Тепловое расширение

1. {
Тепловое
расширение

2. Наше восприятие тепла основывается на
осязании и поэтому недостаточно надежно.
Более или менее надежным ощущением мы
обладаем при оценке различий теплового
состояния. Мерой теплового состояния
служит температура. Но, чтобы нагреть кусок
железа до определенной температуры, мы
затрачиваем значительно меньше тепла, чем
для нагревания такой же массы воды до той
же температуры. Вследствие этого мы
должны строго отличать тепловое состояние,
т.е. температуру от затраты тепла,
необходимой для достижения данной
температуры.

3. Термометр и измерение температуры
Для измерения температуры служат термометры. Для
определения температуры мы используем главным
образом тепловое расширение жидкостей (ртутный и
спиртовой термометры).
Для измерения температур может быть также
использовано различное тепловое расширение двух
металлов, металлический термометр. Можно также
использовать электрическое напряжение, возникающее в
местах спая двух металлов, если его нагревать, в то время
как свободный конец термоэлемента поддерживается при
более низкой температуре

4. ...

5. Принцип измерения температуры.
Температура непосредственно не измеряется!
Измеряется величина, зависящая от температуры!
В современных жидкостных термометрах - это объем
спирта или ртути ( в термоскопе Галилея – объем
газа). Термометр измеряет собственную температуру!
А, если мы хотим измерить с помощью термометра
температуру какого-либо другого тела, надо
подождать некоторое время, пока температуры тела и
термометра уравняются, т.е. наступит тепловое
равновесие между термометром и телом.
В этом состоит закон теплового равновесия:
у любой группы изолированных тел через какое-то
время температуры становятся одинаковыми,
т.е. наступает состояние теплового равновесия.

6. ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?
• Самая высокая температура на Земле
зарегистрированная в Ливии в 1922 году —
+57,8 0 С;
• Самая низкая температура,
зарегистрированная на Земле, — –89,20 С;
• Над головой у человека температура выше
температуры окружающей среды на
• 1 – 1,5 0С;
• Средняя температура животных: лошади —
380С, овцы — 400С, курицы — 410С,
• Температура в центре Земли — 200000С;
• Температура на поверхности Солнца —
6000 К, в центре — 20 млн. град К.

7.  ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ
 Экспериментальные исследования теплового
расширения в XVIII веке привели к характерной
путанице понятий, царившей почти до середины
XIX столетия. Говорили, например, что "ртуть
расширяется равномерно", забывая добавить, по
отношению к какому эталону определяется это
расширение. Между тем в качестве мерила неявно
предполагалась та же ртуть, поскольку за равные
интервалы температуры принимались интервалы,
дававшие равные значения расширения ртути. При
этих условиях утверждение о том, что ртуть
расширяется равномерно, лишено смысла, точно так
же как нет смысла и в утверждении, что видимое
движение неподвижных звезд "равномерно", если
само это движение служит для определения равных
интервалов времени.
Тепловое расширение

8.  Уже в начале столетия некоторые опыты Дэви показали
необходимость принятия эталонной шкалы. Дэви
сконструировал различные термометры — со ртутью, со
спиртом, с чистой водой, с соленой водой. Каждый
термометр он градуировал по Цельсию обычным
способом с обычными двумя постоянными точками.
Сопоставив показания этих термометров, он обнаружил
полное их расхождение. Так, когда ртутный термометр
показывал 50° С, спиртовой показывал 43°, термометр с
оливковым маслом 49°, с чистой водой 25,6°, а с соленой
водой 45,37°.
Опыты Дэви

9.  Биография
 Родился 17 декабря 1778 в городке Пензансе (графство
Корнуолл) на юго-западе Англии. Отец Гемфри был резчиком
по дереву, "не умеющим считать деньги", и поэтому семья с
трудом сводила концы с концами. Мать была приемной
дочерью местного врача Тонкина.
 Несмотря на рано проявившиеся выдающиеся способности, в
школе учился посредственно и после смерти отца был отдан в
обучение к аптекарю. Здесь он начал свои первые химические
эксперименты, а кроме того, занялся самообразованием по
составленному им самим обширному плану.
 В возрасте 17 лет Дэви совершил первое открытие: получив
тепло от трения двух кусков льда, он пришел к выводу, что
теплота – это особый вид движения. В 1820–1827 был
президентом Лондонского королевского общества
(английской академии наук). У Дэви учился и начал
работать Майкл Фарадей.
 Похоронен в Вестминстерском аббатстве в Лондоне.
Факты биографии Дэви

10. {
 Пти Алексис Терез (2.10.1791-21.06.1820) —
французский физик. Родился в Везуле. Окончил
Политехническую школу (1.809). В 1810 стал
профессором лицея (Париж), с 1815 — профессор
Политехнической школы. Работы посвящены
теплоте и молекулярной физике. Вместе с П.
Дюлонгом исследовал охлаждение тел в пустоте,
вывел (1818) формулу для скорости охлаждения
нагретых тел. Разработал метод изучения
теплопроводности газов, а также методы
определения теплового расширения и удельной
теплоемкости твердых тел. В 1819 с Дюлонгом
эмпирически установил, что атомная теплоемкость
всех простых твердых тел при постоянном объеме
почти неизменна и равна 6 кал/моль-град (закон
Дюлонга и Пти), изобрел (1816) катетометр
Дюлонг Пьер Луи (12.02.1785-19.07.1838)
— французский физик и химик, член
Парижской АН (1823). президент (1828)
Родился в Руане. В 1801-03 учился в
Политехнической школе. В 1811—20
работал в Нормальной и Ветеринарной
школах в Париже. С 1820-профессор
Парижского университета и в 1920—30—
Политехнической школы. Физические
работы посвящены теплоте Вместе с А.
Пти в 1819 установил, что произведение
удельной теплоемкости и атомного веса
для простых тел в кристаллическом
состоянии является величиной почти
постоянной (закон Дюлонга и Пти).
Исследовал теплопроводность и
упругость газов, тепловое расширение
твердых тел, изобрел (1816) катетометр (с
А. Пти) В 1829 вычислил теплоемкость
различных газов при постоянном объеме,
в 1830 сконструировал водяной
калориметр и определил теплоты
сгорания большого количества веществ
Точное сопоставление показаний ртутного и воздушного
термометров было произведено в 1815 г. Дюлонгом и Пти, которые
пришли к заключению, что если расширение ртути считать
равномерным, то расширение воздуха не будет равномерным, и
наоборот. Однако полное выражение эти идеи получили лишь в
знаменитом мемуаре Уильяма Томсона (лорда Кельвина),
опубликованном в 1848 г., где вводится термодинамическая
температурная шкала, не зависящая от применяемого
термометрического вещества, почему она и получила название
"абсолютной шкалы".

11. Уильям Томсон, лорд Кельвин
(26.VI. 1824 - 17.XII. 1907)
Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, родился в Белфасте (Ирландия) в семье
профессора инженерии. Когда мальчику было 7 лет, его отец получил кафедру
математики в университете Глазго (Шотландия), и перебрался туда вместе с семьей.
Уже в возрасте восьми лет Уильям начал посещать лекции своего отца, а в 10 лет стал
студентом. Закончив обучение в Глазго, 17-летний юноша поступает в Кембриджский
университет. В это время публикуется его первая научная статья, посвященная
тригонометрическим рядам.
В 1845 г., после окончания университета, Томсон по совету отца едет в Париж -
стажироваться в лаборатории известного французского физика-экспериментатора
Анри-Виктора Реньо (1810-1878). Здесь Томсон разработал способ решения
электростатических задач ("метод электрических изображений"). Через год 22-летний
ученый вернулся в Глазго, став профессором и заведующим кафедрой физики в
университете.
В 1848 г. Томсон ввел "абсолютную термометрическую шкалу". Он объяснил ее название
следующим образом: "Для этой шкалы характерна полная независимость от
физических свойств какого-либо конкретного вещества". Он отмечает, что "бесконечный
холод должен соответствовать конечному числу градусов воздушного термометра ниже
нуля", а именно: точке, "соответствующей объему воздуха, уменьшенному до нуля, что
будет отмечено на шкале как -273 °С".

12. 26 июня 1824 года родился Уильям Томсон, лорд Кельвин. Его родной город — Белфаст, столица
Северной Ирландии.
Уильям Томсон, лорд Кельвин — человек, стоящий у истоков современной физики. Его называют
самым знаменитым ученым викторианской эпохи. Он занимался вопросами электромагнитных
колебаний, теорией вихревого движения, работал в областях астрофизики, геофизики, был членом и
президентом Лондонского королевского общества. Его перу принадлежат около шестисот научных
работ.
Томсон – физик, ученый, исследователь, математик. Его личность совершенно уникальна. Он — отец
термодинамики и кинетической теории газов. Английская королева Виктория в 1892 году пожаловала
гениальному физику пэрство с титулом лорд Кельвин.
Отец ученого, Джеймс Томсон, был сыном фермера, грыз гранит науки самостоятельно, после
нескольких лет титанического труда стал профессором математики в университете в Глазго.
В университет будущий лорд поступил, когда ему было десять лет, одновременно с ним учился и его
двенадцатилетний брат. По математике и естествознанию равных Уильяму не было. Вторым был его
брат.
Дальнейшее обучение будущий ученый продолжил уже в Кембридже. Он вставал в пять утра, читал,
занимался, выполнял необходимую работу и всю жизнь стремился минимизировать бесполезную
трату времени.
В 1846 году двадцатидвухлетний Уильям по результатам тайного голосования становится
профессором натуральной философии в университете в Глазго. Незаурядный ум своего
преподавателя сразу оценили студенты, которые обожали его.
На заседании британской ассоциации естествоиспытателей в 1847 году Уильям Томсон слушал
выступление Джеймса Джоуля. Томсон с огромным интересом воспринял информацию, после чего
между двумя учеными завязались дебаты. В споре рождается истина. Томсон пришел к пониманию
того, что закон сохранения энергии является главным объединяющим принципом науки, он вводит
понятие энергии, которую мы сейчас называем кинетической и потенциальной.
Физик Томсон обладал удивительным даром. Он видел события, явления насквозь, мгновенно
усматривал связь логическую между ними. Будучи разносторонним человеком, открыл миру новое во
многих областях науки.

13. Дата рождения:
26 июня 1824
Место рождения:
Белфаст, Северная Ирландия
Дата смерти:
17 декабря 1907 (83 года)
Место смерти:
Ларгс, Шотландия
Страна:
Великобритания
Научная сфера:
физика
Место работы:
Университет Глазго
Альма-матер:
Университет Глазго,
Кембриджский университет (колледж Питерхаус)
Награды и премии
Награда Смита,
Королевская медаль,
Медаль Копли

14. Шкала
Цельсия
Шкала
Фаренгейта
Шкала
Реомюра
Шкала
Кельвина
Кем и
когда
введена.
А. Цельсия
швед.
физик
1742 г.
Фаренгейт
стеклодув из
Голландии
1724 г.
Реомюр
французский
физик
1726 г.
Томсон
(лорд Кельвин)
англ. физик
1848 г.
Обозна-
чение.
C F R К
Наличие положи-
тельных и отрица-
тельных темп-р
+ и – + и – + и – +
Опорные
точки.
0C
– темп. таяния
льда,
100C
– темп.
кипения воды.
32F
– темп. таяния
льда,
212F
– темп.
кипения воды.
0R
– темп. таяния
льда,
80R
– темп.
кипения воды.
0K – абс.нуль,
273К
– темп. таяния
льда.
Т =
t + 273
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ

15. А ЭТО ТЫ ЗНАЕШЬ ?
На самом деле шведский астроном и
физик Цельсий предложил шкалу, в
которой точка кипения воды была
обозначена числом 0, а точка таяния льда
числом 100 ! "Зато зимой не будет
отрицательных чисел!" -любил говорить
Цельсий. Но потом шкалу "перевернули".
• Температура -40 градусов по Цельсию
точно равна температуре -40 градусов по
Фаренгейту. Это единственная
температура, в которой две этих шкалы
сходятся.

17. Расширение твердых тел
При нагревании твердые тела расширяются во все стороны; тела, имеющие
форму стержня, расширяются заметнее всего в направлении своей длины.
Линейное расширение легко измерить.
Основные опыты.
Шар и кольцо (рис.157). При одинаковой температуре кольца и шара шар
свободно проходит через кольцо. Если нагреть шар, то вследствие его
расширения он застревает в кольце до тех пор, пока их температуры не
сравняются.
Стальной стержень с болтом (рис.158). Стальной стержень просверлен с
одного конца; в это отверстие вставлен болт из чугуна или толстый гвоздь.
На другом конце стержня имеется нарезка и гайка. При комнатной
температуре стержень крепко затягивается в подставке, после чего
нагревается в средней части. Вследствие теплового линейного расширения
гайку удается навинтить дальше. При охлаждении и сжатии стержня
развиваются такие силы, что чугунный болт лопается, а гвоздь гнется.

18. Измерение линейного расширения
Через трубку длиной 1м, сделанную из испытуемого вещества, пропускается пар.
Перед опытом один конец трубки прочно закрепляется, а другой свободно лежит на опоре.
Свободный конец трубки касается рычага со стрелкой (стрелка ходит вдоль шкалы), и её
начальное положение фиксируется. Протекающий пар нагревает рубку приблизительно до 100ºС,
она расширяется и давит на рычаг. Отсчитывается новое положение указателя. Перед опытом
рычаг градуируется по известному расширению (например, на 1ºС приходится 0,05 мм).
Удлинение, отнесенное к единице длины и единице прироста температуры, называется
коэффициентом линейного расширения (α).
Пусть Δl обозначает прирост длины стержня, l0 – его начальная величина при 0ºС, lt - его длина
при температуре t. Тогда
Δl = lt – l0 = l0 αt , lt = l0(1+ αt).
Обратно, l0 = lt (1/(1+ αt)).≈ lt( 1 – αt), так как α очень мало и членами высших порядков можно
пренебречь:
1/ (1+ αt) = 1 – αt + α²t² - α³t³....
Для объемного расширения кубика получаем:
∆V = l ³ - l0³,
lt³ = l0³ (1+ αt)³ = l0³ (1 + 3αt +3α²t² + α³t³).
Так как α очень мало, то при обычно встречающихся температурах можно пренебречь обоими
последними членами в скобках. Тогда
Vt = V0(1+ βt), β = 3α.
Объемный коэффициент расширения β равен утроенному значению коэффициента линейного
расширения.

19. Применения. Различное тепловое
расширение используется в
компенсаторе часов и металлическом
термометре.
Компенсационный маятник. состоит из
трех латунных стержней и двух
цинковых, расположенных между ними
(рис.160). Удлинение латунных
стержней компенсируется удлинением
цинковых стержней, происходящим в
противоположном направлении.

20. Металлический термометр имеет спираль сделанную из двух полос
различных металлов, сваренных друг с другом (рис.161). Один из этих
металлов расширяется при нагревании сильнее, чем другой.
Вследствие одностороннего расширения спираль развертывается,
причем указатель перемещается вправо. При охлаждении спираль
снова скручивается и указатель отходит влево. Шкала градуируется по
известным температурам.
В технике также приходится считаться с тепловым расширением:
рельсовые стыки, мостовые опоры, ввод тока в лампах накаливания,
железобетон (железо и бетон имеют одинаковые коэффициенты
расширения), расширение электрических проводов при нагревании их
током.

21. Физика теплового расширения
Рассмотрим теперь вопрос с точки зрения физики. Представим, что
отверстие образовано восемью атомами или молекулами (дальше мы
будем говорить о частицах). Частицы твёрдого тела главным образом
колеблются около своих положений равновесия и перескакивают на
другие места достаточно редко – время их «оседлой» жизни составляет
даже вблизи точки плавления 0,1–0,001 с, а при более низких
температурах – уже часы и сутки (вспомним и о скорости диффузии в
твёрдых телах). Таким образом, количество частиц, обрамляющих
отверстие, будет оставаться неизменным до тех пор, пока не начнётся
переход в жидкую фазу. При повышении температуры размах
колебаний каждой частицы увеличится, она станет занимать больше
места в пространстве, следовательно, диаметр отверстия увеличится.
Сближаться частицы не могут, т.к. при этом они начнут «перекрываться».

22. Учет и использование теплового расширения в
технике
• 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