Номер 4, страница 328 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 9. Тепловое расширение твёрдых и жидких тел. Параграф 9.3. Тепловое объёмное расширение - номер 4, страница 328.

Условие.

4. Опишите тепловое расширение жидкостей.

Решение.

Тепловое расширение жидкостей — это явление, при котором объем жидкости увеличивается при повышении ее температуры. Этот процесс объясняется на основе молекулярно-кинетической теории строения вещества.

1. Механизм явления

При нагревании жидкости средняя кинетическая энергия ее молекул возрастает. Это приводит к тому, что молекулы начинают двигаться быстрее и интенсивнее. В результате более частых и сильных столкновений среднее расстояние между молекулами увеличивается. Увеличение межмолекулярных расстояний в совокупности по всему объему жидкости и проявляется как ее макроскопическое расширение. Так как масса жидкости остается неизменной, а объем увеличивается, ее плотность при нагревании уменьшается.

2. Количественное описание

Для характеристики способности жидкости к тепловому расширению используется коэффициент объемного теплового расширения ($β$). Он показывает, на какую долю от первоначального объема изменяется объем жидкости при изменении ее температуры на один градус Кельвина (K) или Цельсия (°C). Изменение объема ($ΔV$) можно рассчитать по формуле:

$ΔV = β \cdot V₀ \cdot ΔT$

где:

• $V₀$ — начальный объем жидкости;
• $ΔT$ — изменение температуры ($T_{конечная} - T_{начальная}$);
• $β$ — коэффициент объемного расширения, измеряемый в $K⁻¹$ или $(°C)⁻¹$.

Коэффициент $β$ зависит от природы жидкости и, в строгом смысле, от температуры, но для небольших температурных интервалов его часто считают постоянным.

3. Сравнение с твердыми телами и газами

• Жидкости и твердые тела: Тепловое расширение жидкостей, как правило, значительно больше, чем у твердых тел (в десятки и сотни раз). Это связано с тем, что силы межмолекулярного притяжения в жидкостях слабее, и молекулы не связаны в жесткую кристаллическую решетку, что дает им большую свободу для движения.
• Жидкости и газы: Газы расширяются гораздо сильнее жидкостей, так как расстояние между их молекулами уже велико, а силы взаимодействия практически отсутствуют.

4. Аномальное расширение воды

Вода является важным исключением из общего правила. При нагревании от 0 °C до 4 °C вода не расширяется, а, наоборот, сжимается, то есть ее объем уменьшается, а плотность растет. Максимальную плотность вода имеет при температуре около 4 °C. Только при дальнейшем нагревании (выше 4 °C) вода начинает расширяться, как и большинство других жидкостей. Эта аномалия объясняется наличием водородных связей между молекулами воды, которые при низких температурах образуют рыхлые, похожие на лед, структуры. При нагревании эти структуры разрушаются, позволяя молекулам упаковаться плотнее. Это явление имеет огромное значение для жизни в водоемах в зимний период.

5. Практическое значение

Тепловое расширение жидкостей широко используется и учитывается в различных областях:

• В жидкостных термометрах (спиртовых, ртутных), где изменение объема жидкости в капилляре указывает на изменение температуры.
• В системах отопления и охлаждения, где для компенсации изменения объема теплоносителя (например, воды) устанавливают расширительные баки.
• Является причиной естественной конвекции — процесса переноса тепла в жидкостях, когда нагретые, менее плотные слои поднимаются вверх, а холодные и более плотные опускаются вниз.

Ответ: Тепловое расширение жидкостей — это увеличение их объема при нагревании, обусловленное ростом средней кинетической энергии и увеличением расстояния между молекулами. Количественно оно описывается формулой $ΔV = β \cdot V₀ \cdot ΔT$. Жидкости расширяются значительно сильнее твердых тел, но слабее газов. Важным исключением является вода, которая аномально сжимается при нагревании от 0 °C до 4 °C. Это явление находит применение в термометрах и является причиной конвекции.