Номер 2, страница 338 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Глава 9. Тепловое расширение твёрдых и жидких тел. Параграф 9.5. Примеры решения задач. Вопросы - номер 2, страница 338.

Условие.

2. Подготовьте доклад «Тепловое расширение тел: учёт и использование в технике».

Решение.

Тепловое расширение — это физическое явление, заключающееся в изменении линейных размеров и объёма тела при изменении его температуры. Практически все вещества в твёрдом, жидком и газообразном состоянии расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. На микроскопическом уровне это объясняется увеличением средней амплитуды колебаний атомов или молекул вещества с ростом температуры, что приводит к увеличению среднего расстояния между ними.

Количественно тепловое расширение описывается специальными коэффициентами. Для твёрдых тел различают линейное и объёмное расширение. Изменение длины $ \Delta L $ прямо пропорционально начальной длине $ L_0 $ и изменению температуры $ \Delta T $. Эта зависимость выражается формулой: $ \Delta L = \alpha \cdot L_0 \cdot \Delta T $, где $ \alpha $ — коэффициент линейного теплового расширения, являющийся характеристикой материала. Аналогично, изменение объёма $ \Delta V $ описывается формулой: $ \Delta V = \gamma \cdot V_0 \cdot \Delta T $, где $ V_0 $ — начальный объём, а $ \gamma $ — коэффициент объёмного теплового расширения. Для изотропных твёрдых тел справедливо соотношение $ \gamma \approx 3\alpha $.

В технике и инженерном деле это явление имеет огромное значение. Его необходимо как учитывать во избежание негативных последствий, так и можно целенаправленно использовать в различных устройствах и технологических процессах.

Учёт теплового расширения в технике

Если не учитывать тепловое расширение при проектировании, это может привести к возникновению колоссальных внутренних напряжений в материалах и конструкциях, что, в свою очередь, ведёт к их деформации и разрушению. Поэтому инженеры предусматривают специальные меры для компенсации этих эффектов.

Мосты, здания и другие крупные сооружения. В конструкциях длинных мостов, эстакад и больших зданий обязательно предусматривают температурные (компенсационные) швы. Это специальные зазоры или гибкие соединения, которые позволяют отдельным блокам конструкции свободно удлиняться или укорачиваться при колебаниях температуры, не создавая при этом разрушительных напряжений.

Железнодорожные пути. При укладке рельсов между их стыками оставляют небольшие зазоры. Летом, нагреваясь под солнцем, рельсы удлиняются, и эти зазоры позволяют им свободно расширяться, предотвращая изгиб пути, который мог бы привести к крушению поезда. В современных «бесстыковых» путях рельсы свариваются в длинные плети, но их жёстко крепят к тяжёлым железобетонным шпалам, которые не дают рельсам изогнуться. При этом в металле возникают значительные, но расчётные температурные напряжения.

Трубопроводы. Трубопроводы большой протяжённости, по которым транспортируются горячие или холодные вещества (например, теплотрассы или нефтепроводы в разных климатических зонах), могут значительно изменять свою длину. Чтобы компенсировать эти изменения, на определённых участках устанавливают П-образные или лирообразные компенсаторы — изогнутые участки трубы, которые за счёт своей гибкости поглощают линейные перемещения.

Линии электропередач (ЛЭП). Провода ЛЭП всегда монтируют с некоторым провисанием. Этот провис тщательно рассчитывается. Зимой, при охлаждении, металл проводов сжимается, и они натягиваются. Летом, при нагреве, они удлиняются и провисают сильнее. Расчёт необходим, чтобы провода не порвались от чрезмерного натяжения в сильный мороз и не провисли слишком низко в жару, создавая опасность.

Использование теплового расширения в технике

В то же время, явление теплового расширения, особенно различие его коэффициентов у разных материалов, нашло широкое и полезное применение в технике для создания устройств, реагирующих на изменение температуры.

Жидкостные термометры. Принцип действия ртутных или спиртовых термометров основан на том, что коэффициент объёмного расширения жидкости значительно больше, чем у стекла. При повышении температуры жидкость расширяется сильнее, чем колба, и её уровень в узком капилляре поднимается, указывая по шкале значение температуры.

Биметаллическая пластина. Это один из самых распространённых элементов автоматики. Она состоит из двух прочно соединённых полос из разных металлов (например, сталь и латунь), имеющих разные коэффициенты линейного расширения. При нагревании такая пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом. Это свойство используется в:

• Термостатах и терморегуляторах. В электрических чайниках, утюгах, холодильниках и системах отопления биметаллическая пластина при достижении заданной температуры изгибается и размыкает электрический контакт, отключая нагревательный элемент или компрессор. При остывании она возвращается в исходное положение, замыкая цепь.
• Тепловых реле и автоматических выключателях. Для защиты электросетей от перегрузок используется биметаллический расцепитель. При протекании тока выше номинального он нагревается, изгибается и приводит в действие механизм, размыкающий цепь.
• Датчиках пожарной сигнализации. В простейших тепловых извещателях при резком повышении температуры в помещении биметаллическая пластина изгибается и замыкает контакты цепи тревожной сигнализации.

Горячая (термическая) посадка. Этот технологический процесс используется для создания очень прочных неразъёмных соединений деталей. Например, чтобы насадить стальной бандаж на колесо железнодорожного вагона, бандаж нагревают до высокой температуры. Его внутренний диаметр увеличивается, и он свободно надевается на колесо. После остывания бандаж сжимается, создавая огромное давление и обеспечивая чрезвычайно прочное соединение.

Ответ:Доклад, посвящённый учёту и использованию теплового расширения тел в технике, представлен выше. В нём раскрыта физическая суть явления, а также на конкретных примерах показана его двойственная роль: как потенциально разрушительного фактора, требующего обязательного учёта при проектировании (компенсационные швы в мостах, зазоры в рельсах, провисание проводов), и как полезного эффекта, положенного в основу работы многих устройств и технологий (термометры, биметаллические пластины в термостатах и реле, технология горячей посадки деталей).