Що відбувається з тілами при нагріванні
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Кожне тіло, чи то тверде, рідке, чи газоподібне, складається з дрібних частинок: атомів і молекул. Ці частинки постійно перебувають у русі, навіть якщо цей рух не помітний для неозброєного ока. Коли ми нагріваємо тіло, ми надаємо його частинкам додаткову енергію.
Ця енергія змушує атоми і молекули рухатися швидше та інтенсивніше коливатися. У твердих тілах, де частинки жорстко пов’язані в кристалічній решітці, ці коливання стають сильнішими, що збільшує середню відстань між частинками. У рідинах і газах, де частинки більш вільні, їхній рух стає хаотичнішим, і вони починають відштовхуватися одна від одної з більшою силою.
Саме це збільшення відстані між частинками і призводить до того, що тіло розширюється в об’ємі. Це явище називається тепловим розширенням.
Як теплове розширення проявляється в різних станах речовини?
Тверді тіла
У твердих тілах теплове розширення найменш помітне, але воно має величезне значення. Наприклад, саме тому між секціями рейок залишають невеликі зазори. Влітку, коли температура підвищується, метал розширюється, і якби не було цих зазорів, рейки деформувалися б.
Інший приклад — біметалічні пластини, що складаються з двох різних металів із різним коефіцієнтом теплового розширення. При нагріванні одна сторона розширюється більше, ніж інша, і пластина вигинається. Цей принцип використовується в термостатах, які регулюють температуру в прасках і чайниках.
Рідини
Рідини, як правило, розширюються при нагріванні значно сильніше, ніж тверді тіла. Найкращий приклад — звичайний термометр. Коли він потрапляє в тепле середовище, рідина всередині (ртуть або спирт) нагрівається, розширюється і піднімається по тонкій трубці, показуючи температуру.
Цікавий факт: вода — виняток. При температурі від 0 °C до 4 °C вона стискається, а не розширюється. Лише після 4 °C вона починає розширюватися, як і інші рідини. Це пояснює, чому лід завжди утворюється на поверхні водойм, а не на дні.
Гази
Гази розширюються при нагріванні найсильніше. Їхні частинки знаходяться на великих відстанях одна від одної і майже не пов’язані між собою. При нагріванні їхня швидкість різко зростає, і вони починають займати весь наданий їм об’єм. Саме тому гаряче повітря в повітряній кулі розширюється, стає менш щільним і піднімає кулю вгору.
Теплове розширення — не просто теорія
Розуміння цього процесу життєво важливе для інженерів і будівельників. Мости, хмарочоси, трубопроводи — усе це проєктується з урахуванням теплового розширення. Якщо не враховувати цей чинник, конструкції можуть зруйнуватися.
Наприклад, у мостах використовуються спеціальні компенсаційні шви, що дозволяють їм розширюватися і стискатися без пошкоджень. Так само, під час укладання труб, їх монтують з вигинами, які поглинають розширення і стиснення.