Что происходит с телами при нагревании
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Каждое тело, будь то твёрдое, жидкое или газообразное, состоит из мельчайших частиц: атомов и молекул. Эти частицы постоянно находятся в движении, даже если это движение не заметно для невооружённого глаза. Когда мы нагреваем тело, мы сообщаем его частицам дополнительную энергию.
Эта энергия заставляет атомы и молекулы двигаться быстрее и интенсивнее колебаться. В твёрдых телах, где частицы жёстко связаны в кристаллической решётке, эти колебания становятся более сильными, что увеличивает среднее расстояние между частицами. В жидкостях и газах, где частицы более свободны, их движение становится хаотичнее, и они начинают отталкиваться друг от друга с большей силой.
Именно это увеличение расстояния между частицами и приводит к тому, что тело расширяется в объёме. Это явление называется тепловым расширением.
Как тепловое расширение проявляется в разных состояниях вещества?
1. Твёрдые тела
В твёрдых телах тепловое расширение наименее заметно, но оно имеет огромное значение. Например, именно поэтому между секциями рельсов оставляют небольшие зазоры. Летом, когда температура повышается, металл расширяется, и если бы не было этих зазоров, рельсы бы деформировались.
Другой пример — биметаллические пластины, которые состоят из двух разных металлов с разным коэффициентом теплового расширения. При нагревании одна сторона расширяется больше, чем другая, и пластина изгибается. Этот принцип используется в термостатах, которые регулируют температуру в утюгах и чайниках.
2. Жидкости
Жидкости, как правило, расширяются при нагревании гораздо сильнее, чем твёрдые тела. Лучший пример — обычный термометр. Когда он попадает в тёплую среду, жидкость внутри (ртуть или спирт) нагревается, расширяется и поднимается по тонкой трубке, показывая температуру.
Интересный факт: вода — исключение. При температуре от 0 °C до 4 °C она сжимается, а не расширяется. Только после 4 °C она начинает расширяться, как и другие жидкости. Это объясняет, почему лёд всегда образуется на поверхности водоёмов, а не на дне.
3. Газы
Газы расширяются при нагревании сильнее всего. Их частицы находятся на больших расстояниях друг от друга и почти не связаны между собой. При нагревании их скорость резко возрастает, и они начинают занимать весь предоставленный им объём. Именно поэтому горячий воздух в воздушном шаре расширяется, становится менее плотным и поднимает шар вверх.
Тепловое расширение — не просто теория
Понимание этого процесса жизненно важно для инженеров и строителей. Мосты, небоскрёбы, трубопроводы — всё это проектируется с учётом теплового расширения. Если не учитывать этот фактор, конструкции могут разрушиться.
Например, в мостах используются специальные компенсационные швы, которые позволяют им расширяться и сжиматься без повреждений. Точно так же, при укладке труб, их монтируют с изгибами, которые поглощают расширение и сжатие.