Тепловое расширение твердых тел, жидкостей и газов

Вид урока: комбинированный.
Цель урока:
1) дидактическая: объяснить физическую природу теплового расширения тел, научить производить расчеты линейных и объемных изменений твердых и жидких тел при изменении их температуры
2) воспитательная: воспитывать интерес к изучаемому материалу, совершенствовать умения учащихся применять полученные теоретические знания к решению практических задач, объяснению явлений в природе.
3) развивающая: развивать у учащихся мышление, показать значение теплового расширения в природе и технике, уметь объяснять механизм теплового расширения тел на основе МКТ.

I) Организационный момент, постановка цели урока
II) Фронтальный опрос по пройденному материалу
а) Сформулируйте основные положения теории МКТ.
б) Строение жидких тел с точки зрения МКТ.
в) Строение твердых тел с точки зрения МКТ.

III) Изучение нового материала.
Вопросы:
Для открывания флакона с туго сидящей в ней пробкой горлышко следует нагреть, зачем?
Что происходит с телом при охлаждении и нагревании?
Почему тела расширяются?
Приведите примеры изменения размеров тела при изменении температуры

Тепловое расширение –
увеличение линейных размеров тела и его объема, происходящие при повышении температуры.

Вопрос:
Одинаково ли расширяются тела при одинаковом нагревании?

Расширение твердых веществ при нагревании происходит одинаково по всем направлениям. Однако, на практике приходится учитывать расширение только в одном направлении.
Поэтому, рассмотрим ЛИНЕЙНОЕ РАСШИРЕНИЕ - изменение одного определенного размера твердого тела при изменениях температуры.

Линейное расширение - ?
Стержень:
∆l = α l 0 t, α = f ( рода вещества и внешних условий)
коэффициент линейного расширения
∆l α показывает на какую часть изменяется длина тела при изменении t на 1 С
При t = 0 l 0
При t l t
l t - l 0 = α l 0 t
l t = l 0 (1+ αt)
L2 = l1(1+ α(t2 - t1)
l 0 t
α

Допустим, что алюминиевый провод линии электропередачи при температуре 0°С имеет длину 50м . При нагревании провода на 60°С его длина увеличилась на 6,9 см. Вычислить увеличение длины провода при нагревании на 1°С.
ПРОВОДА

Зимой при соединении железнодорожных стальных рельсов оставляют промежутки в стыках, чтобы дать свободно расширяться в жаркое время года. Какой запас требуется оставлять для этого расширения? Длина рельса 12,5м.
РЕЛЬСЫ

Объемное расширение - ?
( рода вещества и внешних условий)
коэффициент объемного расширения
показывает на какую долю изменяется объем (V) при нагревании на 1 С
При t = 0 v o
При t v t
β = f
β
∆v = β v0 t
β = ∆v
v0 t
v t - v0 = βv0 t
vt = v0(1 + βt)
V2 = V1(1+ β(t2 –t1)

Связь между β и α .
Куб с длиной ребра l :
V0 = l0
Vt = V0(1 + β t) = l0 (1 + αt)
3
3
β = 3 α
3

Зависимость плотности тела от изменения температуры

для всех формул
- изменяется !
m = const
ρ
При t = 0 ρ0 m
V0
При t ρt m
Vt
ρt m m m 1 ρ0
Vt v0(1 + βt) V0 1 + βt 1 + βt
ρt ρ0
1 + βt

Если крышку хорошо закрытой банки нагреть, то ее легче можно будет открутить.
БАНКА С КРЫШКОЙ

Если Пытаться открутить ржавый болт то это будет очень сложно. Благодаря тепловому расширению можно нагреть болт и спокойно выкрутить.
ПРИМЕР С БОЛТОМ

Строение мостов
Вредное влияние теплового расширения приходится учитывать и при постройке мостов, плотин, металлургических печей и других сооружений. Строя мостовую ферму на береговом устое, закрепляют наглухо только один её конец, а другой устанавливают с помощью шарнира 1 на подвижной опоре, которая помещается на стальных катках 2. Вследствие этого при тепловом расширении ферма свободно передвигается на катках, не расшатывая и не повреждая береговые устои. Сооружая большие мосты и плотины, также стремятся ослабить разрушительное действие теплового расширения. Для этого в них устраивают «термические швы» – узкие прослойки из пластичного материала, например, асфальта, допускающие расширение постройки при её нагревании.

Особенности теплового расширения воды
Вода расширяется при нагревании только свыше 4 °С.
При нагревании от 0 °С до 4 °С объем воды, наоборот, 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.

Закрепление изученного материала
Как зависят линейные размеры и объемы тел от температуры?
Как изменяется плотность тела при изменении температуры.
Почему при быстром нагревании стеклянной колбы, до краев заполненной жидкостью, ее уровень сначала несколько понизится, а затем повышается, и жидкость начинает переливаться через край?

Сильнее всех расширяются
Из твердых тел сильнее всех расширяется воск, превышая в этом отношении многие жидкости. Коэффициент теплового расширения воска в зависимости от сорта в 25 – 120 раз больше чем у железа. Из жидкостей сильнее других расширяется эфир. Однако есть жидкость, расширяющаяся в 9 раз сильнее эфира – жидкая углекислота (СО3) при +20 градусах Цельсия. Ее коэффициент расширения в 4 раза больше, чем у газов.

Наименьшим коэффициентом теплового расширения из твердых тел обладает кварцевое стекло – в 40 раз меньше, чем железо. Кварцевую колбу раскаленную до 1000 градусов можно смело опускать в ледяную воду, не опасаясь за целостность сосуда: колба не лопается. Малым коэффициентом расширения, хотя и большим, чем у кварцевого стекла, отличается также алмаз.
Наименьший коэффициент теплового расширения

Из металлов, меньше всего расширяется сорт стали, носящий название инвар, коэффициент его теплового расширения в 80 раз меньше, чем у обычной стали.

Аномалии теплового расширения
Существуют твердые тела, которые при охлаждении ниже некоторой температуры расширяются – это алмаз, закись меди и смарагд. Алмаз начинает расширяться при достаточном холоде, именно при -42 градусах Цельсия; закись меди и смарагд обнаруживают ту же особенность при умеренном морозе около -4 градусов.

Вопросы(домашнее задание).
1) Что происходит с телами при охлаждении и нагревании?
2) Почему тело расширяется?
3) Что изменяется в процессе расширения?
4) Дайте определение: а) тепловое расширение – это
б) объемное расширение – это
в) линейное расширение – это
5) Одинаково ли расширяются разные тела при нагревании на одно и тоже число градусов (К)
6) Как изменяется плотность тела при изменении температуры?

7) Как зависят линейные размеры и объемы тел от температуры?
8) Каков физический смысл температурного коэффициента линейного расширения?
9) Каковы особенности теплового расширения воды?
10) Объясните, почему стеклянный сосуд может расколоться, если одну из его частей нагреть или охладить быстрее, чем другую часть?
11) Объясните, почему при быстром нагревании стеклянной колбы, до краев заполненной жидкостью, ее уровень сначала несколько понизится, а затем повышается, и жидкость начинается переливаться через край?
12) Какая температура воды зимой на дне замерзшего озера?