Rozszerzalność temperaturowa substancji

Czy potrafisz wyjaśnić, czemu zimą mogą zdarzyć się pęknięcia szyn kolejowych, 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?

R12HtncJsIFYC

Na fotografii widać trzynaście kolorowych balonów z koszami pasażerskimi, wzniesionych w powietrze. — Balony unoszą się, ponieważ gorące powietrze jest lżejsze
Źródło: Tomas Castelazo, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:

jakie wyróżniamy stany skupienia;
jak zachowują się cząsteczki wraz ze wzrostem temperatury.

Twoje cele

Wyjaśnisz zjawisko rozszerzalności temperaturowej ciał stałych, cieczy i gazów.
Przedstawisz przykłady praktycznego wykorzystania zjawiska rozszerzalności temperaturowej w życiu codziennym.
Przeanalizujesz rozszerzalność cieplną wody.

iayixW4w4B_d5e152

1. Przedmioty zmieniają wielkość

Wiesz już, że wszystko, co nas otacza, zbudowane jest z cząsteczek, które budują dane ciało. 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, cząsteczki będą poruszać się coraz szybciej. Gdy rośnie ich prędkość, zwiększają się odległości między nimi. Można powiedzieć, że cząsteczki 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 temperaturowąrozszerzalność temperaturowarozszerzalnością temperaturową lub cieplnąrozszerzalność cieplnacieplną ciał.

R1IPybbWbK7Ag

Powietrze, jak każda substancja, zmienia objętość wraz ze wzrostem temperatury
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., tylko do użytku edukacyjnego na zpe.gov.pl.

Rozszerzalność temperaturowa gazów

Doświadczenie 1

Jak można naprawić piłeczkę do tenisa stołowego („ping‑pong”)?
Hipoteza: Piłeczkę do tenisa stołowego można naprawić za pomocą wysokiej temperatury.

Co będzie potrzebne

piłeczka do tenisa stołowego („ping‑pong”),
naczynie żaroodporne.

Instrukcja

Weź do ręki piłeczkę i lekko ją zgnieć, aby powstało niewielkie wgłębienie.
Wlej do naczynia gorącą wodę.
Wrzuć piłeczkę do wrzątku. Co obserwujesz?

Podsumowanie

Wgniecenie znika. Piłeczka do tenisa stołowego jest wypełniona powietrzem. Jeśli się ją rozgrzeje, to objętość powietrza wzrośnie i zacznie naciskać na ściany piłeczki.

iayixW4w4B_d5e229

2. Rozszerzalność temperaturowa gazów

Zjawisko rozszerzalności temperaturowej jest najbardziej widoczne w gazach. Wynika to z ich budowy - cząsteczki, które je tworzą, poruszają się z dużą prędkością przy wyższej temperaturze. Dalszy wzrost temperatury jeszcze bardziej ten ruch przyspiesza, zwiększając odległości między cząsteczkami.

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.

RZJ4aeAKRb3d4

Kiedy pilot balonu chce wznieść się wyżej, włącza palnik – płomień ogrzewa powietrze wypełniające balon. Gorące powietrze jest lżejsze i unosi się wraz z balonem

Źródło: Alexander Grebenkov, Wikimedia Commons, licencja: CC BY 3.0.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RZJ4aeAKRb3d4

Kiedy pilot balonu chce wznieść się wyżej, włącza palnik – płomień ogrzewa powietrze wypełniające balon. Gorące powietrze jest lżejsze i unosi się wraz z balonem

Źródło: Alexander Grebenkov, Wikimedia Commons, licencja: CC BY 3.0.

Film przedstawia przygotowanie balonu do lotu.

iayixW4w4B_d5e271

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.

R19XMNlZaSaX4

Zjawisko rozszerzalności cieplnej ma zastosowanie w termometrze
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., tylko do użytku edukacyjnego na zpe.gov.pl.

iayixW4w4B_d5e304

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.

Rozszerzalność cieplna ciał stałych1

Doświadczenie 2

Jak temperatura wpływa na objętość ciał stałych?
Hipoteza: Wysoka temperatura zmienia kształt monety.

Co będzie potrzebne

deska,
dwa gwoździe,
szczypce,
świeca,
moneta.

Instrukcja

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?

Podsumowanie

Jeśli moneta nie mieści się między gwoździami, to znaczy, że musiała zwiększyć objętość pod wpływem ciepła.

ROBANHN5VmEsD

Rozszerzalność cieplna monety
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., tylko do użytku edukacyjnego na zpe.gov.pl.

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.

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.

Jak inżynierowie radzą sobie z rozszerzalnością cieplną?

RAqRCW2ePio7N

Ilustracja przedstawia sieć wysokiego napięcia latem – widać, że przewody elektryczne luźno zwisają pomiędzy kolejnymi słupami. — Latem przewody wiszą luźno, bo pod wpływem wysokiej temperatury zwiększa się ich długość
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

RWwgVZsb1zDqN

Ilustracja przedstawia sieć wysokiego napięcia zimą – widać, że przewody są napięte. — Zimą przewody są napięte, ponieważ ich długość zmniejsza się pod wpływem niskiej temperatury
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0.

RaDVERalyVf0T

Fotografia przedstawia przerwy dylatacyjne w szynach kolejowych latem i zimą. Zimą szpary są szersze, gdyż metal zmniejsza swoją objętość. Latem szyny przylegają do siebie. — Przerwy dylatacyjne w szynach kolejowych. Zimą szpary są szersze, gdyż metal zmniejsza swoją objętość. Latem szyny przylegają do siebie
Źródło: Biró Patrik Ferenc, R.D. - Rolf-Dresden, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 4.0.

RYJV9V3mwdfJ9

Fotografia przedstawia przerwy dylatacyjne w moście latem i zimą. Latem przerwy są mniejsze niż zimą, ponieważ metal pod wpływem ciepła zwiększa swoją objętość. — Przerwy dylatacyjne w mostach zapobiegają ich uszkodzeniu
Źródło: Roulex_45, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

RwLhkjupYOjhU

Fotografia przedstawia budowę domu. W tle widać piętrowy budynek powstający z szarych cegieł. Obok stoi samochód dostawczy. Na pierwszym planie widać mężczyznę nabierającego łopatą piach z dużej sterty. — Budując domy, należy stosować materiały o podobnej rozszerzalności temperaturowej. W przeciwnym razie jeden z materiałów, który nadmiernie zmieni objętość, może doprowadzić do pęknięcia ścian i podłóg, a nawet zawalenia się domu
Źródło: Haithem Elgasi, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 4.0.

iayixW4w4B_d5e400

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.

Przyczyny i skutki wyjątkowej rozszerzalności cieplnej wody

RItZnlewvg9uw

Fotografia przedstawia pękniętą szklaną butelkę, rozsadzoną przez zamarzniętą ciecz. — Butelka pękła, ponieważ zawarta w niej ciecz zamarzła i zwiększyła swoją objętość
Źródło: baronsquirrel, Flickr, licencja: CC BY 2.0.

R157dA2iQR31Q

Fotografia przedstawia podziurawiony asfalt. — Woda deszczowa wpływa do szczelin w nawierzchni jezdni. Podczas mrozu zwiększa swoją objętość , a tym samym powoduje pęknięcia oraz rozkruszanie powierzchni, co skutkuje dziurami w drodze
Źródło: Editor5807, Wikimedia Commons, licencja: CC BY 3.0.

R17MFOFCmjrwL

Fotografia przedstawia krę unoszącą się na wodzie. — Lód jest lżejszy od wody w postaci cieczy, więc unosi się na jej powierzchni
Źródło: Jason Auch, Wikimedia Commons, licencja: CC BY 2.0.

R1MvzrvvYyQeT

Fotografia przedstawia pokruszone na drobne odłamki skały. — Kamienie powstają, gdy w szczeliny w skale wnika woda, która następnie zamarza i je rozsadza
Źródło: BenFrantzDale, Wikimedia Commons, licencja: CC BY-SA 4.0.

iayixW4w4B_d5e436

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.

R1ZTlHsxmMJ9g

Naprężenie wewnętrzne prowadzi do pęknięcia szklanki
Źródło: Tomorrow Sp. z o.o., tylko do użytku edukacyjnego na zpe.gov.pl.

iayixW4w4B_d5e470

Podsumowanie

Rozszerzalność cieplna (temperaturowa) to zmiana objętości ciał na skutek zmiany ich temperatury.
Rozszerzalność cieplna ciał związana jest ze zwiększoną szybkością ruchu cząsteczek 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.

Praca domowa

Polecenie 1

Podaj inne niż wymienione w rozdziale przykłady praktycznego wykorzystania rozszerzalności ciał stałych, cieczy i gazów.

Rv2X5XoBfNNBH

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Polecenie 2

Podaj przykłady sytuacji, w których rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy i gazów przeszkadza nam w życiu codziennym.

RICsOlCon0eKU

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

iayixW4w4B_d5e547

Słownik

rozszerzalność cieplna

zmiana objętości ciała na skutek zmiany jego temperatury

rozszerzalność temperaturowa

patrz rozszerzalność cieplna

wyjątkowa rozszerzalność temperaturowa wody

zmniejszanie objętości wody na skutek zwiększania jej temperatury w przedziale między 0–4 °C

iayixW4w4B_d5e620

Zadania

Pokaż ćwiczenia:

Ćwiczenie 1

RXXCre52jKkhl1

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.	□	□

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 2

RfXtAqf2uUslm1

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.

Źródło: Anna Florek, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 3

R1U5VamBQF9MJ1

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.

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 4

R15uz8fPvNCvZ1

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.	□	□

Źródło: Anna Florek, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 5

RFWgp8bJR0Exp1

Dokończ zdanie.
Zjawisko zmian wymiarów ciał pod wpływem zmian temperatury nazywa się

rozszerzalnością temperaturową.
rozszerzalnością cieplną.
zmiennością temperaturową.
zmiennością objętościową.
rozszerzalnością objętościową.
kurczliwością cieplną.

Źródło: Anna Florek, licencja: CC BY 3.0.

Ćwiczenie 6

RsM9wEJztEH8U1

Wybierz prawidłowe uzupełnienie zdania.

wykazują rozszerzalność cieplną, ale nie bardzo dużą., wykazują największą rozszerzalność cieplną., wykazują najmniejszą rozszerzalność cieplną.

Gazy
Ciecze
Ciała stałe

Źródło: Anna Florek, licencja: CC BY 3.0.

Notatnik

RydYCwmMN8aGf

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.