x
Učitavanje

4.2 Toplinsko širenje tijela

Europska unija, Zajedno do fondova EU
Sadržaj jedinice
Povećanje slova
Smanjenje slova
Početna veličina slova Početna veličina slova
Visoki kontrast
a Promjena slova
  • Verdana
  • Georgia
  • Dyslexic
  • Početni
Upute za korištenje

Na početku...

Žice dalekovoda su zimi nategnute, dok su ljeti opuštene, što  je posljedica toplinskog rastezanja.

Što mislite zbog čega su žice dalekovoda nezategnutije ljeti? Je li ih tko otpustio po ljeti, a zategnuo po zimi?

Što se događa s čvrstim tijelima kada ih zagrijavamo?

U tijelima se čestice nalaze u neprestanom gibanju. Zbog zagrijavanja čestice u tijelima jače titraju te se sve više i više udaljuju jedna od druge. Razlog je tomu to što se tijela najčešće pri povećanju temperature rastežu, a pri sniženju temperature stežu.

Zagrijavanjem žice, kojoj je jedna dimenzija znatno veća od ostalih, uočavamo promjenu duljine. Debljina žice iznimno se malo mijenja pri promjeni temperature u odnosu na promjenu duljine.

Žice dalekovoda imaju veću duljinu po ljeti, nego po zimi jer su temperature više.


Primjer 1.

Konstrukcija na mostu koja štiti most od pucanja pri  toplinskom rastezanju.
„Trojský most, Troja, dilatační spára (01)“ , autor fotografije ŠJů, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Trojsk%C3%BD_most,_Troja,_dilata%C4%8Dn%C3%AD_sp%C3%A1ra_(01).jpg, CC BY 4.0. Fotografija je umanjena (CC BY 4.0).

Pri izradi mostova mora se voditi briga o toplinskom širenju materijala od kojih je izrađen most zbog promjena temperature tijekom godine.

Mostovi su najčešće s oba kraja postavljeni na mehanizme tako da se mogu slobodno istezati i stezati prilikom promjena temperature.

Primjer 2.

Što se događa sa željeznom kuglicom kad ju zagrijavamo?

Na sobnoj temperaturi metalna kuglica prolazi kroz prsten bez zapinjanja. Nakon zagrijavanja kuglica ne može proći kroz željezni prsten jer joj se povećao obujam.


Je li kuglica trajno promijenila obujam? Hoće li zauvijek zadržati povećani obujam? Što će se dogoditi kada se kuglica počne hladiti?

Nakon što se kuglica ohladi smanji joj se obujam te ponovno može proći kroz željezni prsten.


Zagrijavanjem većina čvrstih tijela povećava obujam, a hlađenjem se većini čvrstih tijela obujam smanjuje.

Promjena obujma pri promjeni temperature svojstvo je većine materijala (metala, betona, stakla itd.).

Produljenje štapa duljine 1 m zagrijanog za 1 ° C

Materijal Δ l / mm  
Olovo 0,029
Aluminij 0,026
Bakar 0,017
Željezo 0,012
Beton 0,012
Staklo 0,009

Promotrite tablicu i pokušajte zaključiti zašto se pri gradnji zgrada koristi armirani beton.

Armirani beton je beton pojačan željeznim šipkama radi povećanja njegove čvrstoće. Zašto se pri gradnji ugrađuju željezne šipke, a ne šipke od aluminija ili kojeg drugog materijala?

Iz tablice je vidljivo da beton i željezo imaju jednako produljenje pri zagrijavanju štapa duljine 1 m za 1 ° C .

U slučaju upotrebe drugih materijala, poput aluminija ili bakra, prilikom zagrijavanja došlo bi do različitog širenja betona i metala što bi dovelo do pucanja betonske konstrukcije.


Primjer 3.

Razmislite kako pomoću mlaza vruće vode možete otvoriti staklenku s metalnim poklopcem koju je teško otvoriti.

Iz tablice je vidljivo da staklo i željezo imaju različito produljenje pri zagrijavanju štapa duljine 1 m za 1 ° C . Metalni poklopac rastegne se više od stakla, pa je staklenku lakše otvoriti.


Zadatak 1.

Za koliko će se produljiti most željezne konstrukcije dugačak 50  metara ako se zagrije od 0 ° C  do 30 ° C ?

Iz tablice se vidi da se željezna šipka duljine 1 m produlji za 0,012 mm pri promjeni temperature za 1 °C . Most se zagrijao za 30 °C i zato se produljenje računa na sljedeći način:

Δ l = 0,012 mm · 50 · 30 = 18 mm = 1,8 cm  


Kutak za znatiželjne

Bimetal

Bimetal je metalna pločica ili vrpca građena od dviju različitih vrsta materijala (npr. željezo i bakar).

Pri zagrijavanju bimetalne trake materijali se šire na različite načine (npr. bakar se rasteže više od željeza). Zbog toga će se bimetalna vrpca više rastegnuti na strani na kojoj je bakar te će se savijati prema željeznom dijelu.

Pri hlađenju se bakar više steže te se bimetal savija prema bakrenom dijelu. Bimetalna vrpca najčešće se koristi u termostatima koji su sastavni dijelovi kućanskih aparata poput glačala ili bojlera.

Projekt

Proučimo svojstvo bimetala

Potrebno:

Upotrijebite omot koji se sastoji od aluminijske folije na koju je prilijepljen papir. Izrežite ga u vrpcu široku 2 cm i dugačku 6 cm . Držite vrpcu iznad plamena tako da je aluminijski dio okrenut prema plamenu.

Što uočavate? Koji se materijal zagrijavanjem više rasteže?​

Pri zagrijavanju omot gume za žvakanje savija se jer se aluminijski dio rasteže više od papira te se omot savija prema papirnatom dijelu.


Razmislite i izradite.

Što se događa s tekućinama prilikom zagrijavanja?

Zbog čega bočice soka u trgovinama nisu napunjene do vrha? Zašto cisterne s naftom ne smiju biti napunjene do samog vrha?

Izradi vježbu

U bocu ulijte do pola  vodu obojanu prehrambenom bojom. Slamčicu progurajte  kroz čep i dobro ju zabrtvite plastelinom. Zagrijte dlanove  trljanjem i obgrlite dlanovima bocu

Potrebno:  

U bocu ulijte do pola vodu obojenu prehrambenom bojom. Slamčicu progurajte kroz čep i dobro ju zabrtvite plastelinom. Zagrijte dlanove trljanjem i njima obgrlite bocu.

Što se događa s razinom vode u slamčici? Zašto se razina vode podiže? Što će se dogoditi ako sklonimo dlanove s boce? ​

Dlanovima zagrijavamo tekućinu, time joj povećavamo obujam i stoga se razina vode u slamčici podiže. Kada sklonimo ruke s boce, tekućina se hladi pa joj se obujam smanjuje i stoga se razina vode u slamčici snižava.

Probajte ponoviti ovaj pokus tako da vodu zamijenite alkoholom. Promjena obujma alkohola zagrijavanjem veća je od promjene obujma vode zagrijavanjem, te će u tom slučaju stupac alkohola biti veći od stupca vode.


Čestice u tekućinama zagrijavanjem se sve brže gibaju te se udaljuju jedne od drugih. Na taj način zauzimaju veći prostor, odnosno povećava se obujam zagrijane tekućine.

Zagrijavanjem tekućina povećava se njihov obujam. Hlađenjem tekućina njihov se obujam smanjuje.

Što se događa s plinovima prilikom zagrijavanja?

Što se nalazi unutar lopte? Zašto se lopta ispuhala po noći, a raširila po danu dok ju je Sunce zagrijavalo?

U lopti se nalazi zrak u kojem se čestice slobodno gibaju. Zagrijavanjem čestica zraka unutar lopte one se gibaju sve brže pa se razmaci među njima povećavaju i zato se povećava obujam zraka unutar lopte. Hlađenjem se obujam zraka u lopti smanjuje.


Zagrijavanjem plinova povećava se njihov obujam, a hlađenjem se smanjuje.

Zanimljivost

Balon na topli zrak

Baloni lete pomoću toplog zraka koji se zagrijava plamenikom. Zrak koji se zagrijava nalazi se u unutrašnjosti nepropusnog omotača balona. Zrak unutar balona ima manju gustoću od okolnog zraka te zbog toga balon lebdi.

Pokus

Potrebno:     ​

Na grlo boce prstima nanesite tanki sloj vode. Namočite novčić od 1 kn i postavite ga na grlo boce kao čep. Ugrijte dlanove trljanjem i njima obgrlite bocu.

Promatrajte što se događa. Kako se ponaša novčić? Zašto kuna skakuće na vrhu boce?​

Dlanovima zagrijavamo zrak unutar boce jer su naše ruke toplije od zraka u boci. Tako se povećava obujam zraka unutar boce pa on gura novčić koji poskakuje na vrhu boce.


Mijenja li se zagrijavanjem gustoća tijela?

Gustoća tijela ovisi o masi i obujmu. Masa je svojstvo tijela koje se ne mijenja. Što se događa s gustoćom promjenom obujma?

Balon na topli zrak

Što se događa s obujmom zraka unutar balona? Kako znamo da se obujam zraka povećao? Kakvi su razmaci između čestica zraka na animaciji kada smo ga zagrijali? Što nam to govori o gustoći zraka?

Zagrijavanjem većine tvari obujam se povećava, a gustoća se smanjuje.

ρ = m V   ​ 

m = konst.

ρ 1 V

Kutak za znatiželjne

Vrijedi li ovo za sve tvari?

Postoje i materijali kojima se prilikom zagrijavanja smanjuje obujam, poput plastike ili gume.

Naučili smo da se zagrijavanjem tijelima povećava obujam, smanjuje gustoća i obrnuto. Ovo pravilo vrijedi za većinu tekućina, ali voda pokazuje jednu nepravilnost koju nazivamo anomalija vode.


Kutak za znatiželjne

Anomalija vode omogućava život u jezerima i morima po zimi.

Pri hlađenju vode njezin obujam se smanjuje, ali samo do 4 °C , kada je ona najgušća. Daljnjim hlađenjem obujam vode se povećava, zbog čega joj se gustoća smanjuje. Zato led pliva na vodi jer na 0 °C ima manju gustoću od vode.

Ovo odstupanje od pravila vrlo je važna pojava u prirodi i omogućava život na Zemlji.

Zbog vanjskog utjecaja hladnog zraka voda u jezerima i morima po zimi se hladi. Kako se temperatura smanjuje, tako voda na površini koja dostigne 4 °C pada na dno zbog najveće gustoće. Istodobno, toplija voda iz dubine premješta se prema površini sve dok se sva voda ne ohladi na 4 °C . Daljnjim opadanjem temperature gustoća vode se smanjuje te se ta voda zadržava na površini i smrzava se, tj. prelazi u tanki sloj leda. Kako se sloj leda povećava, tako pruža izolaciju donjem sloju vode, tj. pruža mu ledeni pokrov.

Kad bi se voda pravilno toplinski širila, najhladnija voda bila bi pri dnu gdje bi započelo smrzavanje što bi bilo nepovoljno za život u vodi.

Zanimljivost

U proračunima koristimo vrijednost za gustoću vode od ​ 1000   kg m 3    iako se ona mijenja promjenom temperature.

Gustoća vode na 4 ​ ° C iznosi 999,9720 kg m 3 , na 0  ° C iznosi 999,8395 kg m 3 , a na 100  ° C iznosi 958,4 kg m 3 .

...i na kraju

Većina čvrstih tijela, tekućina i plinova zagrijavanjem se širi, pri čemu im se obujam povećava, a hlađenjem se stišću i obujam im se smanjuje. Pritom se gustoća tijela pri širenju smanjuje, a pri stezanju povećava. Odstupanje pokazuje voda, a tu pojavu nazivamo anomalija vode.

  1. Voda je najgušća pri temperaturi od 4 ° C .

    null
    null
  2. Led ima veću gustoću i manji obujam od vode na sobnoj temperaturi.

    null
    null
  3. Čvrsta tijela šire se u svim smjerovima kada ih zagrijavamo.

    null
    null
  4. Vruća voda ima veću gustoću od hladne vode.

    null
    null
  5. Povišenjem temperature najmanje se šire tvari, a najviše  tvari.
    null
    null
  6. Kada se voda smrzava njezina se  mijenja i postaje manja.
    null
    null
  7. Povećanjem temperature povećava se i obujam tekućina, izuzetak je voda. Ta pojava naziva se  .
    null
    null
  8. Promjena obujma plina obrnuto je razmjerna promjeni  .
    null
    null

  9. Bimetalna traka


    Bimetalna traka napravljena je od željeza (A) i aluminija (B). Kada se traka zagrijava, ona će se:

     

    null

  10. Bimetalna traka


    Bimetalna traka građena je od aluminija (A) i bakra (B). Kad se traka zagrijava, ona će se:

    null
  11. Žice dalekovoda ljeti vise zbog:

    null
    null
  12. Visina stupa dalekovoda iznosi 9 m . Kolika će biti visina stupa po ljeti pri temperaturi od 30 ° C u odnosu na zimu kada je temperatura 0 ° C ? Stup dalekovoda izgrađen je od čelika. Produljenje štapa dugog 1 m   pri promjeni temperature za 1 ° C iznosi 0,0012 mm .

    null
    null

Idemo na sljedeću jedinicu

4.3 Mjerenje temperature