Номер 11, страница 213 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 5. Молекулярная физика. Параграф 26. Температура - номер 11, страница 213.

Условие.

11. Сравните тепловое расширение газов с тепловым расширением жидкостей и твёрдых тел: что у них общего и чем они различаются?

Решение.

Тепловое расширение — это явление увеличения объёма (а для твёрдых тел и линейных размеров) тела при повышении его температуры. Сравним это явление для газов, жидкостей и твёрдых тел.

Что у них общего

1. Природа явления: В основе теплового расширения для всех агрегатных состояний лежит увеличение кинетической энергии частиц (атомов, молекул, ионов) при нагревании. Это приводит к увеличению средней скорости их движения и, как следствие, к увеличению среднего расстояния между ними. В результате объём, занимаемый телом, увеличивается.

2. Зависимость от температуры: Для всех веществ (за некоторыми исключениями, как вода при температуре от 0°C до 4°C) увеличение температуры приводит к расширению, а уменьшение — к сжатию. Изменение объёма $ \Delta V $ в первом приближении прямо пропорционально изменению температуры $ \Delta T $: $ \Delta V = \beta V_0 \Delta T $, где $ V_0 $ — начальный объём, а $ \beta $ — коэффициент объёмного теплового расширения.

Ответ: Общим для теплового расширения газов, жидкостей и твёрдых тел является его молекулярно-кинетическая природа (увеличение среднего расстояния между частицами при нагревании) и прямая зависимость увеличения объёма от изменения температуры.

Чем они различаются

1. Величина расширения: Это основное различие. При одинаковом изменении температуры газы расширяются значительно сильнее, чем жидкости, а жидкости — сильнее, чем твёрдые тела. Коэффициенты объёмного расширения ($ \beta $) для газов на порядки больше, чем для жидкостей и твёрдых тел. Например, для воздуха $ \beta \approx 3.67 \times 10^{-3} \text{ К}^{-1} $, для воды $ \beta \approx 2.1 \times 10^{-4} \text{ К}^{-1} $, а для стали $ \beta \approx 3.6 \times 10^{-5} \text{ К}^{-1} $. Это связано с различиями в силах межмолекулярного взаимодействия и расстояниях между частицами в разных агрегатных состояниях.

2. Универсальность закона расширения: Для газов закон расширения практически универсален. Все разреженные газы при постоянном давлении расширяются одинаково. Их коэффициент объёмного расширения примерно равен $ 1/273.15 \text{ К}^{-1} $ (закон Гей-Люссака). Для жидкостей и твёрдых тел коэффициент теплового расширения является индивидуальной характеристикой вещества и может сильно отличаться для разных материалов.

3. Зависимость от давления: Объём газов очень сильно зависит от внешнего давления (закон Бойля-Мариотта). Поэтому тепловое расширение газов рассматривают при постоянном давлении. Объём жидкостей и твёрдых тел очень слабо зависит от давления, их считают практически несжимаемыми, и при рассмотрении их теплового расширения изменением давления обычно пренебрегают.

4. Виды расширения: Для твёрдых тел, имеющих собственную форму, различают линейное, поверхностное и объёмное расширение. Для жидкостей и газов, не имеющих собственной формы и принимающих форму сосуда, имеет смысл говорить только об объёмном расширении.

Ответ: Различия заключаются в величине расширения (газы > жидкости > твёрдые тела), универсальности закона (для газов он универсален, для жидкостей и твёрдых тел — индивидуален), степени зависимости от давления (для газов — сильная, для остальных — слабая) и видах рассматриваемого расширения (для твёрдых тел — линейное, поверхностное, объёмное; для жидкостей и газов — только объёмное).