Наступил Катин день рождения. Дети надули дома шарики и вышли с ними погулять. Стояла поздняя осень. Дети заметили, что с надувными шарами происходят странные изменения: они уменьшились в размере и стали мягче. Когда же их снова принесли домой, шарики вернулись в свое первоначальное состояние. Почему менялся размер шариков?
- Что такое тепловое расширение?
- Как работает термометр?
Тепловое расширение
Надувные шары изменялись в размере из-за теплового расширения воздуха. На улице, под действием низкой температуры, воздух в шариках сжался, а в теплом помещении снова расширился.
Тепловое расширение – это свойство почти всех веществ и тел (предметов). При повышении температуры вещества и тела расширяются, их размеры и объем увеличиваются. При понижении температуры, или охлаждении, происходит обратное: вещества и тела сжимаются.
Лучше всего наблюдать за тепловым расширением на примере газа. Воздух и другие газы при повышении температуры расширяются намного заметнее, чем жидкости и твердые тела. Расширение жидкостей и твердых тел настолько незначительно, что его трудно заметить невооруженным глазом.
Опыт
Возьми пустую пластиковую бутылку, крепко завинти пробку и положи в морозилку. Через некоторое время посмотри, сплющилась ли бутылка. Воздух в бутылке охладился и сжался.
Что произойдет, если сжавшуюся бутылку подержать при комнатной температуре? Чем это объяснить?
Как работает термометр?
Тепловое расширение жидкости используется для измерения температуры с помощью жидкостных термометров. Главной деталью термометра является тонкая стеклянная трубка, в нижнем конце которой есть небольшой шарик (резервуар). В резервуаре и в трубке находится окрашенная жидкость. При увеличении температуры жидкость в резервуаре термометра расширяется. Она больше не умещается там и вытекает в стеклянную трубку. Уровень жидкости в трубке поднимается. Трубка такая тонкая, что даже небольшое расширение вызывает видимый глазом подъем столбика жидкости.
Опыт
Тепловое расширение воды
Для наблюдения за тепловым расширением воды вам понадобится изображенное на фотографии оборудование. Нальем воду в сосуд с узким горлышком и плотно закроем его пластилином, который затем проткнем тонкой стеклянной трубкой. При нагревании воды в сосуде происходит ее расширение. Уровень воды в трубке поднимется, так как теплая вода занимает больший объем.
Тепловое расширение твердых тел
Тепловое расширение твердых тел очень незначительно. Но иногда его последствия заметны невооруженным глазом. Например, телефонные и электрические провода зимой натянуты между столбами, а летом провисают. Это происходит потому, что в тепле проволока расширяется и удлиняется, а в мороз сжимается и укорачивается.
Тепловое расширение необходимо учитывать и при строительстве железных дорог. На стыке рельсов всегда оставляют небольшой зазор. От мороза металл сжимается, и зазор между рельсами расширяется. Летом же, когда рельсы нагреваются, происходит расширение металла и зазор становится меньше. Если бы строители не оставляли зазора на стыке рельсов, при расширении металла рельсы искривились бы.
Почему горячая вода может расколоть стеклянную банку?
Если в стеклянную банку или стакан наливать горячую воду, они могут треснуть или даже расколоться. Это вызвано неравномерным тепловым расширением стекла. В месте, где горячая вода соприкасается со стеклом, стекло нагревается и расширяется быстрее, чем в других местах. Возникает напряжение, и стекло трескается или разбивается.
Чтобы стеклянная посуда не трескалась от горячей воды, предварительно следует ее чуть-чуть нагреть, например, в теплой воде или духовке. Может, ты знаешь еще какие-то способы?
Плотность вещества зависит от температуры
Расширяясь под действием температуры, вещества становятся менее плотными, а при сжатии, наоборот, уплотняются. Говорят еще, что менее плотное вещество легче, а более плотное тяжелее. Это значит, что определенный объем более плотного вещества весит больше, чем такой же объем менее плотного вещества. Например, 1 литр холодной воды весит больше, чем 1 литр горячей воды.
Опыт
Родители говорили Максиму и Кате, что 1 литр воды весит 1 килограмм. Но теперь ребята узнали, что масса 1 литра воды зависит от ее температуры.
Максим считает, что масса 1 литра холодной и 1 литра горячей воды различается так мало, что измерить эту разницу в домашних условиях невозможно. Катя же думает, что разница будет заметна, может быть, она составит даже более 10 граммов.
Чтобы выяснить, кто прав, дети попросили у мамы точные весы и литровую стеклянную бутылку. Сначала они до краев наполнили ее холодной водой и взвесили. Затем налили в ту же бутылку горячей воды из-под крана и снова ее взвесили.
Если у тебя есть нужное оборудование, проделай опыт Максима и Кати. Поскольку разница массы не может быть очень большой и налить в бутылку каждый раз совершенно одинаковое количество воды трудно, сделай несколько измерений, меняя воду. Если у тебя есть подходящий термометр, измерь также температуру воды, используемой в опытах.
Нарисуй таблицу и впиши в нее полученные результаты. (Массой можешь считать общую массу воды и бутылки.)
Будь очень осторожен с горячей водой или попроси кого-нибудь помочь тебе!
Что показал твой опыт? Подтвердилась ли гипотеза о том, что масса холодной и горячей воды различается?
Что позволяет летать тепловому воздушному шару?
Тепловой воздушный шар (аэростат) имеет оболочку, наполненную горячим воздухом. Воздух нагревается при помощи горелки, расположенной под отверстием шара. Горячий воздух внутри шара расширяется и становится более разреженным, чем окружающий воздух. Это и заставляет тепловой воздушный шар подняться в воздух.
Технологию тепловых аэростатов использовали в Китае уже 2000 лет назад для изготовления небесных фонариков.
Первый тепловой воздушный шар, пригодный для путешествий, был изобретен французами братьями Монгольфьé в 1782 году. Первый полет построенного ими шара состоялся летом следующего (1783) года.
Запомни!
- Тепловое расширение – это увеличение объема вещества или тела при его нагревании.
- При охлаждении вещества и тела сжимаются.
- При нагревании вещества становятся менее плотными, а при охлаждении их плотность увеличивается.
- При нагревании газы (воздух) расширяются больше, а жидкости и твердые тела расширяются меньше.
Вопросы и задания
- Приведи примеры теплового расширения газов, жидкостей и твердых тел.
- Опиши опыт, который демонстрирует тепловое расширение воды.
- Опиши принцип действия термометра. Из каких частей он состоит? Как и почему меняется высота столбика жидкости в термометре?
Молекулы воздуха расположены реже на рисунке .
Следовательно, более разреженный воздух на рисунке .
При более высокой температуре плотность вещества , чем при более низкой температуре.
Холодный воздух изображен на рисунке ,
теплый воздух – на рисунке .
Размышляй и исследуй
Вода не используется в качестве жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт). Как ты думаешь, почему вода не подходит для использования в термометрах?
