерзання рідини у термометрі.

Металеві термометри.

Металевий термометр є біметалічну пластину, тобто пластинку, зварену зі смужок двох різних металів. Внаслідок різниці в теплових розширеннях металів пластинка при нагріванні згинатиметься. З довгої платівки згинають спіраль. Зовнішній кінець спіралі закріплюють, а до внутрішнього прикріплюють стрілку, яка вказує за шкалою певну температуру.

Термометри опору.

Опір металів змінюється із температурою. Сила струму в ланцюзі залежить від опору провідника, а отже, і від його температури. Перевага термометра опору полягає в тому, що вимірювальний прилад і місце, де вимірюється температура, можуть бути рознесені на пристойну відстань.

Особливості теплового розширення води.

Коефіцієнт об'ємного розширення слабко залежить від температури. Вода є винятком і коефіцієнт розширення води сильно залежить від температури, а в інтервалі від 0 до 4 градусів приймає негативне значення. Тобто обсяг води зменшується від 0 до 4 градусів, а потім збільшується.

Значення теплового розширення у природі.

Теплове розширення повітря грає велику роль явищах природи. Теплове розширення повітря створює рух повітряних мас у вертикальному напрямку (нагріте, менш щільне повітря піднімається вгору, холодне і менш щільне вниз). Нерівномірне нагрівання повітря в різних частинах землі призводить до виникнення вітру. Нерівномірне розігрів води створює течії в океанах.

При нагріванні та охолодженні гірських порідвнаслідок добових та річних коливань температури (якщо склад породи неоднорідний) утворюються тріщини, що сприяє руйнуванню порід.