ТЕПЛОВЕ РОЗШИРЕННЯ ТІЛА — зміна геометричних розмірів (об'єму) тіла внаслідок зміни його температури.
Теплове розширення — це явище збільшення об'єму твердих тіл, рідин і газів за нагрівання і зменшення їхнього об'єму за охолодження.
Більшість рідин при охолодженні стають щільнішими. Вода ж навпаки, досягає максимальної щільності при +4°C, після чого її густина починає зменшуватися, а під час охолодження на інтервалі від +4°С до 0°С вона розширюється, а не стискається, що робить лід легшим за воду.
Причина теплового розширення – рух частинок, з яких складаються тіла.
Під час нагрівання температура тіла підвищується, під час охолодження — знижується.
З підвищенням температури зростає швидкість руху частинок речовини, в результаті чого збільшується середня відстань між частинками і, відповідно, збільшується об'єм тіла, і навпаки, зі зниженням температури тіла рух частинок стає повільнішим, міжмолекулярні проміжки зменшуються, і зменшується об'єм тіла.
Отже, під час нагрівання збільшуються проміжки між частинками речовини, тому збільшується об’єм, при охолоджені – навпаки.
Теплове розширення залежить: від внутрішньої будови речовини, температури, тиску для газів.
Тверді тіла та рідини розширюються набагато менше, ніж гази.
• Теплове розширення ТВЕРДИХ ТІЛ незначне, тому зазвичай не помічаємо зміни об'єму твердих тіл зі зростанням температури.
• Теплове розширення РІДИН відчутно більше, ніж твердих тіл.
• Теплове розширення ГАЗІВ найбільше.
ДОСЛІД
Збільшення об’єму тіла при нагріванні.
Знадобиться штатив, спиртівка, металева кулька, нитка, диск.
Підвисити кульку на нитці, кулька вільно пролазить через отвір диску. Опустити кульку нижче диску.
Почнемо нагрівати кульку. Тіло зі сталі швидко нагрівається. Гаряче тіло (кулька) не буде так вільно пролазити крізь отвір диску.
Отже, при нагріванні збільшується об’єм нагрітого тіла. Теплове розширення тіла залежить від речовини, з якої його виготовлене.
Приклади теплового розширення матеріалів
• Зміщується асфальт після зими.
• Узимку пошкоджуються труби та посуд, у якому зберігають воду.
• Улітку провисають лінії електропередач.
• Від спеки викривляються рейки колії.
• Мідний дріт завдовжки 1 м, нагрітий до 100 °С, видовжується лише на 1,65 мм, а залізний — на 1,15 мм.
• Кварц — мінерал, у якого дуже мале теплове розширення. Кварцовий посуд можна нагрівати на відкритому полум'ї пальника й відразу ж охолоджувати.
• Теплове розширення рідин використовують у рідинних термометрах. Коли температура підвищується, підфарбована рідина (наприклад, спирт) розширюється, потрапляє із резервуара в тоненьку трубочку і підіймається вгору.
• Повітряна кулька, яку взимку винесли з кімнати на вулицю, зморщується, тобто зменшується в об'ємі, оскільки теплове розширення газів найбільше.
• Вода — особлива рідина. За нагрівання води від 0 до 4 °С її об'єм не збільшується, а навпаки зменшується. Лід займає більший об'єм, ніж вода, з якої він утворився. Тому він може зруйнувати металеві труби, асфальтове покриття доріг та скелі, у щілинах яких замерзає вода.
• Зменшення об'єму газів за охолодження використовують у консервації. Гаряче повітря під кришкою охолоджується і зменшується в об'ємі, тому інколи кришка помітно прогинається всередину.
Урахування явища теплового розширення
• Під час проектування мостів, вишок (бетонні конструкції зміцнюють залізом, яке має таке саме теплове розширення, як і бетон).
• Під час прокладання залізничних колій між металевими рейками залишають проміжок (влітку рейки подовжуються), тому чуємо стук коліс.
• Під час прокладання ліній електропередач (щоб лінії електропередач узимку не обірвалися, між плитами мостів створюють спеціальні температурні шви).
• Трубки системи охолодження заливають не водою, а певними замінниками.
Отже, теплове розширення обов'язково беруть до уваги під час будівництва мостів і ліній електропередач, прокладання труб опалення, укладання залізничних рейок, виготовлення залізобетонних конструкцій.