Физика · 8 класс · Тепловое расширение и сжатие

Почему нагретые тела становятся больше?

Металлический мост летом немного длиннее, чем зимой. Провода в жару провисают сильнее. А тугую металлическую крышку иногда легче открыть, если подержать её под горячей водой. Почему температура изменяет размеры тел?

Посмотреть на частицы

Где это видно

Рельсы и мосты

Между частями конструкций оставляют зазоры и специальные швы: летом металл занимает чуть больше места.

Провода летом

В жару длинный провод удлиняется и провисает между опорами заметно сильнее, чем в мороз.

Крышка банки

Нагретая крышка немного расширяется — и её проще провернуть.

Во всех случаях происходит одно и то же: при изменении температуры размеры тела немного меняются. Разберёмся, что при этом происходит внутри вещества.

Шаг 1

Нагрей металлический стержень

Ниже — стальной стержень рядом со шкалой длины. Двигайте температуру и следите за двумя вещами сразу: за длиной стержня и за поведением частиц внутри него.

Стержень и его частицы интерактив

Температура: 20 °C

−50 °C+200 °C

Стержень и шкала

Длина: 1000,00 мм Изменение: 0,00 мм

Что внутри: частицы металла

Колебания слабые

Важно про масштаб. Настоящее удлинение стали очень мало: стержень длиной 1 метр при нагревании на 100 °C становится длиннее примерно на 1 миллиметр. В режиме «×100» изменение длины специально показано сильнее, чтобы его вообще можно было разглядеть.

Пока стержень холодный, частицы колеблются возле своих мест почти незаметно.

При нагревании тепловое движение частиц становится интенсивнее: они колеблются сильнее и в среднем расходятся чуть дальше друг от друга. Из-за этого всё тело становится немного больше.

При нагревании большинство твёрдых тел расширяется.

Шаг 2

А сами атомы стали больше?

Стержень удлинился. Значит ли это, что каждый атом внутри него «раздулся»?

Ниже две модели одного и того же нагревания. Выберите ту, которая правильно объясняет, что происходит с веществом.

Две модели нагревания выбор

Модель A

Сами шарики-атомы становятся больше.

Модель B

Размер шариков прежний, но движение интенсивнее и расстояния немного больше.

Тепловое расширение нельзя объяснять тем, что атомы «раздуваются». При нагревании меняется прежде всего характер движения частиц и их среднее взаимное расположение.

Шаг 3

Нагревание и охлаждение

Процесс обратим: если тело остудить, всё вернётся обратно. Нажимайте кнопки несколько раз и следите за цепочкой справа.

Туда и обратно интерактив

Температура: 20 °C Длина: 1000,00 мм

Изменение показано ×100

1Меняем температуру

2Движение частиц меняется

3Средние расстояния меняются

4Размер тела меняется

Нагревание обычно приводит к расширению, охлаждение — к сжатию. Слово «обычно» здесь не случайно: у некоторых веществ бывает иначе.

Шаг 4

Твёрдое тело, жидкость и газ

Расширяются не только металлы. Нагрейте сразу три объекта одним регулятором и сравните, насколько по-разному они реагируют.

Один нагрев — три вещества сравнение

Температура: 20 °C

0 °C+100 °C

Металлический шар

Размеры растут немного.

Жидкость в колбе

Объём растёт заметнее.

Газ под поршнем

Объём растёт сильнее всего.

Различия показаны увеличенно — важно соотношение, а не точные размеры

Тепловое расширение есть у твёрдых тел, жидкостей и газов — но выражено оно по-разному. Сильнее всего изменяется объём газа, если ему есть куда расширяться.

Шаг 5

Классический опыт: шар и кольцо

Холодный металлический шар свободно проходит через кольцо. Нагрейте шар — и посмотрите, что изменится.

Шар и кольцо опыт

Сейчас шар холодный и свободно проходит через кольцо.

Изменение диаметра показано увеличенным

Изменения размеров металла невелики, но даже небольшого расширения иногда достаточно, чтобы результат опыта заметно изменился.

Шаг 6

Где это важно учитывать

Инженер не может «отменить» тепловое расширение — конструкцию проектируют так, чтобы материалу было куда расшириться. Выберите пример.

Четыре примера переключайте

Шаг 7

Разные вещества расширяются по-разному

Три стержня одинаковой длины: алюминиевый, стальной и стеклянный. Нагреем их одинаково и сравним.

Одинаковый нагрев — разный результат сравнение

Разница в длине показана увеличенной

При одинаковом нагревании разные материалы изменяют размеры неодинаково. Поэтому при проектировании конструкций важно учитывать свойства конкретного материала.

А вода всегда ведёт себя так же?

Нет. У воды есть важная особенность: примерно в диапазоне от 0 до 4 °C она ведёт себя необычно — при нагревании в этом узком интервале её объём не увеличивается, а уменьшается. Это называют аномалией воды. Именно поэтому зимой водоёмы замерзают сверху, а не промерзают до дна. Подробно эту особенность разбирают отдельно — здесь достаточно запомнить, что правило «нагрели — расширилось» выполняется почти всегда, но не абсолютно всегда.

Не путай

Четыре частые ошибки

При нагревании атомы увеличиваются

В школьной модели изменение размеров тела связано прежде всего с изменением движения частиц и средних расстояний между ними.

Тело нагрели — значит, оно стало вдвое больше

Обычно тепловое расширение очень невелико: метровый стальной стержень при нагревании на 100 °C удлиняется примерно на миллиметр.

Расширяются только твёрдые тела

Тепловое расширение характерно и для жидкостей, и для газов — у газов оно выражено сильнее всего.

Изменение маленькое — можно не учитывать

На больших длинах даже небольшое относительное расширение даёт заметное изменение размеров, поэтому в мостах и на путях его закладывают заранее.

Проверка

Проверьте себя

Восемь коротких вопросов по теме. После каждого ответа — короткое объяснение.

Итоговая проверка

Итог

Что происходит на самом деле

Нагревание

↓

частицы движутся интенсивнее

↓

среднее взаимное расположение меняется

↓

размеры тела обычно увеличиваются

Охлаждение

↓

движение становится менее интенсивным

↓

средние расстояния обычно уменьшаются

↓

тело обычно сжимается

Тепловое расширение — это макроскопическое проявление изменений движения и взаимного расположения частиц вещества. Атомы при этом не становятся больше.

Материал подготовил: Безносов М.Н., учитель математики и физики.
Объяснение адаптировано для учеников 8 класса.