Тепловое расширение

Твердые тела

Все тела, за небольшим исключением, расширяются при нагревании, так как частички двигаются быстрее и "завоевывают" больше места. Различные тела при одинаковой температуре ведут себя по-разному. Например, при одинаковой температуре железо расширяется в четыре раза лучше, чем стекло. Это явление характеризуется коэффициентом расширения. Каждое твердое тело обладает собственным коэффициентом расширения.

Различное поведение веществ при нагревании используется, например, для биметаллов. Биметалл — это тело, полученное при сплаве двух разных металлов. Биметаллы используются для создания электрических выключателей и термометров, действие которых зависит от температуры.

Если мы нагреем полосу из биметалла, то, например, нижний металл расширится сильнее, чем верхний. Тогда полоса изогнется вверх.

Если мы охладим биметалл, то он примет первоначальную форму.

Газ

Частички газа, как было сказано выше, двигаются свободно и при нагревании быстро распространяются в пространстве. Возьмем закрытую колбу, наполненную воздухом, поместим ее в воду и начнем нагревать. Скоро мы увидим, как воздух внутри колбы начнет выталкивать пробку.

Так как все газы состоят из свободных частичек, то их поведение при нагревании будет похожим. Все газы при достаточной температуре расширяются очень сильно, гораздо сильнее, чем жидкости или твердые тела.

Воздушный шар

Прежде чем воздушный шар начнет подниматься в небо, необходимо нагреть внутри шара холодный воздух, плотность которого составляет 1.23 кг/м³.

Подогревая воздух при помощи газовой горелки, мы сообщим ему энергию и частички, из которых он состоит, начнут двигаться быстрее, занимая все больше места.

Часть воздуха покинет баллон, благодаря чему плотность подогретого воздуха уменьшится до 1.11 кг на один кубический метр.

Действие подогретого воздуха внутри шара и холодного и более плотного воздуха снаружи даст необходимый результат: шар начнет подниматься.

Чем больше разница температур внутри шара и снаружи, тем быстрее будет подниматься воздушный шар. Поэтому для любителей покататься на воздушном шаре зима будет идеальным временем года.

Жидкость

Равномерное расширение жидкости можно использовать в термометре. Тоненький столбик жидкости поднимается на равные отрезки при нагревании на каждый градус. В 1742 г. Андерс Цельсиус установил шкалу температур, названную в честь него: 0 градусов по Цельсию является температурой плавления льда, а 100 градусов — температурой кипения воды.

К сожалению, невозможно использовать воду в термометре, так как тогда не было бы возможности измерять температуру ниже нуля. Поэтому в термометре используется специальный спиртовой раствор.

Аномалия воды

Если при больших морозах лопаются трубы или разбиваются цветочные горшки, то это связано с особенностью воды, единственного вещества в природе, которое при замерзании расширяется, а при температуре от нуля до четырех градусов по Цельсию возвращается в исходное состояние. Этот феномен называется "аномалия воды".

При 4 ⁰C вода имеет большую плотность, чем лед, так как при замерзании вода расширяется. Поэтому, озеро начинает замерзать сверху, и лед с меньшей плотностью будет плавать на поверхности.

Слои незамерзшей воды благодаря высокой плотности опускаются на дно. Эта аномалия позволяет животному миру озера пережить холодное время года.