Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Czy potrafisz wyjaśnić, czemu zimą czasami pękają szyny kolejowe, a w drogach robią się dziury? Albo dlaczego, jeśli na mrozie napompujesz balonik i wejdziesz z nim do ciepłego pokoju, balonik pęknie, mimo że nic go nie przebiło? Co stoi za tymi tajemniczymi zjawiskami?

Źródło: Harry Pherson (https://www.flickr.com), licencja: CC BY 2.0. Podgrzane powietrze w balonie jest lżejsze, dzięki czemu balon wznosi się do góry
Już wiesz
  • że wyróżniamy trzy stany skupienia materii;

  • że drobiny poruszają się szybciej wraz ze wzrostem temperatury.

Nauczysz się
  • wyjaśniać zjawisko rozszerzalności temperaturowej ciał stałych, cieczy i gazów;

  • podawać przykłady rozszerzalności temperaturowej substancji znanych z życia codziennego;

  • wymieniać przykłady praktycznego wykorzystania zjawiska rozszerzalności temperaturowej;

  • omawiać wyjątkową rozszerzalność cieplną wody.

1. Przedmioty zmieniają wielkość

Wiesz już, że wszystko, co nas otacza, zbudowane jest z drobin. Są one w nieustannym ruchu. Im wyższa temperatura, tym szybciej się poruszają i tym większy jest zasięg ich ruchu. Gdy zaczniemy zwiększać temperaturę jakiegoś przedmiotu, drobiny będą poruszać się coraz szybciej. Gdy rośnie ich prędkość, zwiększają się odległości między nimi. Można powiedzieć, że drobiny rozpychają się i mają wokół siebie coraz więcej miejsca. Co się wtedy dzieje? Przedmiot zaczyna zwiększać rozmiary. Jeśli obniżymy temperaturę substancji, to cząsteczki zwolnią i zbliżą się do siebie, powodując zmniejszenie objętości. Zjawisko to nazywamy rozszerzalnością temperaturową lub cieplną ciał.

Film prezentuje zagadnienie rozszerzalności temperaturowej powietrza. Demonstrator stoi przy stole, na którym umieszczono: naczynie z gorącą wodą, naczynie z zimną wodą, butelkę szklaną i balonik. Demonstrator nakłada balonik na szyjkę butelki, po czym wkłada do naczynia z gorącą wodą, następnie przekłada butelkę do naczynia z zimną wodą. Balonik założony na butelkę zachowuje się inaczej w niskiej i inaczej w wysokiej temperaturze.
Doświadczenie 1

Naprawienie piłeczki pingpongowej.

Co będzie potrzebne
  • piłeczka pingpongowa,

  • naczynie żaroodporne.

Instrukcja
  1. Weź do ręki piłeczkę i lekko ją zgnieć, aby powstało niewielkie wgłębienie.

  2. Wlej do naczynia gorącą wodę.

  3. Wrzuć piłeczkę do wrzątku. Co obserwujesz?

Podsumowanie

Piłeczka pingpongowa jest wypełniona powietrzem. Jeśli się je rozgrzeje, to jego objętość wzrośnie i zacznie naciskać na ściany piłeczki.

2. Rozszerzalność temperaturowa gazów

Zjawisko rozszerzalności temperaturowej jest najbardziej widoczne w gazach. Wynika to z ich budowy – drobiny, które je tworzą, poruszają się z dużą prędkością. Dalszy wzrost temperatury jeszcze bardziej ten ruch przyspiesza, zwiększając odległości między drobinami.

Gdy w zimny dzień napełniony gazem balonik wniesiemy do pomieszczenia, w którym jest ciepło, istnieje ryzyko, że ten pęknie. Dlaczego? Gaz zamknięty w balonie będzie się rozszerzał wraz ze zwiększaniem się jego temperatury. Jeżeli membrana balonika była już mocno napięta, to balonik może pęknąć.

W jaki sposób możemy wykorzystać zjawisko rozszerzalności temperaturowej gazów? Na przykład w lotach balonowych. Ogrzane powietrze zwiększa swoją objętość i jest lżejsze od otaczającego balon zimnego powietrza. Balon wypełniony mniejszą ilością ogrzanego powietrza jest lżejszy i się unosi.

Źródło: Harry Pherson (https://www.flickr.com/), licencja: CC BY 2.0. Kiedy pilot balonu chce wznieść się wyżej, włącza palnik. Płomień ogrzewa powietrze, które wypełnia balon, przez co staje się ono lżejsze od otoczenia i pozwala się wznieść
Na filmie zaprezentowano duże pole, na którym znajduje się mnóstwo balonów. Podgrzane powietrze napełnia powłokę balonów. Jest gorące, a więc jako lżejsze unosi się wraz z balonem. W trakcie trwania filmu kilkanaście balonów wznosi się w powietrze.

3. Rozszerzalność temperaturowa cieczy

Ciecze również ulegają rozszerzalności cieplnej, chociaż w nieco mniejszym stopniu niż gazy. Aby się o tym przekonać, wystarczy spojrzeć na termometr cieczowy. Jest to chyba najbardziej znany przykład praktycznego wykorzystania tego zjawiska.

Animacja prezentująca praktyczne wykorzystanie zjawiska rozszerzalności cieplnej w termometrze. Pokazano termometr cieczowy, obok termometr elektroniczny. W termometrze cieczowym podświetlany jest zbiorniczek i rurka. Na termometrze elektronicznym temperatura rośnie, jednocześnie podnosi się poziom cieczy w termometrze cieczowym. Na termometrze elektronicznym temperatura spada, jednocześnie opada poziom cieczy w termometrze cieczowym.

4. Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych

Jak już wiesz, ciała stałe charakteryzują się określonym kształtem oraz tym, że trudno zmienić ich objętość. Czy to oznacza, że nie podlegają rozszerzalności temperaturowej? Przekonajmy się o tym, wykonując doświadczenie.

Doświadczenie 2

Zbadanie wpływu temperatury na objętość ciał stałych.

Co będzie potrzebne
  • deska,

  • dwa gwoździe,

  • szczypce,

  • świeca,

  • moneta.

Instrukcja
  1. Poproś osobę dorosłą, by wbiła w deskę gwoździe w odległości równej szerokości monety. Moneta powinna dać się przesunąć między gwoździami.

  2. Weź szczypce i uchwyć nimi monetę. Przytrzymaj ją nad płomieniem świecy przez minutę. Nie dotykaj monety – jest bardzo gorąca!

  3. Nadal trzymając monetę w szczypcach, spróbuj przesunąć ją między gwoździami. Co się dzieje?

Podsumowanie

Jeśli moneta nie mieści się między gwoździami, to znaczy, że musiała zwiększyć objętość pod wpływem ciepła.

Film prezentuje zagadnienie rozszerzalności temperaturowej ciał stałych.

Ciała stałe zmieniają objętość pod wpływem zmiany ich temperatury. Zjawisko to jest znacznie bardziej widoczne w przypadku metali. W przedstawionej tabeli znajdziesz kilka przykładów, o ile zmieni się długość przedmiotów, które mierzą 1 m i są wykonane z różnych materiałów, jeśli podniesiemy temperaturę o 50°C.

Zmiany długości materiałów pod wpływem temperatury

Substancja (1 m długości)

Zmiana długości (mm) przy zmianie temperatury o 50°C

Szyna wykonana ze stali

0,6

Rurka wykonana z ołowiu

6,0

Światłowód wykonany ze szkła kwarcowego

0,02

Zjawisko rozszerzalności temperaturowej ma ogromny wpływ na nasze życie. Inżynierowie muszą je uwzględnić przy projektowaniu budowli oraz wszelkich wytworów metalowych: mostów, torów kolejowych czy przewodów wysokiego napięcia, a także metalowych konstrukcji niektórych budynków.

5. Wyjątkowa rozszerzalność temperaturowa wody

Jak ryby są w stanie przeżyć zimę w wodzie, skoro ona zamarza? Jest to możliwe dzięki wyjątkowej rozszerzalności cieplnej wody. Schładzana początkowo zmniejsza objętość. Jednak po obniżeniu temperatury poniżej 4°C ponownie zwiększa objętość. Dlatego lód, jako że ma temperaturę poniżej 0°C, znajduje się na powierzchni, ale w głębi woda jest płynna i ryby mogą pływać.

6. Naprężenia wewnętrzne

Dlaczego szklanka napełniana gorącą wodą może pęknąć? Dzieje się tak na skutek nierównomiernego ogrzewania się szkła – wewnętrzna część szklanki ogrzewa się szybciej niż zewnętrzna. Tym samym wewnętrzna część rozszerza się szybciej niż zewnętrzna. Dochodzi wówczas do powstania naprężeń w szkle. Powodują one, że zewnętrzna część szklanki nie wytrzymuje i pęka.

Nagranie wideo prezentuje zagadnienie naprężeń wewnętrznych.

Podsumowanie

  • Rozszerzalność cieplna (temperaturowa) to zmiana objętości ciał na skutek zmiany ich temperatury.

  • Rozszerzalność cieplna ciał związana jest ze zwiększoną szybkością ruchu drobin wraz ze wzrostem temperatury.

  • Rozszerzalności cieplnej w największym stopniu podlegają gazy, ale zjawisko to występuje też w cieczach i ciałach stałych.

  • Zjawisko rozszerzalności cieplnej musi być brane pod uwagę przy projektowaniu budowli i urządzeń.

Praca domowa
Polecenie 1.1

Podaj inne niż wymienione w rozdziale przykłady praktycznego wykorzystania rozszerzalności ciał stałych, cieczy i gazów.

Polecenie 1.2

Podaj przykłady sytuacji, w których rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy i gazów przeszkadza nam w życiu codziennym.

Zobacz także

Zajrzyj do zagadnień pokrewnych:

iEklWIFnrYŚwiat składa się z atomów

iDGkMS0EqEDrobiny się poruszają

ie2NlTNxCWMniejsze nie zawsze jest lżejsze!

Słowniczek

rozszerzalność cieplna

zmiana objętości ciała na skutek zmiany jego temperatury

rozszerzalność temperaturowa

patrz rozszerzalność cieplna

wyjątkowa rozszerzalność temperaturowa wody

zmniejszanie objętości wody na skutek zwiększania jej temperatury w przedziale między 0–4°C

Zadania

Ćwiczenie 1
Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5
Ćwiczenie 6