Почему при нагревании металл расширяется: Тепловое расширение • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Тепловое расширение • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Изменение линейных размеров тела при нагревании пропорционально изменению температуры.

Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул (см. Закон Бойля—Мариотта, Закон Шарля, Уравнение состояния идеального газа).

Основной закон теплового расширения гласит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на ΔТ расширяется на величину ΔL, равную:

    ΔL = αLΔT

где α — так называемый коэффициент линейного теплового расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простейшем случае, когда коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в строгом соответствии с вышеприведенной формулой.

Для инженеров тепловое расширение — жизненно важное явление. Проектируя стальной мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учитывать возможного перепада температур в пределах от —40°C до +40°C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их специальными термическими буферными сочленениями, которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные жестко ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу. На длинном мосту может насчитываться довольно много таких буферов.

Однако не все материалы, особенно это касается кристаллических твердых тел, расширяются равномерно по всем направлениям. И далеко не все материалы расширяются одинаково при разных температурах. Самый яркий пример последнего рода — вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Однако, начиная с +4°C и до точки замерзания 0°C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в интервале температур от 0°C до +4°C коэффициент теплового расширения воды α принимает отрицательное значение). Именно благодаря этому редкому эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4°C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4°C.

То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, — еще одно (хотя и не связанное с предыдущим) аномальное свойство воды, которому мы обязаны существованием жизни на нашей планете. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, опять же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.

Предложена новая теория, объясняющая, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается

Японский физик Масакадзу Мацумото выдвинул теорию, которая объясняет, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается, вместо того чтобы расширяться. Согласно его модели, вода содержит микрообразования — «витриты», представляющие собой выпуклые пустотелые многогранники, в вершинах которых находятся молекулы воды, а ребрами служат водородные связи. При повышении температуры конкурируют между собой два явления: удлинение водородных связей между молекулами воды и деформация витритов, приводящая к уменьшению их полостей. В диапазоне температур от 0 до 3,98°C последнее явление доминирует над эффектом удлинения водородных связей, что в итоге и дает наблюдаемое сжатие воды. Экспериментального подтверждения модели Мацумото пока что нет — впрочем, как и других теорий, объясняющих сжатие воды.

В отличие от подавляющего большинства веществ, вода при нагревании способна уменьшать свой объем (рис. 1), то есть обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Впрочем, речь идет не обо всём температурном интервале, где вода существует в жидком состоянии, а лишь об узком участке  — от 0°C примерно до 4°C. При больших температурах вода, как и другие вещества, расширяется.

Между прочим, вода — не единственное вещество, имеющее свойство сжиматься при увеличении температуры (или расширяться при охлаждении). Подобным поведением могут «похвастать» еще висмут, галлий, кремний и сурьма. Тем не менее, в силу своей более сложной внутренней структуры, а также распространенности и важности в разнообразных процессах, именно вода приковывает внимание ученых (см. Продолжается изучение структуры воды, «Элементы», 09.10.2006).

Некоторое время назад общепринятой теорией, отвечающей на вопрос, почему вода увеличивает свой объем при понижении температуры (рис. 1), была модель смеси двух компонент — «нормальной» и «льдоподобной». Впервые эта теория была предложена в XIX веке Гарольдом Витингом и позднее была развита и усовершенствована многими учеными. Сравнительно недавно в рамках обнаруженного полиморфизма воды теория Витинга была переосмыслена. Отныне считается, что в переохлажденной воде существует два типа льдообразных нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Нагревание переохлажденной воды приводит к плавлению этих наноструктур и к появлению двух видов воды: с большей и меньшей плотностью. Хитрая температурная конкуренция между двумя «сортами» образовавшейся воды и порождает немонотонную зависимость плотности от температуры. Однако пока эта теория не подтверждена экспериментально.

С приведенным объяснением нужно быть осторожным. Не случайно здесь говорится лишь о структурах, которые напоминают аморфный лед. Дело в том, что наноскопические области аморфного льда и его макроскопические аналоги обладают разными физическими параметрами.

Японский физик Масакадзу Мацумото решил найти объяснение обсуждаемого здесь эффекта «с нуля», отбросив теорию двухкомпонентной смеси. Используя компьютерное моделирование, он рассмотрел физические свойства воды в широком диапазоне температур — от 200 до 360 К при нулевом давлении, чтобы в молекулярном масштабе выяснить истинные причины расширения воды при ее охлаждении. Его статья в журнале Physical Review Letters так и называется: Why Does Water Expand When It Cools? («Почему вода при охлаждении расширяется?»).

Изначально автор статьи задался вопросом: что влияет на коэффициент теплового расширения воды? Мацумото считает, что для этого достаточно выяснить влияние всего трех факторов: 1) изменения длины водородных связей между молекулами воды, 2) топологического индекса — числа связей на одну молекулу воды и 3) отклонения величины угла между связями от равновесного значения (углового искажения).

Перед тем как рассказать о результатах, полученных японским физиком, сделаем важные замечания и разъяснения по поводу вышеупомянутых трех факторов. Прежде всего, привычная химическая формула воды H₂O соответствует лишь парообразному ее состоянию. В жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H₂O)_x, где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют равновесный, так называемый тетраэдральный угол, равный 109,47 градуса (см. рис. 2).

Проанализировав зависимость длины водородной связи между молекулами воды от температуры, Мацумото пришел к ожидаемому выводу: рост температуры рождает линейное удлинение водородных связей. А это, в свою очередь, приводит к увеличению объема воды, то есть к ее расширению. Сей факт противоречит наблюдаемым результатам, поэтому далее он рассмотрел влияние второго фактора. Как коэффициент теплового расширения зависит от топологического индекса?

Компьютерное моделирование дало следующий результат. При низких температурах наибольший объем воды в процентном отношении занимают кластеры воды, у которых на одну молекулу приходится 4 водородных связи (топологический индекс равен 4). Повышение температуры вызывает уменьшение количества ассоциатов с индексом 4, но при этом начинает возрастать число кластеров с индексами 3 и 5. Проведя численные расчеты, Мацумото обнаружил, что локальный объем кластеров с топологическим индексом 4 с повышением температуры практически не меняется, а изменение суммарного объема ассоциатов с индексами 3 и 5 при любой температуре взаимно компенсирует друг друга. Следовательно, изменение температуры не меняет общий объем воды, а значит, и топологический индекс никакого воздействия на сжатие воды при ее нагревании не оказывает.

Остается выяснить влияние углового искажения водородных связей. И вот здесь начинается самое интересное и важное. Как было сказано выше, молекулы воды стремятся объединиться так, чтобы угол между водородными связями был тетраэдральным. Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, не дают им этого сделать, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, основываясь на своей предыдущей работе Topological building blocks of hydrogen bond network in water, опубликованной в 2007 году в Journal of Chemical Physics, выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами (рис. 3). В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.

Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.

Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами некоторые микроструктуры не обладают геометрией с тетраэдральными углами (или углами, близкими к этому значению). Они принимают такие структурно неравновесные конфигурации (не являющиеся для них самыми выгодными с энергетической точки зрения), которые позволяют всему «семейству» витритов в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие витриты, то есть витриты, которые как бы приносят себя в жертву «общим энергетическим интересам», называются фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом.

Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.

Итак, сжатие воды при увеличении температуры вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты, преобладает, что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.

Осталось дождаться экспериментального подтверждения существования витритов и такого их поведения. Но это, увы, очень непростая задача.

Источник: Masakazu Matsumoto. Why Does Water Expand When It Cools? // Phys. Rev. Lett. 103, 017801 (2009).

Юрий Ерин

Вода при замерзании расширяется или сжимается: простая физика

Многие юные почемучки задаются вопросом: при замерзании вода расширяется или сжимается? Ответ следующий: с приходом зимы вода начинает свой процесс расширения. Почему это происходит? Это свойство выделяет воду из списка всех остальных жидкостей и газов, которые, наоборот, сжимаются при охлаждении. В чем заключается причина такого поведения этой необычной жидкости?

Физика 3 класса: вода при замерзании расширяется или сжимается?

Большинство веществ и материалов увеличиваются в объеме при нагревании и уменьшаются при охлаждении. Газы этот эффект показывают более заметно, но различные жидкости и твердые металлы проявляют такие же свойства.

Одним из наиболее ярких примеров расширения и сжимания газа является воздух в воздушном шаре. Когда мы выносим воздушный шар на улицу в минусовую погоду, то шар сразу уменьшается в размерах. Если мы шар вносим в отапливаемое помещение, то он сразу же увеличивается. А вот если мы внесем воздушный шар в баню — он лопнет.

Молекулы воды требуют больше места

Причиной тому, что происходят эти процессы расширения и сжатия различных веществ, являются молекулы. Те из них, которые получают больше энергии (это происходит в теплом помещении), двигаются намного быстрее, чем молекулы, находящиеся в холодном помещении. Частицы, которые имеют большую энергию, сталкиваются намного активнее и чаще, им необходимо больше места для движения. Чтобы сдержать то давление, которое оказывают молекулы, материал начинает увеличиваться в размерах. Причем это происходит достаточно стремительно. Итак, вода при замерзании расширяется или сжимается? Почему это происходит?

Вода не подчиняется этим правилам. Если мы начинаем охлаждать воду до четырех градусов Цельсия, то она уменьшает свой объем. Но если температура продолжает падать, то вода вдруг начинает расширяться! Существует такое свойство, как аномалия плотности воды. Это свойство возникает при температуре в четыре градуса Цельсия.

Теперь, когда мы выяснили, расширяется или сжимается вода при замерзании, давайте узнаем, как вообще возникает эта аномалия. Причина таится в частицах, из которых она состоит. Молекула воды создана из двух атомов водорода и одного — кислорода. Формулу воды все знают еще с начальных классов. Атомы в этой молекуле притягивают электроны по-разному. У водорода создается положительный центр тяжести, а у кислорода, наоборот — отрицательный. Когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, то атомы водорода одной молекулы переходят на атом кислорода совершенно другой молекулы. Этот феномен называется водородной связью.

Воде нужно больше места при ее охлаждении

В тот момент, когда начинается процесс формирования водородных связей, в воде начинают возникать места, где молекулы находятся в том же порядке, что и в кристалле льда. Эти заготовки называются кластерами. Они не прочны, как в твердом кристалле воды. При повышении температуры они разрушаются и меняют свое местоположение.

Во время процесса охлаждения воды начинает стремительно увеличиваться количество кластеров в жидкости. Они требуют больше пространства для распространения, вследствие этого вода и увеличивается в размерах после достижения своей аномальной плотности.

При падении столбика термометра ниже нуля кластеры начинают превращаться в мельчайшие кристаллы льда. Они начинают подниматься вверх. Вследствие всего этого вода превращается в лед. Это очень необычная способность воды. Данный феномен необходим для очень большого количества процессов в природе. Мы все знаем, а если не знаем, то запоминаем, что плотность льда незначительно меньше плотности прохладной или же холодной воды. Благодаря этому лед плавает на поверхности воды. Все водоемы начинают замерзать сверху вниз, что позволяет спокойно существовать и не замерзать водным обитателям на дне. Итак, теперь мы в подробностях знаем о том, расширяется или сжимается вода при замерзании.

Интересный феномен

Горячая вода замерзает быстрее холодной. Если мы возьмем два одинаковых стакана и нальем в один горячей воды, а в другой столько же холодной, то мы заметим, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Это не логично, согласитесь? Горячей воде нужно остыть, чтобы начинать замерзать, а холодной этого не нужно. Как объяснить данный факт? Ученые по сей день не могут объяснить эту загадку. Данный феномен имеет название «Эффект Мпембы». Открыт был в 1963 году ученым из Танзании при необычном стечении обстоятельств. Студент хотел сделать себе мороженое и заметил, что горячая вода замерзает быстрее. Об этом он поделился со своим учителем физики, который сначала не поверил ему.

Термическое расширение твёрдых тел и жидкостей — урок. Физика, 8 класс.

Термическим расширением называется изменение размеров и объёма тела под воздействием температуры.

При изменении температуры изменяются размеры твёрдых тел. Расширение под воздействием температуры характеризуется коэффициентом линейного термического расширения.

Изменение линейных размеров тела описывается формулой: l=l0(1+α⋅ΔT), где

l — длина тела;

l0 — первоначальная длина тела;

α — коэффициент линейного термического расширения;

ΔT — разница температур.

Коэффициент линейного термического расширения показывает, на какую часть первоначальной длины или ширины изменится размер тела, если его температура повысится на 1 градус.

Пример:

\(10\) км железнодорожного пути при увеличении температуры воздуха на \(9\) градусов (например, от \(-5\) до \(+4\)), удлиняются на 10000⋅0,000012⋅9=1,08 метр. По этой причине между участками рельсов оставляют промежутки.

Термическое расширение надо учитывать и в трубопроводах, там используют компенсаторы — изогнутые трубы, которые при изменении температуры воздуха при необходимости могут сгибаться. На рисунке видно, что произойдёт, если не будет компенсатора.

Инженерам, проектирующим мосты, оборудование, здания, которые подвержены изменениям температуры, необходимо знать, какие материалы можно соединять, чтобы не образовались трещины.

Электрикам, которые протягивают линии электропередачи, необходимо знать, каким изменениям температуры будут подвержены провода. Если летом провода натянуты, то зимой они оборвутся.

При термическом расширении металлов используют автоматические выключатели тепловых приборов. Этот выключатель состоит из двух плотно соединённых пластин различных металлов (с различными термическими коэффициентами). Биметаллические пластины под воздействием температуры сгибаются или выпрямляются, замыкая или размыкая электрическую цепь.

С изменением линейных размеров изменяется также и объём тела. Изменение объёма тела описывается формулой, похожей на формулу линейного расширения, только вместо коэффициента линейного термического расширения используется коэффициент объёмного термического расширения.

Изменение объёма тела под воздействием температуры описывается формулой: V=V0(1+β⋅ΔT), где

V — объём тела;

V0 — первоначальный объём тела;

β — коэффициент объёмного термического расширения;

ΔT — разница температур.

Коэффициент объёмного термического расширения показывает, на какую часть первоначального объёма изменится объём тела после повышения температуры на 1 градус.

Пример:

Если объём спирта при температуре −30°C равен 500л, то при температуре 25°C его объём увеличится на 500⋅0,00011⋅(25−(−30))=3,025л.

Из формулы изменения объёма следует, что при повышении температуры объём жидкости увеличивается, но вода в очередной раз отличилась своими уникальными свойствами, так как при нагревании воды до определённой температуры она не расширяется, а сжимается.

Если металл расширяется при нагревании, как нагрев болта ослабляет его?

Поскольку тепло не распространяется мгновенно, гайка будет расширяться больше, чем болт … если вы правильно рассчитаете время … что не тривиально. Для подшипника, а не для гайки / болта, этот [индукционный] нагрев является промышленным методом удаления, как показано в этом видео, например, и даже в большей степени для крепления. В этом случае удаление происходит мгновенно, когда кольцо подшипника достаточно нагрето. Проблема с гайкой / болтом заключается в том, что большое количество тепла могло перейти к болту, возможно, до того, как вы закончите снятие гайки. Цитирую практикующего этого искусства: «Вы хотите нагреть гайку, а не болт».

Проблема еще более усугубляется тем фактом, что нет единого способа сделать это. Вы можете увидеть в этом другом видеочто гайка становится намного белее, чем болт, а это значит, что она нагревается при нагревании. Загвоздка в том, что к тому времени, когда гайка снята, ни один из них больше не светится [в этом последнем видео], поэтому мы не можем визуально определить их температуру [разницу]. Воздух, однако, намного лучше изолятор, поэтому я подозреваю, что болт охлаждается быстрее, чем гайка, потому что он вступает в контакт с большим количеством металла, который действует как радиатор. Видео с тепловизором было бы определенным доказательством, но я не смог его найти. В описании этого последнего видео также говорится, что коррозионные соединения ослабляются при нагревании, что также вполне может быть правдой, но я не проверил науку об этом; это утверждение также предполагает, что эти связи не сразу восстанавливаются при охлаждении.

И для сценария, изображенного в ответе самого спрашивающего: на практике это не работает. Если вы смотрите вторую половину этого получасового видео , чувак тщательно нагревает рамку вокруг самого болта, и для достижения успеха требуется много времени, терпения и тщательности, когда «гайка» — это большой кусок.

Тепловое расширение материалов и клеевое соединение.

При любом соединении деталей, механическом, клеевом, сварном, важно не только получить прочное соединение — не менее важна его долговечность в условиях эксплуатации изделия. Испытать начальную прочность как правило, несложно — устойчивость клеевого соединения к различным типам нагрузки (удары, вибрации, отрыв, расщепление) можно определить испытаниями по стандартным методикам. А вот испытание долговечности соединения представляет собой более сложную и долгую задачу. Необходимо представлять себе условия эксплуатации изделия, собранного с помощью клея, а зная их, оценить поведение соединенных материалов. Так, коррозия под клеевым слоем, встречающаяся при работе клеевого соединения в агрессивных условиях, например, в регионах с морским климатом, в которых сочетается высокая влажность, воздействие мелкодиперсного соляного тумана и, часто, высокие температуры. Это требует длительных испытаний в климатической камере или камере соляного тумана.
Однако существует еще один фактор, который часто упускают из вида, хотя его влияние на надежность, долговечность клеевого соединения очень существенно. Его учет усложняется тем, что протестировать его можно только на полноразмерном изделии точнее — на полноразмерном клеевом соединении. Речь пойдет о различном температурном (или тепловом) расширении материалов. При изменении температуры любой твердый материал сжимается или расширяется. Как правило, при сжатие происходит при охлаждении, а расширение при нагреве (хотя бывают и материалы-исключения, у которых изменение температуры приводит к обратному результату). Для разных материалов одинаковое изменение температуры приводит к различному изменению размера. Поэтому при соединении различных материалов, в тех случаях, когда изделие будет подвергаться температурным перепадам, необходимо учитывать, что изменение температуры приведет к появлению дополнительной сдвиговой нагрузки на клеевой шов.
Насколько велик может быть эффект разницы температурных расширений? Как определить, не опасен ли он для нашего соединения? Как склеить изделие, учитывая этот эффект? На эти вопросы я постараюсь ответить ниже.

Коэффициент теплового (температурного) расширения является характеристикой каждого материала и показывает насколько этот материал увеличивается (уменьшается) в размере при изменении температуры на один градус. Абсолютная величина расширения или сжатия, кроме коэффициента, зависит от размера изделия и изменения температуры.
Из часто используемых материалов, наиболее низким коэффициентом теплового расширения обладает стекло; несколько выше коэффициент расширения у металлов, значительно выше у пластиков. Коэффициенты теплового расширения некоторых материалов приведены в таблице.

Конечно, каждый металл или сплав, каждый пластик этот параметр имеет свою величину коэффициента. Однако, беря типичные характеристики и температурный перепад 65С (от +25 С при соединении летом до — 40С зимой) можно рассчитать, что одинаковые детали из оргстекла (полиметилметакрилат) и алюминия длиной при соединении 1 метр, зимой будут различаться по длине на 3,5 миллиметра. Жесткое крепление в таком случае неизбежно приведет или к растрескиванию пластика, или к разрушению клеевого соединения, или к деформации (прогибу) пластиковой детали. Конечно, различное расширение материалов необходимо учитывать при любом способе крепления, клеевом или механическом.
Именно зависимость от размера изделия делает сложным лабораторное испытание -стандартные образцы соединения для испытания на сдвиг размером, скажем 25×12 мм могут без потери прочности пройти многократные температурные перепады; но при длине клеевого шва один-два метра, тот же клей на тех же материалах окажется неспособен выдержать типичные для улицы температурные перепады. Впрочем, при использовании жесткого клея разрушение соединения может произойти и на изделиях небольшого размера, особенно если один из соединяемых материалов — стекло. Ввиду хрупкости этого материала, неправильный выбор продукта часто приводит к растрескиванию стекла при охлаждении даже на изделиях небольшого размера. Испытания изделий больших размеров требует использования дорогого и сравнительно редкого оборудования. К счастью, часто оценить воздействие теплового расширения материалов можно и без проведения испытаний. Необходимо учитывать сейчас с использованием клеевых технологий часто собираются изделия большого размера — рекламные вывески, фасадные панели и многие другие. Оценку возможных тепловых расширений соединяемых материалов, по моему мнению, всегда следует проводить если соблюдаются следующие условия:
1. Соединяются различные материалы; такие пары, как стекло-металл, стекло-пластик, металл-пластик наиболее «опасны» с точки зрения расширения.
2. Изделие будет эксплуатироваться на улице или подвергаться нагреву/охлаждению более, чем на 20 С.
3. Максимальный размер изделия более 30 мм.
Как же избежать возникновения критических для клеевого шва нагрузок, вызванных различным тепловым расширением соединенных материалов?
Очевидное решение задачи — использовать эластичный клей. Однако, при выборе продукта нередко забывают вот о чем: во-первых, продукт должен оставаться эластичным при охлаждении. Некоторые клеи и герметики, эластичные при температуре близкой к комнатной, становятся жесткими при охлаждении до -5 — — 10°С, то есть теряют способность компенсировать движение соединенных поверхностей друг относительно друга именно тогда, когда это движение становится значительным. Во-вторых, даже использую эластичный клей или герметик, необходимо создавать клеевой шов достаточной толщины. Например, полиуретановые герметики, безусловно, одни из наиболее эластичных клеевых продуктов — их растяжение до разрыва составляет 500-700%, а у некоторых и несколько больше. Тем не менее, длительно (а расширение/сжатие материалов, связанное, например, с сезонными колебаниями температуры, это именно длительное изменение) они выдерживают сдвиговые деформации 20-25% от толщины. Попробуем оценить, какую толщину должен иметь полиуретановый герметик для соединения стекла и алюминия длиной 1 метр при изменении температуры от +25при склейке до -40. Расчет с учетом типичных коэффициентов для стекла и алюминия (напомню, точное значение несколько меняется в зависимости от марки стекла или алюминиевого сплава) дает значение примерно 1,4 мм. Для надежного крепления стекла в таком случае потребуется толщина клеевого слоя 5,5-6,0 миллиметров (кстати, именно эту минимальную толщину многие производители полиуретановых герметиков рекомендуют для соединения стекла с металлом).
Отличным решением для соединения материалов с различным тепловым расширением являются ленты ЗМ™ VHB™ — двусторонние монтажные ленты, состоящие только из акрилового полимера. Вязкоупругая основа этих лент, в отличие от герметиков и, тем более, от двухкомпонентных клеев, выдерживает без разрушения сдвиговые деформации до 300% от толщины ленты. Максимальная толщина ленты VHB™ составляет 3 мм, позволяя, таким образом, компенсировать разницу расширений до 15 мм. Акриловый полимер сохраняет эластичность до — 40С, а у некоторых лент VHB™ и при более низких температурах. Ленты ЗМ™ VHB™ успешно используются для соединения стекла с алюминием, в том числе в архитектурных объектах и подтвердили свою работоспособность при соединении самых разных сочетаний материалов в очень широком диапазоне температур.

Почему тепло и холод заставляют вещи расширяться и сжиматься? Также почему одни металлы расширяются больше, чем другие?

Спрашивает: Маркус Маккин

Ответ

Напомним, что все материалы состоят из атомов. При любой температуре выше абсолютного нуля (-273 градуса

по Цельсию) атомы будут двигаться. В твердом теле они будут колебаться в фиксированных положениях, в

жидкая твоя будет проталкивать друг друга, и в газе они будут проноситься мимо каждого

другие на очень высоких скоростях.Когда материал нагревается, кинетическая энергия этого материала увеличивается и

его атомы и молекулы больше перемещаются. Это означает, что каждый атом будет занимать больше места из-за своего движения, поэтому

материал расширится. Когда холодно, кинетическая энергия уменьшается, поэтому атомы занимают меньше места.

и материальные контракты.

Некоторые металлы расширяются больше, чем другие, из-за различий в силах между атомами / молекулами. В металлах

таких как железо, силы между атомами сильнее, поэтому атомам труднее двигаться

около .В латуни силы немного слабее, поэтому атомы могут двигаться дальше. Эти

различия в усадке используются в биметаллической полосе, которая состоит из полосы латуни

Уложен вдоль боковой полосы железа. При нагревании полосы латунь расширяется больше, чем железо, поэтому

ленточные грядки. Он используется в таких устройствах, как пожарная сигнализация и автоматические выключатели, чтобы включить или отключить

контакты в электрической цепи.

Различия в расширении и сжатии еще более заметны в разных состояниях, опять же из-за

количество силы, удерживающей атомы вместе.Газ будет расширяться больше всего, поскольку его атомы свободны

друг от друга, так что вы можете максимально увеличить скорость.

Ответила: Сара Аль-Ассам, студентка школы для девочек Тиффин, Кингстон

Почему металлы так хорошо проводят тепло и электричество?

Структура металлов

Структуры чистых металлов описать просто, поскольку атомы, образующие эти металлы, можно рассматривать как идентичные совершенные сферы.Более конкретно, металлическая структура состоит из «выровненных положительных ионов» (катионов) в «море» делокализованных электронов. Это означает, что электроны могут свободно перемещаться по структуре и обуславливают такие свойства, как проводимость.

Какие бывают виды облигаций?

Ковалентные облигации

Ковалентная связь — это связь, которая образуется, когда два атома разделяют электроны. Примерами соединений с ковалентными связями являются вода, сахар и диоксид углерода.

Ионные связи

Ионная связь — это полный перенос валентных электронов между металлом и неметаллом. В результате возникают два противоположно заряженных иона, которые притягиваются друг к другу. В ионных связях металл теряет электроны, чтобы стать положительно заряженным катионом, тогда как неметалл принимает эти электроны, чтобы стать отрицательно заряженным анионом. Примером ионной связи может быть соль (NaCl).

Металлические связки

Металлические связи — это результат электростатической силы притяжения, которая возникает между электронами проводимости (в форме электронного облака делокализованных электронов) и положительно заряженными ионами металлов.Это можно описать как распределение свободных электронов между решеткой положительно заряженных ионов (катионов). Металлическое соединение определяет многие физические свойства металлов, такие как прочность, пластичность, термическое и электрическое сопротивление и проводимость, непрозрачность и блеск.

Делокализованные движущиеся электроны в металлах —

Это свободное движение электронов в металлах, которое придает им проводимость.

Электропроводность

Металлы содержат свободно движущиеся делокализованные электроны.Когда прикладывается электрическое напряжение, электрическое поле внутри металла вызывает движение электронов, заставляя их перемещаться от одного конца проводника к другому. Электроны будут двигаться в положительную сторону.

Теплопроводность

Металл — хороший проводник тепла.Проводимость возникает, когда вещество нагревается, частицы получают больше энергии и больше вибрируют. Затем эти молекулы сталкиваются с соседними частицами и передают им часть своей энергии. Затем это продолжается и передает энергию от горячего конца к более холодному концу вещества.

Почему металлы так хорошо проводят тепло?

Электроны в металле — это делокализованные электроны и свободно движущиеся электроны, поэтому, когда они набирают энергию (тепло), они вибрируют быстрее и могут перемещаться, это означает, что они могут быстрее передавать энергию.

Какие металлы проводят лучше всего?

Вверху: Электронные оболочки Золото (au), Серебро (Ag), Медь (Cu) и Цинк (Zn).
По логике можно было бы подумать, что Золото — лучший проводник, имеющий единственный s-орбитальный электрон в последней оболочке (диаграмма выше)… так почему серебро и медь на самом деле лучше (см. таблицу ниже).

Серебро имеет больший атомный радиус (160 мкм), чем золото (135 мкм), несмотря на то, что в золоте больше электронов, чем в серебре! Причину этого см. В комментарии ниже.

Примечание: Серебро является лучшим проводником, чем золото, но золото более желательно, потому что оно не подвержено коррозии.(Медь является наиболее распространенной, потому что она наиболее экономична)
Ответ немного сложен, и мы размещаем здесь один из лучших ответов, которые мы видели для тех, кто знаком с материалом.

«Серебро находится в середине переходных металлов примерно на 1/2 пути между благородными газами и щелочными металлами. В столбце 11 периодической таблицы все эти элементы (медь, серебро и золото) имеют единичный s -орбитальный электрон электрон внешней оболочки (платина также, в столбце 10).

Орбитальная структура электронов этих элементов не имеет особого сродства к приобретению или потере электронов по отношению к более тяжелым или легким благородным газам, потому что они находятся на полпути между ними. В общем, это означает, что не требуется много энергии, чтобы временно сбить электрон или добавить его. Удельное сродство к электрону и потенциалы ионизации варьируются, и в отношении проводимости наличие относительно низких энергий для этих двух критериев в некоторой степени важно.

Если бы это были единственные критерии, то золото было бы лучшим проводником, чем серебро, но у золота есть дополнительные 14 f-орбитальных электронов под 10 d-орбитальными электронами и единственным s-орбитальным электроном. 14 f-электронов связаны с дополнительными атомами в ряду актинидов. С 14 дополнительными электронами, которые, по-видимому, выталкивают d- и s-электроны, можно подумать, что s-электрон просто «созрел» для проводимости (почти не требовалось энергии, чтобы оттолкнуть его), но НЕТ. Электроны на f-орбите упакованы таким образом, что это приводит к тому, что атомный радиус золота на самом деле МЕНЬШЕ, чем атомный радиус серебра — не намного, но он меньше. Меньший радиус означает большую силу со стороны ядра на внешние электроны, поэтому серебро побеждает в «соревновании» по проводимости. Помните, сила электрического заряда обратно пропорциональна квадрату расстояния. Чем ближе 2 заряда вместе, тем выше сила между ними.

И медь, и платина имеют еще меньший диаметр; следовательно, большее притяжение от ядра, следовательно, больше энергии, чтобы сбить одинокий s-электрон, следовательно, более низкая проводимость.

Другие элементы с единственным s-орбитальным электроном, находящимся там, «созревшим для того, чтобы появился сборщик проводимости», также имеют меньшие атомные радиусы (молибден, ниобий, хром, рутений, родий), чем серебро.

Таким образом, именно то место, где оно находится, то место, где «мать-природа» поместила серебро в периодической таблице, определяет его превосходную проводимость ».

Источник из фунтов 101 Yahoo

ВЫБОР ИСТОЧНИКОВ И ЧИТАТЕЛЕЙ —

Структура и физические свойства металлов

Почему одни металлы проводят тепло лучше, чем другие?

Как передается тепло?

Теплопроводность металлов

ПРИБОРНАЯ ПАНЕЛЬ

Средства навигации, телеметрическое оборудование, функции аудиосистемы и стандартные приборы борются за место на приборной панели (IP).Это создает проблему для дизайнеров интерьеров и инженеров, которым необходимо упростить IP, чтобы водителя не отвлекало слишком много кнопок и инструментов. Клиенты также приравнивают просторный интерьер к роскоши — еще одна причина, по которой IP не должен выглядеть переполненным.

Дизайнеры решают проблему по-разному. Они уменьшают размер «пожирателей пространства», таких как системы отопления и охлаждения, или даже полностью удаляют их из IP, помещая их под сиденье или в багажник.Они также помещают на сенсорные экраны многие функции, такие как кнопки предварительной настройки станций для аудиосистем, что позволяет экономить место на IP. Но все же существует опасность переполнения экрана, что может отвлечь водителя и тем самым привести к аварии. Еще одна проблема — это положение: сенсорный экран должен располагаться высоко на приборной панели, чтобы водитель мог легко использовать его во время вождения. Но если он слишком высок, то чтение может быть затруднено из-за отражений и солнечных лучей, размывающих экран.

Некоторые инженеры рассматривают распознавание голоса как способ избавиться от многих ручных элементов управления и упростить IP.Но распознаванием голоса также можно злоупотреблять. Должен быть оптимальный баланс между визуальными дисплеями и голосовыми инструкциями, чтобы водитель мог безопасно обрабатывать всю информацию, которую он или она получает.

1. Дополните предложения информацией из текста выше.

а) все борются за место на IP.

б) Покупатели также приравнивают

в) Дизайнеры уменьшают размер

г) Еще они ставят много функций на сенсорные экраны.

д) Еще одна проблема — позиция:

е) Некоторые инженеры видят распознавание голоса

2. Перевести предложения на украинский язык:

a) Передняя подвеска была усилена, чтобы обеспечить более точное рулевое управление на высоких скоростях.

b) Мы также увеличили размер дисковых тормозов для сокращения тормозного пути.

в) Еще заметил, что в пресс-релизе говорится об улучшении расхода топлива.

d) Во-первых, мы увеличили значение Cd с помощью нового дизайна.

e) Мы также снизили вес автомобиля более чем на 50 кг за счет использования легких материалов.

f) Мы ввели автоматический старт-стоп, так что двигатель выключается, если вы стоите на месте более трех секунд, и запускается снова, когда вы снимаете ногу с тормоза.

г) Это положительно сказывается на эксплуатационных расходах его машины и на стоимости при перепродаже.

ч) Мы также увеличили объем багажника, чтобы сделать автомобиль более практичным для семей и спортсменов.

3. Сопоставьте слова из этих двух полей, чтобы получить выражения:

4. Сопоставьте приведенные выше выражения со следующими определениями:

а) Мера ветрового сопротивления или коэффициента лобового сопротивления автомобиля.

б) Сумма, которую вы тратите на бензин, налоги, техническое обслуживание,

в) Объем багажника.

d) Сколько топлива нужно, чтобы ездить по городу.

e) Тормозная система, в которой для остановки или замедления транспортного средства используется суппорт и ротор или диск.

е) Сколько вы можете рассчитывать получить, если продадите машину через три года.

г) Соединение осей с помощью рессор и амортизаторов с кузовом автомобиля, которое не позволяет пассажирам ощущать дорожные удары.

ч) Расстояние между нажатием ноги на тормоз и остановкой автомобиля.

i) Сколько весит автомобиль, когда в нем нет пассажиров и с половиной бака топлива.

5. Согласны, что переключателей больше не будет, только голосовое управление? Будет ли машина сделана из самоочищающихся материалов? Помогут ли датчики в автомобиле предотвратить аварии? Хотели бы вы выполнять большинство задач, которые вы обычно выполняете в офисе, в машине?

Текст 24.

АЛЮМИНИЙ МЕТАЛЛ ГОДА

Выпустив модель A2, Audi AG представила первый в мире автомобиль с объемным полностью алюминиевым кузовом. В 1996 году началось серийное производство A8. A8 — первый роскошный лимузин из алюминия, завод Audi производит 20 000 автомобилей в год. A8 сочетает в себе высокую прочность с малым весом. Это самая легкая машина класса люкс. Audi Space Frame третьего поколения теперь имеет меньше компонентов, чем его предшественники, что упрощает сборку автомобиля в больших количествах.

Другие автопроизводители также начинают серьезно относиться к алюминию. По мере увеличения объема двигателя автомобили стали более тяжелыми. Использование алюминия для капота и передних крыльев помогает лучше распределить вес между передней и задней осями. Еще одно преимущество алюминия в том, что его дешевле перерабатывать, чем сталь. Это будет важным соображением в будущем, когда ЕС введет более жесткие правила утилизации.

Но у использования алюминия есть недостатки.Замена стали алюминием стоит дорого; алюминиевый корпус стоит вдвое дороже стального. Производственные процессы не только дороги, но и сложны в реализации. Поскольку алюминий более хрупкий и легче рвется, чем сталь, он может образовываться только в незакаленном состоянии. Кроме того, алюминий, используемый для внешних частей автомобиля, таких как крылья и двери, должен быть толще стали, потому что он не имеет такой же жесткости. Устойчивость к вмятинам алюминия также меньше, чем у стали.

С другой стороны, алюминий не ржавеет, как сталь, а в автомобильных авариях он имеет более высокий коэффициент поглощения энергии, что повышает активную безопасность автомобиля.

1. Ответьте на следующие вопросы:

а) Каковы преимущества и недостатки использования алюминия?

б) Какие автомобильные материалы, по вашему мнению, будут использоваться в будущем?

в) Какие материалы используются при производстве автомобилей?

г) Каковы цели ЕС по переработке отходов на 2015 год? Как вы думаете, у автопроизводителей будут проблемы с ними?

2.Дополните предложения о материалах и их свойствах словами из коробки:

Небьющийся, легкий, устойчивый к коррозии, прочный, эластичный, натуральный, жесткий, легковоспламеняющийся, податливый, термостойкий.

а) Дерево очень часто используется в интерьере, потому что оно выглядит _______ и тепло.

b) Алюминий и магний важны для автопроизводителей, потому что они _______ и поэтому хороши для снижения веса.

c) Правила безопасности требуют, чтобы поролона, используемая в автокреслах, не была _______.

d) Резина должна выдерживать большие перепады температур при сохранении _______. Другими словами, он не должен становиться хрупким.

д) Лобовые стекла изготовлены из специального _______ стекла для защиты водителей при авариях.

е) Ткани, используемые в автомобилях, должны быть _______ и не выглядеть слишком быстро старыми.

г) Для несущих частей используется сталь, потому что она _______.

h) Листовой металл используется для изготовления больших деталей автомобилей, потому что он _______ и устойчив к вмятинам.

i) В каталитическом нейтрализаторе используется керамика _______ из-за очень высоких температур.

j) Алюминий идеально подходит для бамперов и других частей кузова, потому что он _______.

Дата: 17.12.2015; вид: 1677

Расширение и сжатие — онлайн-загрузка видео на ppt

Презентация на тему: «Расширение и сжатие» — стенограмма презентации:

1

Расширение и сжатие

2

Ключевые моменты, о которых следует помнить….
При повышении температуры твердого тела, жидкости или газа среднее расстояние между атомами / молекулами вещества обычно увеличивается, что приводит к расширению вещества. По мере того, как температура твердого тела, жидкости или газа уменьшается, среднее расстояние между атомами / молекулами обычно уменьшается, вызывая сжатие вещества. Тепловое расширение или сжатие может происходить с твердыми телами, жидкостями и газами. Расширение или сжатие из-за изменений температуры не является постоянным (например,, объекты, которые расширяются при нагревании, также могут сжиматься при охлаждении). Число атомов и масса атомов НЕ ИЗМЕНЯЮТСЯ при изменении температуры. ИЗМЕНЯЕТСЯ ТОЛЬКО РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ЧАСТИЦАМИ. Различные типы твердых тел, жидкостей или газов расширяются и сжимаются по-разному. Например, твердые металлы, состоящие из чистых элементов, таких как медь и алюминий, лучше поглощают тепло, чем легированные металлы, такие как латунь. Золото, вероятно, лучший проводник тепла, но оно настолько дорогое, что мы не используем его много.Латунь — это сплав меди и цинка. Сплав — это металл, состоящий из двух или более металлических элементов. То, как быстро металлы проводят тепло, во многом зависит от таких вещей, как количество свободных электронов вокруг, от того, как быстро они движутся, и особенно от того, как далеко они обычно уходят, прежде чем натолкнуться на что-то и изменить направление. Итак, теперь я подойду ближе к ответу на ваш вопрос. Самым большим фактором, определяющим различную проводимость обычных металлов, является разница в том, как далеко уходят электроны, прежде чем они что-то ударились.

3

Расширение и сжатие материи в целом
По мере увеличения средней энергии (температуры) частиц пространство между частицами увеличивается. Материя в твердой, жидкой и газовой фазах РАСШИРЯЕТСЯ! По мере уменьшения средней энергии (температуры) частиц расстояние между частицами уменьшается. Материя в твердой, жидкой и газовой фазах КОНТРАКТЫ!

4

Расширение и сжатие твердых тел
Твердые тела могут РАСШИРЯТЬСЯ или СДВИГАТЬСЯ в зависимости от температуры (средней энергии частиц).Например, демонстрация металлической петли и мяча Входит ли мяч в петлю, когда петля и мяч холодные? Влезет ли мяч в петлю при нагревании петли? Почему или почему нет?

5

Расширение и сжатие жидкостей
Жидкости могут РАСШИРЯТЬСЯ или СДВИГАТЬСЯ в зависимости от температуры (средней энергии частиц). Это демонстрирует жидкость, используемая в термометре. Когда жидкость расширяется и сжимается, она движется вверх и вниз по внутренней трубке (отверстию) термометра.Рядом со стеклянной трубкой помещены числа, которые обозначают температуру, когда линия находится в этой точке. Эта жидкость иногда представляет собой окрашенный спирт, но также может быть металлической жидкостью, называемой ртутью. И ртуть, и спирт становятся больше при нагревании и меньше при охлаждении.

6

Термометр Галилея Термометр Галилея (или термометр Галилея) представляет собой термометр, сделанный из запечатанного стеклянного цилиндра, содержащего прозрачную жидкость и несколько стеклянных сосудов различной плотности.При изменении температуры отдельные поплавки поднимаются или опускаются пропорционально их плотности. Прозрачная жидкость, в которую погружены луковицы, — это не вода, а какое-то органическое соединение (например, этанол), плотность которого зависит от температуры больше, чем плотность воды. Это изменение плотности внешней прозрачной жидкости при изменении температуры заставляет луковицы подниматься или опускаться.

7

Барометр Галилео Когда приближается погодная система низкого давления, вес воздуха, давящего на открытый конец излива, уменьшается, позволяя уровню воды подняться.И наоборот, когда система высокого давления входит, она понижает уровень воды. На носике может быть напечатана шкала, соответствующая сантиметрам ртутного столба, обычно от 28 до 32 дюймов.

8

Расширение и сжатие в газах
Газы могут расширяться или сокращаться в зависимости от температуры (средней энергии частиц). Что говорит Чарльз Газ Ло? (см. стр. 36 книги) В условиях чрезвычайно высоких температур (например, температуры внутри Солнца, частицы могут быть разделены на то, что их составляет (электроны, кварки и т. д.).Это создает четвертое состояние материи, называемое плазмой.

9

Изменится ли объем или масса при нагревании или охлаждении?
Объем Масса до нагрева Объем, см после нагрева Объем, см Только баллон Баллон Лента Баллон, лента и воздух Только воздух 2,16 г 0,01 г 2,31 г 0,14 г

Pop Goes the Metal: как температура влияет на время резкости прыгающего диска

Аннотация

Прыгающие диски могут быть забавной игрушкой, и с их внезапным POP !, они могут даже быть хорошим способом поразить людей, которые никогда их раньше не слышали.Прыгающие диски используют ловкий трюк для прыжков. Они сделаны из двух разных типов металлов, и эти металлы расширяются при нагревании (или сжимаются при охлаждении), но не на одинаковую величину. В этом научном проекте вы исследуете, как температура влияет на реакцию ваших прыгающих дисков — и как правильно выбрать время, если вы хотите заставить кого-то прыгнуть!

Объектив

Измерьте влияние температуры поверхности на то, сколько времени требуется прыгающему диску, чтобы прыгнуть.

Поделитесь своей историей с друзьями по науке!

Да,
Я сделал этот проект!

Пожалуйста, войдите в систему (или создайте бесплатную учетную запись), чтобы сообщить нам, как все прошло.

Планируете ли вы сделать проект от Science Buddies?

Вернитесь и расскажите нам о своем проекте, используя ссылку «Я сделал этот проект» для выбранного вами проекта.

Вы найдете ссылку «Я сделал этот проект» на каждом проекте на сайте Science Buddies, так что не забудьте поделиться своей историей!

Кредиты

Бен Финио, Ph.D., Друзья науки

цитировать эту страницу

Здесь представлена ​​общая информация о цитировании. Обязательно проверьте форматирование, включая использование заглавных букв, для метода, который вы используете, и обновите цитату по мере необходимости.

MLA Стиль

Сотрудники Science Buddies.

«Поп превращается в металл: как температура влияет на время щелчка прыгающего диска». Друзья науки ,
23 июня 2020,
https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p094/physics/metal-jumping-disc.По состоянию на 12 ноября 2020 г.

APA Style

Сотрудники Science Buddies.

(2020, 23 июня).
Pop Goes the Metal: как температура влияет на время щелчка прыгающего диска.
Извлекаются из
https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p094/physics/metal-jumping-disc

Дата последнего редактирования: 2020-06-23

Введение

Если вы видели прыгающий диск, вы могли подумать, что это всего лишь простая игрушка.Как вы могли использовать его для научного эксперимента? Оказывается, для работы прыгающих дисков используются довольно изящные приемы, зависящие от определенных свойств материалов. Как они работают, на самом деле зависит от температуры. Итак, в этом проекте вы узнаете, как температура поверхности, на которой они находятся, меняет время, необходимое им для прыжка. Если вы раньше не видели металлический прыгающий диск, посмотрите это видео, прежде чем продолжить:

В этом видео показаны основные операции биметаллического прыгающего диска.

Первый трюк, на который полагаются прыгающие диски, заключается в том, что большинство материалов немного расширяются при нагревании и немного сжимаются при остывании (см. Рисунок 1). Это называется тепловым расширением («тепловое» означает относящееся к теплу или холоду). Обратите внимание, что инженеры обычно для экономии времени просто говорят «тепловое расширение», а не «тепловое расширение и сжатие».Мы обычно не замечаем теплового расширения в повседневной жизни (вы, наверное, никогда не замечали, что становитесь выше, когда заходите внутрь в холодный день, не так ли?). Обычно вещи расширяются или сужаются только на крошечные суммы. Однако то, что мы обычно не замечаем теплового расширения, не означает, что это не важно. Инженеры должны учитывать тепловое расширение при проектировании крупных объектов, таких как дороги, мосты, здания и железнодорожные пути (поищите в Интернете изображения «железнодорожных путей с тепловым расширением» — что вы видите?).Также может быть полезно тепловое расширение — вы когда-нибудь видели термометр с жидкостью внутри? Расширение и сжатие жидкости по мере ее нагрева и охлаждения можно использовать для измерения температуры.

Рисунок 1.
Термическое расширение (и сжатие) означает, что большинство материалов расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Обычно степень расширения или сжатия очень мала — мы преувеличили ее здесь, чтобы облегчить просмотр.

Второй трюк с прыгающими дисками состоит в том, что они биметаллические , то есть они сделаны из двух разных видов металла (приставка «би» означает «два»).Эти два металла подвергаются разным степеням теплового расширения — поэтому, когда они слипаются и нагреваются, они изгибают (см. Рисунок 2 для иллюстрации). Эта концепция используется в таких приложениях, как автоматический выключатель в вашем доме. В автоматическом выключателе используется биметаллическая полоса, через которую проходит электричество. Когда через полосу проходит слишком много электричества, она нагревается и изгибается, «размыкая» цепь и останавливая ток электричества. Это мера безопасности, чтобы провода в вашем доме не нагрелись настолько, что загорелись!

Рисунок 2.
Биметаллическая полоса изготавливается из двух видов металла (на рисунке светло и темно-серого) с двумя разными степенями теплового расширения. Если металлы не связаны друг с другом, они будут свободно расширяться на разную величину — на этом рисунке светло-серая полоса расширяется больше, чем темно-серая полоса (верхний ряд). Однако, если металлы связаны друг с другом (как показано черными полосами), они не могут свободно расширяться. Светло-серая полоса все равно расширяется больше, заставляя изгибаться всю полоску (нижний ряд).(Пользователь Wikimedia Commons Bemoeial, 2004 г.)

Биметаллические прыгающие диски работают так же, как биметаллические ленты, за исключением того, что они имеют форму круга. Однако прыжковые диски не получаются идеально плоскими — они слегка изогнуты в одном направлении. Когда они нагреваются выше определенной температуры, прыгающие диски «прорываются» в другом направлении. Затем, когда они остывают, они возвращаются в исходное положение — и это происходит очень быстро, что и заставляет диск подпрыгивать! Этот процесс показан на этапах от A до F на рисунке 3.

Схема, показывающая поперечное сечение металлического диска, состоящего из двух разных металлических листов, спрессованных вместе (показаны светло-серым и темно-серым). При нагревании светло-серый металл расширяется больше, чем темно-серый, что приводит к изгибу диска. Когда диску дают остыть, светло-серый металл сжимается больше, чем темно-серый, заставляя диск подпрыгивать.

Рисунок 3.
На этом рисунке показано поперечное сечение прыгающего диска с увеличенной кривой, чтобы было легче увидеть процесс прыжка.Два металлических слоя диска показаны двумя разными цветами (светло-серым и темно-серым). (A) Диск вначале лежит на столе с загнутыми вверх краями. (B) При нагревании оба слоя металла начинают расширяться. Однако светло-серый слой расширяется больше, чем темно-серый слой, заставляя диск изгибаться в другом направлении. (C) После того, как вы добавите достаточно тепла, диск «проскочит» — его края теперь загнуты вниз. (D) Диск теперь изогнут в направлении, противоположном шагу A — он «загружен» и готов к прыжку! (E) Диск более горячий, чем его окружение, поэтому он начнет терять тепло в окружающий воздух и на поверхность стола.Когда металлы остывают, светло-серый металл сжимается больше, чем темно-серый, в результате чего диск начинает изгибаться обратно в исходное положение. (F) В конце концов, диск достигает критической точки и быстро прорывается, в результате чего он ударяется о стол и подпрыгивает с хлопком!

Процесс на Рисунке 3 основан на передаче тепла. Теплопередача — это когда тепло переходит от чего-то более теплого к более холодному. Теплообмен может происходить, когда два объекта физически касаются друг друга, что называется проводимостью , .Тепло также может передаваться через воздух между двумя объектами, которые не соприкасаются, что называется конвекцией . Тепло может передаваться даже через космический вакуум! Это называется передачей тепла лучистым излучением , и именно так солнце нагревает землю. Возможно, вы заметили теплопроводность, конвекцию и лучистую теплопередачу в повседневной жизни. Например, если вы возьмете кубик льда, он будет холодным, потому что тепло проводит от вашей руки к кубику льда. Если вы возьмете теплый камень, который лежал на солнце, он станет теплым, потому что тепло передается от камня к вашей руке.Если вы стоите возле обогревателя в своем доме, вы почувствуете горячий воздух из-за конвекции , даже если вы на самом деле не прикасаетесь к обогревателю (и то же самое будет верно для кондиционера и холодного воздуха). И, конечно же, если вы стоите на улице в солнечный день, ваша кожа будет казаться теплой из-за лучистой теплопередачи от солнца ( Примечание: эффекты теплопроводности, конвекции и лучистой теплопередачи складываются и могут даже нейтрализовать друг друга Например, если вы стоите на улице в холодный солнечный зимний день — ваша кожа может казаться холодной, потому что холодный воздух отводит тепло от вашей кожи быстрее, чем солнце согревает ее).

Теплопередача происходит быстрее, когда разница температур между двумя объектами велика, и этого не происходит вообще, когда два объекта имеют одинаковую температуру (как показано на рисунке 4). Поскольку тепло переходит от горячего к холодному, две вещи, которые начинаются при разных температурах, в конечном итоге достигают одной и той же температуры. Вы могли заметить это, если когда-либо оставляли горячий напиток (например, чашку горячего шоколада на Рисунке 5) на прилавке — в конечном итоге он остынет и достигнет комнатной температуры (обычно около 70 градусов по Фаренгейту или 21 градус Цельсия). .Это происходит потому, что от горячего напитка тепло передается в более холодную комнату. Обратное произойдет, если вы оставите холодный предмет (например, коробка с мороженым на Рисунке 5) на прилавке — он станет теплее, пока не достигнет комнатной температуры, потому что тепло передается из более теплой комнаты в более холодный напиток, так как показано на рисунке 5.

Техническая нота

Процесс, при котором тепло всегда течет из горячего в холодное, описывается вторым законом термодинамики .Второй закон термодинамики гласит, что тепло не может течь от холода к горячему само по себе без использования дополнительной энергии. Вот почему кондиционеры должны использовать дополнительный источник энергии, например электричество — вы не можете просто охладить свой дом бесплатно!

Диаграмма показывает, как тепло передается между двумя объектами разной температуры. Теплообмен всегда переходит от горячего к холодному, и между объектами с большей разницей температур (т.е.е. От горячего к холодному), чем между объектами с меньшей разницей в температуре (например, от горячего к теплому или от холодного к холодному).

Рисунок 4.
Основной закон теплопередачи заключается в том, что тепло всегда перемещается от более горячего к более холодному. Это происходит быстрее, если разница температур между двумя объектами большая (одна из них очень горячая или очень холодная), и медленнее, если разница температур не такая большая. Если две вещи имеют одинаковую температуру, они вообще не будут передавать тепло. Важно : теплообмен может происходить между двумя объектами, которые оба теплее или оба холоднее, чем комнатная.Например, стакан холодной воды будет передавать тепло замороженному кубику льда, даже если они оба уже ниже комнатной температуры.

Рисунок 5.
Теплообмен на кухонной столешнице. Тепло течет из горячего шоколада в столешницу (за счет теплопроводности) и окружающий воздух (за счет конвекции) и в холодное мороженое. В конце концов горячий шоколад и мороженое достигнут комнатной температуры. Мы нарисовали стрелки на картинке, потому что теплопередача невидима — вы фактически не можете видеть, как это происходит (хотя вы можете наблюдать эффект, который он оказывает с течением времени — например, мороженое начнет таять).

Это означает, что скорость прыжка вашего прыжкового диска зависит от того, насколько жарко (или холодно) его окружение. В части E рисунка 3 прыжковый диск горячий, а его окружение имеет комнатную температуру. В этом эксперименте вы выясните, как именно температура окружающей среды влияет на ваш прыгающий диск. Сможете ли вы понять, что произойдет, если температура окружающей среды будет выше или ниже комнатной? Это позволит вам идеально рассчитать время треска вашего прыгающего диска, если вы хотите кого-то напугать!

Термины и понятия

• Тепловое расширение
• биметаллический
• Автоматический выключатель
• Теплопередача
• Проводимость
• Конвекция
• Лучистая теплопередача
• Комнатная температура
• Второй закон термодинамики

Вопросы

• Можете ли вы найти несколько реальных примеров теплового расширения?
• Какое еще использование биметаллических лент имеет помимо автоматических выключателей?
• Где еще вы видите теплопередачу в повседневной жизни? (Подсказка: подумайте о приготовлении пищи.)
• Можете ли вы вспомнить различные примеры теплопроводности, конвекции и лучистой теплопередачи, с которыми вы сталкиваетесь каждый день?
• Как вы думаете, насколько температура поверхности стола повлияет на то, как долго ваш прыгающий диск прыгнет? Что будет, если столешница будет горячей? Что будет, если будет холодно?

Библиография

Следующие ссылки могут помочь вам узнать больше о теплопередаче, биметаллических полосах и прыгающем диске.

Чтобы получить помощь в создании графиков, посетите этот сайт:

• Национальный центр статистики образования, (нет данных). Создайте график . Проверено 25 июня, 2020.

.

Лента новостей по этой теме

Примечание: Компьютеризированный алгоритм сопоставления предлагает указанные выше статьи. Это не так умно, как вы, и иногда может давать юмористические, нелепые или даже раздражающие результаты! Узнать больше о ленте новостей

.