 | Тепловое расширение тел |  |
Изменение размеров или объема тела при нагревании
Анимация Описание Тепловым расширением называется эффект изменения размеров тела с изменением температуры при постоянном давлении. Это явление для твердых тел обусловлено несимметричностью потенциала взаимодействия атомов вещества в решетке, что приводит к ангармонизму колебаний атомов относительно среднего положения. Для газов это обусловлено увеличением кинетической энергии молекул и атомов. Количественно тепловое расширение при постоянном давлении Р характеризуется изобарным коэффициентом расширения (объемного или линейного). Коэффициент объемного расширения a определяется как относительное изменение объема V при нагревании тела (твердого, жидкого или газообразного) на 1 К.  ,
здесь Т - абсолютная температура тела. Практическое значение a вычисляется по формуле:  ,
где V1, V2 - объемы тела при температурах Т1 и Т2 , соответственно (Т1<Т2). Для характеристики теплового расширения наряду с a используется коэффициент линейного расширения aL:  ,
где l - размер тела в данном направлении. В общем случае поликристаллических анизотропных тел, состоящих из анизотропных монокристаллов, aL=ax+ay+az , причем различие или равенство линейных коэффициентов теплового расширения ax, ay, az вдоль кристаллографических осей х, у, z определяется симметрией кристалла. Например, для кристаллов кубической системы, так же как и для изотропных тел aL= ax= ay= az и a = 3aл. Для большинства тел a>0, но существуют и аномалии. Например, вода при нагреве от 0 до 40С в условиях нормального атмосферного давления сжимается (a<0). Зависимость a(Т) наиболее заметна у газов (для идеального газа a=1/Т); у жидкостей она проявляется слабее. У ряда веществ в твердом состоянии (кварца, инвара и т.д.) коэффициент a мал и практически постоянен в широком интервале температур. При Т®0, a®0. Коэффициент a и aL определяются экспериментальными методами. Временные характеристики Время инициации (log to от -1 до 3); Время существования (log tc от 0 до 6); Время деградации (log td от -1 до 3); Время оптимального проявления (log tk от 3 до 5). Диаграмма: 
Технические реализации эффекта Термометр Реализация данного эффекта не требует никаких дополнительных средств, кроме обычного бытового спиртового или ртутного термометра. При его нагревании столбик жидкости растет, что и означает объемное расширение жидкости. Применение эффекта Данный эффект широко используется при проектировании технических систем, работающих в экстремальных или оптимальных термоусловиях с большими перепадами температур. Аномальное свойство воды уменьшаться в объеме при увеличении температуры от 0 до 40С с одной стороны является вредным, приводящим к размораживанию "гидросистем", т.е. их механическому разрушению, а с другой стороны является основой для ряда технологических процессов, например, разрушение горных пород. Кроме того в технических устройствах широко используется так называемые биметаллические пластины как датчики предельных температур, приводящих к автоматическому включению выключению бытовых электроустройств (утюгов, пылесосов, холодильников и т.д.). Широкое распространение данный эффект получил в механичеких тепловых релейных элементах. Литература  1. Физика. Большой энциклопедический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1999.- С.90, 460.
2. Новый политехнический словарь.- М.: Большая Российская энциклопедия, 2000.- С.20, 231, 460. |