double arrow

Теоретические сведения. 1) изучить тепловые свойства твердых тел;


ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Цель работы:

1) изучить тепловые свойства твердых тел;

Определить коэффициент линейного расширения стержней.

Приборы и принадлежности: прибор для определения коэффициента линейного расширения твердых тел, исследуемые образцы, термометр, штангенциркуль.

Теоретические сведения

При нагревании или охлаждении изменяются размеры тел, т.е. происходит тепловое расширение. Причиной расширения твердых и жидких тел при нагревании является возрастание амплитуды тепловых колебаний атомов. При абсолютном нуле температуры атомы твердого тела располагаются в определенных положениях равновесия в пространстве. Потенциальную энергию атомов в этих положениях равновесия условно считают равной нулю. С ростом температуры атомы начинают колебаться около своих положений равновесия. При колебаниях атома происходит непрерывный переход его кинетической энергии в потенциальную и обратно.

Количественно тепловое расширение характеризуется изобарным коэффициентом расширения

где V – объем твердого, жидкого или газообразного тела,




Т – его абсолютная температура.

При равномерно однородных расширении

где V1 и V2 – объемы тела при температурах Т1 и Т2 соответственно.

При нагревании или охлаждении изменяются все размеры тел. Однако в некоторых случаях важно знать величину расширения только в одном направлении, либо изменением поперечных размеров можно пренебречь, как например, при нагревании проволоки и стержней. В связи с этим говорят о линейном расширении (сжатии) твердых тел.

Длина тела при нагревании изменяется пропорционально изменению его температуры:

(15.1)

где - длина тела при температуре Т

- первоначальная длина тела

-t1 – изменение температуры тела при нагревании

- коэффициент линейного расширения.

Обычно зависимость длины от температуры нагревания записывают в виде:

(15.1/)

Изменение длины тела при нагревании - называется абсолютным удлинением. Абсолютное удлинение показывает на сколько изменилась длина тела при изменении температуры.

Относительное удлинение показывает какую часть от первоначальной длины составляет абсолютное удлинение

(15.2)

Относительное удлинение обычно измеряют в процентах, тогда оно показывает сколько процентов составляет абсолютное удлинение от первоначальной длины

(15.2/)

Для количественной оценки способности тела расширяться при нагревании вводят понятие коэффициента линейного расширения :

(15.3)

Коэффициентом линейного расширения какого-либо тела, называется относительное удлинение какого-либо размера тела, находящегося при 00С, при изменение его температуры на 10С (1К). Коэффициент показывает, на какую часть удлиняется каждая единица длины тела находящегося при 00С, при изменении его температуры на 10С. Коэффициент линейного расширения зависит от вещества и для большинства тел имеет порядок величины 105-106. Коэффициент линейного расширения в пределах температурного интервала от 00С до 1000С слабо зависит от температуры. Поэтому в формуле (3) вместо l можно брать длину l при комнатной температуре тогда .При температурах ниже 00С и выше 1000С начинает сильно зависеть от температуры. Значение для различных температур указывают в справочных таблицах. Для большинства вещества меньше 0, но существуют исключения. Например, вода при нагревании от 00С до 40С при атмосферном давлении сжимается.



Зависимость от температуры наиболее заметна у газов. Для идеального газа коэффициент линейного расширения обратно пропорционален температуре. У жидкостей температурная зависимость проявляется слабее. У некоторых веществ в твердом состоянии коэффициент мал и практически постоянен в широком интервале температур. При стремлении температуры к нулю, стремится к нулю.

В общем случае анизотропных тел

(15.4)

Различие или равенство линейных коэффициентов теплового расширения вдоль кристаллических осей х, у, z определяется симметрией кристалла. Например, для кристаллов кубической системы так же как и для изотропных тел . Изотропными называются вещества, у которых свойства (в частности тепловые, одинаковы по всем направлениям). Для анизотропных веществ коэффициент объемного расширения β связан с коэффициентом линейного расширения α:



(15.5). Для изотропных веществ: .

Экспериментальное определение и осуществляется методами динамометрии. Тепловое расширение тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях.

Часто применяют следующие методы при измерении температурных коэффициентов и :

- метод непосредственного измерения длины твердого тела при повышении температуры. Этот метод позволяет определить коэффициент ;

- интерференционный метод позволяет очень точно определить изменение длины тела при нагревании, а следовательно и коэффициент ;

- метод динамометра, служит для определения коэффициента у тел неправильной формы;

- весовой метод в котором определяют плотность твердого тела при различных температурах с целью нахождения коэффициента .







Сейчас читают про: