← Физика 8 класс
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?

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
−50 °C+200 °C
Стержень и шкала
20 °C
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
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
Шар проходит
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.