Тема: Тепловое расширение воды. Особенности теплового расширения воды тепловое расширение воды

Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры.

Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты , поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (см. Закон Бойля—Мариотта , Закон Шарля , Уравнение состояния идеального газа).

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL , равную:

ΔL = αL ΔT

где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями , которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.

Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.

То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.

Известно, что многие вещества расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. А как ведет себя вода при таких условиях?

Чтобы ответить на этот вопрос, проведем опыт.

Наполним колбу водой и закроем ее пробкой с двумя отверстиями. Вставим в них стеклянную трубочку и термометр (его надо опустить почти до дна колбы). В стеклянной трубочке вода должна находиться над пробкой. Чтобы опыт был более наглядным, воду можно немного подкрасить, бросив в нее маленький кристаллик марганцовки. Отметим уровень воды в колбе, надев на стеклянную трубочку тонкое резиновое кольцо. Колбу поместим в большой плоский сосуд и наполним его мелкими кусочками льда.

Рис. 53. При охлаждении воды до +4 °C ее объем уменьшается

Первоначальная температура воды была +18 С. Через несколько минут уровень воды изменился: он стал ниже, чем был. И температура воды в колбе понизилась. Лед, который находится вокруг колбы, охладил ее. Значит, при охлаждении вода сжимается, ее объем уменьшается.

Продолжим наблюдения. При достижении температуры +4 °C вода, вместо того чтобы продолжать сжиматься, как это было при других температурах, начинает расширяться. Если продолжать охлаждать воду, она будет расширяться до тех пор, пока ее температура не станет 0 °C.

Вода – единственное вещество на Земле, которое при охлаждении сначала сжимается, а затем при температуре +4 °C начинает расширяться.

Особенности теплового расширения воды имеют огромное значение для всего живого, в частности, для обитателей водоемов в тех местностях, где бывают суровые зимы (с минусовыми температурами). Разберем, что происходит с водой в водоемах, когда начинается зима. Холодный воздух, соприкасаясь с верхними слоями воды, охлаждает ее. Охлажденная вода, становясь тяжелее, опускается вниз, ко дну. Опускаясь, она охлаждает более теплые слои. Такое перемещение воды происходит до тех пор, пока температура воды во всем водоеме не достигнет +4 °C. При этой температуре она начинает расширяться. Ставшая менее плотной, вода медленно движется вверх. Так продолжается, пока температура воды не достигнет 0 °C. При этой температуре верхние ее слои начинают замерзать и еще больше расширяться. На поверхности водоема появляется тонкий слой льда. Он не тонет, так как легче воды. И поэтому поверхность водоема замерзает в первую очередь. Сплошной лед защищает находящуюся ниже него воду от холодного воздуха, препятствует промерзанию до дна рек, озер, прудов и других глубоких водоемов.

На дне глубоких водоемов вода круглый год имеет температуру +4 °C (рис. 54). Если бы не было удивительной особенности воды – расширения при замерзании, то вся или почти вся жизнь зимой в воде прекратилась бы.

Рис. 54. Распределение температуры воды в замерзшем водоеме

Вода не уменьшает (как другие вещества), а увеличивает свой объем при переходе из жидкого состояния в твердое.

Билет №3

«Тепловое расширение тел. Термометр. Шкалы температур. Значение теплового расширения тел в природе и технике. Особенности теплового расширения воды»

Тепловое расширение - изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры.

Причина : увеличивается температура тела -> увеличивается скорость движения молекул -> увеличивается амплитуда колебаний -> увеличивается расстояние между молекулами, а значит, и размеры тела.

Различные тела при нагревании расширяются по-разному, т. к. массы молекул различны, следовательно, различается кинетическая энергия и межмолекулярные расстояния изменяются по-разному.

Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется объёмным коэффициентом теплового расширения (β).

V=V0(1+β(tконечная-tначальная))

Где V – объем тела при конечной температуре, V0 - объем тела при начальной температуре

Для характеристики теплового расширения твёрдых тел дополнительно вводят коэффициент линейного теплового расширения (α)

l=l0 (1+α(tконечная-tначальная))

Где l – длина тела при конечной температуре, l0 - длина тела при начальной температуре

Термо́метр - прибор для измерения температуры

Действие термометра основано на тепловом расширении жидкости.

Изобретен Галилеем в 1597 году.

Виды термометров:

· ртутные (от -35 до 750 градусов Цельсия)

· спиртовые (от -80 до 70 градусов Цельсия)

· пентановые (от -200 до 35 градусов Цельсия)

Шкалы:

Шкала Фаренгейта . Фаренгейт в 1732 г. - наполнял трубки спиртом, позже перешел к ртути. Нуль шкалы – температура смеси снега с нашатырем или поваренной солью. Замерзание воды – 32°F. Температура здорового человека – 96°F. Вода кипит при 212°F.

Шкала Цельсия . Шведский физик Цельсий в 1742 г. Температура замерзания жидкости - 0°C, а кипения - 100°C

Шкала Кельвина . В 1848 г. английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин). Точка отсчета – «абсолютный нуль» - -273,15°С. При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. 1°К=1°С

На самом деле, абсолютный нуль не достижим .

В быту и технике тепловое расширение имеет очень большое значение. На электрических железных дорогах необходимо зимой и летом сохранять постоянное натяжение провода, питающего энергией электровозы. Для этого натяжение провода создается тросом, один конец которого соединен с проводом, а другой перекинут через блок и к нему подвешен груз.

При сооружении моста один конец фермы кладется на катки. Если этого не сделать, то при расширении летом и сжатии зимой ферма будет расшатывать устои, на которые опирается мост.

При изготовлении ламп накаливания часть провода проходящего внутри стекла необходимо делать из такого материала, коэффициент расширения которого такой же как у стекла иначе оно может треснуть.

Провода ЛЭП никогда не натягивают во избежание разрыва.

Паропроводы снабжают изгибами, компенсаторами.

Тепловое расширение воздуха играет большую роль в явлениях природы . Тепловое расширение воздуха создает движение воздушных масс в вертикальном направлении (нагретый, менее плотный воздух поднимается вверх, холодный и менее плотный вниз). Неравномерный нагрев воздуха в разных частях земли приводит к возникновению ветра. Неравномерный разогрев воды создает течения в океанах.

При нагревании и охлаждении горных пород вследствие суточных и годовых колебаний температуры (если состав породы неоднороден) образуются трещины, что способствует разрушению пород.

Самое распространенное на поверхности Земли вещество - вода - имеет особенность, отличающую ее от большинства других жидкостей. Она расширяется при нагревании только свыше 4 °С. От 0 до 4 °С объем воды, наоборот, при нагревании уменьшается. Таким образом, наибольшую плотность вода имеет при 4 °С. Эти данные относятся к пресной (химически чистой) воде. У морской воды наибольшая плотность наблюдается примерно при 3 °С. Увеличение давления тоже понижает температуру наибольшей плотности воды.

Связи между частицами жидкости, как мы знаем, слабее, чем между молекулами в твердом теле. Поэтому следует ожидать, что при одинаковом нагревании жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела. Это действительно подтверждается на опыте.

Наполним колбу с узким и длинным горлышком подкрашенной жидкостью (водой или лучше керосином) до половины горлышка и отметим резиновым колечком уровень жидкости. После этого опустим колбу в сосуд с горячей водой. Сначала будет видно понижение уровня жидкости в горлышке колбы, а затем уровень начнет повышаться и поднимется значительно выше начального. Это объясняется тем, что вначале нагревается сосуд и объем его увеличивается. Из-за этого уровень жидкости опускается. Затем нагревается жидкость. Расширяясь, она не только заполняет увеличившийся объем сосуда, но и значительно превышает этот объем. Следовательно, жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела.

Температурные коэффициенты объемного расширения жидкостей значительно больше коэффициентов объемного расширения твердых тел; они могут достигать значения 10 -3 К -1 .

Жидкость нельзя нагреть, не нагревая сосуда, в котором она находится. Поэтому мы не можем наблюдать истинного расширения жидкости в сосуде, так как расширение сосуда занижает видимое увеличение объема жидкости. Впрочем, коэффициент объемного расширения стекла и других твердых тел обычно значительно меньше коэффициента объемного расширения жидкости, и при не очень точных измерениях увеличением объема сосуда можно пренебречь.

Особенности расширения воды

Наиболее распространенная на Земле жидкость - вода - обладает особыми свойствами, отличающими ее от других жидкостей. У воды при нагревании от 0 до 4 °С объем не увеличивается, а уменьшается. Лишь с 4 °С объем воды начинает при нагревании возрастать. При 4 °С, таким образом, объем воды минимален, а плотность максимальна*. На рисунке 9.4 показана примерная зависимость плотности воды от температуры.

* Эти данные относятся к пресной (химически чистой) воде. У морской воды наибольшая плотность наблюдается примерно при 3 °С.

Отмеченное особое свойство воды оказывает большое влияние на характер теплообмена в водоемах. При охлаждении воды вначале плотность верхних слоев увеличивается, и они опускаются вниз. Но после достижения воздухом температуры 4 °С дальнейшее охлаждение уже уменьшает плотность, и холодные слои воды остаются на поверхности. В результате в глубоких водоемах даже при очень низкой температуре воздуха вода имеет температуру около 4 °С.

Объем жидких и твердых тел увеличивается прямо пропорционально росту температуры. У воды обнаруживается аномалия: ее плотность максимальна при 4 °С.

У большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается, при этом изменяется и плотность вещества.

Плотность вещества при плавлении уменьшается, а при отвердевании увеличивается. Но существуют такие вещества, как, например, кремний, германий, висмут, у которых плотность при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается. К этим веществам относится и лед (вода).

Опыт показывает, что вода имеет, наибольшую плотность при 4°С. Это объясняется особенностями строения кристаллической решетки льда. Если в жидком состоянии молекулы Н2О расположены вплотную друг к другу, то при кристаллизации расстояние между ближайшими молекулами увеличивается и в кристалле между молекулами образуются «пустоты». Поэтому плотность воды больше, чем льда, и достигает наибольшего значения при 4"С. При повышении или понижении температуры от 4°С плотность воды уменьшается, объем увеличивается.

Вследствие того, что почти 80% поверхности Земли покрыто водой, особенности ее теплового расширения оказывают огромное влияние на климат Земли. При нагревании воды в открытых водоемах, имеющей температуру 1-2°С, происходит непрерывная смена слоев воды, имеющих различную температуру. Так происходит до тех пор* пока не будет достигнута температура, соответствующая максимальной плотности. При дальнейшем нагревании верхние слои становятся менее плотными, а потому остаются наверху. Этим объясняется тот факт, что в глубоких водоемах температура воды, начиная с некоторой глубины близка к температуре наибольшей плотности воды.

Этой особенностью теплового расширения воды объясняется тот факт, что водоемы зимой не промерзают до дна. При охлаждении, пока температура поверхностного слоя не достигнет 4°С, плотность более теплой воды ниже плотности более холодной, поэтому более теплая вода поднимается вверх, а более холодная опускается вниз.

В интервале температур от 0 до 4°С значения плотностей меняются: теперь уже вода, имеющая более высокую температуру, опускается вниз, г более холодная перемещается вверх и, охлаждаясь, замерзает.

Расширение воды при замерзании ведет к разрушению горных пород, сосудов, в которых она находится.

2. Фотоэффект.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями - квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h - постоянная Планка, равная 6,63 10 Дж с, v - частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспириментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым.

Фотоэффект - это явление испускания электронов веществом под действием света. Если зарядить цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно и освещать ее электрической дугой (рис. 35), то электрометр быстро разрядится.

В результате исследований были установлены следующие эмпирические закономерности:

- количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны;

- максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Кроме того, были установлены два фундаментальных свойства.

Во-первых, безынерционность фотоэффекта: процесс начинается сразу в момент начала освещения.

Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты vmin - красной границы фотоэффекта . Эта частота такова, что при v < vmin фотоэффект не происходит при любой энергии света, а если v > vmin, то фотоэффект начинается даже при малой энергии.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г.

В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hv . При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода - это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла.

Поэтому максимальная кинетическая энергия электронов после вылета (если нет других потерь) равна: тv /2 - hv - Авых. Следовательно, . Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

Если hv < Авых , то фотоэффекта не происходит. Значит, красная граница фотоэффекта равна vmin = A/ h .

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.