§ 6. Що відбувається з тілами за нагрівання
Ти вже знаєш, що температура впливає на розчинність, дифузію, випаровування. З’ясуємо, які ще зміни відбуваються з речовинами під впливом температури і чому це важливо враховувати під час зведення мостів, прокладання труб, виготовлення термометрів і навіть удома на кухні.
1. ЯК ОБ’ЄМ ТВЕРДИХ ТІЛ ЗАЛЕЖИТЬ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ
За нагрівання об’єм більшості твердих тіл збільшується, а за охолодження — зменшується. Таке явище називають тепловим розширенням.
Теплове розширення — це явище збільшення об’єму твердих тіл, рідин і газів за нагрівання і зменшення їхнього об’єму за охолодження.
Причиною теплового розширення є рух частинок, з яких складаються тверді тіла. За нагрівання частинки рухаються швидше, «розштовхують» сусідів, а отже, займають більший об’єм. За охолодження частинки рухаються повільніше, відстані між ними зменшуються, тому й об’єм тіла зменшується.
Мал. 19. Об’єкти, на яких ураховують явище теплового розширення матеріалів
Теплове розширення тіл (відео)
Зазвичай ми не бачимо зміни об’єму тіл зі зростанням температури, оскільки теплове розширення твердих тіл незначне: мідний дріт завдовжки 1 м, нагрітий до 100 °С, видовжується лише на 1,65 мм, а залізний — на 1,15 мм.
Явище теплового розширення матеріалів ураховують під час проєктування мостів, вишок, залізничних колій, під час прокладання ліній електропередач (мал. 19). Бетонні конструкції зміцнюють залізом, яке має таке саме теплове розширення, як і бетон. Лінії електропередач провисають улітку, щоб узимку вони не обірвалися. Між плитами мостів створюють спеціальні температурні шви.
Кварц — мінерал, у якого дуже мале теплове розширення. Кварцовий посуд можна нагрівати на відкритому полум’ї пальника й відразу ж охолоджувати, наприклад, опустивши його в холодну воду.
2. ЯК ОБ’ЄМ РІДИН ЗАЛЕЖИТЬ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ
Рідини також розширюються за нагрівання. Теплове розширення рідин відчутно більше, ніж твердих тіл. Якщо нагріти на 1 °С воду і скло, узяті за кімнатної температури, то 1 дм 3 води збільшиться в об’ємі на 0,21 см 3 , а скла — лише на 0,002 см 3 .
Теплове розширення рідин використовують у спиртових термометрах. Важлива деталь їхньої будови — резервуар з підфарбованим спиртом. Коли температура підвищується, спирт розширюється, потрапляє в тоненьку трубочку, з’єднану з резервуаром, і підіймається вгору (мал. 20.2).
Мал. 20: 1 — розширення рідин за нагрівання; 2 — розширення за нагрівання використовують у рідинних термометрах
Ти вже знаєш, що вода — особлива рідина. Переглянувши відео, пригадай, як вона замерзає. Це стосується і її теплового розширення у проміжку між 0 та 4 °С. 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.
• Пригадай, у чому особливість замерзання води. Наведи приклади, як ця особливість проявляється у природі та побуті.
Прочитай за QR-кодом статтю «Саморобний термометр». Виготов і досліди термометри зі скляної і пластикової пляшок.
Саморобний термометр
Навіщо ми струшуємо термометр
Аномалії води (відео)
3. ЯК ТЕМПЕРАТУРА ВПЛИВАЄ НА ШВИДКІСТЬ ВИПАРОВУВАННЯ
Зі збільшенням температури рідини зростає швидкість руху молекул. Що вища температура, то більше частинок рідини відривається від сусідів, покидає рідину й переходить у газуватий стан.
Кожна рідина має особливу температуру, за якої вона закипає. Під час кипіння рідина випаровується не лише з вільної поверхні, але й по всьому об’єму. Кожна рідина має характерну температуру кипіння. За нормального атмосферного тиску вода кипить за температури 100 °С, етиловий спирт — за температури 78 °С, харчова олія — від 230 до 360 °С (залежно від сорту).
Кипіння та випаровування називають пароутворенням.
Мал. 21: моделі випаровування та кипіння (1); кипіння — це випаровування по всьому об’єму рідини (2)
4. ЯК ВИКОРИСТОВУЮТЬ ТЕПЛОВЕ РОЗШИРЕННЯ ГАЗІВ
Повітряна кулька, яку взимку винесли з кімнати на вулицю, зморщується, тобто зменшується в об’ємі. Це легко помітити, адже теплове розширення газів у сотні й тисячі разів більше, ніж твердих тіл. І навпаки: якщо повітря у кульці нагріти, його об’єм збільшиться. Переконайся в цьому на досліді. Помісти пляшку в холодну воду. На горлечко скляної пляшки одягни гумову кульку. Перемісти пляшку в посудину з гарячою водою. Повітря у пляшці нагріється, збільшить свій об’єм (розшириться) і займе весь доступний об’єм, тобто заповнить кульку.
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.
Наукові суперечки
КОРОТКО ПРО ГОЛОВНЕ
• Теплове розширення — це явище збільшення об’єму твердих тіл, рідин і газів за нагрівання та зменшення їхнього об’єму за охолодження.
• Теплове розширення твердих тіл ураховують у конструюванні мостів, залізничних колій, прокладанні ліній електропередач; теплове розширення рідин і газів використовують у термометрах.
• Кипіння та випаровування називають пароутворенням. Кипіння — це випаровування в усьому об’ємі рідини.
ЗАПИТАННЯ • ЗАВДАННЯ • ДОСЛІДЖЕННЯ
1. Порівняй теплове розширення твердих тіл, рідин і газів.
2. Наведи приклади використання теплового розширення твердих тіл, рідин і газів.
3. Поясни, у чому різниця між випаровуванням і кипінням.
4. Уважно розглянь будову ртутного термометра. Яке призначення має звуження у трубці, якою рухається ртуть? Прочитай за QR-кодом статтю «Навіщо ми струшуємо термометр» і підготуй проєкт «Секрети ртутного та спиртового термометрів».
§ 48. Нагрівання. Розширення/стиснення і збереження маси під час процесів нагрівання й охолодження
Проведемо дослід (разом із дорослими). На скляну пляшку надінемо гумову кульку, поставимо пляшку в тарілку та наллємо в тарілку теплу воду. Повітря в пляшці нагріється, розшириться й надує кульку. Ми спостерігаємо теплове розширення газу (повітря) (мал. 48.1).
Мал. 48.1. Гумова кулька роздувається через розширення повітря під час нагрівання
Гумова кулька не дозволяє повітрю як виходити назовні, так і потрапляти в пляшку. Тобто під час теплового розширення маса газу залишається сталою.
Оскільки під час нагрівання об’єм газу збільшується, а маса залишається тією самою, густина газу зменшується. Так гаряче й менш густе повітря піднімає вгору полум’я багаття, свічки, газового пальника. Ще говорять, що тепле повітря легше за холодне. Саме тому піднімаються вгору повітряні кулі, наповнені теплим повітрям (мал. 48.2).
Мал. 48.2. Тепле повітря через меншу густину піднімається вгору
Теплове розширення рідин
Із тепловим розширенням рідин ми стикаємося в рідинних термометрах (мал. 48.3).
Мал. 48.3. Зі зниженням температури об’єм рідини в термометрі зменшується — стовпчик рухається вниз (а), із підвищенням температури рідина розширюється — стовпчик піднімається (б)
Якщо налити у пластикову пляшку теплої, заздалегідь прокип’яченої води, ретельно закоркувати пляшку, а потім її охолодити в холодильнику або на вулиці, то можна побачити, як стиснулися стінки пляшки (мал. 48.4).
Мал. 48.4. Дослід, що підтверджує теплове стиснення рідин, можна провести вдома
Це відбувається через те, що під час охолодження об’єм води зменшується і пляшка стискається.
Наведіть приклади, які підтверджують, що тверді тіла, рідини й гази розширюються під час нагрівання.
Теплове розширення твердих тіл
Для спостереження теплового розширення твердих тіл у шкільному кабінеті фізики використовують досить простий прилад — металеві кульку й кільце. Отвір кільця підібрано так, що холодна кулька впритул проходить крізь кільце.
Якщо кульку нагріти на спиртівці й знову спробувати пронести крізь кільце, то вона застрягне. Це доводить, що кулька збільшилася (мал. 48.5).
Мал. 48.5. Нагріта кулька вже не проходить в отвір
Після охолодження кулька стискається й проходить крізь отвір.
Теплове розширення в природі
Теплове розширення та стиснення трапляються у природі. Так, повітря біля поверхні Землі нагрівається, розширюється і рухається вгору (у вертикальному напрямку), а на його місце в горизонтальному напрямку рухаються більш холодні повітряні маси. Так виникають вітри.
Через нагрівання й охолодження гірських порід, яке відбувається внаслідок добових і річних змін температури, вони розширюються й стискаються. Так утворюються тріщини, що згодом призводить до руйнування порід.
Теплове розширення в техніці та будівництві
Теплове розширення тіл ураховують під час конструювання всіх установок, приладів і машин, які працюють в умовах змінних температур.
Дроти ліній електропередач ніколи не натягують, щоб узимку вони не розірвалися. Під час спорудження мостів у конструкції додають так звані температурні шви, щоб запобігти деформаціям у разі зміни температури (мал. 48.6).
Мал. 48.6. У техніці й будівництві обов’язково враховують теплове розширення тіл
Теплове розширення в побуті
Теплове розширення металів використовують у побутових термометрах. Під час нагрівання або охолодження термометра металева стрічка розширюється або стискається, а за ступенем її вигину виміряють температуру.
Такі термометри зручно використовувати на кухні для вимірювання температури в духовці під час приготування страв (мал. 48.7).
Мал. 48.7. Дія металевих термометрів ґрунтується на тепловому розширенні тіл
Дізнайтеся більше
Найпоширеніша на поверхні Землі речовина — вода — має особливість, що відрізняє її від більшості інших рідин. Вона розширюється за нагрівання лише понад 4 °С. У діапазоні температур від 0 до 4 °С об’єм води за нагрівання. зменшується! Отже, найбільшу густину вода має за 4 °С. Узимку під шаром льоду більш тепла вода опускається на дно водойм, а холодна залишається з температурою близько 0 °С — на поверхні. Це не дає промерзати водоймам й забезпечує життя водних мешканців узимку.
Узимку біля дна водойм температура води 4 °С через те, що за такої температури густина води найбільша
Ключова ідея
За нагрівання переважна більшість речовин розширюються, а за охолодження — стискаються. Теплове розширення газів зумовлює те, що тепле повітря підіймається вгору. Теплове розширення рідин використовують у рідинних термометрах. Теплове розширення твердих речовин потрібно враховувати у техніці, під час будівництва тощо.
Запитання для повторення й засвоєння
- 1. Що відбувається з тілами під час нагрівання?
- 2. Чому густина газів, зокрема повітря, під час нагрівання зменшується?
- 3. Де використовують теплове розширення рідин?
- 4. Як властивість води мати найбільшу густину за 4 °С впливає на життя мешканців водойм?
- 5. Чому під час конструювання об’єктів, що працюють в умовах змінних температур, потрібно враховувати теплове розширення або стиснення речовин?
- 6*. Стоматологи не рекомендують їсти дуже гарячу їжу. Як ви вважаєте, чому?
Діагностувальна робота ЯДС, Тема ” Вода. Повітря. Корисні копалини. Грунт.”
в) все, що нас оточує, крім того, що зроблено людиною.
2. Вода має такі властивості:
а) текуча, має запах, не має власної форми, прозора, безбарвна;
б) текуча, без запаху, не має смаку, не має власної форми, прозора, безбарвна;
в) текуча, без запаху, не має власної форми, гірка, безбарвна.
3. Що відбувається з водою під час нагрівання?
4. Повітря належить до…
в) предметів, виготовлених людиною
5. Прочитай твердження про властивості повітря. Познач твердження, які вважаєш істиними:
б) Повітря погано проводить тепло
в) Тепле повітря важче, ніж холодне.
г)Під час нагрівання повітря розширюється, а під час охолодження стискається.
6. Встав потрібні слова. Випиши слова в рядок через кому.
Верхній родючий шар землі називається – _______________________. Він слугує джерелом живлення для ______________________ та домівкою для ___________________. Основна властивість грунту – ______________ .
7. Запиши , із чого складається грунт.
_______________________________________________________________________________________________________________________________________
8. З ’ єднай поняття з визначенням . Випиши.
Гірські породи верхній пухкий шар землі , на якому
Корисні копалини природні тіла , які знаходяться в
глибинах землі та на її поверхні
Грунт усі гірські породи, які використовують люди
9. Випиши паливні корисні копалини :
Торф , щебінь , кам’яне вугілля , нафта , мідна руда , природний газ , мармур .
10. Запиши три справи, які ти можеш зробити, щоб зменшити використання води.
- ________________________________________________________
- ________________________________________________________
- ________________________________________________________