Номер 4, страница 151 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 5. Тепловые свойства газов, жидкостей и твёрдых тел. Параграф 37. Паровая турбина. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. Темы докладов и проектов - номер 4, страница 151.

Условие.

4. Учёт и использование теплового расширения в технике.

Решение.

Тепловое расширение — это явление изменения линейных размеров и объёма тела при изменении его температуры. Практически все вещества (твёрдые тела, жидкости и газы) расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Это явление имеет огромное значение в технике, и его необходимо как учитывать для предотвращения негативных последствий, так и можно полезно использовать в различных устройствах и технологических процессах.

Изменение длины твёрдого тела при нагревании описывается формулой линейного расширения:

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

где $\Delta L$ — изменение длины, $L_0$ — начальная длина, $\Delta T$ — изменение температуры, а $\alpha$ — коэффициент линейного теплового расширения, который является характеристикой материала.

Учёт теплового расширения в технике

Во многих случаях тепловое расширение может вызывать огромные внутренние напряжения в конструкциях, приводя к их деформации и разрушению. Поэтому инженеры разрабатывают специальные решения для компенсации этого эффекта.

1. Строительство мостов, зданий и дорожных покрытий. Пролёты мостов, особенно металлических, могут изменять свою длину на десятки сантиметров при сезонных колебаниях температуры. Чтобы предотвратить разрушение опор и самого моста, в его конструкцию включают так называемые температурные (или компенсационные) швы. Это специальные зазоры, которые позволяют частям конструкции свободно перемещаться относительно друг друга. Аналогичные швы предусматривают в длинных зданиях и бетонных дорожных покрытиях, чтобы избежать их растрескивания.

Ответ: Для компенсации теплового расширения в мостах, зданиях и дорогах используют температурные швы.

2. Железнодорожные пути. Стальные рельсы летом под действием солнечных лучей сильно нагреваются и удлиняются. Если не предусмотреть зазоры между отдельными звеньями рельсов, то при расширении они могут изогнуться («выброс пути»), что приведёт к крушению поезда. Поэтому между рельсами оставляют небольшие зазоры. В современных «бесстыковых» путях рельсы сваривают в длинные плети и укладывают при определённой температуре, создавая в них предварительное напряжение, которое компенсирует температурные деформации.

Ответ: Между железнодорожными рельсами оставляют зазоры или используют специальные технологии укладки для предотвращения их изгиба при нагревании.

3. Трубопроводы и линии электропередачи (ЛЭП). Трубы, по которым транспортируются горячие жидкости или пар (например, в системах отопления), значительно удлиняются при нагревании. Чтобы избежать разрушения труб и их креплений, на длинных прямых участках устанавливают П-образные или лирообразные изгибы — компенсаторы. Аналогично, провода ЛЭП всегда монтируют с небольшим провисанием. Это делается для того, чтобы зимой, при охлаждении, провода, сжимаясь, не натянулись слишком сильно и не оборвались.

Ответ: Для компенсации удлинения трубопроводов применяют П-образные компенсаторы, а провода ЛЭП монтируют с провисанием, чтобы избежать их обрыва из-за сжатия на холоде.

Использование теплового расширения в технике

С другой стороны, явление теплового расширения нашло множество полезных применений в технике, став основой для работы различных приборов и технологий.

1. Биметаллические пластины. Это пластина, состоящая из двух слоёв разных металлов (например, стали и меди), прочно соединённых друг с другом. У этих металлов разные коэффициенты теплового расширения. При нагревании металл с большим коэффициентом расширяется сильнее, и пластина изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом. Это свойство используется в:

• Термостатах: для автоматического поддержания заданной температуры в утюгах, холодильниках, обогревателях. При достижении нужной температуры пластина изгибается и размыкает электрическую цепь.

• Тепловых реле и автоматических выключателях: для защиты электроприборов и сетей от перегрузки. При превышении допустимого тока пластина нагревается, изгибается и отключает питание.

• Датчиках пожарной сигнализации: при повышении температуры воздуха в помещении пластина замыкает цепь, включая сигнал тревоги.

Ответ: Биметаллические пластины, изгибающиеся при изменении температуры, применяются в термостатах, автоматических выключателях и пожарной сигнализации для замыкания или размыкания электрических цепей.

2. Термометры. Действие большинства термометров основано на тепловом расширении. В жидкостных термометрах (спиртовых, ртутных) используется расширение жидкости в тонкой трубке (капилляре). При повышении температуры объём жидкости увеличивается, и её столбик поднимается вверх по шкале. В механических (стрелочных) термометрах часто используется биметаллическая спираль, которая раскручивается или скручивается при изменении температуры, двигая стрелку.

Ответ: В термометрах используется свойство жидкостей и твёрдых тел (биметаллических пластин) изменять свой объём или форму при изменении температуры для её измерения.

3. Горячая посадка и заклёпочные соединения. Этот метод используется для создания очень прочных неразъёмных соединений деталей. Например, чтобы насадить стальной бандаж (обод) на колесо вагона, бандаж нагревают. Его внутренний диаметр увеличивается, и он легко надевается на колесо. После остывания бандаж сжимается, создавая огромное давление и обеспечивая очень надёжное сцепление с колесом. Похожий принцип использовался при создании заклёпочных соединений в прошлом (например, при строительстве Эйфелевой башни): стальную заклёпку нагревали докрасна, вставляли в отверстия и расклёпывали. Остывая, заклёпка укорачивалась и с огромной силой стягивала листы металла.

Ответ: Метод горячей посадки и заклёпочные соединения используют тепловое сжатие предварительно нагретых деталей для создания прочных механических соединений.