Лабораторная работа №15
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Приборы и принадлежности: прибор для определения коэффициента линейного расширения твердых тел, исследуемые образцы, термометр, штангенциркуль.
С повышением температуры происходит расширение твердых тел, называемое тепловым расширением.
Узлы кристаллической решетки определяют среднее положение частиц. Сами же частицы (ионы, атомы или молекулы) непрерывно колеблются около этих средних положений, причем интенсивность колебаний растет с температурой. Между частицами существуют силы притяжения или отталкивания. При сближении частиц возрастают силы отталкивания. При повышении температуры увеличивается амплитуда колебаний частиц около положения равновесия, что приводит к возрастанию средних расстояний между частицами и, следовательно, к увеличению размеров и объема тел. По этой причине большинство твердых тел при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается.
При нагревании или охлаждении изменяются все размеры тел. Однако. в некоторых случаях важно знать величину расширения только в одном направлении, например при расширении стержней и проволоки. В связи с этим и говорят о линейном расширении (или сжатии) твердых тел.
Линейное расширение твердого тела зависит от материала, из которого оно изготовлено. Пусть при 00С длина стержня равна l0, а при нагревании на Δt0C она становится равной l, т.е. изменяется на величину Δl = l - l0. Тогда, очевидно, относительное удлинение стержня при его нагревании на Δt0C равно Δl /l0, а при нагревании на t0C :
Относительное удлинение (сокращение) какого-либо размера тела, находящегося при 00С, при изменении его температуры на 10С называется коэффициентом линейного расширения. Коэффициент линейного расширения показывает, на какую долю удлиняется (или сокращается) каждая единица длины тела, находящегося при 00С, при изменении его температуры на 10С.
Установим единицу коэффициента линейного расширения в СИ:
Значения коэффициентов линейного расширения некоторых веществ приведены в Справочном разделе. Учитывая, что Δl = l - l0 , перепишем предыдущую формулу в виде:
Если l1 - первоначальная длина тела, а Δl – удлинение этого тела при нагревании на Δt градусов, то α в этом интервале температур определяется по формуле:
Длина нагретого тела равна
где значение α зависит от материала и для большинства тел имеет порядок величины 10-5 : 10-6 град –1 α слабо зависит от температуры.
Зависимость α от температуры наиболее заметна у газов (для идеального газа α=1/Т), у жидкостей она проявляется слабее. У некоторых веществ в твердом состоянии (кварца, инвара и др.) коэффициент α мал и практически постоянен в широком интервале температур. При Т → 0, α → 0.
В некоторых случаях приходится учитывать расширение тел, происходящее во всех направлениях, т.е. объемное расширение.
Объем твердого тела V при нагревании возрастает при увеличении температуры, по тому же закону, что и линейное расширение:
где V0 – первоначальный объем тела,
β – средний коэффициент объемного расширения в интервале температур Δt, характеризующий относительное увеличение объема ΔV/V0, происходящее при нагревании тела на один градус:
В изотропных телах β = 3α, в анизотропных β = αх + αy + αz.
Различие или равенство линейного коэффициента теплового расширения вдоль кристаллографических осей х, y, z определяется симметрией кристалла.
Тепловое расширение тел учитывается при конструировании всех установок, приборов и машин, работающих в переменных температурных условиях.
При изучении расширения твердых тел достаточно измерить либо коэффициент линейного расширения α , либо объемного - β . Наиболее просто определяется коэффициент линейного расширения. Часто применяют следующие методы при измерениях температурных коэффициентов α или β:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
