ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA CIAŁ

Prezentacja na temat: "ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA CIAŁ"— Zapis prezentacji:

1

2 ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA CIAŁ
DANE INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Gimnazjum nr 1 Szamotuły Zespół Szkół nr 1 w Szczecinie ID grupy: 98/19_MF_G1 / 98/60_MF_G1 Opiekun: Iwona Błoch/ Stanisława Michalik Kompetencja: Matematyczno- fizyczna Temat projektowy: Semestr/rok szkolny: Semestr IV 2011/2012 Projekt realizowany w ramach MGP ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA CIAŁ

3 ROZSZERZALNOŚĆ CIEPLNA CIAŁ

4 CELE PROJEKTU -rozwijanie własnych zainteresowań, umiejętności pracy w
grupie, -praktyczne wykorzystanie zdobytej wiedzy, -kształcenie umiejętności korzystania z różnych źródeł informacji, gromadzenie, selekcjonowanie i przetwarzanie zdobytych informacji, -rozwój umiejętności planowania i wykonywania doświadczeń oraz zapisywania wniosków, - doskonalenie umiejętności prezentacji zebranych materiałów w różnej formie.

5 PRZEDSTAWIENIE TEMATYKI PROJEKTU
Dlaczego warto wiedzieć więcej o rozszerzalności cieplnej ciał? Znaczenie zjawiska rozszerzalności cieplnej ciał w przyrodzie i w życiu człowieka jest bardzo duże. W naszym klimacie zmiany temperatury w ciągu roku mogą przekraczać 50C. Ze zjawiskiem rozszerzalności cieplnej ciał spotykamy się często i ma ono olbrzymie znaczenie praktyczne. Musi więc być uwzględnione np. przy budowie konstrukcji architektonicznych, przewodowych linii napowietrznych, betonowych dróg, szyn kolejowych i tramwajowych, przy budowie mostu gdzie stalowe przęsła mogą być latem nawet o pół metra dłuższe niż zimą. Wymaga to odpowiednich rozwiązań technicznych. W naszej prezentacji chcemy przedstawić podstawowe wiadomości o budowie materii, energii wewnętrznej, rozszerzalności ciał, temperaturze, historię termometru oraz zastosowanie tych zjawisk w życiu codziennym i w gospodarce. Przybliżmy więc temat…

6 Plan prezentacji 1).Pojęcie energii - opis pojęć, definicje, wzory 2).Cząsteczkowa budowa materii 3).Zjawisko rozszerzalności cieplnej substancji 4).Znaczenie rozszerzalności cieplnej substancji 5).Pojęcie temperatury – termometry 6).Zadania rachunkowe 7). Nasze plansze „Zjawiska cieplne” 8). Doświadczenia

7 1).pojęcie Energii Samo słowo „energia” pochodzi z języka greckiego i pierwotnie oznaczało działanie. Uproszczona definicja energii mówi nam, że jest ona wielkością opisującą zdolność ciała lub układu ciał do wykonania określonej pracy. Energia jest wielkością opisującą stan układu: skalarną, addytywną i zachowywaną. Może być przekazywana w oddziaływaniach fizycznych, ale nie może zniknąć ani powstać z niczego. W opisie zjawisk fizycznych występuje bardzo wiele rodzajów energii. Najczęściej mamy do czynienia z energią mechaniczną (kinetyczną wraz z potencjalną), cieplną oraz energią elektryczną. Pozostają jeszcze: jądrowa, chemiczna, spoczynkowa, wewnętrzna, promieniowania elektromagnetycznego oraz wiele bardziej szczegółowych, jak np. energia wiązania.

8 Energia wewnętrzna Energia mechaniczna to energia makroskopowa, czyli energia ruchu masy. Drugim rodzajem energii, jest energia mikroskopowa, czyli „ukryta” energia cząstek. To jest właśnie energia wewnętrzna. Energia wewnętrzna – to suma energii potencjalnych i kinetycznych wszystkich cząsteczek z których zbudowana jest substancja. Można ją zmienić poprzez wykonanie pracy lub przez cieplny przepływ energii czyli tzw. ciepło. Ciepło, to nie rodzaj energii, jak uważa wiele osób, lecz sposób przekazywania energii między zamkniętym układem a otoczeniem. Może nastąpić za pomocą: przewodnictwa, konwekcji lub promieniowania.

9 Czy wiesz że… W gorących krajach ludzie noszą luźne, bawełniane stroje. Gorące powietrze nie dociera wówczas do ich ciał, a prądy konwekcyjne pod ubraniem odprowadzają ciepłe powietrze na zewnątrz. Nagrzana słońcem Ziemia jest bywa cieplejsza niż powietrze nad nią. Powietrze ogrzane przez Ziemię unosi się w górę, tworząc konwekcyjny prąd termiczny. Korzystają z niego: - ptaki, które krążąc w konwekcyjnym prądzie powietrza mogą się wznosić wyżej bez machania skrzydłami. piloci szybowców i lotni, aby zwiększyć wysokość lotu. Przykładem konwekcji są również prądy morskie - przenoszą one ciepłe lub zimne masy wody i mają bardzo duży wpływ na klimat krain geograficznych.

10 Pierwsza zasada termodynamiki:
∆ U = Q + W (Q – ciepło, U – energia wewnętrzna, W – praca) Słownie zasada ta stwierdza, że wzrost energii wewnętrznej układu jest równy sumie ciepła pobranego przez układ oraz pracy wykonanej przez ten układ. Przykładem jest sytuacja, w której stykają się ze sobą dwa ciała o różnych temperaturach. Ciepło jest przekazywane wtedy z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Ciepło pobrane przez ciało o niższej temperaturze musi się równać wzrostowi jego energii wewnętrznej.

11 Porozumiewamy się w językach obcych - angielski
Breeze The formation of a breeze can be noticed in summer at the seaside: wind clearly changes its direction within a day. The reason for that are convection currents. The warm air from the land rises during the day, and the cool air from the sea flows in its place. Then a wind called the sea breeze blows. During the night the sea is warmer than the land. The warm air from the sea rises and the cooler air from the land flows in its place. Then a wind blows from the land towards the sea. It is called the land breeze. Monsoons, mountain and valley winds are formed in a similar way.

12 Brise Porozumiewamy się w językach obcych - niemiecki
Die Ɛntstehung der Brise können wir im Sommer an der See beobachten: der Wind wechselt deutlich binnen 24 Stunden seine Richtung. Die Ursache sind vertikale Luftströmungen. Warme Luft vom Lande hebt tagsüber hoch, ihre Stelle nimmt kühle Seeluft ein. Ɛs weht damals der Seewind Seebrise genannt. In der Nacht ist die See wärmer als das Land. Warme Seeluft hebt hoch, vom Lande kommt kühlere Luft um ihre Stelle einzunehmen. Da weht in die Seerichtung ein Wind vom Lande. Ähnlich entsfehen auch Monsune und Beg – und Talwinde.

13 Porozumiewamy się w językach obcych
Bryza Powstawanie bryzy możemy zaobserwować latem nad morzem: wiatr wyraźnie w ciągu doby zmienia swój kierunek. Przyczyną są prądy konwekcyjne. Ciepłe powietrze znad lądu unosi się, a na jego miejsce napływa chłodne powietrze znad morza. Wieje wówczas wiatr od morza zwany bryzą morską. Nocą morze jest cieplejsze niż ląd. Ciepłe powietrze znad morza unosi się a na jego miejsce napływa znad lądu powietrze chłodniejsze. Wieje wówczas wiatr od lądu w stronę morza. Jest to bryza lądowa. Na podobnej zasadzie powstają monsuny oraz wiatry górskie i dolinne.

14 2).Cząsteczkowa budowa materii
Wszystkie substancje zbudowane są z cząsteczek. Cząsteczki tej samej substancji są jednakowe, a różnych- różne. W ciałach stałych cząsteczki są blisko siebie, oddziaływanie między nimi jest bardzo duże i dlatego wykonują one tylko drgania; w cieczach cząsteczki są nadal blisko siebie, ale oddziaływanie między nimi jest słabsze i cząsteczki mogą się przemieszczać. W gazach odległości między cząsteczkami są duże, oddziaływanie bardzo słabe więc cząsteczki szybko się przemieszczają.

15 Budowa ciał stałych W ciałach stałych cząsteczki mają stałe, ściśle określone miejsca w których są utrzymywane dzięki siłom międzycząsteczkowym. Mogą podlegać tylko niewielkim ruchom drgającym. Ciała stałe charakteryzują się więc sprężystością postaci czyli określonym kształtem. Bardzo trudno zmienić ich objętość. Ciała stałe dzieli się na: * kryształy: atomy ułożone są w sposób regularny; tworzą powtarzające się struktury zwane siecią krystaliczną; charakteryzują się anizotropią - różnym kierunkom odpowiadają różne własności fizyczne. * polikryształy: mają niejednolitą strukturę krystaliczną - składają się z licznych, drobniutkich kryształków; charakteryzują się izotropią - w każdym kierunku ciała mają takie same własności mechaniczne, optyczne i elektryczne. * ciała bezpostaciowe - atomy ułożone są w sposób nieregularny np. w szkle.

16 Budowa gazów Gaz – łatwo zmienia kształt i zajmuje całą dostępną mu przestrzeń. Właściwości te wynikają z własności cząsteczek, które mają pełną swobodę ruchu i nigdy nie zatrzymują się w jednym miejscu. Oddziaływania między cząsteczkami są tak słabe , że możemy je zaniedbać - jedyny sposób w jaki na siebie oddziałują to zderzenia. Jeśli gaz jest zamknięty w naczyniu, to jego cząsteczki stale zderzają się ze ściankami tego naczynia, wywierając na nie określone i stałe ciśnienie. .

17 Budowa cieczy Istnienie cieczy ogranicza od strony niskich temperatur temperatura krzepnięcia, a od wysokich temperatura wrzenia. Czysta ciecz może istnieć w temperaturze niższej od temperatury krzepnięcia – nazywana jest wówczas cieczą przechłodzoną. Może ona także istnieć w temperaturze wyższej od temperatury wrzenia – jest wtedy nazywana cieczą przegrzaną. Ciecz – stan skupienia materii – pośredni między ciałem stałym a gazem, trudno zmienić jej objętość, a łatwo kształt. Cząsteczki mają swobodę przemieszczania się w zajmowanej objętości. Występują między nimi oddziaływania, które wewnątrz cieczy znoszą nawzajem zaś istnieją na powierzchni swobodnej na skutek czego występuje zjawisko zwane napięciem powierzchniowym.

18 Cząsteczkę czyli inaczej molekułę stanowią atomy połączone wiązaniem chemicznym. Jest ona układem trwałym i elektrycznie obojętnym. Cząsteczki w tym chemicznym ujęciu można podzielić na : homoatomowe, czyli zbudowane z atomów tego samego rodzaju oraz heteroatomowe - składające się z różnych atomów. Czasami terminu cząsteczka szczególnie w opisie budowy materii używa się do innych układów stabilnych np. pojedynczych atomów, jonów bądź rodników.

19 3).Rozszerzalność cieplna ciał stałych
Rozszerzalność cieplna (inaczej: rozszerzalność temperaturowa, termiczna, dylatacja temperaturowa) jest własnością ciał polegającą na zwiększaniu się ich długości (rozszerzalność liniowa) lub objętości (rozszerzalność objętościowa) w miarę wzrostu temperatury Jak łatwo można się domyślić, z punktu widzenia techniki rozszerzalność może stanowić zjawisko bardzo niekorzystne dla człowieka. Pod wpływem temperatury zwiększają swe objętości także ciecze i gazy. Rozgrzana kulka nie mieści się w pierścieniu. Zaszło zjawisko rozszerzalności objętościowej, tzn. kulka zwiększyła objętość pod wpływem ogrzania.

20 Rozszerzalność cieplna ciał
liniowa objętościowa

21 Rozszerzalność liniowa
Rozszerzalność liniową określa się tylko dla ciał stałych. Przyjmuje się, że zmiana długości jest proporcjonalna do zmiany temperatury, co wyraża wzór na rozszerzalność liniową: Współczynnik rozszerzalności α oznacza o ile zwiększa się długość jednostki długości po ogrzaniu o jednostkę temperatury (1 K). Wyraża się wzorem: Jednostką współczynnika rozszerzalności liniowej jest odwrotność kelwina

22 W różnych temperaturach współczynnik rozszerzalności może przyjmować różne wartości. Wzór na liniową rozszerzalność cieplną jest prawdziwy jedynie dla izotropowych ciał polikrystalicznych. Większość monokryształów wykazuje anizotropowe właściwości rozszerzalności cieplnej, np. kryształ kalcytu przy zmianie temperatury w jednym kierunku kurczy się, a w drugim rozszerza. Można określać wówczas współczynniki rozszerzalności wzdłuż osi głównych kryształu. Przy niezbyt dużej zmianie temperatury współczynnik rozszerzalności termicznej jest wystarczająco dokładnym parametrem, aby przy jego pomocy szacować zmiany kształtów materiałów podczas ich ogrzewania. kalcyt

23 Tabela rozszerzalności liniowej ciał
substancja α / K diament 0,0118 srebro 0,195 inwar 0,015 cyna 0,22 wolfram O,043 drewno-sosna * 0,34 szkło kwarcowe 0,045 0,054 granit 0,08 lód (0°C ) 0,49 beton 0,08 - 0,14 kauczuk 0,77 stal 0,12 pleksi 0,8 miedź 0,162 asfalt 1,9 * w poprzek włókien * wzdłuż włókien

24 Przyrost długości przy wzroście temperatury jest różny dla różnych ciał. Diagram przedstawia o ile wydłużają się pręty o długości 1m, wykonane z różnych substancji przy ogrzaniu o 100°C. 3,0 2,0 1,0 1,0 0,9 0,1

25 Rozszerzalność objętościowa ciał
Przy ogrzewaniu większość substancji zwiększa swoje rozmiary liniowe i objętość, a zmniejsza gęstość. Przyjmuje się, że zmiana objętości jest proporcjonalna do zmiany temperatury, gdy są one niewielkie. Wyraża to wzór na rozszerzalność objętościową: V(T) = V0 [1 +β(T – T0 )] Współczynnik rozszerzalności określa, o ile zwiększa się objętość 1 m³ po zwiększeniu temperatury o 1 K. Wyraża się wzorem: Jednostką współczynnika rozszerzalności liniowej jest odwrotność kelwina:

26 Tabela rozszerzalności objętościowej gazów i cieczy
substancja / K gazy doskonałe 33,54 gliceryna 5,0 para wodna 26,8 oleje roślinne 7,0 woda (0°C ) -0,69 etanol 11,1 woda (25°C ) 2,57 heksan 13,6 woda (100°C ) 7,5 aceton 14,2 rtęć 1,81 eter dietylowy 16,2

27 Przyrost objętości przy wzroście temperatury jest różny dla różnych cieczy. Diagram przedstawia o ile zwiększa swą objętość 1dm³ cieczy przy wzroście temperatury o1°C. 1,43 1,10 0,92 0,49 0,21 0,18

28 Charakterystyka rozszerzalności cieplnej ciał
Wiemy, że ciała stałe zbudowane są z cząsteczek. Cząsteczki te znajdują się w bliskiej odległości, a ich ruch jest ograniczony do drgań. Im wyższa jest temperatura, tym większe są drgania cząsteczek. Odległości miedzy nimi powiększają się, ale nie na tyle, aby uległa zniszczeniu struktura ciała stałego. To „rozpychanie się” cząsteczek daje widoczny efekt zwiększenia objętości ciała. Rozszerzalność linowa ciał stałych polega na wydłużeniu się ciał stałych podczas ogrzewania (wzrostu ich temperatur) i kurczeniu się przy studzeniu (obniżeniu temperatury). Podobnie jest w cieczach i ciałach stałych: gdy rośnie średnia energia kinetyczna ich cząsteczek, to zwiększają się odległości między nimi i możemy wtedy zauważyć jak zmienia się ich objętość.

29 4).ZNACZENIE ROZSZERZALNOŚCI W ŻYCIU CODZIENNYM I TECHNICE
Przykłady rozszerzalności temperaturowej substancji: * połączenia szyn kolejowych wymagają stosowania szczelin, gdyż szyny wydłużają się latem a zmniejszają długość zimą

30 * Przęsła mostów nie mogą być na stałe połączone z podporami a ich konstrukcje wymagają również stosowania elementów dylatacyjnych. Trzeba pamiętać, aby łączyć elementy o podobnej rozszerzalności cieplnej.

31 * Kable telefoniczne i elektryczne w instalacjach napowietrznych zmieniają swą długość, co powoduje że zwisają one bardziej latem niż zimą. * Płytka bimetalowa - jest połączeniem dwóch metalowych elementów, z których każdy nagrzewa się inaczej i wygina się w kierunku metalu o mniejszym współczynniku.

32 * przedmioty mogące się po sobie przesuwać z pewnymi oporami, przy zmianach temperatury zmieniają wzajemne usytuowanie, powodując przy tym różnorakie szmery i trzaski często słyszalne podczas użytkowania pieców, lamp oświetleniowych, nagrzewających się urządzeń elektrycznych, a także w domu nocą, gdy temperatura spada. * może być przyczyną pękania powierzchni klejonych, gdy współczynniki rozszerzalności klejonych obiektów i spoiny klejowej różnią się zbytnio, a klej nie jest elastyczny. * zjawisko rozszerzalności cieplnej gazów można także wykorzystywać, naprawiając w prosty sposób zgniecioną piłeczkę pingpongową. Powietrze wewnątrz ogrzanej piłeczki rozszerza się i nadaje jej poprzedni kształt.

33 * balon zwiększa swoje rozmiary i może pęknąć, gdy z zimnego otoczenia przyniesiemy go do ciepłego pokoju; ogrzane powietrze unosi się do góry i może unieść balon z koszem i ludźmi.

34 Skutki rozszerzalności cieplnej
Ponieważ zmiany temperatury zachodzą niemal we wszystkich możliwych miejscach na całym obszarze kuli ziemskiej, mogą mieć wpływ na każdą dziedzinę gospodarki i życia ludzkiego. Muszą więc być uwzględniane i szacowane - dotyczy to zwłaszcza budownictwa i przemysłu. Zjawisko rozszerzalności trzeba uwzględniać w rozmaitych pracach inżynierskich i innych działaniach, gdzie elementy konstrukcyjne mają inne rozmiary latem i zimą (Kanada, USA, Polska) oraz w przypadku gdy obserwuje się duże wahania temperatury pomiędzy nocą a dniem (Afryka, Ameryka Środkowa itp.) W kołnierzu pozostawia się około 10 mm luzu Są jednak i sytuacje, kiedy rozszerzalność cieplna jest zjawiskiem bardzo korzystnym: -rozszerzalność cieczy wykorzystuję się do pomiaru temperatury w termometrach cieczowych. -płytki bimetalowe w wyłącznikach termostatycznych np. w żelazku, lodówce, pralce - zmieniają swój kształt załączając lub rozłączając obwody elektryczne; w termometrach bimetalowych działają poprzez dźwignię na wskazówkę.

35 Anomalna rozszerzalność wody
Większość ciał zwiększa swoją objętość przy wzroście temperatury. Wyjątkiem jest woda. Ogrzewając wodę od temperatury 0°C do 4°C, obserwuje się zmniejszenie jej objętości. W temperaturze 4°C ma ona największą gęstość, opada na dno zbiornika zapewniając organizmom żywym przetrwanie zimy. Powyższe zjawisko nazwano zjawiskiem anomalnej rozszerzalności cieplnej wody. Przy wzroście temperatury powyżej 4°C objętość wody zwiększa się.

36 A to ciekawe!!! Gitarzyści w czasie występów bardzo często muszą stroić gitary, ponieważ ich metalowe struny ogrzane np. silnym światłem reflektorów rozszerzają się, co powoduje rozstrojenie instrumentu. Dlaczego ptaki stroszą pióra? Stroszenie piór pozwala ptakom utrzymać właściwą temperaturę kiedy jest zimno. Stroszenie piór polega na ustawieniu piór w taki sposób aby ich końce się stykały , wtedy powstaje izolacyjna warstwa powietrza nie pozwalająca wychłodzić organizmu .

37 Na pojemnikach o zawartości pod ciśnieniem np. dezodorantach
W przeciwieństwie do większości substancji, guma kurczy się podczas ogrzewania. Zbudowana jest ona z długich spirali cząsteczek, które podczas ogrzewania skręcają się jeszcze mocniej. To w rezultacie skraca długość gumy. Lateks z drzewa kauczukowego Na pojemnikach o zawartości pod ciśnieniem np. dezodorantach widnieje ostrzeżenie „nie ogrzewać powyżej 50˚C”. Zawarty w pojemniku gaz ze wzrostem temperatury rozszerza się, co może spowodować groźną w skutkach eksplozję.

38 5). POJĘCIE TEMPERATURY - TERMOMETRY
Temperatura - to jedna z podstawowych wielkości fizycznych (parametrów stanu) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał . Jest ona miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła. Gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej do ciała o niższej temperaturze – aż do wyrównania się temperatury obu ciał. Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek.

39 Historia powstania termometru
Pierwszy termometr – zupełnie odmienny od znanych dziś – wynalazł w 210 roku p.n.e. grecki pisarz i znakomity inżynier – Filon z Bizancjum. Pierwszy precyzyjny termometr powstał w XVIII w.

40 Filon z Bizancjum Żył i działał w II połowie III wieku p.n.e. Był greckim pisarzem i inżynierem, autorem „Mechanika syntaxis” czterotomowego dzieła o mechanice. Filon wynalazł katapultę, koło wodne, iniektor parowy, automaty dozujące, kubełkowy podnośnik wody typu pater-noster, regulator poziomu oleju w lampie, przegub krzyżowy oraz kuszę. Przypisywane jest mu wynalezienie termoskopu, którego budowę opisał w 210 r. p.n.e. Na podstawie tego opisu Galileusz zbudował w 1592 r. pierwszy termoskop.

41 Daniel Gabriel Fahrenheit (24.05.1686. - 16.09.1736)
W 1721 roku syn gdańskich kupców Daniel Gabriel Fahrenheit opisał zjawisko przechłodzenia wody oraz zaobserwował zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia co doprowadziło go w 1725 roku do opublikowania własnej skali temperatury. Jednostką temperatury w układzie SI jest kelwin [K] Dom Fahrenheitów w Gdańsku

42 Anders Celsius ( ) Skalę temperatury tworzy jeden lub dwa stałe punkty termometryczne. Najbardziej znaną skalę temperatury zaproponował w roku 1742 Anders Celsjusz. Za dwa punkty termometryczne przyjął 0 i 100: temperatura topnienia lodu (0°C) i temperatura wrzenia wody (100°C). Zakres między punktami termometrycznymi został podzielony na 100 części, a jedna podziałka otrzymała wartość 1 stopnia Celsjusza, czyli 1°C. Dom Celsjusza

43 William Thomson (Lord Kelvin ) 26.06.1824 - 17.12.1907
Brytyjski fizyk pochodzenia irlandzkiego, matematyk, oraz przyrodnik. W roku uzyskał tytuł Lorda Kelvin. Wielkie zasługi położył w rozwoju teorii ciepła, obmyślił wiele czułych elektrycznych przyrządów mierniczych, znajdujących do dziś wielostronne zastosowanie. Jego nazwisko stało się publicznie znane w związku z przedsięwzięciem kładzenia pierwszego transatlantyckiego kabla telegraficznego. W roku 1848 odkrył istnienie temperatury zera bezwzględnego. Sformułowana przez niego w roku 1854 druga zasada termodynamiki wyklucza istnienie tak zwanego perpetuum mobile drugiego rodzaju.

44 Pomiar temperatury Pomiar temperatury może być realizowany na wiele sposobów. W zależności od interakcji pomiędzy badanym obiektem pomiarowym a czujnikiem pomiarowym wyróżnić można: * pomiar dotykowy (kontaktowy) - czujnik (termometr) styka się z obiektem, którego temperaturę mierzymy * pomiar bezdotykowy (bezkontaktowy) - poprzez pomiar parametrów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez rozgrzane ciało np. długości fali, ilości emitowanej energii przez obiekt. pirometr

45 Wybrane temperatury przykład t [°C ] Zero bezwzględne -273,15
Palenisko na drewno 800 Skraplanie powietrza -192 Piec hutniczy 1600 Najniższa temp. na Ziemi -89,2 Włókno żarówki halogenowej 2900 Zestalony CO2 (suchy lód) -78 Jądro Ziemi 5000 Krzepnięcie wody 0,00 Powierzchnia Słońca 5500 Zdrowa kaczka 42,8 W piorunie 30000 Najwyższa temp. na Ziemi 57,8 Wybuch bomby atomowej Gorąca sauna 140 Wybuch supernowej Para w turbinie elektrowni 540 Wielki Wybuch

46 Przeliczanie jednostek temperatur: a) ze skali Kelvina na Celsjusza : t [°C ] = T [K] , np K, t [°C ] = (500 – 273,15 ) °C = 226,85 °C K, t [°C ] = (0 – 273,15 ) °C = – 273,15 °C b) ze skali Celsjusza na Kelvina: T[K] = t [°C ] + 273, np °C , T[K] = ( ,15 ) K = 373,15K °C, T[K] = ( ,15 ) K = 223,15K Czy wiesz że: W bardzo niskich temperaturach mogą zachodzić ciekawe zjawiska np: *nadprzewodnictwo –opór elektryczny niektórych substancji spada wtedy do zera; stosowane w bardzo silnych elektromagnesach, perspektywa przesyłania energii elektrycznej bez strat *nadciekłość – pojawia się wtedy zerowa lepkość cieczy co pozwala jej przepływać bez oporów przez najcieńsze kapilary

47 Przeliczanie jednostek temperatur :
a) ze skali Celsjusza na Fahrenheita: np. 0°C, 50°C, -100°C, b) ze skali Fahrenheita na Celsjusza: np. 32°F, 68°F, 212°F,

48 Podział termometrów ze względu na przeznaczenie
a)termometr meteorologiczny – jest to zespół dwóch termometrów, maksymalnego i minimalnego. b)termometr zaokienny – zakres temperatur: od −50 do 50 °C; c)termometr pokojowy – zakres temperatur: od 0 do 40 °C; d)termometr laboratoryjny – zakres temperatur bardzo różny (zazwyczaj od 0 do 150 °C). e)termometr lekarski – zakres temperatur: od 35 do 42 °C. Jego odmianą jest termometr owulacyjny. Są to termometry temperatury maksymalnej.

49 Podział termometrów ze względu na zasadę działania
1).Termometr cieczowy wykorzystuje zjawisko rozszerzalności cieplnej cieczy Termometr rtęciowy – dla temperatur od −38°C do +356°C termometr alkoholowy – dla temperatur od −70°C do +120 °C np. termometr pokojowy) 2).Termometr bimetalowy w którym wykorzystuje się różnice w rozszerzalności cieplnej dwóch metali (zakres: od -100°C do +600°C). 3).Termometr gazowy czynnikiem roboczym jest gaz (zakres: od1K do 2000°C)

50 5).Termometr radiacyjny
4).Termometr parowy wykorzystuje zależność ciśnienia pary nasyconej od temperatury, stosowany w termostatach np. samochodowych. 5).Termometr radiacyjny działa na zasadzie pomiaru promieniowania emitowanego przez ciała np. pirometr lub kamera termowizyjna (zakres: od 600°C do 10000°C) 6)Termometr magnetyczny (paramagnetyczny) – do pomiaru temperatur mniejszych niż 1 kelwin

51 7).Termometr elektryczny
wykorzystuje wpływ temperatury na właściwości elektryczne materiałów wykorzystywanych do budowy czujników np. termistor, termometr oporowy (zakres: od 10K do 1500°C) 9).Termopara – termometr wykorzystujący zmianę różnicy potencjałów na stykach różnych materiałów wraz z temperaturą; termometr półprzewodnikowy (zakres: od -200°C do 1600°C) 8).Termometr oporowy wykorzystujący zmianę oporu elektrycznego wraz z temperaturą. Materiały stosowane w tego typu czujnikach: platyna, brąz , półprzewodniki, specjalne stopy.

52 6). ROZWIĄZUJEMY ZADANIA

53 Zadania problemowe Zadanie 1 Zadanie 2
Dwa termometry rtęciowe mają jednakowe zbiorniczki z rtęcią. Pierwszy z nich ma większą, a drugi mniejszą średnicę wewnętrzną rurki. Którym z termometrów możemy mierzyć temperaturę z większą dokładnością i dlaczego? Odp. Termometr z mniejszą średnicą wewnętrzną rurki będzie mierzył z większą dokładnością, ponieważ zmiana temperatury np. o1°C spowoduje większe wydłużenie słupka rtęci. Na skali mogą być zaznaczone mniejsze części jednostki temperatury (stopnia). Zadanie 2 Kiedy koła wagonów na stykach szyn stukają głośniej – latem czy zimą? Odp. Zimą koła stukają głośniej, ponieważ wówczas odstępy między szynami są większe niż latem.

54 Zadanie 3 Dlaczego rozgrzana szklanka pęka gdy nalejemy do niej zimnej wody? Odp. Wlanie do rozgrzanej szklanki zimnej wody powoduje, ze temperatura wewnętrznej części szklanki staje się znacznie niższa od temperatury części zewnętrznej. Część wewnętrzna szklanki bardziej się kurczy niż zewnętrzna i to powoduje, że szklanka pęka. Zadanie 4 Masz kłopot z odkręceniem metalowej nakrętki na butelce? Zanurz nakrętkę wraz z górną częścią butelki w gorącej wodzie a po chwili ją otworzysz. Wyjaśnij dlaczego tak się stało. Odp. Wraz ze wzrostem temperatury metalowa nakrętka rozszerzy się i łatwo ją wtedy odkręcić. Natomiast słoiki z przetworami zamyka się na „gorąco”, bo w czasie stygnięcia pokrywka kurczy się i szczelnie zamyka słoik(dodatkowo pod pokrywką maleje ciśnienie)

55 Zadania rachunkowe Zadanie 1
Drut aluminiowy o długości 2m po ogrzaniu o 100°C wydłużył się o 46mm. O ile wydłużyło się 10 centymetrów tego drutu? Dane : Rozwiązanie: ponieważ: to możemy zapisać proporcję: Szukane: Odp. 10 tego drutu wydłużyło się o 2,3 mm. Odp. 10 m tego drutu wydłużyło się o 23 m.

56 Zadanie 2 Drut miedziany o długości 1m po ogrzaniu 100°C wydłużył się o 1,6 mm. Ile wynosić będzie długość tego drutu po ogrzaniu o 300°C? Dane: Rozwiązanie: Układamy proporcję: Szukane: Odp. Długość drutu po ogrzaniu o 300°C wynosi 100,48cm.

57 Zadanie 3 Odp. Stosunek przekrojów rurek wynosił 4, zaś ich średnic 2.
Butelkę o pojemności 1 litr i butelkę o pojemności 0,25 litra napełniono wodą i zamknięto korkami z rurkami. Rurki mają różne przekroje. Obie butelki ogrzano do tej samej temperatury i woda w obu rurkach podniosła się na jednakową wysokość „h”. Oblicz stosunek przekrojów rurek i ich średnic. Dane: Rozwiązanie: V1 = 1 l zmiana objętości przy ogrzewaniu zależy od objętości cieczy w naczyniu: ΔV ̴ V V2 = 0,25 l a) b). Szukane: a). S1 / S2 = ? b). d1 / d2 = ? Odp. Stosunek przekrojów rurek wynosił 4, zaś ich średnic 2. ̴

58 Zadanie 4 Długość pręta w temperaturze 0˚C wynosi 5 m, zaś w temperaturze 100˚C wynosi 5,01m. Gdy pręt podgrzano do temperatury t2, to jego długość wzrosła do 5,06m. Oblicz: a) współczynnik rozszerzalności liniowej „α” b) temperaturę „t2” Dane: Rozwiązanie: a) b). Szukane: a). b). Odp. Współczynnik rozszerzalności liniowej to , zaś temperatura

59 7). NASZE PLANSZE „ZJAWISKA CIEPLNE”

60 Prezentujemy wiedzę o zjawiskach cieplnych na planszach

61 Prezentujemy nasze prace

62 Prezentujemy nasze prace

63 Prezentujemy nasze prace

64 Prezentujemy nasze prace

65 Prezentujemy nasze prace

66 8). Doświadczenia

67 „Badamy rozszerzalność cieplną ciał stałych”
Doświadczenie 1 „Badamy rozszerzalność cieplną ciał stałych” Środki: pierścień Gravesanda, świeca, zapałki INSTRUKCJA : 1). Sprawdź czy kulka przechodzi przez otwór pierścienia 2). Podgrzej kulkę i sprawdź czy przechodzi przez ten otwór 3). Ogrzej pierścień i sprawdź czy teraz kulka przejdzie przez niego 4). Zapisz obserwacje i wnioski. OBSERWACJE: 1).Gdy nie zmieniamy temperatury, to kulka swobodnie przechodzi przez otwór pierścienia. 2).Kulka ogrzana w płomieniu świecy nie przejdzie przez ten otwór. 3).Po ogrzania otworu pierścienia, kulka przechodzi przez otwór. WNIOSKI: Pod wpływem zmiany temperatury ciała stałe zmieniają swoje rozmiary: gdy temperatura rośnie to rośnie objętość ciała, natomiast jego ochłodzenie powoduje zmniejszenie objętości do poprzedniej.

68 „Badamy zależność zmiany rozmiarów liniowych ciał
Doświadczenie 2 „Badamy zależność zmiany rozmiarów liniowych ciał od ich rodzaju pod wpływem temperatury” Środki: dylatometry, denaturat, stoper, zapałki INSTRUKCJA : 1). Nalej denaturat do rynienki dylatometru 2). Podpal denaturat pod prętami 3). Obserwuj do jakiej wysokości podniosą się wskazówki 4). Zmierz czas gdy wskazówki wskażą odchylenie 1,2,3,4,5. 5). Wyniki pomiarów wpisz do tabeli 6). Zapisz obserwacje i wnioski OBSERWACJE: 1).Podczas jednoczesnego ogrzewania różnych prętów obserwowano podnoszenie się wskazówek przy każdym z nich. 2).W wyniku ogrzewania tych prętów, tempo podnoszenia się wskazówek było nierównomierne: niebieska szybciej niż czerwona.

69 Tabela wyników Wskazanie dylatometru: Ilość kresek Czas [ s] Wskazówka niebieska Wskazówka czerwona 1 19,4 24,8 2 35,1 52,1 3 57,5 80,1 4 74,7 110,7 5 89,7 --- 6 105,7 Wskazówka czerwona: stal Wskazówka niebieska: miedź WNIOSKI: Pod wpływem wzrostu temperatury zwiększa się długość ciał stałych. Różne ciała rozszerzają się różnie przy tej samej zmianie temperatury. Wynika z tego, że rozszerzalność cieplna ciał zależy od rodzaju substancji, z której to ciało jest zbudowane.

70 „Badamy rozszerzalność cieplną ciał na przykładzie bimetalu”
Doświadczenie 3 „Badamy rozszerzalność cieplną ciał na przykładzie bimetalu” Środki: bimetal, palnik , zapałki, zimna woda INSTRUKCJA : 1). Nalej denaturatu do palnika 2). Ogrzewaj bimetal trzymając go nad płomieniem 3). Ochłodź bimetal w zimnej wodzie 4). Zapisz obserwacje i wnioski. OBSERWACJE: 1).Bimetal to dwie płytki z różnych metali połączone ze sobą. Po ogrzaniu nastąpiło ich wygięcie do góry. 2).Ochładzając bimetal poprzez zanurzenie go do zimnej wody, powodujemy powrót do kształtu poprzedniego. WNIOSKI: Płytki wchodzące w skład bimetalu znacznie różnią się rozszerzalnością liniową. Po ogrzaniu dolna płytka bardziej się rozszerzyła niż górna i dlatego taśma bimetalu wygięła się do góry. To wygięcie bimetalu świadczy o różnej rozszerzalności liniowej metali. Chłodzenie powoduje powrót metali do poprzedniej długości.

71 „Badamy jak zmieni się objętość cieczy przy podgrzaniu”
Doświadczenie 4 „Badamy jak zmieni się objętość cieczy przy podgrzaniu” Środki: kolba z cienką rurką, zabarwiona woda, denaturat, płyn do naczyń, 3 zlewki, czajnik INSTRUKCJA : 1). Zmierz temperaturę cieczy 2). Zaznacz mazakiem poziom cieczy w cienkich rurkach 3). Wstaw ciecze do zlewek z gorącą wodą na 2 min. 3). Obserwuj do jakiej wysokości podniesie się poziom cieczy 4). Zaznacz mazakiem nowy poziom cieczy w rurkach 5). Wyniki pomiarów wpisz do tabeli 6). Zapisz obserwacje i wnioski. OBSERWACJE: 1).Poziom cieczy w cienkich rurkach podnosi się. 2).Zmiana wysokości słupa różnych cieczy jest różna w tym samym czasie – najbardziej wzrósł poziom denaturatu.

72 Przyrost wysokości słupa cieczy
Tabela wyników Δt = t2 – t1 = 60˚C -24˚C = 36˚C ciecz Δt [˚C] Δh [cm] woda 36 2,0 płyn do naczyń 2,5 denaturat 9,5 Przyrost wysokości słupa cieczy 9,5cm WNIOSKI: Ten sam wzrost temperatury powoduje różny przyrost objętości różnych cieczy. Ciecze ulegają rozszerzalności cieplnej zależnej od rodzaju cieczy. 2,5cm 2cm

73 „Badamy rozszerzalność temperaturową gazów”
Doświadczenie 5 „Badamy rozszerzalność temperaturową gazów” Środki: piłeczka pingpongowa, zlewka, gorąca woda INSTRUKCJA : 1). Lekko zgnieć piłeczkę pingpongową 2). Nalej gorącej wody do zlewki 3). Zanurz piłeczkę w wodzie 4). Zapisz obserwacje i wnioski. OBSERWACJE: Gdy wrzuciliśmy zgniecioną piłeczkę do gorącej wody, to po pewnym czasie zgniecenia nie dało się zauważyć. Piłeczka zmieniła kształt do poprzedniego („wyprostowała się”). WNIOSKI: 1).Wraz ze wzrostem temperatury powietrze zawarte w piłeczce zwiększyło swoją objętość w wyniku czego silniej naciskało na nią od wewnątrz – piłeczka „wyprostowała się”. 2).Powietrze, a także inne gazy, wraz ze wzrostem temperatury zwiększają swoją objętość – ulegają więc zjawisku rozszerzalności cieplnej.

74 „Badamy rozszerzalność temperaturową gazów”
Doświadczenie 6 „Badamy rozszerzalność temperaturową gazów” Środki: zlewka, guma balonika, naczynie z ciepłą wodą INSTRUKCJA : 1). Załóż na zlewkę gumę i szczelnie zawiąż nitką 2). Zanurz zlewkę w naczyniu z gorącą wodą 3). Obserwuj zachowanie gumowej błony 4). Zapisz obserwacje i wnioski. OBSERWACJE: Po umieszczeniu zlewki w gorącej wodzie obserwujemy odkształcenie – „wybrzuszenie” gumowej błony. Podczas ochładzania zlewki gumowa błona powraca do początkowego kształtu. WNIOSKI: 1). Ogrzane powietrze w zlewce zwiększa swoją objętość, zatem silniej naciska na ścianki zlewki oraz na gumową błonę powodując jej odkształcenie. 2).Ochłodzenie powietrza wywołuje zmniejszenie jego objętości, zatem błona wraca do kształtu poprzedniego. 3).Gazy ulegają zjawisku rozszerzalności cieplnej.

75 „Badamy rozszerzalność temperaturową powietrza”
Doświadczenie 7 „Badamy rozszerzalność temperaturową powietrza” Środki: butelka, moneta, naczynie z gorącą wodą INSTRUKCJA : 1). Zwilż brzeg szyjki butelki 2). Połóż na niej monetę 3). Zanurz butelkę do gorącej wody 4). Obserwuj zachowanie monety 5). Zapisz obserwacje i wnioski. OBSERWACJE: 1). Moneta po pewnym czasie lekko podnosi się do góry i po chwili opada na szyjkę butelki („podskakuje”). Ruch ten powtarza się w czasie ogrzewania butelki. Gdy nie podgrzewamy butelki moneta przestaje „podskakiwać”. WNIOSKI: 1). Ogrzane w butelce powietrze zwiększa swoją objętość wywierając większy nacisk na monetę. Moneta podnosząc się do góry wypuszcza część powietrza z butelki, nacisk maleje i moneta opada. Cykl powtarza się – moneta „podskakuje”. 2). Doświadczenie potwierdza rozszerzalność objętościową powietrza pod wpływem zmian temperatury.

76 Środki: butelka plastikowa, suszarka do włosów, naczynie z wodą
Doświadczenie 8 „Badamy rozszerzalność temperaturową powietrza” Środki: butelka plastikowa, suszarka do włosów, naczynie z wodą INSTRUKCJA : 1). Zanurz pustą butelkę do wody dnem do góry 2). Suszarką ogrzewaj równomiernie butelkę 3). Obserwuj wylot butelki 4). Wyłącz suszarkę i dalej obserwuj wylot butelki 5). Zapisz obserwacje i wnioski. OBSERWACJE: 1). podczas ogrzewania butelki w wodzie pojawiają się pęcherzyki powietrza wydobywające się z jej wnętrza. 2). Gdy przestajemy ogrzewać butelkę, to do jej wnętrza wchodzi woda. WNIOSKI: 1). Pod wpływem wzrostu temperatury, powietrze zwiększa objętość i wychodzi z butelki na skutek zwiększenia w niej ciśnienia. 2). Po oziębieniu, objętość powietrza w butelce maleje, a wolną przestrzeń zajmuje woda wpychana przez ciśnienie atmosferyczne. 3). Powietrze ulega zjawisku rozszerzalności cieplnej.

77 „Badamy zawodność wrażeń dotykowych w ocenie stanu cieplnego ciał”
Doświadczenie 9 „Badamy zawodność wrażeń dotykowych w ocenie stanu cieplnego ciał” Środki: 3 szerokie naczynia, ręcznik, woda zimna letnia i gorąca INSTRUKCJA : 1). Nalej do 3 naczyń wodę: zimną, letnia i gorącą 2). Zanurz na 0,5 min. obie dłonie do naczynia z letnią wodą 3). Zanurz na 1min.dłonie w różnych naczyniach: prawą w zimnej zaś lewą w gorącej wodzie 4). Szybko wytrzyj ręce i zanurz obie w naczyniu z letnią wodą 5). Zapisz obserwacje i wnioski. OBSERWACJE: Wrażenie letniej wody dla każdej dłoni w ostatniej fazie doświadczenia jest inne: 1). w dłoni prawej – odczuwamy ciepło 2). w dłoni lewej – odczuwamy zimno. WNIOSKI: Wrażenia cieplne są często subiektywne i zwodne. Zależą do otoczenia w którym poprzednio znajdowało się ciało.

78 Posumowanie projektu Realizując projekt pt. „ rozszerzalność cieplna ciał ” zrealizowaliśmy zamierzone cele. Opracowaliśmy materiały związane z tematem i przedstawiliśmy je w różny sposób: w postaci plansz, rysunków, opisów, tabel, wykresów, zdjęć a także ciekawostek. Przygotowaliśmy instrukcje do ćwiczeń i przeprowadziliśmy dużo różnych doświadczeń zapisując obserwacje i wnioski. Przedstawiliśmy w ciekawy sposób przykłady wykorzystania zjawiska rozszerzalności. Umieściliśmy także krótki tekst o konwekcji przetłumaczony przez nas na język niemiecki i angielski. Wybraliśmy i rozwiązaliśmy różne zadania rachunkowe i problemowe związane z tematem naszej prezentacji. Przedstawiliśmy sylwetki uczonych zajmujących się zagadnieniami termodynamiki. Zdobyliśmy wiedzę oraz umiejętności wykraczające poza zakres podstawy programowej.

79 bibliografia 1). Romuald Subieta: Zbiór zadań Fizyka
2). Zasoby Internetu : html&former_url=http%3A%2F%2Fwww.fizyka.net.pl%2Fciekawe_pytania%2Fcieplo.html 3).Gustaw Gębura, Romuald Subieta: Metodyka Eksperymentu Fizycznego 4).Michał Halaunbrenner: Ćwiczenia Praktyczne z Fizyki 5).Wydawnictwo „Wiedza Powszechna”: Słownik Fizyczny 6) Wydawnictwo „Zamkor”: Świat Fizyki 1

80 Dziękujemy za uwagę! Zespół Szkół nr 1 w Szczecinie ID: 98/60_MF_G1
Gimnazjum nr 1 Szamotuły ID: 98/19_MF_G1

81