Rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy i gazów. Nazwy szkół: Gimnazjum Towarzystwa Salezjańskiego oraz Gimnazjum nr 58 w Poznaniu ID grup: 98/84_MF_G2 oraz 98/62_MF_G2 Kompetencja: matematyczno-fizyczna Temat projektowy: Rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy i gazów. Semestr III /rok szkolny: 2010/2011

Spis treści: Na czym polega rozszerzalności termiczna? Rozszerzalność: liniowa ciał stałych oraz objętościowa ciał stałych cieczy i gazów Nasze doświadczenia Rozszerzalności termiczna ciał stałych, cieczy i gazów wokół nas Wykorzystanie zjawiska rozszerzalności termiczne ciał stałych, cieczy i gazów

Zjawisko rozszerzalności cieplnej Rozszerzalnością temperaturową (cieplną, termiczną) ciał nazywamy zjawisko zmiany objętości ciał wraz ze zmianami temperatury. Zjawisko to obserwujemy dla siał stałych, cieczy i gazów

Zjawisko rozszerzalności cieplnej Przy zwiększaniu temperatury ciała jego atomy i cząsteczki poruszają się szybciej i wykazują tendencję do oddalania się od siebie. Powoduje to rozszerzanie się ciał. Z nielicznymi wyjątkami, wszystkie ciała, niezależnie od stanu skupienia rozszerzają się przy ogrzewaniu i kurczą przy oziębianiu.

Rozszerzalność liniowa ciał stałych Zjawisko wzrostu długości ciała pod wpływem wzrostu temperatury nazywamy liniową rozszerzalnością temperaturową ciała stałego. Ogrzewany pręt się wydłuża, co powoduje podniesienie wskazówki dylatoskopu. Przed ogrzaniem pręta Po ogrzaniu pręta

Rozszerzalność liniowa ciał stałych Ilościowo rozszerzalność liniową ciał stałych charakteryzuje się podając dla danej substancji liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej α (podaje on o jaką część długości początkowej zwiększa się długość ciała stałego gdy temperatura wzrasta o 1°C).

Rozszerzalność objętościowa ciał stałych cieczy i gazów Objętość ciał stałych, cieczy i gazów zmienia się wraz ze zmianą temperatury. Przyrost objętości ciała ΔV, związany jest z jego ogrzaniem o Δ T, wynosi ΔV= λ V0 Δ T, gdzie Δ V=V-V0, V0-objętość początkowa, V-objętość po ogrzaniu, λ -współczynnik rozszerzalności objętościowej. Stąd: V=V0(1+ λ ΔT)

Z dużą dokładnością można przyjąć (dla ciał stałych), że występujący we wzorze współczynnik rozszerzalności objętościowej λ spełnia zależność λ =3 α , gdzie α jest współczynnikiem rozszerzalności liniowej ciał stałych.

Różne substancje ogrzane o tyle samo stopni zwiększają swoją objętość w różny sposób. O ile zwiększa swoją objętość 1dm3 cieczy przy wzroście temperatury o 1⁰C(od 20⁰C do 21⁰C)?

Anomalna rozszerzalność wody Woda powyżej 4°C zachowuje się jak każda inna ciecz, tzn. jej objętość rośnie (czyli gęstość maleje) ze wzrostem temperatury. W przedziale temperatur od 0°C do 4°C obserwujemy anomalną rozszerzalność wody. Jej objętość maleje, osiągając minimum przy 4°C

Nasze doświadczenia

Nasze doświadczenia

Nasze doświadczenia

Nasze doświadczenia

Nasze doświadczenia Po ogrzaniu słupek cieczy jest wyższy. Początkowo sięgał on do 2 czarnej kreski. Przed ogrzaniem zaznaczamy czarnym pisakiem poziom cieczy- 1 czarna kreska

Nasze doświadczenia Nakładamy balon na wylot butelki i podgrzewamy butelkę, a następnie ochładzamy. Wniosek: Gdy ogrzewamy butelkę, powietrze w środku zwiększa swoją objętość i balon „pompuje się”. Gdy ją ochładzamy powietrze zmniejsza swoją objętość i balon „więdnie”

Nasze doświadczenia: moneta i butelka Nakładamy monetę na szyjkę zwilżonej butelki i podgrzewamy butelkę rękoma Wniosek: Ogrzane powietrze w butelce na skutek rozszerzalności termicznej zwiększa swoją objętość, wypiera monetę do góry i wylatuje.

Przykłady rozszerzalności temperaturowej występujące wokół nas: 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, rynien plastikowych, a także w domu nocą, gdy temperatura spada.

Przykłady rozszerzalności temperaturowej występujące wokół nas: Rozszerzalność cieplna musi być brana pod uwagę przy projektowaniu różnych konstrukcji, maszyn i przyrządów. Dentysta używa do plombowania tylko takich materiałów, które mają taką samą rozszerzalność jak zęby. W budownictwie używa się stalowych prętów zbrojeniowych o takiej samej rozszerzalności jak beton.

Przykłady rozszerzalności temperaturowej występujący wokół nas: Napowietrzne przewody telefoniczne lub energetyczne są latem zawieszane luźno, aby się nie zerwały, kiedy będzie zimno i skurczą się. Linie energetyczne trakcji kolejowych i tramwajowych muszą być odpowiednio naciągnięte aby rozszerzalność nie zmieniała wysokości na której wiszą.

Przykłady rozszerzalności temperaturowej występujący wokół nas: Połączenia szyn kolejowych i stalowe konstrukcje mostów wymagają stosowania szczelin lub elementów dylatacyjnych.

Przykłady rozszerzalności temperaturowej występujący wokół nas: Stalowe przęsła mostu mogą być latem nawet o pół metra dłuższe niż zimą. Stosuje się wtedy stalowe "grzebienie", za których pomocą łączy się poszczególne części nawierzchni mostu. Nie przyczepia się też mostu sztywno do podłoża, lecz pod jednym z końców przęsła umieszcza stalowe walce, po których ten koniec może się toczyć. taki ruch umożliwiają przerwy dylatacyjne (dylatacja znaczy rozszerzanie).

Przykłady rozszerzalności temperaturowej ciał stałych wokół nas: Rozszerzalność temperaturowa może być przyczyną pękania powierzchni klejonych, gdy współczynniki rozszerzalności klejonych obiektów i spoiny klejowej różnią się zbytnio, a klej nie jest elastyczny.

Przykład rozszerzalności temperaturowej występujący wokół nas: Zimą zbiornik wody, którego temperatura początkowa była wyższa niż 4 °C ochładza się. Zimna woda wędruje w dół zbiornika, a na górę wypływa cieplejsza. Tak jest do temp. 4°C. Od tego momentu ochłodzona poniżej 4 °C woda pozostaje na powierzchni (jej gęstość jest bowiem mniejsza od gęstości wody przy temp. 4 °C). W ten sposób na dnie zbiornika znajduje się woda o temp. 4 °C i ryby mogą przetrwać zimę.

Przykłady rozszerzalności temperaturowej występujący wokół nas: Linie ciepłownicze doprowadzające wodę na powierzchni ziemi nie są proste. Wykonuje się specjalnie kolana. Gdy rury rozszerzają się lub kurczą to zmieniają swoje rozmiary i przesuwają się na zagięciach i nie następuje ich wyginanie lub pękanie.

Wykorzystanie zjawiska rozszerzalności cieplnej ciał stałych Współczynnik rozszerzalności cieplnej może mieć różną wartość. Jeżeli złączymy dwa paski metalowe o różnych współczynnikach rozszerzalności np. z mosiądzu i żelaza, to w wyniku niejednakowego wydłużenia tych pasków przy zmianie temperatury układ się wygina. Taki układ nazywa się bimetalem.

Nasze doświadczenia

Nasze doświadczenia

Wykorzystanie zjawiska rozszerzalności cieplnej ciał stałych Taśma bimetalowa jest wykorzystywana w różnego rodzaju urządzeniach. Wykorzystuje się ją do produkcji czujników automatycznego regulowania temperatury. Czujniki te stosuje się między innymi w pralkach, lodówkach, żelazkach, kuchenkach elektrycznych. W piecykach gazowych czujnik odcina dopływ gazu gdy zgaśnie świeczka.

Wykorzystanie rozszerzalności temperaturowej ciał stałych Czujnik automatycznego regulowania w żelazku Czujnik wyłącza prąd w grzejniku żelazka, gdy jego temperatura osiągnie zadaną wartość. Gdy bimetaliczny pasek nagrzeje się, jego wygięcie sprawi, że obwód elektryczny zostanie przerwany. Po krótkim czasie, gdy pasek ostygnie obwód zostanie zamknięty i grzałka ponownie rozgrzeje żelazko.

Wykorzystanie rozszerzalności temperaturowej ciał stałych Wieczko metalowe na słoiku z dżemem łatwiej jest otworzyć po podgrzaniu w gorącej wodzie.

Wykorzystanie rozszerzalności temperaturowej cieczy W termometrze znajduje się substancja zwiększająca swoją objętość pod wpływem temperatury (np. rtęć lub alkohol)

Wykorzystanie rozszerzalności termicznej cieczy i gazów Ogrzewanie cieczy lub gazu prowadzi do wzrostu objętości, co przy stałej masie powoduje zmniejszenie gęstości. Ogrzana ciecz (gaz) wypływa do góry, a jej miejsce zajmuje chłodna o większej gęstości. Tworzą się prądy konwekcyjne. Ruch taki wykorzystuje się w centralnym ogrzewaniu w domkach jednorodzinnych. Ciepła ciecz wędruje przewodami ku górze przenosząc ciepło, a zimna spływa w dół do kotła. Ponownie ogrzewa się i cykl się powtarza.

Wykorzystanie rozszerzalności termicznej gazów Balony unoszą się dzięki ciepłemu powietrzu, które podgrzane zmniejsza swoją gęstość. Zgodnie z prawem Archimedesa balon unosi się do góry Ogrzane powietrze tworzy silne prądy wznoszące wykorzystywane przez pilotów latających na szybowcach

Źródła informacji „Fizyka wokół nas” - Paul G. Hewitt „Świat fizyki” – podręcznik dla gimnazjum, wyd. Zamkor Strony internetowe: www.fizyka. net.pl www. wikipedia.org http://vmc.org.pl http://bobis.republika.pl http://www.edupedia.pl