Rozszerzalność temperaturowa substancji
To ciekawe
Czy potrafisz wyjaśnić, dlaczego 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?
Wyjaśnisz zjawisko rozszerzalności temperaturowej ciał stałych, cieczy i gazów.
Przedstawisz przykłady praktycznego wykorzystania zjawiska rozszerzalności temperaturowej w życiu codziennym.
Przeanalizujesz rozszerzalność cieplną wody.
Warto przeczytać
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 temperaturowąrozszerzalnością temperaturową lub cieplnącieplną ciał.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R1IPybbWbK7Ag
Film prezentuje zagadnienie rozszerzalności temperaturowej powietrza.
Jak można naprawić piłeczkę do tenisa stołowego („ping‑pong”)?
Hipoteza: Piłeczkę do tenisa stołowego można naprawić za pomocą wysokiej temperatury.
piłeczka do tenisa stołowego („ping‑pong”),
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?
Wgniecenie znika. Piłeczka do tenisa stołowego jest wypełniona powietrzem. Jeśli się ją rozgrzeje, to objętość powietrza wzrośnie i zacznie naciskać na ściany piłeczki.
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.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RZJ4aeAKRb3d4
Film przedstawia przygotowanie balonu do lotu.
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 /preview/resource/R19XMNlZaSaX4
Animacja prezentująca praktyczne wykorzystanie zjawiska rozszerzalności cieplnej w termometrze.
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.
Jak temperatura wpływa na objętość ciał stałych?
Hipoteza: Wysoka temperatura zmienia kształt monety.
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 /preview/resource/ROBANHN5VmEsD
Film prezentuje zagadnienie rozszerzalności temperaturowej ciał stałych.
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.
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 /preview/resource/R1ZTlHsxmMJ9g
Nagranie wideo prezentuje zagadnienie naprężeń wewnętrznych.
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