เทอร์โมมิเตอร์เครื่องแรกใช้การเปลี่ยนแปลงปริมาตรของก๊าซหรือของเหลวเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เป็นคุณสมบัติที่ทำให้สามารถระบุอุณหภูมิที่แน่นอนของร่างกายใด ๆ โดยแสดงเป็นตัวเลข ในบทนี้ เราจะพิจารณาว่ามิติเชิงเส้นของของแข็งเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร เช่นเดียวกับปริมาตรของของแข็งและของเหลวขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ มีการกล่าวเพียงพอเกี่ยวกับการพึ่งพาปริมาณก๊าซกับอุณหภูมิ

§ 9.1. การขยายตัวทางความร้อนของร่างกาย

เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงขนาดของร่างกายจะเปลี่ยนไป: เมื่อถูกความร้อนตามกฎแล้วจะเพิ่มขึ้นและเมื่อเย็นลงจะลดลง ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น?

การเพิ่มขนาดของร่างเล็กนั้นเล็กและสังเกตได้ยาก แต่ถ้าคุณใช้ลวดเหล็กยาว 1.5-2 ม. แล้วให้ความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้า การยืดตัวสามารถตรวจจับได้ด้วยตาโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือพิเศษ ในการทำเช่นนี้ต้องยึดปลายสายด้านหนึ่งและอีกด้านหนึ่งถูกโยนข้ามบล็อก ด้วยเหตุนี้ จึงจำเป็นต้องติดโหลดที่ดึงลวดลง (รูปที่ 9.1) ตามตัวบ่งชี้ที่เชื่อมต่อกับโหลด พวกเขาตัดสินการเปลี่ยนแปลงในความยาวของลวดในกระบวนการทำความร้อนหรือความเย็น

การขยายตัวของลูกเหล็กขนาดเล็กที่ร้อนบนหัวเตาแก๊สสามารถมองเห็นได้เมื่อเคลื่อนผ่านวงแหวน ลูกบอลเย็น ๆ ผ่านวงแหวนในขณะที่ลูกบอลที่ร้อนจะติดอยู่ในวงแหวน เมื่อบอลเย็นลงจะผ่านวงแหวนอีกครั้ง

เราจะอธิบายได้อย่างไรว่าทำไมร่างกายถึงขยายตัวเมื่อถูกความร้อน?

รูปแบบโมเลกุลของการขยายตัวทางความร้อน

การพึ่งพาพลังงานศักย์ของปฏิกิริยาของโมเลกุลในระยะห่างระหว่างพวกมันทำให้เราสามารถค้นหาสาเหตุของการเกิดการขยายตัวทางความร้อนได้ ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 9.2 เส้นพลังงานศักย์มีอสมมาตรสูง เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (อย่างมาก) จากค่าต่ำสุด อี p0 ( ณ จุด r 0) เมื่อลดลง จีและเพิ่มขึ้นค่อนข้างช้าตามการเพิ่มขึ้น r.

ที่ศูนย์สัมบูรณ์ ในสภาวะสมดุล โมเลกุลจะอยู่ห่างจากกัน r 0 สอดคล้องกับค่าต่ำสุดของพลังงานศักย์ อี p0 . เมื่อโมเลกุลถูกทำให้ร้อน พวกมันจะเริ่มสั่นรอบตำแหน่งสมดุล ช่วงของการแกว่งถูกกำหนดโดยค่าเฉลี่ยของพลังงาน อีหากเส้นโค้งศักย์สมมาตร ตำแหน่งเฉลี่ยของโมเลกุลจะยังคงสอดคล้องกับระยะทาง r 0 . นี่จะหมายถึงค่าคงที่ทั่วไปของระยะทางเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลเมื่อได้รับความร้อนและด้วยเหตุนี้จึงไม่มีการขยายตัวทางความร้อน อันที่จริงเส้นโค้งนั้นไม่สมมาตร ดังนั้น ที่พลังงานเฉลี่ยเท่ากับ , ตำแหน่งเฉลี่ยของโมเลกุลการสั่นสอดคล้องกับระยะทาง r 1 > r 0 .

การเปลี่ยนแปลงระยะทางเฉลี่ยระหว่างสองโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงหมายถึงการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างโมเลกุลทั้งหมดในร่างกาย ดังนั้นขนาดของร่างกายจึงเพิ่มขึ้น

ความร้อนที่เพิ่มขึ้นของร่างกายนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของพลังงานเฉลี่ยของโมเลกุลเป็นค่าที่แน่นอน , และอื่น ๆ ในกรณีนี้ ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลก็เพิ่มขึ้นเช่นกันเนื่องจากตอนนี้การสั่นจะดำเนินการด้วยแอมพลิจูดที่ใหญ่กว่ารอบตำแหน่งสมดุลใหม่: r 2 > r 1 , r 3 > r 2 ฯลฯ

เมื่อร่างกายได้รับความร้อน ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลที่แกว่งไปมาจะเพิ่มขึ้น ดังนั้น ขนาดของร่างกายจึงเพิ่มขึ้นด้วย

การเปลี่ยนแปลงขนาดของของแข็งอันเนื่องมาจากการขยายตัวทางความร้อนทำให้เกิดแรงยืดหยุ่นสูง หากวัตถุอื่นป้องกันการเปลี่ยนแปลงขนาดนี้ ตัวอย่างเช่น คานสะพานเหล็กที่มีหน้าตัด 100 ซม. 2 เมื่อให้ความร้อนจาก -40 ° C ในฤดูหนาวถึง +40 ° C ในฤดูร้อน หากตัวรองรับป้องกันการยืดตัวจะสร้างแรงกดบนตัวรองรับ (ความเครียด) ได้ถึง 1.6 10 8 Pa คือมันทำหน้าที่รองรับด้วยแรง 1.6 10 6 N.

ค่าที่กำหนดสามารถรับได้จากกฎของฮุคและสูตร (9.2.1) สำหรับการขยายตัวทางความร้อนของร่างกาย

ตามกฎของฮุค ความเค้นทางกล การยืดตัวสัมพัทธ์อยู่ที่ไหน a อี- โมดูลัสของยัง ตาม (9.2.1) . แทนค่าการยืดตัวสัมพัทธ์นี้ลงในสูตรของกฎของฮุก เราจะได้

เหล็กมีโมดูลัสของ Young อี= 2.1 10 11 Pa สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของการขยายตัวเชิงเส้นα 1 \u003d 9 10 -6 K -1 แทนที่ข้อมูลเหล่านี้เป็นนิพจน์ (9.4.1) เราได้รับสิ่งนั้นสำหรับ Δ t= 80 °С ความเค้นเชิงกล σ = 1.6 10 8 Pa

เพราะ ส\u003d 10 -2 ม. 2 จากนั้นแรง ฉ=σS = 1.6 10 6 น.

เพื่อแสดงแรงที่ปรากฏขึ้นเมื่อแท่งโลหะเย็นตัวลง สามารถทำการทดลองต่อไปนี้ได้ เราอุ่นแท่งเหล็กที่มีรูที่ส่วนท้ายซึ่งสอดแท่งเหล็กหล่อเข้าไป (รูปที่ 9.5) จากนั้นเราก็สอดแท่งนี้เข้าไปในขาตั้งโลหะขนาดใหญ่ที่มีร่อง เมื่อก้านเย็นตัวลง มันจะหดตัวและแรงยืดหยุ่นขนาดใหญ่ดังกล่าวจะเกิดขึ้นจนแท่งเหล็กหล่อแตก

ต้องคำนึงถึงการขยายตัวทางความร้อนของร่างกายเมื่อออกแบบโครงสร้างต่างๆ ต้องใช้มาตรการเพื่อให้แน่ใจว่าร่างกายมีอิสระที่จะขยายหรือหดตัวเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

เป็นไปไม่ได้ ตัวอย่างเช่น การดึงสายโทรเลขให้แน่น เช่นเดียวกับสายไฟ (สายไฟ) ระหว่างส่วนรองรับ ในช่วงฤดูร้อน สายไฟที่หย่อนคล้อยจะมากกว่าในฤดูหนาวอย่างเห็นได้ชัด

ท่อไอน้ำโลหะเช่นเดียวกับท่อน้ำร้อนต้องมีส่วนโค้ง (ตัวชดเชย) ในรูปแบบของลูป (รูปที่ 9.6)

ความเครียดภายในอาจเกิดขึ้นได้ในระหว่างการให้ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของร่างกายที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวอย่างเช่น ขวดแก้วหรือแก้วที่ทำจากแก้วหนาอาจแตกได้หากเทน้ำร้อนลงไป ประการแรก ชิ้นส่วนภายในของภาชนะที่สัมผัสกับน้ำร้อนจะถูกทำให้ร้อน พวกเขาขยายและสร้างแรงกดดันอย่างมากต่อชิ้นส่วนที่เย็นภายนอก ดังนั้นการทำลายของเรือจึงอาจเกิดขึ้นได้ แก้วบางๆ จะไม่ระเบิดเมื่อเทน้ำร้อนลงไป เนื่องจากชิ้นส่วนด้านในและด้านนอกจะอุ่นขึ้นอย่างรวดเร็วเท่ากัน

แก้วควอตซ์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นที่อุณหภูมิต่ำมาก กระจกดังกล่าวทนต่อความร้อนหรือความเย็นไม่สม่ำเสมอโดยไม่แตกร้าว ตัวอย่างเช่น น้ำเย็นสามารถเทลงในกระติกน้ำแก้วควอทซ์ร้อนแดง ในขณะที่ขวดแก้วธรรมดาจะระเบิดระหว่างการทดลอง

วัสดุที่แตกต่างกันซึ่งได้รับความร้อนและความเย็นเป็นระยะควรเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเมื่อขนาดของวัสดุเปลี่ยนไปในลักษณะเดียวกันกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเท่านั้น นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับขนาดผลิตภัณฑ์ขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น เหล็กและคอนกรีตขยายตัวในลักษณะเดียวกันเมื่อถูกความร้อน นั่นคือเหตุผลที่คอนกรีตเสริมเหล็กเป็นที่แพร่หลาย - สารละลายคอนกรีตชุบแข็งเทลงในโครงเหล็ก - การเสริมแรง (รูปที่ 9.7) หากเหล็กและคอนกรีตขยายตัวต่างกัน จากความผันผวนของอุณหภูมิรายวันและรายปี โครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กจะพังในไม่ช้า

อีกสองสามตัวอย่าง ตัวนำโลหะที่บัดกรีในหลอดแก้วของหลอดไฟฟ้าและหลอดวิทยุ ทำจากโลหะผสม (เหล็กและนิกเกิล) ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเท่ากับแก้ว มิฉะนั้น แก้วจะแตกเมื่อโลหะถูกทำให้ร้อน สารเคลือบที่ใช้เคลือบจาน และโลหะที่ใช้ทำจานเหล่านี้ ต้องมีสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นเท่ากัน มิฉะนั้นเคลือบฟันจะแตกเมื่อจานที่เคลือบด้วยความร้อนและความเย็น

แรงสำคัญสามารถพัฒนาได้ด้วยของเหลว หากถูกทำให้ร้อนในภาชนะปิดที่ไม่อนุญาตให้ของเหลวขยายตัว แรงเหล่านี้สามารถนำไปสู่การทำลายภาชนะที่มีของเหลว ดังนั้นจึงต้องพิจารณาคุณสมบัติของของเหลวนี้ด้วย ตัวอย่างเช่น ระบบท่อทำน้ำร้อนมักจะมีถังขยายติดอยู่ที่ด้านบนของระบบและระบายออกสู่บรรยากาศ เมื่อน้ำร้อนในระบบท่อ น้ำส่วนเล็กๆ จะผ่านเข้าไปในถังขยาย ซึ่งจะช่วยขจัดสภาวะตึงเครียดของน้ำและท่อ ด้วยเหตุผลเดียวกัน หม้อแปลงไฟฟ้าที่ระบายความร้อนด้วยน้ำมันจึงมีถังขยายน้ำมันอยู่ด้านบน เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ระดับน้ำมันในถังจะเพิ่มขึ้น เมื่อน้ำมันเย็นลง ระดับน้ำมันจะลดลง

การเปลี่ยนแปลงขนาดเชิงเส้นของร่างกายเมื่อถูกความร้อนเป็นสัดส่วนกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ

สารส่วนใหญ่จะขยายตัวเมื่อถูกความร้อน สิ่งนี้อธิบายได้ง่ายจากมุมมองของทฤษฎีทางกลของความร้อน เนื่องจากเมื่อถูกความร้อน โมเลกุลหรืออะตอมของสสารจะเริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้น ในของแข็ง อะตอมเริ่มสั่นด้วยแอมพลิจูดที่มากขึ้นรอบตำแหน่งเฉลี่ยของพวกมันในโครงผลึกคริสตัล และพวกมันต้องการพื้นที่ว่างมากขึ้น ส่งผลให้ร่างกายขยายตัว ในทำนองเดียวกัน ของเหลวและก๊าซโดยส่วนใหญ่ขยายตัวตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของอัตราการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลอิสระ ( ซม.กฎของบอยล์ - Mariotte, กฎของชาร์ลส์, สมการสถานะของก๊าซในอุดมคติ)

กฎพื้นฐานของการขยายตัวทางความร้อนระบุว่าวัตถุที่มีมิติเชิงเส้น หลี่ในมิติที่สอดคล้องกันโดยมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น Δ ตู่ขยายโดย Δ หลี่เท่ากับ:

Δ หลี่ = อัลΔ ตู่

ที่ไหน α — ที่เรียกว่า สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นมีสูตรที่คล้ายกันสำหรับคำนวณการเปลี่ยนแปลงในพื้นที่และปริมาตรของร่างกาย ในกรณีที่ง่ายที่สุดที่นำเสนอ เมื่อค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิหรือทิศทางของการขยายตัว สารจะขยายตัวอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทางอย่างเคร่งครัดตามสูตรข้างต้น

สำหรับวิศวกร การขยายตัวทางความร้อนเป็นปรากฏการณ์ที่สำคัญ เมื่อออกแบบสะพานเหล็กข้ามแม่น้ำในเมืองที่มีภูมิอากาศแบบทวีป เราไม่สามารถละเลยความแตกต่างของอุณหภูมิที่เป็นไปได้ตั้งแต่ -40°C ถึง +40°C ในระหว่างปี ความแตกต่างดังกล่าวจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความยาวรวมของสะพานสูงถึงหลายเมตร และเพื่อให้สะพานไม่ยกขึ้นในฤดูร้อนและไม่ต้องพบกับแรงแตกที่ทรงพลังในฤดูหนาว นักออกแบบจึงประกอบสะพานจากส่วนต่าง ๆ ที่เชื่อมต่อกัน ด้วยความพิเศษ ข้อต่อบัฟเฟอร์ความร้อนซี่ฟันที่ปิดสนิทในความร้อนและแยกออกค่อนข้างมากในที่เย็น อาจมีบัฟเฟอร์ค่อนข้างน้อยบนสะพานยาว

อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าวัสดุทั้งหมดโดยเฉพาะของแข็งที่เป็นผลึกจะขยายตัวอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทาง และไม่ใช่ว่าวัสดุทุกชนิดจะขยายตัวเท่ากันที่อุณหภูมิต่างกัน ตัวอย่างที่โดดเด่นที่สุดของชนิดหลังคือน้ำ เมื่อเย็นลง น้ำจะหดตัวก่อน เช่นเดียวกับสารส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม จาก +4°C ถึงจุดเยือกแข็งที่ 0°C น้ำเริ่มขยายตัวเมื่อถูกทำให้เย็นลงและหดตัวเมื่อถูกความร้อน (ในแง่ของสูตรข้างต้น เราสามารถพูดได้ว่าในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ 0°C ถึง +4° C, ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของน้ำ α มีค่าติดลบ) ต้องขอบคุณผลกระทบที่หายากนี้ที่ทำให้ทะเลและมหาสมุทรของโลกไม่กลายเป็นน้ำแข็งถึงก้นบึ้งแม้ในน้ำค้างแข็งที่รุนแรงที่สุด: น้ำเย็นกว่า +4°C จะมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำอุ่น และลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ แทนที่น้ำด้วย อุณหภูมิที่สูงกว่า +4°C ถึงด้านล่าง

ความจริงที่ว่าน้ำแข็งมีความหนาแน่นจำเพาะต่ำกว่าน้ำนั้นเป็นคุณสมบัติผิดปกติของน้ำอีกประการหนึ่ง (แม้ว่าจะไม่เกี่ยวข้องกับก่อนหน้านี้) ซึ่งเราเป็นหนี้การดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตบนโลกของเรา หากไม่ใช่เพราะผลกระทบนี้ น้ำแข็งจะลงไปที่ก้นแม่น้ำ ทะเลสาบ และมหาสมุทร และน้ำแข็งเหล่านั้นก็จะกลายเป็นน้ำแข็งที่ก้นบ่ออีกครั้ง คร่าชีวิตทุกคน

การขยายตัวทางความร้อน- การเปลี่ยนแปลงขนาดเชิงเส้นและรูปร่างของร่างกายเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ในการอธิบายลักษณะการขยายตัวทางความร้อนของของแข็ง ได้มีการนำค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้นมาใช้

กลไกการขยายตัวทางความร้อนของของแข็งสามารถแสดงได้ดังนี้ หากพลังงานความร้อนถูกนำไปยังวัตถุแข็ง เนื่องจากการสั่นของอะตอมในโครงตาข่าย กระบวนการดูดซับความร้อนจะเกิดขึ้น ในกรณีนี้ การสั่นของอะตอมจะรุนแรงขึ้น กล่าวคือ แอมพลิจูดและความถี่เพิ่มขึ้น เมื่อระยะห่างระหว่างอะตอมเพิ่มขึ้น พลังงานศักย์ก็เช่นกัน ซึ่งถูกกำหนดโดยศักย์ระหว่างอะตอม

หลังแสดงเป็นผลรวมของศักยภาพของแรงผลักและแรงดึงดูด แรงผลักระหว่างอะตอมเปลี่ยนแปลงเร็วขึ้นเมื่อระยะห่างระหว่างอะตอมเปลี่ยนไปมากกว่าแรงดึงดูด เป็นผลให้รูปร่างของเส้นโค้งต่ำสุดของพลังงานกลายเป็นแบบไม่สมมาตรและระยะห่างระหว่างอะตอมของสมดุลจะเพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์นี้สอดคล้องกับการขยายตัวทางความร้อน

การพึ่งพาพลังงานศักย์ของปฏิกิริยาของโมเลกุลในระยะห่างระหว่างพวกมันทำให้เราสามารถค้นหาสาเหตุของการเกิดการขยายตัวทางความร้อนได้ ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 9.2 เส้นพลังงานศักย์มีอสมมาตรสูง เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (อย่างมาก) จากค่าต่ำสุด อี p0( ณ จุด r 0) เมื่อลดลง rและเพิ่มขึ้นค่อนข้างช้าตามการเพิ่มขึ้น r.

รูปที่ 2.5

ที่ศูนย์สัมบูรณ์ ในสภาวะสมดุล โมเลกุลจะอยู่ห่างจากกัน r 0 สอดคล้องกับค่าต่ำสุดของพลังงานศักย์ อี พี0 .เมื่อโมเลกุลถูกทำให้ร้อน พวกมันจะเริ่มสั่นรอบตำแหน่งสมดุล ช่วงของการแกว่งถูกกำหนดโดยค่าเฉลี่ยของพลังงาน อีหากเส้นโค้งศักย์สมมาตร ตำแหน่งเฉลี่ยของโมเลกุลจะยังคงสอดคล้องกับระยะทาง r 0 . นี่จะหมายถึงค่าคงที่ทั่วไปของระยะทางเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลเมื่อได้รับความร้อนและด้วยเหตุนี้จึงไม่มีการขยายตัวทางความร้อน อันที่จริงเส้นโค้งนั้นไม่สมมาตร ดังนั้น ที่พลังงานเฉลี่ยเท่ากับ , ตำแหน่งเฉลี่ยของโมเลกุลการสั่นสอดคล้องกับระยะทาง r1> r0.

การเปลี่ยนแปลงระยะทางเฉลี่ยระหว่างสองโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียงหมายถึงการเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างโมเลกุลทั้งหมดในร่างกาย ดังนั้นขนาดของร่างกายจึงเพิ่มขึ้น ความร้อนที่เพิ่มขึ้นของร่างกายนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของพลังงานเฉลี่ยของโมเลกุลเป็นค่าที่แน่นอน , และอื่น ๆ ในกรณีนี้ ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างโมเลกุลก็เพิ่มขึ้นเช่นกันเนื่องจากตอนนี้การสั่นจะดำเนินการด้วยแอมพลิจูดที่ใหญ่กว่ารอบตำแหน่งสมดุลใหม่: r2 > r 1 , r 3 > r 2ฯลฯ

สำหรับของแข็ง รูปร่างที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (ด้วยการให้ความร้อนหรือความเย็นสม่ำเสมอ) ความแตกต่างเกิดขึ้นระหว่างการเปลี่ยนแปลงขนาดเชิงเส้น (ความยาว เส้นผ่านศูนย์กลาง ฯลฯ) - การขยายตัวเชิงเส้นและการเปลี่ยนแปลงใน ปริมาณ - การขยายปริมาตร ในของเหลว เมื่อถูกความร้อน รูปร่างอาจเปลี่ยนไป (เช่น ในเทอร์โมมิเตอร์ ปรอทจะเข้าสู่เส้นเลือดฝอย) ดังนั้น ในกรณีของของเหลว ควรพูดถึงแต่การขยายเชิงปริมาตรเท่านั้น

กฎพื้นฐานของการขยายตัวทางความร้อนสถานะของแข็งที่ร่างกายมีมิติเชิงเส้น L0เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ∆Tขยายโดย Δ หลี่เท่ากับ:

Δ L = αL 0 ΔT, (2.28)

ที่ไหน α - ที่เรียกว่า ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงเส้น.

มีสูตรที่คล้ายกันสำหรับคำนวณการเปลี่ยนแปลงในพื้นที่และปริมาตรของร่างกาย ในกรณีที่ง่ายที่สุดที่นำเสนอ เมื่อค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิหรือทิศทางของการขยายตัว สารจะขยายตัวอย่างสม่ำเสมอในทุกทิศทางอย่างเคร่งครัดตามสูตรข้างต้น

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นขึ้นอยู่กับลักษณะของสารและอุณหภูมิ อย่างไรก็ตาม หากเราพิจารณาการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิภายในขอบเขตที่ไม่กว้างเกินไป การพึ่งพา α ต่ออุณหภูมิสามารถละเลยได้ และค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของการขยายตัวเชิงเส้นถือได้ว่าเป็นค่าคงที่สำหรับสารที่กำหนด ในกรณีนี้ มิติเชิงเส้นของลำตัวตามสูตร (2.28) ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิดังนี้

ล = ล 0 ( 1 +αΔT) (2.29)

ของของแข็ง แว็กซ์ขยายตัวได้มากที่สุด เกินกว่าของเหลวจำนวนมากในแง่นี้ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของแว็กซ์ ขึ้นอยู่กับเกรด ซึ่งมากกว่าเหล็ก 25 ถึง 120 เท่า ของของเหลว อีเธอร์ขยายตัวมากกว่าชนิดอื่น อย่างไรก็ตาม มีของเหลวที่ขยายตัวได้แรงกว่าอีเธอร์ 9 เท่า - คาร์บอนไดออกไซด์เหลว (CO3) ที่อุณหภูมิ +20 องศาเซลเซียส ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวมากกว่าก๊าซ 4 เท่า

แก้วควอตซ์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำสุดในของแข็ง ซึ่งน้อยกว่าเหล็กถึง 40 เท่า กระติกน้ำควอทซ์ที่ให้ความร้อนถึง 1,000 องศาสามารถหย่อนลงในน้ำน้ำแข็งได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ต้องกลัวความสมบูรณ์ของภาชนะ: กระติกน้ำไม่แตก ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเล็กน้อย แม้ว่าจะมีขนาดใหญ่กว่าแก้วควอทซ์ แต่ก็มีความแตกต่างจากเพชรด้วย

ในบรรดาโลหะ เกรดเหล็กที่เรียกว่าอินวาร์มีการขยายตัวอย่างน้อยที่สุด ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนน้อยกว่าเหล็กกล้าธรรมดา 80 เท่า

ตารางที่ 2.1 ด้านล่างแสดงค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของสารบางชนิด

ตารางที่ 2.1 - ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของไอโซบาริกของก๊าซ ของเหลว และของแข็งบางชนิดที่ความดันบรรยากาศ

คำถามควบคุม

1. กำหนดลักษณะการกระจายของการสั่นสะเทือนปกติเหนือความถี่

2. โฟนอนคืออะไร?

3. อธิบายความหมายทางกายภาพของอุณหภูมิเด็บบี้ อะไรเป็นตัวกำหนดค่าอุณหภูมิ Debye สำหรับสารที่กำหนด?

4. ทำไมความจุความร้อนขัดแตะของคริสตัลไม่คงที่ที่อุณหภูมิต่ำ?

5. ความจุความร้อนของตัวของแข็งเรียกว่าอะไร? มันถูกกำหนดอย่างไร?

6. อธิบายการพึ่งพาความจุความร้อนตาข่ายของคริสตัล Cret กับอุณหภูมิ T

7. รับกฎหมาย Dulong-Petit สำหรับความจุความร้อนกรามของตาข่าย

8. รับกฎของ Debye สำหรับความจุความร้อนกรามของตาข่ายคริสตัล

9. ความจุความร้อนของอิเล็กตรอนมีส่วนสนับสนุนความจุความร้อนกรามของโลหะอย่างไร?

10. ค่าการนำความร้อนของของแข็งเรียกว่าอะไร? มีลักษณะอย่างไร? การนำความร้อนในกรณีของโลหะและอิเล็กทริกคืออะไร

11. ค่าการนำความร้อนของคริสตัลแลตทิซขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างไร? อธิบาย.

12. กำหนดการนำความร้อนของก๊าซอิเล็กตรอน เปรียบเทียบ χ เอลและ χ โซลในโลหะและไดอิเล็กทริก

13. ให้คำอธิบายทางกายภาพสำหรับกลไกการขยายตัวทางความร้อนของของแข็งหรือไม่? CTE สามารถติดลบได้หรือไม่? ถ้าใช่ ให้อธิบายเหตุผล

14. อธิบายการพึ่งพาอุณหภูมิของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน

ทำไมของแข็งส่วนใหญ่ขยายตัวเมื่อถูกความร้อน? นี่เป็นเพราะอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่โหนดของตาข่ายคริสตัลจะเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน พลังงานจลน์ที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้แอมพลิจูดของการสั่นของอนุภาคเหล่านี้รอบตำแหน่งสมดุลเพิ่มขึ้น อันเป็นผลมาจากการเพิ่มขึ้นของแอมพลิจูดของการแกว่ง ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างอนุภาคในผลึกขัดแตะเพิ่มขึ้น ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของขนาดเชิงเส้นของร่างกายทั้งหมด

ขนาด: 960 x 720 พิกเซล, รูปแบบ: jpg. ในการดาวน์โหลดสไลด์ฟรีเพื่อใช้ในบทเรียนฟิสิกส์ ให้คลิกขวาที่รูปภาพแล้วคลิก "บันทึกรูปภาพเป็น..." คุณสามารถดาวน์โหลดการนำเสนอทั้งหมด “Body Deformation.pptx” ในไฟล์ zip ขนาด 3081 KB

แรงยืดหยุ่น

"กฎของกลศาสตร์" - การเคลื่อนที่แบบสั่นของกลไก กฎช่วงเวลา ทดลองวัดโมเมนต์ของแรง เมื่อหมุนเกลียวบนแกน ลูกตุ้มสามารถแกว่งได้ ฟิสิกส์ศึกษากฎแห่งธรรมชาติ การติดตั้ง "ลูกตุ้มกายภาพ" น้ำหนัก. ความเฉื่อยของร่างกาย ไร้น้ำหนัก แสดงลักษณะการหมุนของแรงบนวัตถุที่แข็งกระด้าง

"พลังงานกล" - พิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับงาน เพราะ. พลังงานศักย์. บทเรียนที่ 2 ชม. บทที่ 1 S. ลองหาพลังงานจลน์ของร่างกายที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วกันไหม?

"พลังแห่งความยืดหยุ่น กฎของฮุค" - พลังแห่งความยืดหยุ่น แรงยืดหยุ่นเกิดขึ้นเมื่อร่างกายมีรูปร่างผิดปกติ งานทดลอง. จัดทำโดยอาจารย์วิชาฟิสิกส์ Kuzmicheva I. A MOU - SOSH p. โซฟีโน การเปลี่ยนรูปยางยืด Fupr \u003d k · x โดยที่ x คือการกระจัด k คือสัมประสิทธิ์สัดส่วนหรือสัมประสิทธิ์ความแข็ง แรงบิด กำหนดกฎของฮุค

"กฎของฮุค" - dy. หลังจากการเสียรูป ขนาดของลูกบาศก์คือ: C* พิจารณาการเสียรูปของรูปสี่เหลี่ยมด้านขนาน เราใช้กฎทั่วไปของฮุค: พิจารณาการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของลูกบาศก์หนึ่งหน่วย: 1. B* กฎของวอลุ่มเมตริกฮุก เมื่อสัมผัสกับ?x: 2. กฎของฮุกทั่วไป 2. กฎของปริมาตรฮุก ?V = 1/E[?x + ?y + ?z -n(?y + ?z + ?x + ?z + ?x + ?y)] = (1 – 2n)/E (?x + ? y + ?z)

"ประหยัดพลังงาน" - ตั้งรางเป็นมุม? =30° กับพื้นผิวโต๊ะ อุปกรณ์การเรียน. คำนวณความเร็วสุดท้ายและพลังงานจลน์ของร่างกาย ค้นหาความสูง h ของตำแหน่งของร่างกายเหนือระดับศูนย์ คำถามที่จะทำซ้ำเนื้อหาในหัวข้อ "กฎการอนุรักษ์พลังงาน" ยกของขึ้นด้วยมือ ถอดสปริง และติดตั้งสลักที่ด้านล่างของโครงยึด