Компресия при нагряване: защо е възможно това? Топлинно разширение на твърди вещества и течности Повечето материали се разширяват при нагряване
Известно е, че под въздействието на топлината частиците ускоряват хаотичното си движение. Ако загреете газ, тогава молекулите, които го изграждат, просто ще се разпръснат една от друга. Нагрятата течност първо ще увеличи обема си и след това ще започне да се изпарява. Какво ще стане с твърдите вещества? Не всеки от тях може да промени състоянието си на агрегатиране.
Термично разширение: определение
Топлинното разширение е промяна в размера и формата на телата с промяна на температурата. Математически е възможно да се изчисли коефициентът на обемно разширение, което дава възможност да се предскаже поведението на газовете и течностите при променящи се външни условия. За да се получат същите резултати за твърдите тела, е необходимо да се вземат предвид Физиците са отделили цял раздел за този вид изследвания и го нарекоха дилатометрия.
Инженерите и архитектите се нуждаят от познания за поведението на различните материали под въздействието на високи и ниски температури за проектиране на сгради, полагане на пътища и тръби.
Разширяване на газове
Топлинното разширение на газовете се придружава от разширяване на техния обем в пространството. Това е забелязано от натурфилософите в древни времена, но само съвременните физици успяват да изградят математически изчисления.
На първо място учените се заинтересуваха от разширяването на въздуха, тъй като им се струваше осъществима задача. Те се захванаха с работата толкова ревностно, че получиха доста противоречиви резултати. Естествено, научната общност не беше доволна от такъв резултат. Точността на измерването зависи от това кой термометър е бил използван, налягането и редица други условия. Някои физици дори стигат до заключението, че разширяването на газовете не зависи от промените в температурата. Или тази връзка е непълна?
Творби на Далтън и Гей-Люсак
Физиците щяха да продължат да спорят, докато не станат дрезгави или щяха да изоставят измерванията, ако не Той и друг физик, Гей-Люсак, в същото време, независимо един от друг, можеха да получат същите резултати от измерването.
Лусак се опитал да намери причината за толкова много различни резултати и забелязал, че някои от устройствата по време на експеримента са имали вода. Естествено, в процеса на нагряване той се превръща в пара и променя количеството и състава на изследваните газове. Следователно първото нещо, което ученият направи, беше да изсуши добре всички инструменти, които използва за провеждане на експеримента, и да изключи дори минималния процент влага от изследвания газ. След всички тези манипулации първите няколко експеримента се оказаха по-надеждни.
Далтън се занимава с този въпрос по-дълго от своя колега и публикува резултатите в самото начало на 19 век. Той изсуши въздуха с изпарения на сярна киселина и след това го нагрява. След поредица от експерименти Джон стига до заключението, че всички газове и пари се разширяват с коефициент 0,376. Лусак излезе с числото 0,375. Това беше официалният резултат от проучването.
Налягане на водните пари
Топлинното разширение на газовете зависи от тяхната еластичност, тоест от способността да се върнат към първоначалния си обем. Циглер е първият, който изследва този въпрос в средата на осемнадесети век. Но резултатите от неговите експерименти варираха твърде много. По-надеждни данни бяха получени чрез използване на бойлер за високи температури и барометър за ниски температури.
В края на 18 век френският физик Прони се опитва да изведе една-единствена формула, която да описва еластичността на газовете, но се оказва твърде тромава и трудна за използване. Далтън реши да тества всички изчисления емпирично, като използва за това сифонен барометър. Въпреки факта, че температурата не беше еднаква във всички експерименти, резултатите бяха много точни. Затова ги публикува като таблица в учебника си по физика.
Теория на изпарението
Термичното разширение на газовете (като физическа теория) е претърпяло различни промени. Учените се опитаха да стигнат до дъното на процесите, чрез които се произвежда пара. Тук отново се отличи известният физик Далтън. Той предположи, че всяко пространство е наситено с газови пари, независимо дали има друг газ или пара в този резервоар (стая). Следователно може да се заключи, че течността няма да се изпари просто при контакт с атмосферния въздух.
Налягането на въздушния стълб върху повърхността на течността увеличава пространството между атомите, като ги разкъсва и се изпарява, тоест допринася за образуването на пара. Но гравитацията продължава да действа върху молекулите на парите, така че учените смятат, че атмосферното налягане не влияе по никакъв начин на изпаряването на течности.
Разширяване на течности
Термичното разширение на течностите е изследвано успоредно с разширението на газовете. Същите учени се занимаваха с научни изследвания. За да направят това, те използваха термометри, аерометри, комуникационни съдове и други инструменти.
Всички експерименти заедно и всеки поотделно опровергават теорията на Далтън, че хомогенните течности се разширяват пропорционално на квадрата на температурата, до която се нагряват. Разбира се, колкото по-висока е температурата, толкова по-голям е обемът на течността, но няма пряка връзка между нея. Да, и скоростта на разширение на всички течности беше различна.
Топлинното разширение на водата, например, започва при нула градуса по Целзий и продължава при понижаване на температурата. Преди това подобни резултати от експерименти бяха свързани с факта, че не самата вода се разширява, а контейнерът, в който се намира, се стеснява. Но известно време по-късно физикът Делука все пак стига до заключението, че причината трябва да се търси в самата течност. Той реши да намери температурата на най-голямата му плътност. Той обаче не успя поради пренебрегване на някои детайли. Румфорт, който изучава това явление, установява, че максималната плътност на водата се наблюдава в диапазона от 4 до 5 градуса по Целзий.
Топлинно разширение на телата
В твърдите тела основният механизъм на разширение е промяна в амплитудата на вибрациите на кристалната решетка. Казано по-просто, атомите, които изграждат материала и са здраво свързани един с друг, започват да „треперят“.
Законът за топлинното разширение на телата се формулира по следния начин: всяко тяло с линеен размер L в процеса на нагряване с dT (делта T е разликата между началната температура и крайната температура), се разширява с dL (делта L е производна на коефициента на линейно топлинно разширение по дължината на обекта и по температурната разлика). Това е най-простата версия на този закон, която по подразбиране отчита, че тялото се разширява във всички посоки наведнъж. Но за практическа работа се използват много по-тромави изчисления, тъй като в действителност материалите не се държат по начина, който се моделира от физици и математици.
Топлинно разширение на релсата
Физиците винаги участват в полагането на железопътната линия, тъй като могат точно да изчислят какво разстояние трябва да бъде между ставите на релсите, така че релсите да не се деформират при нагряване или охлаждане.
Както бе споменато по-горе, термичното линейно разширение е приложимо за всички твърди тела. И релсата не е изключение. Но има една подробност. Линейна промяна настъпва свободно, ако тялото не е засегнато от силата на триене. Релсите са здраво закрепени към траверсите и заварени към съседни релси, така че законът, който описва промяната в дължината, отчита преодоляването на препятствия под формата на линейни и челни съпротивления.
Ако релсата не може да промени дължината си, тогава с промяна на температурата в нея се увеличава термичното напрежение, което може да я разтегне и компресира. Това явление се описва от закона на Хук.
Промяната в линейните размери на тялото при нагряване е пропорционална на промяната в температурата.
Повечето вещества се разширяват при нагряване. Това лесно се обяснява от гледна точка на механичната теория на топлината, тъй като при нагряване молекулите или атомите на веществото започват да се движат по-бързо. В твърдите тела атомите започват да трептят с по-голяма амплитуда около средната си позиция в кристалната решетка и те изискват повече свободно пространство. В резултат на това тялото се разширява. По същия начин течностите и газовете в по-голямата си част се разширяват с повишаване на температурата поради увеличаване на скоростта на топлинно движение на свободните молекули ( см.Закон на Бойл - Мариот, закон на Чарлз, Уравнение на състоянието на идеален газ).
Основният закон за термичното разширение гласи, че тяло с линейни размери Лв съответното измерение с повишаване на температурата му с Δ тсе разширява с Δ Лравна на:
Δ Л = aLΔ т
където α — т.нар коефициент на линейно топлинно разширение.Подобни формули са налични за изчисляване на промените в площта и обема на тялото. В най-простия представен случай, когато коефициентът на термично разширение не зависи нито от температурата, нито от посоката на разширение, веществото ще се разширява равномерно във всички посоки в строго съответствие с горната формула.
За инженерите термичното разширение е жизненоважен феномен. При проектирането на стоманен мост през река в град с континентален климат не може да се пренебрегне възможната температурна разлика в диапазона от -40°C до +40°C през годината. Такива разлики ще доведат до промяна в общата дължина на моста до няколко метра и така, че мостът да не се издига през лятото и да не изпитва мощни натоварвания при разкъсване през зимата, проектантите съставят моста от отделни секции, свързващи ги със специални термични буферни съединения, които са захванати, но не твърдо свързани, редове зъби, които се затварят плътно в жегата и се разминават доста нашироко в студа. Може да има доста такива буфери на дълъг мост.
Въпреки това, не всички материали, особено кристалните твърди вещества, се разширяват равномерно във всички посоки. И не всички материали се разширяват еднакво при различни температури. Най-яркият пример за последния вид е водата. Когато се охлади, водата първо се свива, както повечето вещества. Въпреки това, от +4°C до точката на замръзване от 0°C, водата започва да се разширява при охлаждане и да се свива при нагряване (по отношение на горната формула, можем да кажем, че в температурния диапазон от 0°C до +4° C, коефициентът на топлинно разширение на водата α приема отрицателна стойност). Благодарение на този рядък ефект земните морета и океани не замръзват до дъното дори при най-силните студове: водата, по-студена от +4°C, става по-малко плътна от по-топлата вода и изплува на повърхността, измествайки водата с температура над +4°C до дъното.
Фактът, че ледът има специфична плътност, по-ниска от плътността на водата, е друго (макар и несвързано с предишното) аномално свойство на водата, на което дължим съществуването на живот на нашата планета. Ако не беше този ефект, ледът щеше да отиде до дъното на реки, езера и океани и те отново биха замръзнали до дъното, убивайки целия живот.
водя...
11.11.2011 г., пт, 15:58 ч., московско времеПовечето материали се разширяват при нагряване, но има няколко уникални вещества, които се държат различно. Инженерите на Caltech за първи път са открили как един от тези любопитни материали, скандиев трифлуорид (ScF3), се свива при нагряване.
Това откритие ще доведе до по-задълбочено разбиране на поведението на всички видове вещества, а също така ще позволи създаването на нови материали с уникални свойства. Материалите, които не се разширяват при нагряване, не са просто научно любопитство. Те са полезни в голямо разнообразие от приложения, като например високоточни механизми като часовници, които трябва да поддържат висока точност дори при температурни колебания.
Когато твърдите материали се нагряват, по-голямата част от топлината преминава във вибрации на атомите. В обикновените материали тези вибрации "бутат" атомите, което води до разширяване на материала. Въпреки това, някои вещества имат уникални кристални структури, които ги карат да се свиват при нагряване. Това свойство се нарича отрицателно топлинно разширение. За съжаление, тези кристални структури са много сложни и учените досега не са успели да видят как вибрациите на атомите водят до намаляване на размера на материала.
Грешка 404. Страницата не може да бъде намерена.
Може да се е случило поради една от следните причини:
– грешка при въвеждане на адреса на страницата (URL)
– следвайки „счупена“ (счупена, неправилна) връзка
– исканата страница никога не е била на сайта или е била изтрита
Можеш:
– върнете се назад, като използвате бутона Назад на браузъра
– проверете правописа на адреса на страницата (URL)
– използвайте картата на сайта или отидете на главната страница
Това се промени с откриването през 2010 г. на отрицателно термично разширение в ScF3, прахообразно вещество с относително проста кристална структура. За да разберат как атомите му вибрират, когато са изложени на топлина, американски учени използваха компютър, за да симулират поведението на всеки атом. Също така, свойствата на материала са изследвани в неутронната лаборатория на комплекса ORNL в Тенеси.
Резултатите от изследването дават първата ясна картина за това как се компресира материалът. За да се разбере този процес, е необходимо да си представим атомите на скандия и флуора като топчета, свързани помежду си чрез пружини. По-лекият флуорен атом е свързан с два по-тежки атома на скандий. С повишаване на температурата всички атоми започват да се люлеят в няколко посоки, но поради линейното подреждане на флуорния атом и двата атома на скандия, първият вибрира повече в посоки, перпендикулярни на пружините. При всяка вибрация флуорът привлича един към друг атоми на скандий. Тъй като това се случва в целия материал, той се свива по размер.
Най-голямата изненада предизвика фактът, че при силни вибрации енергията на флуорния атом е пропорционална на четвъртата степен на изместване (четвърта степен на вибрация или биквадратична вибрация). В същото време повечето материали се характеризират с хармонични (квадратични) трептения, като възвратно-постъпателното движение на пружини и махала.
Според авторите на откритието, практически чист квантов осцилатор от четвърта степен никога досега не е бил регистриран в кристали. Това означава, че изследването на ScF3 в бъдеще ще направи възможно създаването на материали с уникални термични свойства.
При равномерно нагряване на хомогенно тяло то не се срутва, но неравномерното нагряване може да причини значителни механични натоварвания (вътрешни натоварвания). Например стъклена бутилка или стъкло от дебело стъкло може да се спука, ако в тях се налее гореща вода. Защо? На първо място, вътрешните части на съда в контакт с гореща вода се нагряват. Те се разширяват и оказват силен натиск върху външните студени части на същия съд. Тънка чаша не се спука, когато в нея се налее гореща вода, тъй като нейните вътрешни и външни части бързо и почти едновременно се затоплят.
Различни материали, подложени на периодично нагряване и охлаждане, трябва да се съединяват само когато размерите им се променят по същия начин с температурните промени (веществата имат сходни коефициенти). Това е особено важно за продукти с големи размери. Така например желязото и бетонът се разширяват по същия начин при нагряване. Ето защо широко се използва стоманобетон - втвърден бетонов разтвор, излят в стоманена решетка. Ако желязото и бетонът се разширяват по различен начин, тогава в резултат на дневни и годишни температурни колебания, стоманобетонната конструкция скоро ще се срути.
Още няколко примера. Металните проводници, запоени в стъклени крушки на електрически лампи и радиолампи, са направени от сплав от желязо и никел, която има същия коефициент на разширение като стъклото, в противен случай стъклото би се напукало при нагряване на метала. Емайлът, с който са покрити съдовете, и металът, от който са направени тези съдове, трябва да имат същите коефициенти на линейно разширение. В противен случай емайлът ще се спука при нагряване и охлаждане на съдовете, покрити с него.
Топлинното разширение на телата се използва широко в инженерството. Ето само няколко примера. Две различни плочи (например желязо и мед), заварени или „занитани“ заедно образуват това, което е известно като биметална плоча. При нагряване такива плочи се огъват поради факта, че едната се разширява повече от другата. Тази на лентите (медните), която се разширява повече, винаги се оказва от изпъкналата страна.
Това свойство на биметалните плочи се използва широко за измерване и регулиране на температурата. Металният термометър има спирала, направена от две ленти от различни метали, заварени (или занитени) заедно. Един от тези метали се разширява повече при нагряване от другия. Поради едностранното разширяване спиралата се разгъва и показалецът се движи надясно по скалата. Когато се охлади, спиралата се усуква отново и стрелката се премества наляво по скалата.
(C) 2012. Савинкова Галина Лвовна (Самара)
