Rozszerzalność temperaturowa ciał

Rozszerzalność termiczna substancji

Rozszerzalność termiczna substancji oznacza zmianę objętości ciała, a co za tym idzie zmianę jego rozmiarów pod wpływem zmiany temperatury. Zmiana temperatury (przyrost temperatury)

Δt=t_k - t_o

może być dodatnia lub ujemna.

Dodatni przyrost temperatury jest wtedy, gdy temperatura otoczenia rośnie, a ujemny, gdy temperatura otoczenia maleje.

Doświadczalnie stwierdzono, że przyrost długości ciała

Δl=l_k - l_o

lub przyrost jego objętości

ΔV=V_k - V_o

jest wprost proporcjonalny do przyrostu temperatury Δt. Co zapisujemy jak poniżej

Δl ~ Δt dla przyrostu długości

ΔV ~ Δt dla przyrostu objętości

Ciała stałe wykazują rozszerzalność liniową i objętościową. Rozszerzalność liniowa ciał stałych, występuje wtedy gdy jeden z wymiarów ciała jest znacznie dłuższy od innych wymiarów. Na przykład metalowa szyna torowiska tramwajowego znacznie wydłuża się po najdłuższym boku szyny (czyli jej długości) niż po wysokości czy szerokości szyny.

Ciecze wykazują rozszerzalność objętościową. Woda wlana do butelki w czasie zamarzania zwiększa swoją objętość, co często doprowadza do uszkodzenia naczynia, w którym się znajduje

Gazy są ściśliwe, wypełniają całą objętość naczynia, w którym się znajdują, więc pod wpływem wzrostu temperatury otoczenia, rośnie ich ciśnienie (ulegają sprężeniu gdy naczynie jest zamknięte). Gdy temperatura otoczenia maleje, maleje ich ciśnienie (ulegają rozprężeniu gdy naczynie jest zamknięte). Jeżeli naczynie w którym znajduje sie gaz jest elastyczne na przykład napompowany balon, to widzimy pęcznienie balonu przy wzroście temperatury otocznia i kurczenie balony przy obniżeniu się temperatury otoczenia.

Diagram przyrostu długości dla jednometrowego odcinka pręta wykonanego z wybranych substancji gdy zostaną ogrzane o 100°C

Szczególna właściwość wody

Woda zachowuje się inaczej niż pozostałe ciecze w trakcie jej ogrzewania od 0°C do 100°C. Otóż w czasie ogrzewania w zakresie temperatur od 0°C do 4°C kurczy się. Jej objętość maleje, co oznacza, że rośnie gęstość wody. Przy 4°C woda ma największą gęstość.

Właściwość ta ma znaczenie dla organizmów żyjących w wodzie. W zimie, gdy powierzchnia stawów, jezior i rzek jest pokryta lodem, to woda cieplejsza o temperaturze 4°C opada na dno, co pozwala organizmom przeżyć ciężką zimę

Dalsze ogrzewanie wody od 4°C do 100°C powoduje jej rozszerzanie- wzrost objętości. Woda zachowuje się jak pozostałe ciecze.

Podsumowanie: Co wiemy o rozszerzalności ciał?

Przy wzroście temperatury ciała zwiększają swoją objętość, a przy obniżaniu temperatury zmniejszają swoją objętość. Wyjątkiem jest woda, która przy ogrzewaniu od 0°C do 4°C zmniejsza swoją objętość.

Woda przy wzroście temperatury od 0°C do 4°C kurczy się. Dalszy wzrost temperatury wody powoduje, że woda się rozszerza. Zachowuje się jak pozostałe ciecze.

Ciała wykonane z różnych substancji mające te same objętości ogrzane o tę samą różnicę temperatury mają różny przyrost objętości. Stąd w różnych konstrukcjach należy właściwie dobierać materiały. Na przykład konstrukcja żelbetonowa jest tak dobrana, stal i beton mają te same współczynniki rozszerzalności liniowej i objętościowej

Przyrost objętości jest wprost proporcjonalny do przyrostu temperatury ΔV ~ Δt

Przyrost długości drutów i prętów jest wprost proporcjonalny do przyrostu temperatury Δl ~ Δt