Question

Porównaj rozszerzalność temperaturową ciał stałych cieczy i gazów.

Answer 1

Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych



Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych jest zjawiskiem polegającym na wzroście objętości ciała wraz ze wzrostem temperatury. Wydłużenie jednego metra substancji przy wzroście temperatury o 100 °C. Celem mikroskopowego wyjaśnienia rozszerzalności cieplnej ciał stałych przyjrzyj się wykresowi zależności potencjalnej energii oddziaływania między cząsteczkami w zależności od ich odległości . Gdyby atomy były nieruchome w węzłach sieci, czyli gdyby ich energia kinetyczna równa była zeru, wtedy zawsze znajdowałyby się w odległości odpowiadającej minimalnej wartości energii potencjalnej. W rzeczywistości jednak wiemy, że składniki elementarne sieci drgają wokół swych położeń równowagi, mają pewną energię kinetyczną, która rośnie ze wzrostem temperatury ciała stałego. Przedmioty wykonane z jednych substancji bardziej się rozszerzają pod wpływem wzrostu temperatury, a z innej mniej. Zazwyczaj zmiany rozmiarów ciał są jednak niewielkie.





Przykłady rozszerzalności temperaturowej ciał stałych:

1. Połączenia szyn kolejowych. W zimie przy bardzo niskich temperaturach można zauważyć, że między kolejnymi szynami znajdują się szerokie odstępy. Natomiast w lecie przy wysokich temperaturach odstępy są niemal niewidoczne.

2. Stalowe konstrukcje mostów, które rozszerzają się wraz ze wzrostem temperatury.

3. Taśma bimetalowa. Jest ona wykonana z połączonych ze sobą pasków z dwóch różnych metali (inwaru i mosiądzu). Podczas ogrzewania taśmy część wykonana z mosiądzu rozszerza się bardziej niż część wykonana z inwaru. Skutkiem tego jest wygięcie taśmy bimetalowej, która ma zastosowanie w różnego rodzaju urządzeniach.



Rozszerzalność temperaturowa cieczy



Przy zmianie temperatury również zmienia się rozszerzalność cieczy. W miarę wzrostu temperatury cząsteczki cieczy poruszają się coraz szybciej i w następstwie tego oddalają się od siebie i dzięki temu wzrasta objętość cieczy. Przyrost objętości cieczy zależy od rodzaju cieczy i jej objętości początkowej. Zjawisko rozszerzalności cieczy wykorzystuje się m.in. w termometrach cieczowych.





Opis termometru cieczowego:

Termometr cieczowy składa się z pojemniczka na ciecz połączonego z bardzo cienką rurką tzw. kapilarą oraz skali(dzięki której możemy odczytać ile wynosi temperatura, którą mierzyliśmy). Niewypełniona cieczą część kapilary jest opróżniona z gazów i zatopiona od góry, aby ciecz z termometru nie wyparowała, albo się nie wylała. Podczas ogrzania słupek cieczy w rurce termometru podnosi się, a po ochłonięciu opada. W budowie tego typu termometrów wykorzystano rozszerzalność cieczy.

Dwa główne rodzaje termometrów cieczowych to:

termometr rtęciowy - wykonany ze szkła.
Szklany zbiorniczek wypełniony jest rtęcią. Gdy temperatura rośnie rtęć rozszerza się i przesuwa coraz dalej w kapilarze. Za pomocą termometrów rtęciowych nie można mierzyć temperatur niższych niż -39°C , ponieważ rtęć krzepnie w tej temperaturze. Większość z nich pokrywa zakres temperatur od 0 do 100°C.

termometr alkoholowy - od termometru rtęciowego różni się tylko tym, że w zbiorniku znajduje się alkohol, a najniższa temperatura jaką możemy zmierzyć to 115°C (krzepnięcia alkoholu).




Rozszerzalność temperaturowa wody



Woda zachowuje się w niezwykły sposób. W przeciwieństwie do innych cieczy jej objętość od 0°C do 4°C maleje, a od 4°C do 100°C rośnie. To anomalne zachowanie wody związane jest z faktem, że w wodzie ciekłej w temperaturze nieco powyżej 0°C istnieją resztki luźnej struktury lodu. Wzrost temperatury niszczy tę strukturę, pozwalając na gęstsze upakowanie cząsteczek, a więc objętość wody maleje. Woda zbudowana jest z cząsteczek o wiązaniu częściowo jonowym. Tlen ma nadmiar ładunku ujemnego, a wodory - dodatniego. Cząsteczka wody ma nie znikający moment dipolowy, z którym związana jest bardzo duża statyczna przenikalność dielektryczna . Cząsteczki wody oddziałują elektrostatyczne. Na skutek tych oddziaływań struktura heksagonalnego lodu jest dość "luźna". Energetycznie korzystne jest takie ustawienie, aby naładowane dodatnio "końce" jednych cząsteczek były blisko naładowanych ujemnie "końców" innych cząsteczek. W procesie topnienia struktura ta jest niszczona, cząsteczki znajdują się bliżej siebie, co jednak jest energetycznie mniej korzystne. Dlatego dostarczenie ciepła do lodu zwiększa energię układu, ale zmniejsza jego objętość.



Oznacza to, że w temperaturze 4°C woda ma najmniejszą objętość, czyli ma wtedy największą gęstość. Woda o tej temperaturze opada na dno jeziora lub innego zbiornika wodnego. Dzięki temu jeżeli nawet powierzchnia jeziora pokryta jest lodem, to na jego dnie woda ma temperaturę 4°C, co pozwala rybom przeżyć ciężką i mroźną zimę.