Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: • Gimnazjum w Manowie • ID grupy: 98/20_mf_g1 • Opiekun: Angelika Kowalska-Kowalik • Kompetencja: • Fizyka i Matematyka • Temat projektowy: • Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych, cieczy i gazów. • Semestr/rok szkolny: • Semestr V / 2011/2012

3. Rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy i gazów • Rozszerzalnością temperaturową (cieplną, termiczną) ciał nazywamy zjawisko zmiany objętości ciał wraz ze zmianami temperatury. Zjawisko to obserwujemy dla siał stałych, cieczy i gazów.

4. Rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy i gazów • Przy zwiększaniu temperatury ciała jego atomy i cząsteczki poruszają się szybciej i wykazują tendencję do oddalania się od siebie. Powoduje to rozszerzanie się ciał. • Z nielicznymi wyjątkami, wszystkie ciała, niezależnie od stanu skupienia rozszerzają się przy ogrzewaniu i kurczą przy oziębianiu.

5. ZMIANY STAnów SKUPIENIA Stan skupienia materii – podstawowa forma, w jakiej występuje substancja, określająca jej podstawowe własności fizyczne. Własności substancji wynikają z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję. Tradycyjny, pochodzący z XVII wieku podział stanów skupienia, wyróżnia trzy takie stany: • stały (ciało stałe) • ciekły (ciecz) • gazowy (gaz)

6. POSZCZEGÓLNE STANY SKUPIENIA • Gaz: Substancja zajmująca całą możliwą przestrzeń dzięki zjawisku dyfuzji. Gazy mają małą gęstość, są ściśliwe, wywierają jednakowe ciśnienie w każdym kierunku, często są niewidoczne. • Ciecz: Substancja łatwo zmieniająca swój kształt i zwykle wymagająca pojemnika do ograniczenia jej w poziomie. Grawitacja wymusza jej poziome ułożenie. Gęstość cieczy jest około1000 razy większa niż gazów. • Ciało stałe: Substancja utrzymująca trwały kształt, chyba że jest ściskana lub rozciągana przez działanie sił zewnętrznych. Gęstość większości ciał stałych jest większa niż gęstość cieczy.

7. POSZCZEGÓLNE STANY SKUPIENIA

8. TEMPERATURA Temperatura – jedna z podstawowych wielkości fizycznych (parametrów stanu) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

9. Skale temperatur Skala Celsjusza to skala termometryczna (od nazwiska szwedzkiego uczonego Andersa Celsiusa, który zaproponował ją w roku 1742). Anders Celsius w roku 1742 zbudował swój pierwszy termometr rtęciowy. Aby mierzyć temperaturę musiał przyjąć jakąś skalę pomiarową. Skala, którą zaproponował Celsius była odwrotna do współczesnej. Naukowiec ten przyjął jako zero temperaturę wrzenia wody (obecnie zerem jest temperatura jej krzepnięcia), a jako sto stopni wybrał punkt, w którym woda zamarza (współcześnie za 100 przyjęto punkt wrzenia). Oznacza to, że w pierwotnej skali Celsiusa temperatura pokojowa odpowiadała 80 stopniom (dziś 20). Temperatura ciała człowieka w tej pierwotnej skali wynosiła 63,4 stopnia (współcześnie 36,6). Podczas mroźnego poranka pierwszy termometr Celsiusa mógł wskazywać 110 stopni (obecnie -10).

10. Skale temperatur Skala Kelvina (skala bezwzględna) jest skalą termometryczną absolutną, tzn. zero w tej skali oznacza najniższą teoretycznie możliwą temperaturę, jaką może mieć ciało. Jest to temperatura, w której (wg fizyki klasycznej) ustały wszelkie drgania cząsteczek. Temperatury tej praktycznie nie da się osiągnąć – obliczono ją na podstawie funkcji uzależniającej temperaturę od energii kinetycznej w gazach doskonałych.

11. Skale temperatur • Skala Fahrenheita– jedna ze skal pomiaru temperatury (skala termometryczna) stosowana w niektórych krajach anglosaskich. Skalę zaproponował Daniel Gabriel Fahrenheit studiując pracę Ole Rømera o jego skali. Po spotkaniu z Rømerem i przeprowadzeniu dyskusji, zaczął prace nad nową skalą.

12. Skale temperatur • Skala Rankine'a– skala termometryczna. Skala Rankine'a jest skalą absolutną, tzn. zero w tej skali oznacza najniższą możliwą temperaturę, jaką może mieć kryształ doskonały, w którym ustały wszelkie drgania cząsteczek. Temperatura ta nie została nigdy zarejestrowana, gdyż praktycznie nie da się jej osiągnąć, lecz obliczona na podstawie funkcji uzależniającej temperaturę od energii kinetycznej drgań cząsteczek w krysztale doskonałym. Jest odpowiednikiem skali Kelwina dla stopni Fahrenheita.

13. PRZELICZANIETEMPERATURY Zależność między temperaturą wyrażoną w stopniach Celsjusza t [°C] a wyrażoną kelwinach t [K] wynosi: t [ °C ] = t [ K ] + 273.15t [ K ] = t [ °C ] - 273.15 Z kolei zależność między temperaturą wyrażoną w stopniach Celsjusza t [°C] i Fahrenheita t [°F] wynosi: t [ °C ] = 5/9 × ( t [ °F ] - 32 )t [ °F ] = 9/5 × t [ °C ] + 32

14. O ile zwiększa swoją objętość 1dm3 cieczy przy wzroście temperatury o 1⁰C (od 20⁰C do 21⁰C) ?

15. ROZSZERZALNOŚĆ LINIOWA Przyjmuje się, że zmiana długości jest proporcjonalna do zmiany temperatury, co wyraża wzór na rozszerzalność liniową: – długość przedmiotu po zmianie temperatury, gdzie: –długość początkowa, –współczynnik rozszerzalności liniowej, - przyrost temperatury. Współczynnik rozszerzalności oznacza o ile zwiększa się długość jednostki długości po ogrzaniu o jednostkę temperatury (1 K). Wyraża się wzorem: Jednostką współczynnika rozszerzalności liniowej jest odwrotność kelwina Rozszerzalność liniową określa się tylko dla ciał stałych. Wzór na liniową rozszerzalność cieplną jest prawdziwy jedynie dla izotropowych ciał polikrystalicznych, ponieważ zawiera średni (co do kierunku) współczynnik rozszerzalności.

16. ROZSZERZALNOŚĆ OBJĘTOŚCIOWA gdzie: – objętość cieczy po zmianie temperatury, – objętość początkowa, –współczynnik rozszerzalności objętościowej. Współczynnik rozszerzalności określa o ile zwiększa się objętość 1 m³ po zwiększeniu temperatury o 1 K. Wyraża się wzorem: Jednostką współczynnika rozszerzalności objętościowej jest taka sama jak jednostka współczynnika rozszerzalności liniowej. Rozszerzalność objętościowa i liniowa jest powiązana relacją jednakże ze względu na bardzo małe wartości współczynnika rozszerzalności objętościowej (rzędu 10 − 6K− 1 dla ciał stałych), często stosuje się zależność uproszczoną Zależność tę można otrzymać po podniesienia wzoru na objętość liniową do trzeciej potęgi i przyjęciu odpowiednich przybliżeń. Obowiązuje ona tylko dla ciał izotropowych ze względu na rozszerzalność cieplną. Większość ciał zwiększa swą objętość w wyniku wzrostu temperatury, znanych jest jednak kilka wyjątków. Najbardziej znanym przykładem odstępstwa od reguły jest woda, która w zakresie od 0 °C do 4 °C zmniejsza swoją objętość przy wzroście temperatury. Objętość gazów zależy nie tylko od temperatury ale też od ciśnienia, dlatego dla gazów współczynnik rozszerzalności objętościowej zależy od ciśnienia i można go obliczyć z równań Clapeyrona.

17. ROZRZERZALNOŚĆ TEMPERATUROWA CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW W ŻYCIU CODZIENNYM Rozszerzalność termiczna ciał . Rozszerzanie - na podstawie słownika PWN oznacza : zwiększyć zasięg, zakres, rozmiary przez dodanie, przyłączenie, nabycie czegoś; uzupełnić coś. W życiu codziennym dla pojęcia "ciepła" stosuje się kilkanaście sformułowań typu "jest mi ciepło", albo "Marta ma dzisiaj ciepłe czoło - pewnie będzie miała gorączkę". Warto zdawać sobie sprawę, iż z naukowego rozumienia pojęcia "ciepła" te określenia znaczy całkiem coś innego. Konflikty między stosowanym na co dzień pojęciem ciepła, a jego fizycznym znaczeniem mogą czasami spowodować pewne zamieszanie w pojmowaniu zjawisk termodynamicznych. Po pierwsze ciepło to energia; zatem jest wyrażana w dżulach oraz tworzy się z innych jej form - np. z energii kinetycznej, jądrowej albo chemicznej.

18. ROZRZERZALNOŚĆ TEMPERATUROWA CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW W ŻYCIU CODZIENNYM • Budowa ciał stałych, cieszy i gazów. • Cząsteczkę czyli inaczej molekułę stanowią atomy połączone wiązaniem chemicznym. Jest ona układem trwałym i elektrycznie obojętnym. • Cząsteczki w tym chemicznym ujęciu można podzielić na : homoatomowe, czyli zbudowane z atomów tego samego rodzaju oraz heteroatomowe - składające się z różnych atomów. • Czasami terminu cząsteczka szczególnie w opisie budowy materii używa się do innych układów stabilnych np. pojedynczych atomów, jonów bądź rodników. • W ciałach stałych cząsteczki lub atomy tworzą uporządkowaną strukturę. Każdy z atomów zajmuje ściśle określone miejsce, w którym jest utrzymywany dzięki siłom oddziaływania z innymi atomami. Właściwości ciał stałych zależą od rodzaju atomów, ich rozmieszczenia oraz od rodzaju oddziaływań między nimi.

19. ROZRZERZALNOŚĆ TEMPERATUROWA CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW W ŻYCIU CODZIENNYM • Pole grawitacyjne, I zasada termodynamiczna, przemiany gazowe. • Pole grawitacyjne to obszar, w którym na umiejscowione ciało działa siła grawitacji. • Prawo powszechnego ciążenia. Definicja: • Siła z jaką wzajemnie przyciągają się 2 ciała jest wprost proporcjonalna do iloczynu masy tych ciał a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ich środkami. • Stała grawitacji • Linie sił pola grawitacyjnego to tory, po których przesuwałyby się ciała umiejscowione swobodnie w tym polu. • Natężenie pola grawitacyjnego stanowi wartość siły grawitacji działającej w ustalonym punkcie pola na ciało o masie 1kg. • Ciężar(Q) to inaczej siła jaką Ziemia przyciąga jakieś ciało.

20. ROZSZERZALNOŚĆ TEMPERATUROWA CIAŁ I JEJ ZNACZENIE W ŻYCIU CZŁOWIEKA Rozszerzalność temperaturowa ciał jest bardzo ważna w życiu człowieka. Dzięki wiedzy o tym zjawisku naukowcy i inżynierowie mogą konstruować wiele pożytecznych przedmiotów, oraz chronić ludzi przed różnymi niebezpieczeństwami.

21. WYSTĘPOWANIE ZJAWISKA ROZSZERZALNOŚCI CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW Trudno jest zmienić objętość ciał stałych i cieczy. A jednak w pewnych warunkach jest to możliwe. Ze zjawiskiem rozszerzalności cieplnej ciał spotykamy się często, np. gdy trzeba otworzyć słoik z mocno zakręconą metalową pokrywką.

22. WYSTĘPOWANIE ZJAWISKA ROZSZERZALNOŚCI CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW Stalowe przęsła mostu mogą być latem nawet o pół metra dłuższe niż zimą. Wymaga to odpowiednich rozwiązań technicznych- stosuje się zazębiające się stalowe „grzebienie”, za których pomocą łączy się poszczególne części nawierzchni mostu. Nie przyczepia się też mostu sztywno do podłoża, lecz pod jednym z końców przęsła umieszcza się stalowe walce, po których ten koniec może się toczyć. Taki ruch umożliwiają opisane poniżej i pokazane na zdjęciach przerwy dylatacyjne.

23. WYSTĘPOWANIE ZJAWISKA ROZSZERZALNOŚCI CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW • Budując drogę z betonową nawierzchnią, zostawia się szczeliny, aby beton miał miejsce na rozszerzenie się w upalne dni.

24. WYSTĘPOWANIE ZJAWISKA ROZSZERZALNOŚCI CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW Szyny kolejowe i tramwajowe łączy się ze sobą zostawiając pomiędzy kolejnymi odcinkami tzw. Przerwy dylatacyjne. Podczas jazdy pociągiem słychać charakterystyczne stukanie kół w miejscach przerw w szynach. Obecnie, aby unikać „stukania”, stosuje się często ukośne nacięcia na szynach.

25. WYSTĘPOWANIE ZJAWISKA ROZSZERZALNOŚCI CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW Gitarzyści w czasie występówbardzo często muszą stroić gitary,ponieważ ich metalowe strunyogrzane np. silnym światłemreflektorów rozszerzają się, co powoduje rozstrojenie instrumentu.

26. WYSTĘPOWANIE ZJAWISKA ROZSZERZALNOŚCI CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW Wieżę Eiffla zbudowano w 1889 r. na potrzeby Wystawy Światowej W chwili otwarcia mierzyła 312,.27 m – do zamocowanej na szczycie flagi; obecnie, wraz z zamocowaną anteną telewizyjną wznosi się na wysokość 324 m. Z powodu zmian temperatury wpływających na rozszerzalność metalu, może zmieniać swoja wysokość nawet o 15 cm.

27. WYSTĘPOWANIE ZJAWISKA ROZSZERZALNOŚCI CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW Wszyscy wiemy, że w zimie zamarzająca woda zwiększa swoją objętość i może spowodować np. awarię wodociągów. Pękniętą rurę trzeba wymienić, co wiąże się z pewnymi niewygodami dla mieszkańców i kosztami finansowymi. Istnieje kilka sposobów na zabezpieczenie się przed tym nieszczęściem. Po pierwsze rury powinny być położone na głębokości co najmniej 1,5m. Dobrze jest również rury zaizolować, zwłaszcza gdy z jakichś powodów rury są położone płycej. Natomiast gdy rury są w nieogrzewanych pomieszczeniach lub wystają na zewnątrz jako np. krany do podlewania ogrodu, to powinno się zakręcić zawory i spuścić wodę. W ten sposób unikniemy awarii wodociągowych.

28. WYSTĘPOWANIE ZJAWISKA ROZSZERZALNOŚCI CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW Kolejnym przykładem rozszerzalności temperaturowej cieczy są termometry alkoholowe znajdujące się w naszych domach. Przy wzroście temperatury alkohol znajdujący się w zamkniętej rureczce podnosi się pokazując temperaturę na zaznaczonej skali. Natomiast gdy temperatura spada obniża się również poziom alkoholu. Dzięki temu wiemy jaka jest temperatura w pomieszczeniu lub na zewnątrz. Możemy się wtedy ubrać odpowiednio, nie narażając się na zmarznięcie czy przegrzanie.

29. WYSTĘPOWANIE ZJAWISKA ROZSZERZALNOŚCI CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW Zjawisko to ma również zastosowanie w czujnikach termicznych w urządzeniach elektrycznych, takich jak podgrzewacz wody (popularna terma ) termo wentylatory, piecyki elektryczne lub czajnik. Czujniki zapobiegają przegrzaniu, a w konsekwencji pożarom ,a nawet wybuchom, np. termy ogrzewającej wodę. Para wodna tworząca się w szczelnym bojlerze i nie mająca ujścia doprowadzić może do wybuchu i ruiny domu. Dobrze działający czujnik podgrzewa wodę do wybranej temperatury i wyłącza dopływ prądu zapobiegając „zagotowaniu się” wody. podgrzewacz wody piecyk elektryczneczajnik

30. WYSTĘPOWANIE ZJAWISKA ROZSZERZALNOŚCI CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW Zjawisko rozszerzalności temperaturowej gazów wykorzystana została przy konstruowaniu balonu na ogrzane powietrze. Pierwszy balon na ogrzane powietrze został zbudowany przez braci Josepha Michaela i JacquesaEtienne’a Montgolfier w 1783 r. Powłoka balonu napełniona jest powietrzem, które ogrzewane jest palnikiem umieszczonym pod nią, najczęściej w gondoli. Ogrzane powietrze unosi balon w górę. Zmniejszanie lub zwiększanie płomienia pozwala sterować nim pilotowi.

31. WYSTĘPOWANIE ZJAWISKA ROZSZERZALNOŚCI CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW Negatywnym przykładem rozszerzalności gazów jest ogrzewanie lub palenie pojemników po dezodorantach aerozolowych.

32. Pierścień Gravesanda

33. Co to jest? Pierścień Gravesanda jest przyrządem służącym do zaprezentowania rozszerzalności cieplnej ciał stałych.

34. Pierścień Gravesanda składa się z dwóch elementów: pierścienia i kulki zawieszonej na łańcuszku. Elementy są dobrane tak, aby w temperaturze pokojowej kulka swobodnie przechodziła przez pierścień, średnica kulki jest minimalnie mniejsza od średnicy pierścienia.

35. Zaprezentowanie rozszerzalności polega na podgrzaniu kulki nad palnikiem i próbie przełożenia jej przez pierścień.

36. Po podgrzaniu średnica kulki zwiększa się na tyle, że kulka nie przechodzi przez pierścień.

37. Rozszerzalność Liniowa

38. Dylatoskop to przyrząd do demonstrowania rozszerzalności liniowej ciał stałych, czyli wydłużaniu się ciał stałych podczas ich ogrzewania.

39. Po podgrzaniu metalowego pręta w dylatoskopie, ciało się rozszerza i igła dylatoskopu wskazuje wydłużenie ciała.

40. Rozszerzalność Cieplna Powietrza

41. Rozszerzalność cieplna powietrza polega na podgrzaniu kolby, w której znajduje się woda, a na nią nałożony jest balonik.

42. Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury, powietrze zwiększyło swoją objętość, a balonik rośnie, co świadczy o tym, że powietrze jest rozszerzalne.