Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Międzyszkolna Grupa Projektowa • Gimnazjum nr 5 im. Tadeusza Kościuszki w Pile • Zespół Szkoły Podstawowej im. prof. J. Zwierzyckiego i Gimnazjum w Krobi • ID grup: 98/27_mf_g2 i 98/77_MF_G1 • Kompetencja: Matematyczno – fizyczna • Temat projektowy: Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych, • cieczy i gazów. • Semestr/rok szkolny: • III / 2010/2011

3. ENERGIA • Energia – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca stan układu fizycznego (materii) jako jego zdolność do wykonania pracy. Energia występuje w różnych postaciach np: energia kinetyczna, energia sprężystości, energia cieplna, energia jądrowa.

4. Energia termiczna • Energia termiczna (zwana też potocznie energią cieplną) – część energii wewnętrznej układu, która jest związana z chaotycznym ruchem cząsteczek układu. Miarą energii termicznej jest temperatura. Każda postać energii może się przemienić w energię termiczną, czemu towarzyszy wzrost entropii. Energia termiczna nie jest jednoznacznie zdefiniowana w termodynamice. Przetwarzaniem energii termicznej, głównie w energię elektryczną, zajmuje się termoenergetyka. Wymiana energii pomiędzy układami poprzez chaotyczny ruch cząsteczek lub atomów nazywa się wymianą ciepła .Błędem jest utożsamianie energii termicznej z ciepłem. Ciepło, podobnie jak praca są sposobem przekazywaniemenergii, a nie formą energii.

6. ENERGIA WEWNĘTRZNA • Energia wewnętrzna - suma energii potencjalnych i kinetycznych wszystkich cząsteczek substancji, z której zbudowane jest ciało

7. I zasada termodynamiki - zmiana energii wewnętrznej ciała jest równa sumie pracy wykonanej nad ciałem i ciepła wymienionego z otoczeniem • ∆Ew = W+ Q • ∆Ew - zmiana energii • W - praca • Q - ilość ciepłą wymienionego z otoczeniem

8. TEMPERATURA Jedna z podstawowych wielkości fizycznych (parametrów stanu) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał . Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej – aż do wyrównania się temperatury obu ciał.

9. Temperatura Celsjusza 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).

11. 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.

13. SKALA KELvINA 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. Funkcję tę opracował William Thomson, lord Kelvin, na którego cześć nazwano skalę i jednostkę temperatury.

14. Temperatura 0 K jest równa temperaturze -273,15 °C. Ponieważ skala Kelvina oparta jest na skali Celsjusza i różnica temperatur jest w obu przypadkach ta sama, temperaturę w kelwinach otrzymujemy przez dodanie do liczby wyrażonej w stopniach Celsjusza stałej 273,15 Czy wiesz , że…..W przeciwieństwie do skali Celsjusza, w skali Kelvina nie używa się pojęcia "stopień", tj. temperatura 100 stopni Celsjusza to inaczej temperatura 373,15 kelwinów

16. Przeliczanie skal temperatur

17. Rozszerzalność cieplna ciał

18. ROZSZERZALNOŚĆ TEMPERATUROWA Rozszerzalność temperaturowa – właściwość fizyczna ciał polegająca na zwiększaniu się ich długości lub objętości w miarę wzrostu temperatury.

19. wYTŁumaczenie zjawiska • Celem wytłumaczenia tego efektu rozważa się specjalny współczynnik (współczynnik liniowy rozszerzalności termicznej) określający stopień możliwego zwiększanie objętości dla danego typu ciała. Formalnie współczynnik wyznacza procentowy przyrost rozmiary w stosunku do rozmiaru wyjściowego przy ogrzaniu ciała o jeden stopień Kelwina. Obiekty anizotropowe wykazują odmienne współczynniki rozszerzalności temperaturowej dla różnych kierunków; wynika to z wewnętrznej budowy ich sieci krystalicznej. Można też wprowadzić objętościowy współczynnik rozszerzalności cieplnej, informujący nas, o jaki ułamek wzrasta się objętość obiektu wraz ze wzrostem ciepła o jeden stopień.

20. Wytłumaczenie zjawiska • Mikroskopowy opis zjawiska i jego wyjaśnienie na gruncie fizyki ciała stałego jest dość skomplikowane. Rozważmy odległości między atomami rzędu 10-10 m. W ciele stałym lub cieczy chmury elektronowe różnych atomów nakładają się na siebie, atomy oddziaływają ze sobą, mogą to być siły przyciągające lub odpychające. Można naszkicować wykres energii oddziaływania międzycząsteczkowego (charakterystykę energii w funkcji odległości). Na jednym wykresie uwzględniamy przy tym energię całkowitą E, czyli łączną energię potencjalna dodatnią E+ (przyciągające siły Van der Waalsa) i ujemną E- (odpychanie elektrostatyczne.)

21. wytłumaczenie zjawiska • okazuje się, że wykresy dla energii dodatniej i ujemnej wykazują asymetrię względem osi "x" (rzędnych) układu, a energia sumaryczna ma na takim wykresie minimum wartości, do osiągnięcia którego dążą zawsze wszystkie atomy. Sytuacja komplikuje się jednak na skutek drgań atomów i cząstek. Ze względu na asymetrię, punkty A i B wykresu nie znajdą się w minimum, a nawet będą się od niego oddalać w stronę rosnących wartości "x". Oznacza to, że średnie, statystyczne odległości pomiędzy atomami będą wzrastać - ciało rozszerza się.

22. Skutki rozszerzalności cieplnej • Ponieważ zmiany temperatury zachodzą niemal we wszystkich możliwych miejscach na całym obszarze kuli ziemskiej, mogą teoretycznie mieć wpływ na każdą dziedzinę gospodarki i życia ludzkiego i muszą być uwzględniane i szacowane. Dotyczy to zwłaszcza budownictwa i przemysłu. Zjawisko rozszerzalności trzeba poza tym uwzględniać w rozmaitych pracach inżynierskich i innych działaniach, gdzie elementy konstrukcyjne mają inne rozmiary latem i zimą (kraje strefy umiarkowanej: Kanada, USA, Polska) oraz w przypadku gdy obserwuje się duże wahania temperatury pomiędzy nocą a dniem (Afryka, Ameryka Środkowa itp.) Są jednak i sytuacje, kiedy rozszerzalność cieplna jest zjawiskiem bardzo korzystnym Przykładowo: rozszerzalność cieczy (najczęściej zabarwionego alkoholu) wykorzystuję się do pomiaru temperatury w termometrach cieczowych. Podobnie, zjawisko rozszerzalności jest jak najbardziej pożyteczne w przypadku tzw. bimetali.

23. Skutki rozszerzalności cieplnej • Bimetal jest połączeniem dwóch metalowych elementów, z których każdy ze składowych nagrzewa się inaczej (z innym współczynnikiem rozszerzalności temperaturowej.) Układ taki przy dostarczeniu temperatury wygina się w kierunku metalu o mniejszym współczynniku. W niskiej temperaturze układ przepuszcza prąd, przy jej zwiększaniu się (np. podczas przegrzania bezpiecznika) skutecznie blokuje przepływ napięcia.

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

25. Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych • Ciała stałe zbudowane są z cząsteczek. Po podgrzaniu ciało zajmuje większą objętość, a więc odległości między cząsteczkami musiały się zwiększyć. Cząsteczki ciał stałych znajdują się w bliskiej odległości, a ich ruch jest ograniczony do drgań. Im wyższa jest temperatura, tym większe są drgania cząsteczek, a odległości miedzy nimi powiększają się, ale nie na tyle, aby uległa zniszczeniu struktura ciała stałego. To „rozpychanie się” cząsteczek daje widoczny efekt zwiększenia objętości ciała. • Rozszerzalność linowa ciał stałych polega na wydłużeniu się ciał stałych podczas ogrzewania (wzrostu ich temperatur) i kurczeniu się przy studzeniu (obniżeniu temperatury).Próba włożenia rozgrzanej kulki do pierścienie Gravesanda przekonuje, że nie mieści się ona w jego otworze (tak jak wcześniej zanim ją rozgrzano). Oznacza to, że gorąca kulka jest powiększona we wszystkich kierunkach, tzw. Ma zwiększoną objętość. Zaszło zjawisko • rozszerzalności objętościowej,

26. DOŚWIADCZENIE 1

27. DOŚWIADCZENIE 2

28. Przykłady rozszerzalności temperaturowej ciał stałych: • 1. Połączenia szyn kolejowych, które mają specjalne przerwy dylatacyjne między szynami. Gdyby nie te przerwy, to szyny położone jedna za drugą i dokładnie dopasowane, podczas upałów wyginały by się, nie mogąc znaleźć sobie miejsca. Takie wygięte • szyny mogą być przyczyną wykolejenia się pociągu, • dlatego pozostawia się kilkucentymetrowe • przerwy między nimi, które pozwalają metalowi • rozszerzać się i kurczyć. • Charakterystyczny stukot kół • pociągu spowodowany • jest tymi przerwami.

29. Przykłady rozszerzalności temperaturowej ciał stałych: • 2. Stalowe konstrukcje mostów, które rozszerzają się wraz • ze wzrostem temperatury. • 3. Taśma bimetalowa. Jest ona wykonana z połączonych ze sobą pasków z dwóch różnych metali (inwaru i mosiądzu). Podczas ogrzewania taśmy część wykonana z mosiądzu rozszerza się bardziej niż część wykonana z inwaru. Skutkiem tego jest wygięcie taśmy bimetalowej, • która ma zastosowanie w różnego rodzaju urządzeniach.

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

31. Rozszerzalność temperaturowa cieczy • Poziom cieczy w rurce podniósł się. Świadczy to o rozszerzeniu się wody pod wpływem wzrostu temperatury. Podobnie jak woda tak i inne ciecze zwiększają swoją objętość podczas ogrzewania. W miarę wzrostu temperatury cząsteczki oddalają się od siebie. Zjawisko rozszerzalności cieplnej zachodzi w większym stopniu w cieczach niż w ciałach stałych. Przyrost objętości cieczy jest różny dla różnych rodzajów cieczy.

32. Rozszerzalność temperaturowa gazów • Rozgrzane powietrze nadyma balonik. Powietrze w kolbie zwiększa swoją objętość i jego część wydostaje się na zewnątrz do wody- widzisz je w postaci pęcherzyków. Gdy powietrze w kolbie stygnie, jego objętość maleje. Do kolby dostaje się tyle wody, ile podczas ogrzewania ubyło z niej powietrza. Wynika stąd, że również gazy mogą się rozszerzać podczas ogrzewania. Można to zaobserwować, np. gdy gaz znajdujący się w naczyniu z tłokiem lub w balonie będzie podgrzewany. • Ze wzrostem temperatury rośnie prędkość cząsteczek gazu. Cząsteczki silnie uderzają o ścianki zbiornika i- jeśli to możliwe- powiększają jego objętość. Większość gazów, niezależnie od ich rodzaju, rozszerza się tak samo. W porównaniu z ciałami stałymi gazy rozszerzają się ponad • 1000 razy więcej.

33. Doświadczenie III • Potrzebne : 2 butelki po napojach, 2 balony naciągnięte na butelki, Lód i gorąca woda,2 pudełka • Butelki z nałożonymi na nie balonami wkładamy do pudełek z lodem i gorącą wodą. • W pudełku z lodem, balon się kurczy, co oznacza, że schłodzone powietrze wewnątrz butelki zmniejsza swoją objętość. • Drugi balon nałożony na butelkę umieszczoną w gorącej wodzie zaczyna się powiększać. Oznacza to, że podgrzewane przez wodę powietrze w butelce zaczyna zwiększać swoją objętość.

34. Doświadczenie III

35. Anomalna rozszerzalność temperaturowa wody • Wszystkie substancje wraz ze wzrostem temperatury zwiększają swoją objętość, a wraz ze spadkiem temperatury zmniejszają ją. Z wodą jest nieco inaczej. W lodzie cząsteczki tworzą szczególną strukturę, w której są położone od siebie dalej niż w wodzie. Gdy lód topnieje, cząsteczki zbliżają się do siebie i powstała z lodu woda zajmująca mniejszą objętość.Zjawisko rozszerzenia się krzepnącej wody może być niekorzystne. Zimą zdarza się, ze zamarzająca w rurach wodociągowych woda powoduje ich pękanie. Zjawisko to jest także przyczyną procesu wietrzenia skał. Woda dostaje się w szczeliny pomiędzy skałami, w czasie mrozów zamarza i, zwiększając swoją objętość, kruszy skały. • Ogrzewając wodę od temperatury 0C do 4C, można zaobserwować zmniejszenie się jej objętości. Mówi się, że w tym zakresie temperatur za chodzi zjawisko anomalnej rozszerzalności cieplnej wody. Przy wzroście temperatury powyżej 4C objętość wody wzrasta, aczkolwiek wzrost ten jest inny niż pozostałych cieczy.

36. Wykres anormalnej rozszerzalności temperaturowej wody

37. przyrost objętości

38. Szkodliwe skutki zjawisk • Ciała stałe:Ciała stałe również podlegają temu zjawisku, a lekceważenie go może mieć bardzo przykre konsekwencje, włącznie z utratą życia. Takim przykładem są tory kolejowe, które mają specjalne przerwy dylatacyjne między szynami. Gdyby nie te przerwy, to szyny położone jedna za drugą i dokładnie dopasowane, podczas upałów wyginałyby się, nie mogąc znaleźć sobie miejsca. Takie wygięte szyny mogą być przyczyną wykolejenia się pociągu, dlatego pozostawia się kilkucentymetrowe przerwy między nimi, które pozwalają metalowi rozszerzać się i kurczyć. • Gazy:Negatywnym przykładem rozszerzalności gazów jest ogrzewanie lub palenie pojemników po aerozolowych dezodorantach. Hermetycznie zamknięty w pojemniku gaz może rozszczelnić pojemnik i spowodować wybuch groźny • i szkodliwy dla zdrowia osób znajdujących się w pobliżu.

39. Szkodliwe skutki zjawisk • Ciecze: • 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. 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.

40. Zastosowania zjawiska rozszerzalności temperaturowej ciał

41. termometry Zjawisko objętościowej rozszerzalności temperaturowej cieczy znalazło praktyczne zastosowanie w termometrach cieczowych. Termometr taki zbudowany jest z bardzo cienkiej szklanej rurki zatopionej z jednej strony i zakończonej z drugiej strony zbiorniczkiem zawierającym ciecz. Wraz ze wzrostem temperatury ciecz rozszerza się i jej poziom w rurce podnosi się. Rurka również się rozszerza, ale znacznie słabiej niż ciecz. Przy obniżeniu temperatury ciecz kurczy się i jej poziom w rurce obniża się. Wzdłuż rurki umieszczana jest skala. Rurka ze zbiorniczkiem jest najczęściej wykonana ze szkła kwarcowego (odpornego na wysoką temperaturę)

42. Gitary Gitarzyści w czasie występów na estradzie bardzo często muszą stroić gitary, ponieważ ich metalowe struny ogrzane np. silnym światłem reflektorów rozszerzają się, co powoduje ich rozstrojenie.

43. Szyny kolejowe • Przerwy dylatacyjne czyli wolne przestrzenie w szynach kolejowych ( przerwy miedzy szynami latem zanikają a zimą są szersze)

44. Linie energetyczne Energetyczne linie przesyłowe - latem lekko zwisają, zima są napięte; przewody trakcji tramwajowej, kolejowej mają na słupach specjalne napinacze (ciężarki napinające trakcję), które są zwiększane latem a zimą ich ilość jest zmniejszana

45. BUTELKI z napojami Rozszerzalność cieplną możemy również zaobserwować z butelkami z napojem gazowanym. Po odpowiednim ich nagrzaniu mogą pęknąć.

46. DROGI BETONOWE Drogi betonowe posiadają szczeliny wypełnione substancją podobną do asfaltu, aby latem uniknąć popękania - beton sie rozszerza, wówczas asfalt jest wypychany - co nie przeszkadza w podróżowaniu; zimą beton sie kurczy a asfalt wypełnia szczeliny zmniejszając jej głębokość i zabezpieczając gromadzeniu się wody, która po zamarznięciu mogłaby rozsadzić płytę betonową