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
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
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
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
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
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
RWwgVZsb1zDqN
RaDVERalyVf0T
RYJV9V3mwdfJ9
RwLhkjupYOjhU
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 wodywyjątkowa rozszerzalność temperaturowa 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
R157dA2iQR31Q
R17MFOFCmjrwL
R1MvzrvvYyQeT
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
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
1
Polecenie 1
Podaj inne niż wymienione w rozdziale przykłady praktycznego wykorzystania rozszerzalności ciał stałych, cieczy i gazów.
Rv2X5XoBfNNBH
Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych to zjawisko polegające na zmianie objętości ciała wraz ze zmianą jego temperatury
szczeliny w betonowej drodze, które mają na celu eliminację bądź kontrolę pęknięć, powodowanych skurczem lub rozszerzaniem płyt betonowych pod wpływem zmian temperatury
termostaty w urządzeniach elektrycznych np. w żelazkach.
linie ciepłownicze i inne rurociągi napowietrzne wymagają stosowania specjalnych „kolanek” kompensujących wpływ zmian temperatury.
1
Polecenie 2
Podaj przykłady sytuacji, w których rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy i gazów przeszkadza nam w życiu codziennym.
RICsOlCon0eKU
Przypomnij sobie, na czym polega rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy i gazów.
Zmiana długości kabli komunikacyjnych, znajdujących się na zewnątrz, która może być przyczyną zakłóceń na linii.
Konieczność tworzenia szczelin dylatacyjnych na mostach.
Potrzeba tworzenia przerw między łączeniami torów, płyt betonowych.
Konieczność regulacji napięcia strun instrumentów muzycznych w trakcie koncertów z powodu „termicznego” rozstrojenia.
iayixW4w4B_d5e547
Słownik
rozszerzalność cieplna
rozszerzalność cieplna
zmiana objętości ciała na skutek zmiany jego temperatury
rozszerzalność temperaturowa
rozszerzalność temperaturowa
patrz rozszerzalność cieplna
wyjątkowa rozszerzalność temperaturowa wody
wyjątkowa rozszerzalność temperaturowa wody
zmniejszanie objętości wody na skutek zwiększania jej temperatury w przedziale między 0–4 °C
iayixW4w4B_d5e620
Zadania
1
Pokaż ćwiczenia:
11
Ćwiczenie 1
RXXCre52jKkhl1
Łączenie par. Zdecyduj, czy przedstawione sformułowania są prawdziwe czy fałszywe.. Wszystkie ciała zbudowane są z cząsteczek znajdujących się w spoczynku.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Wraz ze zmianą temperatury zmieniają się średnie odległości między cząsteczkami.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Zmiana temperatury ciała skutkuje zmianą jego objętości.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Łączenie par. Zdecyduj, czy przedstawione sformułowania są prawdziwe czy fałszywe.. Wszystkie ciała zbudowane są z cząsteczek znajdujących się w spoczynku.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Wraz ze zmianą temperatury zmieniają się średnie odległości między cząsteczkami.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Zmiana temperatury ciała skutkuje zmianą jego objętości.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
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.
1
Ćwiczenie 2
RfXtAqf2uUslm1
2
Ćwiczenie 3
R1U5VamBQF9MJ1
2
Ćwiczenie 4
R15uz8fPvNCvZ1
Łączenie par. Zdecyduj, czy zdanie jest prawdziwe czy fałszywe.. Rozszerzalność temperaturowa cieczy jest największa spośród wszystkich substancji.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciecze w mniejszym stopniu niż gazy zmieniają swoją objętość pod wpływem zmiany temperatury.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Fakt, że możemy ścisnąć balon, w którym zamknięte jest powietrze, dowodzi, że łatwo zmienić objętość gazu.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
Łączenie par. Zdecyduj, czy zdanie jest prawdziwe czy fałszywe.. Rozszerzalność temperaturowa cieczy jest największa spośród wszystkich substancji.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciecze w mniejszym stopniu niż gazy zmieniają swoją objętość pod wpływem zmiany temperatury.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Fakt, że możemy ścisnąć balon, w którym zamknięte jest powietrze, dowodzi, że łatwo zmienić objętość gazu.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz
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.
2
Ćwiczenie 5
RFWgp8bJR0Exp1
2
Ćwiczenie 6
RsM9wEJztEH8U1
Wybierz prawidłowe uzupełnienie zdania. Gazy Możliwe odpowiedzi: 1. wykazują największą rozszerzalność cieplną., 2. wykazują najmniejszą rozszerzalność cieplną., 3. wykazują rozszerzalność cieplną o wielkości pośredniej między dwiema pozostałymi. Ciecze Możliwe odpowiedzi: 1. wykazują największą rozszerzalność cieplną., 2. wykazują najmniejszą rozszerzalność cieplną., 3. wykazują rozszerzalność cieplną o wielkości pośredniej między dwiema pozostałymi. Ciała stałe Możliwe odpowiedzi: 1. wykazują największą rozszerzalność cieplną., 2. wykazują najmniejszą rozszerzalność cieplną., 3. wykazują rozszerzalność cieplną o wielkości pośredniej między dwiema pozostałymi.
Wybierz prawidłowe uzupełnienie zdania. Gazy Możliwe odpowiedzi: 1. wykazują największą rozszerzalność cieplną., 2. wykazują najmniejszą rozszerzalność cieplną., 3. wykazują rozszerzalność cieplną o wielkości pośredniej między dwiema pozostałymi. Ciecze Możliwe odpowiedzi: 1. wykazują największą rozszerzalność cieplną., 2. wykazują najmniejszą rozszerzalność cieplną., 3. wykazują rozszerzalność cieplną o wielkości pośredniej między dwiema pozostałymi. Ciała stałe Możliwe odpowiedzi: 1. wykazują największą rozszerzalność cieplną., 2. wykazują najmniejszą rozszerzalność cieplną., 3. wykazują rozszerzalność cieplną o wielkości pośredniej między dwiema pozostałymi.
Wybierz prawidłowe uzupełnienie zdania.
wykazują rozszerzalność cieplną, ale nie bardzo dużą., wykazują największą rozszerzalność cieplną., wykazują najmniejszą rozszerzalność cieplną.