Номер 3.25, страница 11 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 3. Молекулы и атомы. Движение молекул. Глава 1. Начальные сведения о физических понятиях - номер 3.25, страница 11.

3.25 [54] Почему уменьшается длина рельса при его охлаждении?

Решение

Уменьшение длины рельса при его охлаждении — это проявление физического явления, известного как тепловое сжатие. Это свойство присуще большинству твердых тел и жидкостей. Объяснение этого явления лежит на микроскопическом, атомно-молекулярном уровне и связано с изменением характера движения частиц вещества.

1.Строение вещества и температура. Рельс, как и любое твердое тело, состоит из атомов (в случае стали это в основном атомы железа, связанные в кристаллическую решетку), которые непрерывно совершают колебательные движения около своих положений равновесия. Температура тела является макроскопической мерой средней кинетической энергии этих хаотических колебаний. Чем выше температура, тем больше внутренняя энергия тела, и тем интенсивнее — с большей скоростью и амплитудой (размахом) — колеблются атомы.

2.Процесс охлаждения. Когда рельс охлаждается, он отдает тепловую энергию в окружающую среду. Вследствие этого его внутренняя энергия, а значит и средняя кинетическая энергия его атомов, уменьшается. Это означает, что атомы начинают колебаться с меньшей амплитудой.

3.Изменение межатомных расстояний. Силы, удерживающие атомы в кристаллической решетке, несимметричны. Это приводит к тому, что среднее расстояние между атомами зависит от амплитуды их колебаний (это явление называют ангармонизмом колебаний). При уменьшении амплитуды колебаний, что происходит при охлаждении, среднее расстояние между соседними атомами также уменьшается.

4.Макроскопический эффект. Суммирование этих микроскопических уменьшений расстояний по всей длине рельса приводит к заметному уменьшению его общих линейных размеров, то есть к его укорачиванию (сжатию).

Это явление количественно описывается формулой линейного теплового расширения:

$ \Delta L = \alpha \cdot L_0 \cdot \Delta T $

где $ \Delta L $ — изменение длины тела, $ L_0 $ — его начальная длина, $ \alpha $ — коэффициент линейного теплового расширения (постоянная для данного материала), а $ \Delta T $ — изменение температуры. При охлаждении значение $ \Delta T $ (конечная температура минус начальная) отрицательно. Следовательно, и изменение длины $ \Delta L $ будет отрицательным, что и означает уменьшение длины рельса.

Ответ: Длина рельса уменьшается при охлаждении из-за того, что понижение температуры приводит к уменьшению интенсивности колебаний атомов в его кристаллической решетке. В результате уменьшается среднее расстояние между атомами, что на макроскопическом уровне проявляется как линейное сжатие (укорачивание) всего рельса.