Rozszerzalność temperaturowa substancji
Czy potrafisz wyjaśnić, czemu zimą czasami pękają szyny kolejowe, a w drogach robią się dziury? Albo dlaczego, jeśli na mrozie napompujesz balonik i wejdziesz z nim do ciepłego pokoju, balonik pęknie, mimo że nic go nie przebiło? Co stoi za tymi tajemniczymi zjawiskami?
że wyróżniamy trzy stany skupienia materii;
że drobiny poruszają się szybciej wraz ze wzrostem temperatury.
wyjaśniać zjawisko rozszerzalności temperaturowej ciał stałych, cieczy i gazów;
podawać przykłady rozszerzalności temperaturowej substancji znanych z życia codziennego;
wymieniać przykłady praktycznego wykorzystania zjawiska rozszerzalności temperaturowej;
omawiać wyjątkową rozszerzalność cieplną wody.
1. Przedmioty zmieniają wielkość
Wiesz już, że wszystko, co nas otacza, zbudowane jest z drobin. Są one w nieustannym ruchu. Im wyższa temperatura, tym szybciej się poruszają i tym większy jest zasięg ich ruchu. Gdy zaczniemy zwiększać temperaturę jakiegoś przedmiotu, drobiny będą poruszać się coraz szybciej. Gdy rośnie ich prędkość, zwiększają się odległości między nimi. Można powiedzieć, że drobiny rozpychają się i mają wokół siebie coraz więcej miejsca. Co się wtedy dzieje? Przedmiot zaczyna zwiększać rozmiary. Jeśli obniżymy temperaturę substancji, to cząsteczki zwolnią i zbliżą się do siebie, powodując zmniejszenie objętości. Zjawisko to nazywamy rozszerzalnością temperaturowąrozszerzalnością temperaturową lub cieplnącieplną ciał.
Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DBpBdpPJy
Film prezentuje zagadnienie rozszerzalności temperaturowej powietrza. Demonstrator stoi przy stole, na którym umieszczono: naczynie z gorącą wodą, naczynie z zimną wodą, butelkę szklaną i balonik. Demonstrator nakłada balonik na szyjkę butelki, po czym wkłada do naczynia z gorącą wodą, następnie przekłada butelkę do naczynia z zimną wodą. Balonik założony na butelkę zachowuje się inaczej w niskiej i inaczej w wysokiej temperaturze.
Naprawienie piłeczki pingpongowej.
piłeczka pingpongowa,
naczynie żaroodporne.
Weź do ręki piłeczkę i lekko ją zgnieć, aby powstało niewielkie wgłębienie.
Wlej do naczynia gorącą wodę.
Wrzuć piłeczkę do wrzątku. Co obserwujesz?
Piłeczka pingpongowa jest wypełniona powietrzem. Jeśli się je rozgrzeje, to jego objętość wzrośnie i zacznie naciskać na ściany piłeczki.
2. Rozszerzalność temperaturowa gazów
Zjawisko rozszerzalności temperaturowej jest najbardziej widoczne w gazach. Wynika to z ich budowy – drobiny, które je tworzą, poruszają się z dużą prędkością. Dalszy wzrost temperatury jeszcze bardziej ten ruch przyspiesza, zwiększając odległości między drobinami.
Gdy w zimny dzień napełniony gazem balonik wniesiemy do pomieszczenia, w którym jest ciepło, istnieje ryzyko, że ten pęknie. Dlaczego? Gaz zamknięty w balonie będzie się rozszerzał wraz ze zwiększaniem się jego temperatury. Jeżeli membrana balonika była już mocno napięta, to balonik może pęknąć.
W jaki sposób możemy wykorzystać zjawisko rozszerzalności temperaturowej gazów? Na przykład w lotach balonowych. Ogrzane powietrze zwiększa swoją objętość i jest lżejsze od otaczającego balon zimnego powietrza. Balon wypełniony mniejszą ilością ogrzanego powietrza jest lżejszy i się unosi.
Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DBpBdpPJy
Na filmie zaprezentowano duże pole, na którym znajduje się mnóstwo balonów. Podgrzane powietrze napełnia powłokę balonów. Jest gorące, a więc jako lżejsze unosi się wraz z balonem. W trakcie trwania filmu kilkanaście balonów wznosi się w powietrze.
3. Rozszerzalność temperaturowa cieczy
Ciecze również ulegają rozszerzalności cieplnej, chociaż w nieco mniejszym stopniu niż gazy. Aby się o tym przekonać, wystarczy spojrzeć na termometr cieczowy. Jest to chyba najbardziej znany przykład praktycznego wykorzystania tego zjawiska.
Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DBpBdpPJy
Animacja prezentująca praktyczne wykorzystanie zjawiska rozszerzalności cieplnej w termometrze. Pokazano termometr cieczowy, obok termometr elektroniczny. W termometrze cieczowym podświetlany jest zbiorniczek i rurka. Na termometrze elektronicznym temperatura rośnie, jednocześnie podnosi się poziom cieczy w termometrze cieczowym. Na termometrze elektronicznym temperatura spada, jednocześnie opada poziom cieczy w termometrze cieczowym.
4. Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych
Jak już wiesz, ciała stałe charakteryzują się określonym kształtem oraz tym, że trudno zmienić ich objętość. Czy to oznacza, że nie podlegają rozszerzalności temperaturowej? Przekonajmy się o tym, wykonując doświadczenie.
Zbadanie wpływu temperatury na objętość ciał stałych.
deska,
dwa gwoździe,
szczypce,
świeca,
moneta.
Poproś osobę dorosłą, by wbiła w deskę gwoździe w odległości równej szerokości monety. Moneta powinna dać się przesunąć między gwoździami.
Weź szczypce i uchwyć nimi monetę. Przytrzymaj ją nad płomieniem świecy przez minutę. Nie dotykaj monety – jest bardzo gorąca!
Nadal trzymając monetę w szczypcach, spróbuj przesunąć ją między gwoździami. Co się dzieje?
Jeśli moneta nie mieści się między gwoździami, to znaczy, że musiała zwiększyć objętość pod wpływem ciepła.
Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DBpBdpPJy
Film prezentuje zagadnienie rozszerzalności temperaturowej ciał stałych.
Ciała stałe zmieniają objętość pod wpływem zmiany ich temperatury. Zjawisko to jest znacznie bardziej widoczne w przypadku metali. W przedstawionej tabeli znajdziesz kilka przykładów, o ile zmieni się długość przedmiotów, które mierzą 1 m i są wykonane z różnych materiałów, jeśli podniesiemy temperaturę o 50°C.
Substancja (1 m długości) | Zmiana długości (mm) przy zmianie temperatury o 50°C |
Szyna wykonana ze stali | 0,6 |
Rurka wykonana z ołowiu | 6,0 |
Światłowód wykonany ze szkła kwarcowego | 0,02 |
Zjawisko rozszerzalności temperaturowej ma ogromny wpływ na nasze życie. Inżynierowie muszą je uwzględnić przy projektowaniu budowli oraz wszelkich wytworów metalowych: mostów, torów kolejowych czy przewodów wysokiego napięcia, a także metalowych konstrukcji niektórych budynków.
5. Wyjątkowa rozszerzalność temperaturowa wody
Jak ryby są w stanie przeżyć zimę w wodzie, skoro ona zamarza? Jest to możliwe dzięki wyjątkowej rozszerzalności cieplnej wodywyjątkowej rozszerzalności cieplnej wody. Schładzana początkowo zmniejsza objętość. Jednak po obniżeniu temperatury poniżej 4°C ponownie zwiększa objętość. Dlatego lód, jako że ma temperaturę poniżej 0°C, znajduje się na powierzchni, ale w głębi woda jest płynna i ryby mogą pływać.
6. Naprężenia wewnętrzne
Dlaczego szklanka napełniana gorącą wodą może pęknąć? Dzieje się tak na skutek nierównomiernego ogrzewania się szkła – wewnętrzna część szklanki ogrzewa się szybciej niż zewnętrzna. Tym samym wewnętrzna część rozszerza się szybciej niż zewnętrzna. Dochodzi wówczas do powstania naprężeń w szkle. Powodują one, że zewnętrzna część szklanki nie wytrzymuje i pęka.
Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DBpBdpPJy
Nagranie wideo prezentuje zagadnienie naprężeń wewnętrznych.
Podsumowanie
Rozszerzalność cieplna (temperaturowa) to zmiana objętości ciał na skutek zmiany ich temperatury.
Rozszerzalność cieplna ciał związana jest ze zwiększoną szybkością ruchu drobin wraz ze wzrostem temperatury.
Rozszerzalności cieplnej w największym stopniu podlegają gazy, ale zjawisko to występuje też w cieczach i ciałach stałych.
Zjawisko rozszerzalności cieplnej musi być brane pod uwagę przy projektowaniu budowli i urządzeń.
Podaj inne niż wymienione w rozdziale przykłady praktycznego wykorzystania rozszerzalności ciał stałych, cieczy i gazów.
Podaj przykłady sytuacji, w których rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy i gazów przeszkadza nam w życiu codziennym.
Zajrzyj do zagadnień pokrewnych:
Świat składa się z atomów
Dyfuzja
Mniejsze nie zawsze jest lżejsze!
Słowniczek
zmiana objętości ciała na skutek zmiany jego temperatury
patrz rozszerzalność cieplna
zmniejszanie objętości wody na skutek zwiększania jej temperatury w przedziale między 0–4°C
Zadania
Zdecyduj, czy przedstawione sformułowania są prawdziwe czy fałszywe.
| Prawda | Fałsz | |
| Wszystkie ciała zbudowane są z drobin znajdujących się w spoczynku. | □ | □ |
| Wraz ze zmianą temperatury zmieniają się średnie odległości między cząsteczkami. | □ | □ |
| Zmiana temperatury ciała skutkuje zmianą jego objętości. | □ | □ |
Wskaż prawidłowe zakończenie zdania.
Szklanka napełniona gorącą wodą pęka, ponieważ
- zewnętrzna część szklanki rozszerza się w mniejszym stopniu niż jej wewnętrzna część mająca kontakt z gorącą cieczą.
- zewnętrzna część szklanki rozszerza się w większym stopniu niż jej wewnętrzna część.
- cała szklanka rozszerza się zbyt szybko.
- gorąca woda rozszerza się i rozsadza szklankę.
Wybierz właściwe zdanie opisujące związek między temperaturą ciała a jego objętością.
- Im wyższa temperatura, tym większa objętość ciała.
- Im wyższa temperatura, tym mniejsze zmiany długości ciała.
- Zmiany długości ciał pod wpływem temperatury nie zależą od rodzaju substancji, z której wykonane jest ciało.
Zdecyduj, czy zdanie jest prawdziwe czy fałszywe.
| Prawda | Fałsz | |
| Rozszerzalność temperaturowa cieczy jest największa spośród wszystkich substancji. | □ | □ |
| Ciecze w mniejszym stopniu niż gazy zmieniają swoją objętość pod wpływem zmiany temperatury. | □ | □ |
| Fakt, że możemy ścisnąć balon, w którym zamknięte jest powietrze, dowodzi, że łatwo zmienić objętość gazu. | □ | □ |
Dokończ zdanie.
Zjawisko zmian wymiarów ciał pod wpływem zmian temperatury nazywa się
- rozszerzalnością temperaturową.
- rozszerzalnością cieplną.
- zmiennością temperaturową.
- zmiennością objętościową.
- rozszerzalnością objętościową.
- kurczliwością cieplną.
Wybierz prawidłowe uzupełnienie zdania.
wykazują największą rozszerzalność cieplną., wykazują rozszerzalność cieplną, ale nie bardzo dużą., wykazują najmniejszą rozszerzalność cieplną.
| Gazy | |
| Ciecze | |
| Ciała stałe |