[Физика зачет 24] Силы межмолекулярного взаимодействия. Агрегатные состояние вещества. Характер теплового движения молекул в твердых, жидких, газообразных телах и его изменение с ростом температуры. Тепловой расширение тел. Линейное расширение твердых тел при нагревании. Объемное тепловое расширение твердых тел и жидкостей. Переходы между агрегатными состояниями. Теплота фазового перехода. Равновесие фаз. Уравнение теплового баланса.

Силы межмолекулярного взаимодействия.

Межмолекулярное взаимодействие имеет электрическую природу. Между ними действуют силы притяжения и отталкивания, которые быстро убывают при увеличении расстояния между молекулами. Силы отталкивания действуют только на очень малых расстояниях. Практически поведение вещества и его агрегатное состояние определяется тем, что является доминирующим: силы притяжения или хаотическое тепловое движение. В твердых телах доминируют силы взаимодействия, поэтому они сохраняет свою форму.

Агрегатные состояние вещества.

• способностью (твёрдое тело) или неспособностью (жидкость, газ, плазма) сохранять объём и форму ,
• наличием или отсутствием дальнего (твёрдое тело) и ближнего порядка (жидкость), и другими свойствами.

Характер теплового движения молекул в твердых, жидких, газообразных телах и его изменение с ростом температуры.

Тепловое движение в твердых телах является в основном колебательным. При высоких
температурах интенсивное тепловое движение мешает сближению молекул – газообразное
состояние, движение молекул поступательное и вращательное. . В газах менее 1% объема
приходится на объем самих молекул. При промежуточных значениях температур
молекулы будут непрерывно перемещаться в пространстве, обмениваясь местами, однако
расстояние между ними не намного превышает d – жидкость. Характер движения молекул
в жидкости носит колебательный и поступательный характер (в тот момент, когда они
перескакивают в новое положение равновесия).

Тепловое расширение тел.

Тепловое движение молекул объясняет явление теплового расширения тел. При
нагревании амплитуда колебательного движения молекул увеличивается, что приводит к
увеличению размеров тел.

Линейное расширение твердых тел при нагревании.

Линейное расширение твердого тела описывается формулой: L=L0(1+at) , где a - коэффициент линейного расширения ~10^-5 К^-1.

Объемное тепловое расширение твердых тел и жидкостей.

Объемное расширение тел описывается аналогичной формулой: V = V0(1+Bt), B- коэффициент объемного расширения, причем B=3a.
Переходы между агрегатными состояниями.

Вещество может находится в твердом, жидком, газообразном состояниях. Эти
состояния называют агрегатными состояниями вещества. Вещество может переходить из
одного состояния в другое. Характерной особенностью превращения вещества является
возможность существования стабильных неоднородных систем, когда вещество может
находится сразу в нескольких агрегатных состояниях. При описании таких систем
пользуются более широким понятием фазы вещества. Например, углерод в твердом
агрегатном состоянии может находится в двух различных фазах – алмаз и графит. Фазой
называется совокупность всех частей системы, которая в отсутствии внешнего
воздействия является физически однородной. Если несколько фаз вещества при данной
температуре и давлении существуют, соприкасаясь друг с другом, и при этом масса одной
фазы не увеличивается за счет уменьшения другой, то говорят о фазовом равновесии.

Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры.

Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты , поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (см. Закон Бойля—Мариотта , Закон Шарля , Уравнение состояния идеального газа).

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL , равную:

ΔL = αL ΔT

где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями , которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.

Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.

То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.

Cтраница 1

Тепловое расширение твердого тела связано с ангармоничностью тепловых колебаний (стр.  

Тепловое расширение твердых тел очень мало, но все же и оно может быть использовано для измерения температур, если только, как и в случае жидкостей, позаботиться о том, чтобы сделать это расширение удобно наблюдаемым.  

Тепловое расширение твердых тел характеризуется коэффициентами линейного а и объемного р расширения. Между величинами этих коэффициентов существует математическая зависимость. Поэтому обычно приводят для материала величину только коэффициента линейного расширения а. Она численно равна удлинению стержня после его нагрева на 1 С, имеющего при 0е С длину, равную единице.  

Тепловое расширение твердых тел связано с ангармоничностью колебаний атомов. В жидком структурном состоянии кроме колебательных степеней свободы имеются и другие виды молекулярной подвижности, приводящие к непрерывному изменению структуры (например, в ближнем порядке) и образованию флуктуаци-онного свободного объема. Поэтому тепловое расширение в жидком состоянии больше, чем в твердом, что хорошо иллюстрируется на полимерах при их переходе из стеклообразного в высокоэластическое состояние.  

Причиной теплового расширения твердого тела является энгармонизм колебаний атомов, вызванный асимметрией потенциального поля сил притяжения и отталкивания.  

Под тепловым расширением твердых тел понимают изменение их линейных размеров при нагревании. Следует учитывать, что при обработке детали на станке в процессе снятия стружки выделяется большое количество теплоты, частично идущей на нагрев обрабатываемого предмета. Поэтому размеры обработанной детали, имеющей повышенную температуру, значительно отличаются от размеров остывшей детали.  

Чем объясняется тепловое расширение твердых тел.  

На принципе теплового расширения твердых тел основаны также датчики, использующие биметаллы. Биметаллическая пластина (см. табл. VII, 1) состоит из двух слоев металлов с различными коэффициентами линейного расширения (ах и а3), сваренных между собой.  

На принципе теплового расширения твердых тел основаны также датчики, использующие биметаллы. Биметаллическая пластина состоит из двух слоев металлов с различными коэффициентами линейного расширения (а, и а2), сваренных между собой.  

Проведен анализ теплового расширения твердых тел и методов расчета к.т.р. Показано, что для описания изменения к.т.р. в широкой области температур необходимо учитывать три температурных интервала изменения а. Формула может быть использована как для теоретических, так и для полуэмпирических расчетов.  

Действие их основано на тепловом расширении твердых тел. Простейший дилатометрический элемент (рис. 37, а) состоит из двух стержней: внутреннего / длиной / i и наружного 2 длиной / 2, имеющего форму трубки. Коэффициент линейного расширения одного из них (обычно наружного) в 10 - 20 раз больше, чем другого. Активный стержень (с большим коэффициентом расширения) делают из меди, алюминия, латуни, стали, никеля и др. Для изготовления пассивного стержня обычно применяют инвар (64 % Fe 36 % Ni) или керамику.  

Действие их основано на тепловом расширении твердых тел. Простейший дилатометрический элемент (рис. 60, а) состоит из двух стержней: внутреннего 1 длиной / 1 и наружного 2 длиной / 2, имеющего форму трубки. Коэффициент линейного расширения одного из них (обычно наружного) в 10 - 20 раз больше (активный элемент), чем другого. Его делают из меди, алюминия, латуни, стали, никеля и др. Для пассивного стержня обычно применяют инвар (64 % Fe 36 % Ni) или керамику.  

Ничтожное, казалось бы, тепловое расширение твердых тел может привести к серьезным последствиям. Дело в том, что нелегко мешать тепловому расширению твердых тел из-за их малой сжимаемости.  

Отсюда следует, что причиной теплового расширения твердых тел является ангармоничность колебаний атомов в кристаллической решетке.  

Как известно, объемный коэффициент теплового расширения твердого тела равен утроенному линейному коэффициенту теплового расширения.  

Это свойство характерно для всех веществ. Когда вещество нагревается, ее частицы начинают интенсивно двигаться, что приводит к увеличению средних расстояний между ними.

Большинство тел увеличивают свой объем в результате роста температуры, однако известно несколько исключений. Наиболее известными примерами отклонения от правила есть вода , которая в диапазоне от 0 ? C до 4 ? C уменьшает свой ​​объем при повышении температуры или чистый кремний при температурах между -255 ? C и -153 ? C.

Раздел метрологии, изучающая свойства и методы измерения теплового расширения называется дилатометрия , а прибор для определения параметров теплового расширения - дилатометр .

Степень расширения вещества отнесен к изменению температуры называется коэффициентом теплового расширения , что в целом зависит от температуры.

1. Коэффициент объемного теплового расширения (общий случай)

В общем случае газа, жидкости или твердого тела, коэффициент объемного теплового расширения имеет вид

Индекс p означает, что давление остается постоянным во время расширения, а индекс V подчеркивает, что это объемное (не линейное) расширение. В случае газа, факт постоянства давления является важным, так как объем газа существенно зависит от давления, а также температуры. Для газов небольшой плотности эта зависимость описывается уравнением состояния идеального газа .

2. Тепловое расширение твердых тел

2.1. Линейное тепловое расширение

Коэффициент линейного теплового расширения определяется как отношение изменения линейных размеров материала к изменению температуры. Итак, это относительное изменение длины градус изменения температуры. Пренебрегая давлением, можно записать:

где - Линейный размер (например, длина) и - Изменение линейного размера на единицу изменения температуры.

относительное изменение линейного размера, которая может рассматриваться как относительная деформация, может быть записана:

Это уравнение хорошо работает до тех пор, пока можно считать коэффициент линейного расширения постоянным в диапазоне температур . Если коэффициент линейного расширения меняется, то уравнения следует интегрировать.

2.2. Объемное тепловое расширение

Для твердых, можно пренебречь влиянием давления на материал, и объемный коэффициент теплового расширения может быть записан

где - Объем материала, и интенсивность изменения объема с изменением температуры.

Это означает, что прирост объема будет происходить по некоторой фиксированной пропорцией. Например, стальной блок с объемом 1 м? может расшириться до 1,02 м?, при повышении температуры на 50 К. Это расширение 2%, или 0,04% на каждый К. Если мы знаем коэффициент теплового расширения, мы можем рассчитать величину объема тела при изменении температуры.

В рассмотренном выше примере считается, что коэффициент температурного расширения не зависит от температуры. Для небольших изменений температуры это удовлетворительным приближением, хотя это не всегда верно. Если коэффициент объемного расширения существенно изменяется с температурой, то уравнения должны быть проинтегровани:

здесь - Начальная температура и коэффициент объемного теплового расширения как функция температуры T.

2.3. Случай изотропных материалов

Для изотропных материалов, коэффициент линейного теплового расширения составляет примерно одну треть объемного коэффициента теплового расширения.

2.4. Случай анизотропных материалов

Материалы по анизотропной структурой, такие как кристаллы или композиты, как правило, имеют разные коэффициенты линейного расширения в разных направлениях. В результате, общее значение объемного расширения распределяется неравномерно среди трех осей. В таких случаях для расчетов теплового расширения вводить тензор коэффициента теплового расширения, который может содержать до шести независимых компонентов.

3. Тепловое расширение газов

4. Тепловое расширение жидкостей

Поскольку жидкости не имеют своих собственных габаритных размеров, поэтому температурное расширение для жидкостей рассматривается в объемном плане:

- Объем жидкости после изменения температуры, - Начальный объем жидкости, -

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ

Изменение размеров тела в процессе его нагревания. Количественно Т. р. при постоянном давлении р характеризуется изобарным коэфф. расширения (коэфф. объёмного Т. p.) a=1/VX(dV/dT)p, где V- объём тела (твёрдого, жидкого или газообразного), Т - его абс. темп-ра. Практически значение а определяется ф-лой:

a=(V"-V)/V((T2-T1),

где V и V" - объёмы тела при темп-рах T1 и Т2 соответственно (T2 выше T1). Для хар-ки Т. р. тв. тел наряду с a вводят коэфф. линейного Т. р.

aл=1/l (dl/dT)p,

где l - начальная длина тела вдоль выбранного направления. В общем случае анизотропных тел a=ax+ay+az, причём различие или равенство линейного коэфф. Т. р. aх, aу, az вдоль кристаллографич. осей х, у, z определяется симметрией кристалла. Напр., для кристаллов кубич. системы, так же как и для изотропных тел, aх=ay=az=ал и a»3aл.

Для большинства тел a Т. р. газов обусловлено увеличением кинетич. энергии ч-ц газа при его нагреве и совершением за счёт этой энергии работы против внеш. давления. У тв. тел и жидкостей Т. р. связано с несимметричностью (ангармонизмом) тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом Т увеличиваются (см. КОЛЕБАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЁТКИ). Эксперим. определение a и aл осуществляется методами дилатометрии. Т. р. тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ

Изменение размеров. тела при нагревании. Т. р. при пост. давлении p количественно характеризуется изобарным коэф. расширения (коэф. объёмного Т. p.) a=V -1 (dV/dT) p , где V-· объём тела (твёрдого, жидкого или газообразного). Практически значение a определяется ф-лой

где V" и V - объём тела при темп-pax T" и T соответственно (T" > Т). Для твёрдых тел, наряду с a, вводят коэф. линейного Т. р.

где l -нач. длина тела вдоль выбранного направления. В общем случае анизотропных тел a = a x + a y +a z , причём различие или равенство линейного коэф. Т. р. a x , a у, a z вдоль кристаллографич. осей x , у, z определяется симметрией кристалла. Напр., для кристаллов с кубич. структурой, так же, как и для изотропных тел, a x = a у = a z = a л и a=3a л.

Для большинства тел a>0, но существуют исключения. Напр., вода при нагреве от 0 до 4 °С при атм. давлении сжимается (a<0). Зависимость a от T наиб. заметна у газов (для идеального газа a = 1/T ), у жидкостей она проявляется слабее. У нек-рых твёрдых тел (кварца, инвара и др.) коэф. a мал и практически постоянен в широком интервале Т. При коэф.

Т. р. газов обусловлено увеличением кинетич. энергии частиц газа при его нагреве и совершением за счёт этой энергии работы против сил внеш. давления. У твёрдых тел и жидкостей Т. р. связано с несимметричностью (анграмо-низмом) тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом Т увеличиваются (см. Колебания кристаллической решётки). Эксперим. определение a и a л осуществляется методами дилатометрии. Т. р. тел учитывается при конструировании приборов, машин и установок, работающих в переменных температурных условиях.

Лит.: Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Новикова С. И., Тепловое расширение твердых тел, М., 1974.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ" в других словарях:

Тепловое расширение изменение линейных размеров и формы тела при изменении его температуры. Количественно тепловое расширение жидкостей и газов при постоянном давлении характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объёмным… … Википедия

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ, изменение размеров и формы тела при изменении его температуры. Характеризуется коэффициентами объемного (для твердых тел и линейного) теплового расширения, т.е. изменением объема (линейных размеров) тела при изменении его… … Современная энциклопедия

Изменение размеров тела при его нагревании; характеризуется коэффициентом объемного расширения, а для твердых тел и коэффициентом линейного расширения, где l изменение линейного размера, ?V объема тела, ?T температуры, индекс указывает на… … Большой Энциклопедический словарь

тепловое расширение - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN heat expansionthermal expansion … Справочник технического переводчика

ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ - изменение размеров и формы тел при их нагревании. Различие в силах сцепления между молекулами тела в различных его агрегатных (см.) сказывается на величине Т. р. Твёрдые тела, молекулы которых сильно взаимодействуют, расширяются мало, жидкости… … Большая политехническая энциклопедия