Связи между частицами жидкости, как мы знаем, слабее, чем между молекулами в твердом теле. Поэтому следует ожидать, что при одинаковом нагревании жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела. Это действительно подтверждается на опыте.

Наполним колбу с узким и длинным горлышком подкрашенной жидкостью (водой или лучше керосином) до половины горлышка и отметим резиновым колечком уровень жидкости. После этого опустим колбу в сосуд с горячей водой. Сначала будет видно понижение уровня жидкости в горлышке колбы, а затем уровень начнет повышаться и поднимется значительно выше начального. Это объясняется тем, что вначале нагревается сосуд и объем его увеличивается. Из-за этого уровень жидкости опускается. Затем нагревается жидкость. Расширяясь, она не только заполняет увеличившийся объем сосуда, но и значительно превышает этот объем. Следовательно, жидкости расширяются в большей степени, чем твердые тела.

Температурные коэффициенты объемного расширения жидкостей значительно больше коэффициентов объемного расширения твердых тел; они могут достигать значения 10 -3 К -1 .

Жидкость нельзя нагреть, не нагревая сосуда, в котором она находится. Поэтому мы не можем наблюдать истинного расширения жидкости в сосуде, так как расширение сосуда занижает видимое увеличение объема жидкости. Впрочем, коэффициент объемного расширения стекла и других твердых тел обычно значительно меньше коэффициента объемного расширения жидкости, и при не очень точных измерениях увеличением объема сосуда можно пренебречь.

Особенности расширения воды

Наиболее распространенная на Земле жидкость - вода - обладает особыми свойствами, отличающими ее от других жидкостей. У воды при нагревании от 0 до 4 °С объем не увеличивается, а уменьшается. Лишь с 4 °С объем воды начинает при нагревании возрастать. При 4 °С, таким образом, объем воды минимален, а плотность максимальна*. На рисунке 9.4 показана примерная зависимость плотности воды от температуры.

* Эти данные относятся к пресной (химически чистой) воде. У морской воды наибольшая плотность наблюдается примерно при 3 °С.

Отмеченное особое свойство воды оказывает большое влияние на характер теплообмена в водоемах. При охлаждении воды вначале плотность верхних слоев увеличивается, и они опускаются вниз. Но после достижения воздухом температуры 4 °С дальнейшее охлаждение уже уменьшает плотность, и холодные слои воды остаются на поверхности. В результате в глубоких водоемах даже при очень низкой температуре воздуха вода имеет температуру около 4 °С.

Объем жидких и твердых тел увеличивается прямо пропорционально росту температуры. У воды обнаруживается аномалия: ее плотность максимальна при 4 °С.

Известно, что под действием тепла частицы ускоряют свое хаотичное движение. Если нагревать газ, то молекулы, составляющие его, просто разлетятся друг от друга. Нагретая жидкость сначала увеличится в объеме, а затем начнет испаряться. А что будет с твердыми телами? Не каждое из них может изменить свое агрегатное состояние.

Термическое расширение: определение

Тепловое расширение - это изменение размеров и формы тел при изменении температуры. Математически можно высчитать объемный коэффициент расширения, позволяющий спрогнозировать поведение газов и жидкостей в изменяющихся внешних условиях. Чтобы получить такие же результаты для твердых тел, необходимо учитывать Физики выделили целый раздел для такого рода исследований и назвали его дилатометрией.

Инженерам и архитекторам необходимы знания о поведении разных материалов под воздействием высоких и низких температур для проектировки зданий, прокладывания дорог и труб.

Расширение газов

Тепловое расширение газов сопровождается расширением их объема в пространстве. Это заметили философы-естественники еще в глубокой древности, но построить математические расчеты получилось только у современных физиков.

В первую очередь ученые заинтересовались расширением воздуха, так как это казалось им посильной задачей. Они настолько рьяно взялись за дело, что получили довольно противоречивые результаты. Естественно, такой исход научное сообщество не удовлетворил. Точность измерения зависела от того, какой использовался термометр, от давления и множества других условий. Некоторые физики даже пришли к мнению, что расширение газов не зависит от изменения температуры. Или эта зависимость не полная...

Работы Дальтона и Гей-Люссака

Физики продолжали бы спорить до хрипоты или забросили бы измерения, если бы не Он и еще один физик, Гей-Люссак, в одно и то же время независимо друг от друга смогли получить одинаковые результаты измерений.

Люссак пытался найти причину такого количества разных результатов и заметил, что в некоторых приборах в момент опыта была вода. Естественно, в процессе нагревания она превращалась в пар и изменяла количество и состав исследуемых газов. Поэтому первое, что сделал ученый, - это тщательно высушил все инструменты, которые использовал для проведения эксперимента, и исключил даже минимальный процент влажности из исследуемого газа. После всех этих манипуляций первые несколько опытов оказались более достоверными.

Дальтон занимался этим вопросом дольше своего коллеги и опубликовал результаты еще в самом начале XIX века. Он высушивал воздух парами серной кислоты, а затем нагревал его. После серии опытов Джон пришел к выводу, что все газы и пар расширяются на коэффициент 0,376. У Люссака получилось число 0,375. Это и стало официальным результатом исследования.

Упругость водяных паров

Тепловое расширение газов зависит от их упругости, то есть способности возвращаться в исходный объем. Первым данный вопрос стал исследовать Циглер в середине восемнадцатого века. Но результаты его опытов слишком разнились. Более достоверные цифры получил который использовал для высоких температур папинов котел, а для низких - барометр.

В конце XVIII века французский физик Прони предпринял попытку вывести единую формулу, которая бы описывала упругость газов, но она получилась лишком громоздкая и сложная в использовании. Дальтон решил опытным путем проверить все расчеты, используя для этого сифонный барометр. Не смотря на то что температура не во всех опытах была одинакова, результаты получились очень точными. Поэтому он опубликовал их в виде таблицы в своем учебнике по физике.

Теория испарения

Тепловое расширение газов (как физическая теория) претерпевала различные изменения. Ученые пытались добраться до сути процессов, при которых получается пар. Здесь снова отличился известный уже нам физик Дальтон. Он высказал гипотезу, что любое пространство насыщается парами газа независимо от того, присутствует ли в этом резервуаре (помещении) какой-либо другой газ или пар. Следовательно, можно сделать вывод, что жидкость не будет испаряться, просто входя в соприкосновение с атмосферным воздухом.

Давление столба воздуха на поверхность жидкости увеличивает пространство между атомами, отрывая их друг от друга и испаряя, то есть способствует образованию пара. Но на молекулы пара продолжает действовать сила тяжести, поэтому ученые посчитали, что атмосферное давление никак не влияет на испарение жидкостей.

Расширение жидкостей

Тепловое расширение жидкостей исследовали параллельно с расширением газов. Научными изысканиями занимались те же самые ученые. Для этого они использовали термометры, аэрометры, сообщающиеся сосуды и прочие инструменты.

Все опыты вместе и каждый в отдельности опровергли теорию Дальтона о том, что однородные жидкости расширяются пропорционально квадрату температуры, на которую их нагревают. Конечно, чем выше температура, тем больше объем жидкости, но прямой зависимости между ним не было. Да и скорость расширения у всех жидкостей была разной.

Тепловое расширение воды, например, начинается с нуля градусов по Цельсию и продолжается с понижением температуры. Раньше такие результаты опытов связывали с тем, что расширяется не сама вода, а сужается емкость, в которой она находится. Но некоторое время спустя физик Делюка все-таки пришел к мысли, что причину следует искать в самой жидкости. Он решил найти температуру ее наибольшей плотности. Однако это ему не удалось ввиду пренебрежения некоторыми деталями. Румфорт, занимавшийся изучением этого явления, установил, что максимальная плотность воды наблюдается в пределах от 4 до 5 градусов по Цельсию.

Тепловое расширение тел

В твердых телах главным механизмом расширения является изменение амплитуды колебаний кристаллической решетки. Если говорить простыми словами, то атомы, входящие в состав материала и жестко сцепленные между собой, начинают «дрожать».

Закон теплового расширения тел сформулирован так: любое тело с линейным размером L в процессе нагревания на dT (дельта Т - разница между начальной температурой и конечной), расширяется на величину dL (дельта L - это производная коэффициента линейного теплового расширения на длину объекта и на разность температуры). Это самый простой вариант этого закона, который по умолчанию учитывает, что тело расширяется сразу во все стороны. Но для практической работы используют куда более громоздкие вычисления, так как в реальности материалы ведут себя не так, как смоделировано физиками и математиками.

Тепловое расширение рельса

Для прокладки железнодорожного полотна всегда привлекают инженеров-физиков, так как они могут точно вычислить, какое расстояние должно быть между стыками рельсов, чтобы при нагревании или охлаждении пути не деформировались.

Как уже было сказано выше, тепловое линейное расширение применимо для всех твердых тел. И рельс не стал исключением. Но есть одна деталь. Линейное изменение свободно происходит в том случае, если на тело не воздействует сила трения. Рельсы жестко прикреплены к шпалам и сварены с соседними рельсами, поэтому закон, который описывает изменение длинны, учитывает преодоление препятствий в виде погонных и стыковых сопротивлений.

Если рельс не может изменить свою длину, то с изменением температуры в нем нарастает тепловое напряжение, которое может как растянуть, так и сжать его. Этот феномен описывается законом Гука.

Жидкость без запаха, вкуса и цвета (в толстых слоях голубоватая). Температура плавления- О гр.Цельсия. Температура кипения 100гр.Цельсия.

Простые опыты и наблюдения убеждают нас, что при повышении температуры размеры тел немного увеличиваются, а при охлаждении - уменьшаются до прежних размеров. Так, например, сильно разогретый болт не входит в резьбу, в которую он свободно входит, будучи холодным. Когда болт охладится, он снова входит в резьбу. Телеграфные провода в жаркую летнюю погоду провисают заметно больше, чем во время зимних морозов. При нагревании электрическим током проволока удлиняется и провисает; по выключении тока она принимает прежнее положение. Увеличение провисания, а следовательно, и длины натянутых проволок при нагревании легко воспроизвести на опыте. Нагревая натянутую проволоку электрическим током, мы видим, что она заметно провисает, а по прекращении нагревания снова натягивается.

При нагревании увеличиваются не только длина тела, но также и другие линейные размеры. Изменение линейных размеров тела при нагревании называют линейным расширением. Если однородное тело (например, стеклянная трубка) нагревается одинаково во всех частях, то оно, расширяясь, сохраняет свою форму. Иное происходит при неравномерном нагревании. Рассмотрим такой опыт. Стеклянная трубка расположена горизонтально, и один ее конец закреплен. Если трубку нагревать снизу, то верхняя ее часть остается вследствие плохой Теплопроводности стекла более холодной.

а) Пластинка, склепанная из медной и железной полосок, в холодном состоянии. б) Та же пластинка в нагретом состоянии (для наглядности изгиб показан преувеличенным) Компенсатор на паропроводе дает возможность трубам А и В расширяться. Бывали случаи, когда части железных мостов, склепанные днем, охлаждаясь ночью, разрушались, срывая многочисленные заклепки. Во избежание подобных явлений, принимают меры к тому, чтобы части сооружений при изменении температуры расширялись или сжимались свободно. Например, железные паропроводы снабжают пружинящими изгибами в виде петель.

Увеличение линейных размеров сопровождается увеличением объема тел (объемное расширение тел). О линейном расширении жидкостей говорить нельзя, так как жидкость не имеет определенной формы. Объемное же расширение жидкостей нетрудно наблюдать. Наполним колбу подкрашенной водой или другой жидкостью и заткнем её пробкой со стеклянной трубкой так, чтобы жидкость вошла в трубку. Если к колбе поднести снизу сосуд с горячей водой, то в первый момент жидкость в трубке опустится, а затем начнет подниматься. Понижение уровня жидкости в первый момент указывает на то, что сперва расширяется сосуд, а жидкость еще не успела прогреться. Затем прогревается и жидкость. а) Подкрашенная вода вошла из колбы в пробку. б) К колбе снизу подносится сосуд с горячей водой. В первый момент погружения колбы жидкость в трубке опускается. в) Уровень в трубке через некоторое время устанавливается выше, чем до нагревания колбы.

Примеры расширения воды в природе Самое распространенное на поверхности Земли вещество - вода - имеет особенность, отличающую её от большинства других жидкостей. Она расширяется при нагревании только свыше 4 °С. От 0 до 4 °С объем воды, наоборот, при нагревании 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. Увеличение давления тоже понижает температуру наибольшей плотности воды. Особенности расширения воды имеют громадное значение для климата Земли. Большая часть (79%) поверхности Земли покрыта водой. Солнечные лучи, падая на поверхность воды, частично отражаются от нее, частично проникают внутрь воды и нагревают её. Если температура воды низка, то нагревшиеся слои (например, при 2 °С) более плотны, чем холодные (например, при 1 °С), и потому опускаются вниз. Их место занимают холодные слои, в свою очередь нагревающиеся. Таким образом, происходит непрерывная смена слоев воды, что способствует равномерному прогреванию всей толщи воды, пока не будет достигнута температура, соответствующая максимальной плотности. При дальнейшем нагревании верхние слои становятся все менее плотными, а потому и остаются вверху. Вследствие этого большие толщи воды сравнительно легко прогреваются солнечными лучами лишь до температуры наибольшей плотности воды; дальнейшее прогревание нижних слоев идет крайне медленно. Наоборот, охлаждение воды до температуры наибольшей плотности идет сравнительно быстро, а. затем процесс охлаждения замедляется. Все это ведет к тому, что глубокие водоемы на поверхности Земли имеют, начиная с некоторой глубины, температуру, близкую к температуре наибольшей плотности воды (4 °С). Верхние слои морей в теплых странах могут иметь температуру, значительно более высокую (30 °С и более).

СПАСИБО ЗА ПРОСМОТР СОЗДАТЕЛИ:Иван Климентьев; Михаил Гарус.

Известно, что многие вещества расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. А как ведет себя вода при таких условиях?

Чтобы ответить на этот вопрос, проведем опыт.

Наполним колбу водой и закроем ее пробкой с двумя отверстиями. Вставим в них стеклянную трубочку и термометр (его надо опустить почти до дна колбы). В стеклянной трубочке вода должна находиться над пробкой. Чтобы опыт был более наглядным, воду можно немного подкрасить, бросив в нее маленький кристаллик марганцовки. Отметим уровень воды в колбе, надев на стеклянную трубочку тонкое резиновое кольцо. Колбу поместим в большой плоский сосуд и наполним его мелкими кусочками льда.

Рис. 53. При охлаждении воды до +4 °C ее объем уменьшается

Первоначальная температура воды была +18 С. Через несколько минут уровень воды изменился: он стал ниже, чем был. И температура воды в колбе понизилась. Лед, который находится вокруг колбы, охладил ее. Значит, при охлаждении вода сжимается, ее объем уменьшается.

Продолжим наблюдения. При достижении температуры +4 °C вода, вместо того чтобы продолжать сжиматься, как это было при других температурах, начинает расширяться. Если продолжать охлаждать воду, она будет расширяться до тех пор, пока ее температура не станет 0 °C.

Вода – единственное вещество на Земле, которое при охлаждении сначала сжимается, а затем при температуре +4 °C начинает расширяться.

Особенности теплового расширения воды имеют огромное значение для всего живого, в частности, для обитателей водоемов в тех местностях, где бывают суровые зимы (с минусовыми температурами). Разберем, что происходит с водой в водоемах, когда начинается зима. Холодный воздух, соприкасаясь с верхними слоями воды, охлаждает ее. Охлажденная вода, становясь тяжелее, опускается вниз, ко дну. Опускаясь, она охлаждает более теплые слои. Такое перемещение воды происходит до тех пор, пока температура воды во всем водоеме не достигнет +4 °C. При этой температуре она начинает расширяться. Ставшая менее плотной, вода медленно движется вверх. Так продолжается, пока температура воды не достигнет 0 °C. При этой температуре верхние ее слои начинают замерзать и еще больше расширяться. На поверхности водоема появляется тонкий слой льда. Он не тонет, так как легче воды. И поэтому поверхность водоема замерзает в первую очередь. Сплошной лед защищает находящуюся ниже него воду от холодного воздуха, препятствует промерзанию до дна рек, озер, прудов и других глубоких водоемов.

На дне глубоких водоемов вода круглый год имеет температуру +4 °C (рис. 54). Если бы не было удивительной особенности воды – расширения при замерзании, то вся или почти вся жизнь зимой в воде прекратилась бы.

Рис. 54. Распределение температуры воды в замерзшем водоеме

Вода не уменьшает (как другие вещества), а увеличивает свой объем при переходе из жидкого состояния в твердое.

У большинства веществ объем при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается, при этом изменяется и плотность вещества.

Плотность вещества при плавлении уменьшается, а при отвердевании увеличивается. Но существуют такие вещества, как, например, кремний, германий, висмут, у которых плотность при плавлении увеличивается, а при отвердевании уменьшается. К этим веществам относится и лед (вода).

Опыт показывает, что вода имеет, наибольшую плотность при 4°С. Это объясняется особенностями строения кристаллической решетки льда. Если в жидком состоянии молекулы Н2О расположены вплотную друг к другу, то при кристаллизации расстояние между ближайшими молекулами увеличивается и в кристалле между молекулами образуются «пустоты». Поэтому плотность воды больше, чем льда, и достигает наибольшего значения при 4"С. При повышении или понижении температуры от 4°С плотность воды уменьшается, объем увеличивается.

Вследствие того, что почти 80% поверхности Земли покрыто водой, особенности ее теплового расширения оказывают огромное влияние на климат Земли. При нагревании воды в открытых водоемах, имеющей температуру 1-2°С, происходит непрерывная смена слоев воды, имеющих различную температуру. Так происходит до тех пор* пока не будет достигнута температура, соответствующая максимальной плотности. При дальнейшем нагревании верхние слои становятся менее плотными, а потому остаются наверху. Этим объясняется тот факт, что в глубоких водоемах температура воды, начиная с некоторой глубины близка к температуре наибольшей плотности воды.

Этой особенностью теплового расширения воды объясняется тот факт, что водоемы зимой не промерзают до дна. При охлаждении, пока температура поверхностного слоя не достигнет 4°С, плотность более теплой воды ниже плотности более холодной, поэтому более теплая вода поднимается вверх, а более холодная опускается вниз.

В интервале температур от 0 до 4°С значения плотностей меняются: теперь уже вода, имеющая более высокую температуру, опускается вниз, г более холодная перемещается вверх и, охлаждаясь, замерзает.

Расширение воды при замерзании ведет к разрушению горных пород, сосудов, в которых она находится.

2. Фотоэффект.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями - квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h - постоянная Планка, равная 6,63 10 Дж с, v - частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспириментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым.

Фотоэффект - это явление испускания электронов веществом под действием света. Если зарядить цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно и освещать ее электрической дугой (рис. 35), то электрометр быстро разрядится.

В результате исследований были установлены следующие эмпирические закономерности:

- количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны;

- максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

Кроме того, были установлены два фундаментальных свойства.

Во-первых, безынерционность фотоэффекта: процесс начинается сразу в момент начала освещения.

Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты vmin - красной границы фотоэффекта . Эта частота такова, что при v < vmin фотоэффект не происходит при любой энергии света, а если v > vmin, то фотоэффект начинается даже при малой энергии.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г.

В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hv . При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода - это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла.

Поэтому максимальная кинетическая энергия электронов после вылета (если нет других потерь) равна: тv /2 - hv - Авых. Следовательно, . Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

Если hv < Авых , то фотоэффекта не происходит. Значит, красная граница фотоэффекта равна vmin = A/ h .

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.