Цеплавое пашырэнне цвёрдых целаў і вадкасцяў

Вядома, што пад дзеяннем цяпла часціцы паскараюць сваё хаатычнае рух. Калі награваць газ, то малекулы, якія складаюць яго, проста разляцяцца адзін ад аднаго. Нагрэтая вадкасць спачатку павялічыцца ў аб'ёме, а затым пачне выпарацца. А што будзе з цвёрдымі целамі? Не кожнае з іх можа змяніць сваё агрэгатны стан.

Тэрмічнае пашырэнне: вызначэнне

Цеплавое пашырэнне - гэта змена памераў і формы тэл пры змене тэмпературы. Матэматычна можна вылічыць аб'ёмны каэфіцыент пашырэння, які дазваляе спрагназаваць паводзіны газаў і вадкасцей у зменлівых знешніх умовах. Каб атрымаць такія ж вынікі для цвёрдых тэл, неабходна ўлічваць каэфіцыент лінейнага пашырэння. Фізікі вылучылі цэлы раздзел для такога роду даследаванняў і назвалі яго дилатометрией.

Інжынерам і архітэктарам неабходныя веды аб паводзінах розных матэрыялаў пад уздзеяннем высокіх і нізкіх тэмператур для праекціроўкі будынкаў, пракладання дарог і труб.

пашырэнне газаў

Цеплавое пашырэнне газаў суправаджаецца пашырэннем іх аб'ёму ў прасторы. Гэта заўважылі філосафы-натураліста яшчэ ў глыбокай старажытнасці, але пабудаваць матэматычныя разлікі атрымалася толькі ў сучасных фізікаў.

У першую чаргу навукоўцы зацікавіліся пашырэннем паветра, так як тое было ў іх пасільнай задачай. Яны настолькі заўзята ўзяліся за справу, што атрымалі даволі супярэчлівыя вынікі. Натуральна, такі зыход навуковае супольнасць не задаволіў. Дакладнасць вымярэння залежала ад таго, які выкарыстоўваўся тэрмометр, ад ціску і мноства іншых умоў. Некаторыя фізікі нават прыйшлі да меркавання, што пашырэнне газаў не залежыць ад змены тэмпературы. Ці гэтая залежнасць не поўная ...

Работы Дальтона і Гей-Люссака

Фізікі працягвалі б спрачацца да хрыпаты або закінулі б вымярэння, калі б не Джон Дальтона. Ён і яшчэ адзін фізік, Гей-Люссак, у адзін і той жа час незалежна адзін ад аднаго змаглі атрымаць аднолькавыя вынікі вымярэнняў.

Люссак спрабаваў знайсці прычыну такой колькасці розных вынікаў і заўважыў, што ў некаторых прыборах ў момант вопыту была вада. Натуральна, у працэсе награвання яна ператваралася ў пар і змяняла колькасць і склад доследных газаў. Таму першае, што зрабіў вучоны, - гэта старанна высушыў ўсе прылады, якія выкарыстаў для правядзення эксперыменту, і выключыў нават мінімальны працэнт вільготнасці з доследнага газу. Пасля ўсіх гэтых маніпуляцый першыя некалькі досведаў апынуліся больш дакладнымі.

Дальтон займаўся гэтым пытаннем даўжэй свайго калегі і апублікаваў вынікі яшчэ ў самым пачатку XIX стагоддзя. Ён высушваюць паветра парамі сернай кіслаты, а затым награваў яго. Пасля серыі досведаў Джон прыйшоў да высновы, што ўсе газы і пар пашыраюцца на каэфіцыент 0,376. У Люссака атрымалася лік 0,375. Гэта і стала афіцыйным вынікам даследавання.

Пругкасць вадзяных пар

Цеплавое пашырэнне газаў залежыць ад іх пругкасці, то ёсць здольнасці вяртацца ў зыходны аб'ём. Першым дадзенае пытанне стаў даследаваць Циглер ў сярэдзіне васемнаццатага стагоддзя. Але вынікі яго досведаў занадта розніліся. Больш пэўныя лічбы атрымаў Джэймс Уатт, які выкарыстаў для высокіх тэмператур Папін кацёл, а для нізкіх - барометр.

У канцы XVIII стагоддзя французскі фізік Проні распачаў спробу вывесці адзіную формулу, якая б апісвала пругкасць газаў, але яна атрымалася гакам грувасткая і складаная ў выкарыстанні. Дальтон вырашыў дасведчаным шляхам праверыць усе разлікі, выкарыстоўваючы для гэтага сіфона барометр. Не гледзячы на тое што тэмпература не ва ўсіх досведах была аднолькавая, вынікі атрымаліся вельмі дакладнымі. Таму ён апублікаваў іх у выглядзе табліцы ў сваім падручніку па фізіцы.

тэорыя выпарэння

Цеплавое пашырэнне газаў (як фізічная тэорыя) перажывала розныя змены. Навукоўцы спрабавалі дабрацца да сутнасці працэсаў, пры якіх атрымліваецца пар. Тут зноў вылучыўся вядомы ўжо нам фізік Дальтон. Ён выказаў гіпотэзу, што любую прастору насычаецца парамі газу незалежна ад таго, ці прысутнічае ў гэтым рэзервуары (памяшканні) якой-небудзь іншай газ або пар. Такім чынам, можна зрабіць выснову, што вадкасць не будзе выпарацца, проста уваходзячы ў судотык з атмасферным паветрам.

Ціск слупа паветра на паверхню вадкасці павялічвае прастору паміж атамамі, адрываючы іх адзін ад аднаго і выпараючы, то ёсць спрыяе адукацыі пара. Але на малекулы пары працягвае дзейнічаць сіла цяжару, таму навукоўцы палічылі, што атмасферны ціск ніяк не ўплывае на выпарэнне вадкасцяў.

пашырэнне вадкасцяў

Цеплавое пашырэнне вадкасцяў даследавалі паралельна з пашырэннем газаў. Навуковымі пошукамі займаліся тыя ж самыя навукоўцы. Для гэтага яны выкарыстоўвалі тэрмометры, аэрометры, сазлучаныя пасудзіны і іншыя інструменты.

Усе доследы разам і кожны паасобку абверглі тэорыю Дальтона пра тое, што аднастайныя вадкасці пашыраюцца прапарцыйна квадрату тэмпературы, на якую іх награваюць. Вядома, чым вышэй тэмпература, тым больш аб'ём вадкасці, але прамой залежнасці паміж ім не было. Ды і хуткасць пашырэння ва ўсіх вадкасцяў была рознай.

Цеплавое пашырэнне вады, напрыклад, пачынаецца з нуля градусаў па Цэльсіі і працягваецца з паніжэннем тэмпературы. Раней такія вынікі досведаў звязвалі з тым, што пашыраецца ня сама вада, а звужаецца ёмістасць, у якой яна знаходзіцца. Але некаторы час праз фізік Дэлюк ўсё-такі прыйшоў да думкі, што прычыну трэба шукаць у самой вадкасці. Ён вырашыў знайсці тэмпературу яе найбольшай шчыльнасці. Аднак гэта яму не ўдалося з прычыны пагарды некаторымі дэталямі. Румфорт, які займаўся вывучэннем гэтай з'явы, усталяваў, што максімальная шчыльнасць вады назіраецца ў межах ад 4 да 5 градусаў па Цэльсіі.

Цеплавое пашырэнне целаў

У цвёрдых целах галоўным механізмам пашырэння з'яўляецца змяненне амплітуды ваганняў крышталічнай рашоткі. Калі казаць простымі словамі, то атамы, якія ўваходзяць у склад матэрыялу і жорстка счэпленыя паміж сабой, пачынаюць «дрыжаць".

Закон цеплавога пашырэння тэл сфармуляваны так: любое цела з лінейным памерам L ў працэсе награвання на dT (дэльта Т - розніца паміж пачатковай тэмпературай і канчатковай), пашыраецца на велічыню dL (дэльта L - гэта вытворная каэфіцыента лінейнага цеплавога пашырэння на даўжыню аб'екта і на рознасць тэмпературы). Гэта самы просты варыянт гэтага закона, які па змаўчанні ўлічвае, што цела пашыраецца адразу ва ўсе бакі. Але для практычнай працы выкарыстоўваюць куды больш грувасткія вылічэнні, так як у рэальнасці матэрыялы паводзяць сябе не так, як змадэляваныя фізікамі і матэматыкамі.

Цеплавое пашырэнне рэйкі

Для пракладкі чыгуначнага палатна заўсёды прыцягваюць інжынераў-фізікаў, так як яны могуць дакладна вылічыць, якую адлегласць павінна быць паміж стыкамі рэек, каб пры награванні або астуджэнні шляхі не дэфармаваліся.

Як ужо было сказана вышэй, цеплавое лінейнае пашырэнне дастасавальна для ўсіх цвёрдых тэл. І рэек не стаў выключэннем. Але ёсць адна дэталь. Лінейнае змена свабодна адбываецца ў тым выпадку, калі на цела не ўздзейнічае сіла трэння. Рэйкі жорстка прымацаваныя да шпалах і звараныя з суседнімі рэйкамі, таму закон, які апісвае змена доўгія, ўлічвае пераадоленне перашкод у выглядзе пагонных і стыкавых супраціваў.

Калі рэек не можа змяніць сваю даўжыню, то са зменай тэмпературы ў ім нарастае цеплавое напружанне, якое можа як расцягнуць, так і сціснуць яго. Гэты феномен апісваецца законам Гука.