Теплове розширення- Зміна лінійних розмірів і форми тіла при зміні його температури. Для характеристики теплового розширення твердих тіл запроваджують коефіцієнт лінійного теплового розширення.
Механізм теплового розширення твердих тіл можна наступним чином. Якщо до твердого тіла підвести теплову енергію, то завдяки коливанню атомів у ґратах відбувається процес поглинання ним теплоти. У цьому коливання атомів стають інтенсивнішими, тобто. збільшуються їх амплітуда та частота. Зі збільшенням відстані між атомами збільшується і потенційна енергія, що характеризується міжатомним потенціалом.
Останній виражається сумою потенціалів сил відштовхування та тяжіння. Сили відштовхування між атомами із зміною міжатомної відстані змінюються швидше, ніж сили тяжіння; в результаті форма кривої мінімуму енергії виявляється несиметричною і рівноважна міжатомна відстань збільшується. Це і відповідає тепловому розширенню.
Залежність потенційної енергії взаємодії молекул від відстані з-поміж них дозволяє з'ясувати причину виникнення теплового розширення. Як очевидно з малюнка 9.2, крива потенційної енергії дуже несиметрична. Вона дуже швидко (круто) зростає від мінімального значення Е р0(У точці r 0) при зменшенні rі порівняно повільно зростає зі збільшенням r.
Малюнок 2.5
При абсолютному нулі в стані рівноваги молекули перебували б одна від одної на відстані r 0 , що відповідає мінімальному значенню потенційної енергії Е р0.У міру нагрівання молекули починають робити коливання біля положення рівноваги. Розмах коливань визначається середнім значенням енергії Є.Якби потенційна крива була симетричною, то середнє положення молекули, як і раніше, відповідало б відстані r 0 . Це означало б загальну незмінність середніх відстаней між молекулами під час нагрівання і, отже, відсутність теплового розширення. Насправді крива несиметрична. Тому при середній енергії, що дорівнює , середнє положення коливається молекули відповідає відстані r 1> r 0.
Зміна середньої відстані між двома сусідніми молекулами означає зміну відстані між усіма молекулами тіла. Тому розміри тіла зростають. Подальше нагрівання тіла призводить до збільшення середньої енергії молекули до певного значення , і т. д. При цьому збільшується і середня відстань між молекулами, тому що тепер коливання відбуваються з більшою амплітудою навколо нового положення рівноваги: r 2 > r 1 , r 3 > r 2і т.д.
Що стосується твердих тіл, форма яких за зміни температури (при рівномірному нагріванні чи охолодженні) не змінюється, розрізняють зміна лінійних розмірів (довжини, діаметра тощо.) — лінійне розширення і зміна обсягу — об'ємне розширення. У рідин при нагріванні форма може змінюватись (наприклад, у термометрі ртуть входить у капіляр). Тому у разі рідин має сенс говорити лише про об'ємне розширення.
Основний закон теплового розширеннятвердих тіл свідчить, що тіло з лінійним розміром L 0зі збільшенням його температури на ΔTрозширюється на величину? L, рівну:
Δ L = αL 0 ΔT, (2.28)
де α - так званий коефіцієнт лінійного теплового розширення.
Аналогічні формули є для розрахунку зміни площі та об'єму тіла. У наведеному найпростішому випадку, коли коефіцієнт теплового розширення не залежить ні від температури, ні від напрямку розширення, речовина буде рівномірно розширюватися по всіх напрямках у суворій відповідності до вищенаведеної формули.
Коефіцієнт лінійного розширення залежить від природи речовини, і навіть від температури. Однак, якщо розглядати зміни температури в не надто широких межах, залежність від температури можна знехтувати і вважати температурний коефіцієнт лінійного розширення величиною постійною для даної речовини. У цьому випадку лінійні розміри тіла, як випливає із формули (2.28), залежать від зміни температури наступним чином:
L = L 0 ( 1 +αΔT) (2.29)
З твердих тіл найсильніше розширюється віск, перевищуючи у цьому відношенні багато рідини. Коефіцієнт теплового розширення воску залежно від сорту в 25 - 120 разів більше, ніж у заліза. З рідин сильніше за інших розширюється ефір. Однак є рідина, що розширюється в 9 разів сильніше за ефір - рідка вуглекислота (СО3) при +20 градусах Цельсія. Її коефіцієнт розширення у 4 рази більший, ніж у газів.
Найменшим коефіцієнтом теплового розширення з твердих тіл має кварцове скло – у 40 разів менше, ніж залізо. Кварцову колбу розпечену до 1000 градусів можна сміливо опускати у крижану воду, не побоюючись за цілісність судини: колба не лопається. Малим коефіцієнтом розширення, хоч і більшим, ніж у кварцового скла, відрізняється також алмаз.
З металів, найменше розширюється сорт сталі, що має назву інвар, коефіцієнт його теплового розширення у 80 разів менший, ніж у звичайної сталі.
У наведеній нижче таблиці 2.1 показано коефіцієнти об'ємного розширення деяких речовин.
Таблиця 2.1 - Значення ізобаричного коефіцієнта розширення деяких газів, рідин та твердих тіл при атмосферному тиску
| Коефіцієнт об'ємного розширення | Коефіцієнт лінійного розширення | ||||
| Речовина | Тем-ра, °С | α×10 3 , (°C) -1 | Речовина | Тем-ра, °С | α×10 3 , (°C) -1 |
| Гази | Алмаз | 1,2 | |||
| Графіт | 7,9 | ||||
| Гелій | 0-100 | 3,658 | Скло | 0-100 | ~9 |
| Кисень | 3,665 | Вольфрам | 4,5 | ||
| Рідини | Мідь | 16,6 | |||
| Вода | 0,2066 | Алюміній | |||
| Ртуть | 0,182 | Залізо | |||
| Гліцерин | 0,500 | Інвар (36,1% Ni) | 0,9 | ||
| Етиловий спирт | 1,659 | Лід | -10 o до 0 про | 50,7 |
Контрольні питання
1. Дати характеристику розподілу нормальних коливань щодо частот.
2. Що таке фонон?
3. Пояснити фізичне значення температури Дебая. Чим визначається значення температури Дебая для цієї речовини?
4. Чому за низьких температур решіткова теплоємність кристала не залишається постійною?
5. Що називається теплоємністю твердого тіла? Чим вона визначається?
6. Пояснити залежність гратової теплоємності кристала Cреш від температури T.
7. Отримати закон Дюлонга-Пті для молярної теплоємності ґрат.
8. Отримати закон Дебая для молярної теплоємності решітки кристала.
9. Який внесок вносить електронна теплоємність у молярну теплоємність металу?
10. Що називається теплопровідністю твердого тіла? Чим вона характеризується? Чим здійснюється теплопровідність у випадках металу та діелектрика.
11. Як залежить коефіцієнт теплопровідності кристалічних ґрат від температури? Пояснити.
12. Дати визначення теплопровідності електронного газу. Порівняти χ елі χ решв металах та діелектриках.
13. Дати фізичне пояснення механізму теплового розширення твердих тіл? Чи може КТР бути негативним? Якщо так, то пояснити причину.
14. Пояснити температурну залежність коефіцієнта теплового розширення.
на правах рукопису
Міністерство освіти і науки Російської Федерації
Волгоградський державний архітектурно-будівельний університет
Кафедра фізики
ТЕПЛОВЕ РОЗШИРЕННЯ ТВЕРДИХ ТІЛ
Методичні вказівки до лабораторної роботи №10
Волгоград2013
УДК 537(076.5)
Теплове розширення твердих тел: Метод. вказівки до лабораторної роботи / Упоряд. , ; ВолгДАСА, Волгоград, 20с.
Метою справжньої лабораторної роботиє вимірювання коефіцієнта лінійного теплового розширення твердого тіла. Дано визначення коефіцієнтів лінійного та об'ємного розширення. Пояснено явище теплового розширення. Наведено опис методу виміру. Описано порядок виконання роботи. Наведено правила техніки безпеки та наведено контрольні питання.
Для студентів усіх спеціальностей з дисципліни «Фізика»
Іл. 5. Табл. 2. Бібліогр. 2 назв.
© Волгоградська державна архітектурно-будівельна академія, 2002
© Складання, 2002
Мета роботи ─ вимірювання коефіцієнта лінійного теплового розширення твердого тіла.
Прилади та приладдя . 1. Металева трубка. 2. Електронагрівальна система. 3. Датчик подовжень. 4. Термопара. 5. Мілівольтметр (або міліамперметр). 6. Лабораторний автотрансформатор (ЛАТР).
1. ТЕОРЕТИЧНЕ ВСТУП
Всі тіла під час нагрівання розширюються, а при охолодженні стискаються. Для твердих тіл можна говорити про лінійному розширенні. Залежність довжини від температури враховується при нагріванні проводів на лініях електропередач, влаштуванні паропроводів, спорудженні мостів, прокладці рейок тощо.
Для характеристики такого розширення введемо такі позначення: довжина того ж тіла при температурі К. Зміна довжини тіла при нагріванні від рівно http://pandia.ru/text/80/058/images/image007_40.gif" width="97" height="52 src=">
Відношення відносної зміни довжини до зміни температури, що викликає, називається коефіцієнтом лінійного теплового розширення:
(1)
При великих змінах температури або високої точності вимірювань і розрахунків коефіцієнт a не можна вважати постійним. Він зростає зі збільшенням температури і зменшується з її зменшенням, прагнучи до нуля поблизу абсолютного нуля. Значення коефіцієнтів лінійного теплового розширення наведено у табл. 1.
Таблиця 1
З формули (1) випливає, що довжина тіла за будь-якої температури
(2)
Для характеристики об'ємного розширення тіл вводяться позначення: і – відповідно обсяги тіла за температури http://pandia.ru/text/80/058/images/image012_33.gif width="101" при нагріванні на
http://pandia.ru/text/80/058/images/image015_29.gif" width="168" height="52"> (3)
Об'єм тіла при довільній температурі
(4)
Для твердих тіл у табл. 1 внесені лише коефіцієнти лінійного розширення, оскільки між коефіцієнтами лінійного розширення та об'ємного розширення існує певний зв'язок.
Якщо взяти куб з даної речовини з ребром при температурі (рис. 1), його об'єм При нагріванні його на довжину ребра збільшується до об'єму, тобто підставимо ці формули в (2) і (4)
http://pandia.ru/text/80/058/images/image024_17.gif" width="299 height=28" height="28">
Коефіцієнт лінійного розширення для твердих речовин Отже, у цьому виразі можна знехтувати членами, що містять a2 і a3, як нескінченно малими вищих порядків щодо числа, що містить a в першому ступені. Вийде 
звідки
Якщо маса тіла mпри зміні температури залишається постійною, то щільність речовини повинна залежати від температури, оскільки об'єм змінюється з температурою. Тформулою http://pandia.ru/text/80/058/images/image030_10.gif" width="239" height="52"> (6)
При розрахунках слід враховувати, що у таблицях вказується щільність речовини при 273 К. Щільність за інших температур обчислюється за такою формулою (6).
У деяких кристалах при нагріванні їх лінійні розміри в деяких напрямках зростають неоднаково, в деяких певних напрямках не тільки зростають, але навіть зменшуються. Таке явище називається анізотропією.
У твердому тілі атоми здійснюють теплові коливання щодо вузлів кристалічних ґрат. На рис. 2 показано два найближчих атоми, відстань rміж якими змінюється в процесі коливань. х- Мінімальна величина). Якщо атоми змістилися з початкового становищана х, то потенційна енергія їхньої взаємодії дорівнює
(7)
де аі b- Позитивні позитивні коефіцієнти;
- Мінімальне значення потенційної енергії.
На рис..gif" width = "13" (суцільна лінія). Очевидний асиметричний характер цієї кривої. Знайдемо силу взаємодії атомів
(8)
 |
 |
При зближенні атомів сила і взаємодія має характер відштовхування. Навпаки, при видаленні т. е. сила що відповідає притягненню..gif" width="51" height="23"> що узгоджується з визначенням r 0 як рівноважної відстані. Якби коефіцієнт bдорівнював нулю, то потенційна енергія і сила взаємодії набули б вигляду
(9)
що відповідало б гармонійним коливанням атомів. Графік потенційної енергії у разі – симетрична крива (рис. 3, пунктирна крива). в силу симетрії потенційної кривої підвищення температури хоч і призвело б до зростання амплітуди коливань атомів, але середня відстань між атомами залишилася б незмінною. width="59" height="24 src="> призводить до теплового розширення твердих тіл.
Теплове розширення твердих тіл у загальному випадку виявляє анізотропію. Так, наприклад, кристал кальциту (СаСО3) при нагріванні розширюється в одному напрямку (О Х) і стискається в інших (Про У, Про Z). Якщо з такого кристала зробити кулю, то при нагріванні вона перетворюється на еліпсоїд.
2. МЕТОДИКА ВИМІР
 |
На рис. 5 зображено лабораторну установку. Напруга з ЛАТР подається на спіраль електронагріву, вмонтовану в трубку, теплове розширення якої досліджується. Один із кінців трубки жорстко закріплений, інший вільний і упирається в датчик подовження. Температура трубки вимірюється за допомогою термопари, один із спаїв якої укріплений на трубці. Для вимірювання термоЕРС використовується мілівольтметр (або міліамперметр).
3. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
1. Перевірте підключення мілівольтметра (або міліамперметра) до клем «термопара» та автотрансформатора до клем «до ЛАТРа».
2. Визначте ціну розподілу мілівольтметра (або міліамперметра) за межі вимірювань, зазначеній у настільному варіанті інструкції.
3. Перевірте встановлення датчика подовження на нуль, розберіться в його шкалі, визначте ціну поділу.
4. Отримайте дозвіл викладача, увімкніть ЛАТР у мережу. Поверніть ручку ЛАТРа за годинниковою стрілкою до упору, встановіть напругу електронагріву.
5. Нагрівання металевої трубки супроводжуватиметься подовженням, яке вимірюватиметься датчиком. Температура нагрівання трубки, відрахована від кімнатної температури, вимірюється термопарою за допомогою мілівольтметра та градуювального графіка. У момент, коли подовження виявиться рівним 0,1 мм, запишіть у табл. 2 показання мілівольтметра.
7. Проведіть вимірювання показань мілівольтметра для тих самих значень мм; 0,5 мм; 0,4 мм; 0,3 мм; 0,2 мм, 0,1 мм у режимі охолодження.
8. Визначте за допомогою градуювального графіка, що додається до лабораторної установки, величину температури нагрівання. 
для кожного значення D lяк при нагріванні, так і при охолодженні. знайдіть значення коефіцієнта лінійного теплового розширення і занесіть в таблицю 2.
10. Побудуйте на міліметровому папері графік залежності подовження D lвід температури DT.
· Дотримуйтесь обережності під час роботи. Уникайте контакту в місцях торкання струмів або дротів.
· Не допускайте перегріву установки.
· У разі несправності зверніться до викладача або викличте чергового лаборанта.
· Не залишайте після виконання роботи установку, включену в мережу.
КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ
1. Дайте визначення коефіцієнта лінійного теплового розширення. Який порядок величини цього коефіцієнта?
2. Фізичний сенс коефіцієнта об'ємного теплового розширення. Який порядок цієї величини?
3. Як пов'язані між собою коефіцієнти теплового лінійного та об'ємного розширення? Виведіть формулу (5).
4. Поясніть теплове розширення за допомогою кривої потенційної енергії взаємодії атомів.
5. Як залежить коефіцієнт теплового розширення температури?
6. Як залежить щільність твердого тіла під час нагрівання?
7. Що називається анізотропією теплового розширення?
8. Як вимірюється коефіцієнт лінійного теплового розширення у даній лабораторній роботі?
бібліографічний список
1. Курс фізики М: Вища. шк., 1999 р
2. Курс фізики/,. М: Вища. шк., 1999 р
Зміна лінійних розмірів тіла при нагріванні пропорційно до зміни температури.
Переважна більшість речовин під час нагрівання розширюється. Це легко можна пояснити з позиції механічної теорії теплоти, оскільки при нагріванні молекули або атоми речовини починають рухатися швидше. У твердих тілах атоми починають з більшою амплітудою коливатися навколо свого середнього положення в кристалічній решітці, і їм потрібно більше вільного простору. Через війну тіло розширюється. Також і рідини і гази, здебільшого, розширюються з підвищенням температури через збільшення швидкості теплового руху вільних молекул ( див.Закон Бойля-Маріотта, Закон Шарля, Рівняння стану ідеального газу).
Основний закон теплового розширення свідчить, що тіло з лінійним розміром Lу відповідному вимірі зі збільшенням його температури на Δ Трозширюється на величину? L, рівну:
Δ L = αLΔ T
де α — так званий коефіцієнт лінійного теплового розширенняАналогічні формули є для розрахунку зміни площі та об'єму тіла. У наведеному найпростішому випадку, коли коефіцієнт теплового розширення не залежить ні від температури, ні від напрямку розширення, речовина буде рівномірно розширюватися по всіх напрямках у суворій відповідності до вищенаведеної формули.
Для інженерів теплове розширення – життєво важливе явище. Проектуючи сталевий міст через річку в місті з континентальним кліматом, не можна не враховувати можливий перепад температур у межах від -40°C до +40°C протягом року. Такі перепади викличуть зміну загальної довжини мосту аж до кількох метрів, і щоб міст не здиблювався влітку і не відчував потужних навантажень на розрив взимку, проектувальники складають міст з окремих секцій, з'єднуючи їх спеціальними. термічними буферними зчленуваннями, які являють собою ті, що входять в зачеплення, але не з'єднані жорстко ряди зубів, які щільно замикаються в спеку і досить широко розходяться в холоднечу. На довгому мосту може налічуватися чимало таких буферів.
Проте чи всі матеріали, особливо це стосується кристалічних твердих тіл, розширюються рівномірно у всіх напрямах. І далеко не всі матеріали розширюються однаково за різних температур. Найяскравіший приклад останнього роду – вода. При охолодженні вода спочатку стискається, як більшість речовин. Однак, починаючи з +4°C і до точки замерзання 0°C, вода починає розширюватися при охолодженні і стискатися при нагріванні (з точки зору наведеної вище формули можна сказати, що в інтервалі температур від 0°C до +4°C коефіцієнт теплового розширення води α набуває негативного значення). Саме завдяки цьому рідкісному ефекту земні моря та океани не промерзають до дна навіть у найсильніші морози: вода холодніша за +4°C стає менш щільною, ніж тепліша, і спливає до поверхні, витісняючи на дно воду з температурою вище +4°C.
Те, що лід має питому щільність нижче щільності води, — ще одне (хоч і пов'язане з попереднім) аномальне властивість води, якому зобов'язані існуванням життя планети. Якби не цей ефект, крига йшла б на дно річок, озер і океанів, і вони, знову ж таки, вимерзли б до дна, вбивши все живе.
[Фізика залік 24] Сили міжмолекулярної взаємодії. Агрегатний стан речовини. Характер теплового руху молекул у твердих, рідких, газоподібних тілах та його зміна зі зростанням температури. Теплове розширення тел. Лінійне розширення твердих тіл під час нагрівання. Об'ємне теплове розширення твердих тіл та рідин. Переходи між агрегатними станами. Теплота фазового переходу. Рівнавага фаз. Рівняння теплового балансу.
Сили міжмолекулярної взаємодії.
Міжмолекулярна взаємодія має електричну природу. Між нимидіють сили тяжіння та відштовхування, які швидко зменшуються при збільшеннівідстані між молекулами.Сили відштовхування діютьтільки на дуже малих відстанях.Практично поведінка речовини тайого агрегатний станвизначається тим, що єдомінуючим: сили тяжіннячи хаотичний тепловий рух.У твердих тілах домінують силивзаємодії, тому вонизберігає свою форму.
Агрегатний стан речовини.
- здатністю (тверде тіло) або нездатністю (рідина, газ, плазма) зберігати обсяг і форму,
- наявністю чи відсутністю далекого (тверде тіло) та ближнього порядку (рідина), та іншими властивостями.
Тепловий рух у твердих тілах є переважно коливальним. При високих
температурах інтенсивний тепловий рух заважає зближенню молекул.
стан, рух молекул поступальний та обертальний. . У газах менше 1% обсягу
посідає обсяг самих молекул. При проміжних значеннях температур
молекули безперервно переміщатимуться у просторі, обмінюючись місцями, проте
відстань між ними не набагато перевищує d – рідину. Характер руху молекул
у рідині носить коливальний та поступальний характер (у той момент, коли вони
перескакують у нове положення рівноваги).
Теплове розширення тел.
Тепловий рух молекул пояснює явище теплового розширення тіл. При
нагрівання амплітуда коливального руху молекул збільшується, що призводить до
збільшення розмірів тел.
Лінійне розширення твердих тіл під час нагрівання.
Лінійне розширення твердого тіла описується формулою: L=L0(1+at) , де a - коефіцієнт лінійного розширення ~10^-5 К^-1.
Об'ємне теплове розширення твердих тіл та рідин.
Об'ємне розширення тіл описується аналогічною формулою: V = V0(1+Bt), B-коефіцієнт об'ємного розширення, причому B=3a.
Переходи між агрегатними станами.
Речовина може перебувати у твердому, рідкому, газоподібному станах. Ці
стани називають агрегатними станами речовини. Речовина може переходити з
одного стану до іншого. Характерною особливістю перетворення речовини є
можливість існування стабільних неоднорідних систем, коли речовина може
знаходиться відразу у кількох агрегатних станах. При описі таких систем
користуються ширшим поняттям фази речовини. Наприклад, вуглець у твердому
агрегатному стані може бути у двох різних фазах – алмаз і графіт. Фазою
називається сукупність всіх частин системи, яка у відсутності зовнішнього
дії є фізично однорідною. Якщо кілька фаз речовини при даній
температурі та тиску існують, стикаючись один з одним, і при цьому маса однієї
фази не збільшується за рахунок зменшення іншої, то говорять про фазову рівновагу.
Відомо, що під дією тепла частки пришвидшують свій хаотичний рух. Якщо нагрівати газ, то молекули, що становлять його, просто розлетяться одна від одної. Нагріта рідина спочатку збільшиться обсягом, а потім почне випаровуватися. А що буде із твердими тілами? Не кожний з них може змінити свій агрегатний стан.
Термічне розширення: визначення
Теплове розширення - це зміна розмірів та форми тіл за зміни температури. Математично можна вирахувати об'ємний коефіцієнт розширення, що дозволяє спрогнозувати поведінку газів і рідин у зовнішніх умовах, що змінюються. Щоб отримати такі ж результати для твердих тіл, необхідно враховувати Фізики виділили цілий розділ для таких досліджень і назвали його дилатометрією.
Інженерам та архітекторам необхідні знання про поведінку різних матеріалівпід впливом високих та низьких температур для проектування будівель, прокладання доріг та труб.
Розширення газів
Теплове розширення газів супроводжується розширенням їх обсягу просторі. Це помітили філософи-природники ще в давнину, але побудувати математичні розрахунки вийшло тільки у сучасних фізиків.
Насамперед вчені зацікавилися розширенням повітря, оскільки це здавалося їм посильним завданням. Вони настільки завзято взялися до справи, що отримали досить суперечливі результати. Звичайно, такий результат наукове співтовариство не задовольнив. Точність виміру залежала від того, який використовувався термометр, від тиску та багатьох інших умов. Деякі фізики навіть дійшли думки, що розширення газів не залежить від зміни температури. Або ця залежність не повна...
Роботи Дальтона та Гей-Люссака
Фізики продовжували б сперечатися до хрипоти або закинули б вимірювання, якби не Він і ще один фізик, Гей-Люссак, одночасно незалежно один від одного змогли отримати однакові результати вимірювань.
Люссак намагався знайти причину такої кількості різних результатів та помітив, що у деяких приладах у момент досвіду була вода. Природно, у процесі нагрівання вона перетворювалася на пару і змінювала кількість та склад досліджуваних газів. Тому перше, що зробив учений, - це ретельно висушив усі інструменти, які використав для проведення експерименту, та виключив навіть мінімальний відсоток вологості з досліджуваного газу. Після всіх цих маніпуляцій перші кілька дослідів виявилися достовірнішими.
Дальтон займався цим питанням довше за свого колеги і опублікував результати ще на самому початку XIX століття. Він висушував повітря парами сірчаної кислоти, та був нагрівав його. Після серії дослідів Джон дійшов висновку, що всі гази та пара розширюються на коефіцієнт 0,376. У Люссака вийшло число 0,375. Це стало офіційним результатом дослідження.
Пружність водяної пари
Теплове розширення газів залежить від їхньої пружності, тобто здатності повертатися у вихідний обсяг. Першим це питаннястав досліджувати Циглер у середині вісімнадцятого століття. Але результати його дослідів надто різнилися. Більш достовірні цифри отримав який використовував для високих температур татовий казан, а для низьких - барометр.
Наприкінці XVIII століття французький фізик Проні спробував вивести єдину формулу, яка описувала пружність газів, але вона вийшла надто громіздка і складна у використанні. Дальтон вирішив досвідченим шляхом перевірити всі розрахунки, використовуючи сифонний барометр. Незважаючи на те, що температура не у всіх дослідах була однакова, результати вийшли дуже точними. Тому він опублікував їх у вигляді таблиці у своєму підручнику з фізики.
Теорія випаровування
Теплове розширення газів (як фізична теорія) зазнавала різних змін. Вчені намагалися дістатися суті процесів, у яких виходить пара. Тут знову відзначився відомий вже нам фізик Дальтон. Він висловив гіпотезу, що будь-який простір насичується парами газу незалежно від того, чи присутній у цьому резервуарі (приміщенні) якийсь інший газ або пара. Отже, можна зробити висновок, що рідина не випаровуватиметься, просто входячи в дотик з атмосферним повітрям.
Тиск стовпа повітря на поверхню рідини збільшує простір між атомами, відриваючи їх один від одного та випаровуючи, тобто сприяє утворенню пари. Але на молекули пари продовжує діяти сила тяжіння, тому вчені вважали, що атмосферний тиск ніяк не впливає на випаровування рідин.
Розширення рідин
Теплове розширення рідин досліджували паралельно із розширенням газів. Науковими дослідженнями займалися ті самі вчені. Для цього вони використовували термометри, аерометри, сполучені судини та інші інструменти.
Усі досліди разом і кожен окремо спростували теорію Дальтона у тому, що однорідні рідини розширюються пропорційно квадрату температури, яку їх нагрівають. Звичайно, чим вище температура, тим більше обсяг рідини, але прямої залежності між ним не було. Та й швидкість розширення у всіх рідин була різною.
Теплове розширення води, наприклад, починається з нуля градусів за Цельсієм і продовжується зі зниженням температури. Раніше такі результати дослідів пов'язували з тим, що розширюється не сама вода, а звужується ємність, де вона знаходиться. Але через деякий час фізик Делюка таки прийшов до думки, що причину слід шукати в самій рідині. Він вирішив знайти температуру її найбільшої густини. Однак це йому не вдалося через нехтування деякими деталями. Румфорт, який займався вивченням цього явища, встановив, що максимальна густина води спостерігається в межах від 4 до 5 градусів за Цельсієм.
Теплове розширення тіл
У твердих тілах головним механізмом розширення є зміна амплітуди коливань кристалічних ґрат. Якщо казати простими словами, То атоми, що входять до складу матеріалу і жорстко зчеплені між собою, починають «тремтіти».
Закон теплового розширення тіл сформульований так: будь-яке тіло з лінійним розміром L у процесі нагрівання на dT (дельта Т – різниця між початковою температурою та кінцевою), розширюється на величину dL (дельта L – це похідна коефіцієнта лінійного теплового розширення на довжину об'єкта та на різницю температури). Це найпростіший варіант цього закону, який за умовчанням враховує, що тіло розширюється одразу на всі боки. Але для практичної роботивикористовують куди більш громіздкі обчислення, тому що насправді матеріали ведуть себе не так, як змодельовано фізиками та математиками.
Теплове розширення рейки
Для прокладання залізничного полотна завжди залучають інженерів-фізиків, тому що вони можуть точно вирахувати, яка відстань повинна бути між стиками рейок, щоб при нагріванні або охолодженні колії не деформувалися.
Як було зазначено вище, теплове лінійне розширення застосовно всім твердих тіл. І рейка не стала винятком. Але є одна деталь. Лінійна зміна вільно відбувається у тому випадку, якщо на тіло не впливає сила тертя. Рейки жорстко прикріплені до шпал і зварені із сусідніми рейками, тому закон, який описує зміну довжини, враховує подолання перешкод у вигляді погонних та стикових опорів.
Якщо рейка не може змінити свою довжину, то зі зміною температури в ній наростає теплова напруга, яка може розтягнути, так і стиснути його. Цей феномен описується законом Гука.
