-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 9. Òåïëîâîå ðàñøèðåíèå òâåðäûõ è æèäêèõ òåë § 9.2. Òåïëîâîå ëèíåéíîå ðàñøèðåíèå
Îïûò ïîêàçûâàåò, ÷òî ïðè íåáîëüøèõ èçìåíåíèÿõ òåìïåðàòóðû èçìåíåíèå ëèíåéíûõ ðàçìåðîâ òâåðäîãî òåëà ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî èçìåíåíèþ òåìïåðàòóðû (ðèñ. 9.3). Òàê êàê óäëèíåíèå ïðè íàãðåâàíèè (èëè óêîðî÷åíèå ïðè îõëàæäåíèè) çàâèñèò òàêæå îò ïåðâîíà÷àëüíîé äëèíû òåëà, óäîáíåå ðàññìàòðèâàòü íå ñàìî óäëèíåíèå òåëà, à îòíîñèòåëüíîå óäëèíåíèå: îòíîøåíèå óâåëè÷åíèÿ äëèíû ωl = l - l0 ê ïåðâîíà÷àëüíîé äëèíå l0. Îòíîñèòåëüíîå óäëèíåíèå
Êîýôôèöèåíò ïðîïîðöèîíàëüíîñòè α1 íàçûâàþò òåìïåðàòóðíûì êîýôôèöèåíòîì ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ. Îí ïîêàçûâàåò, íà êàêóþ äîëþ ñâîåãî ïåðâîíà÷àëüíîãî çíà÷åíèÿ èçìåíÿþòñÿ ëèíåéíûå ðàçìåðû òåëà ïðè íàãðåâàíèè åãî íà 1 Ê. Êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ çàâèñèò îò ïðèðîäû âåùåñòâà, à òàêæå îò òåìïåðàòóðû. Îäíàêî, åñëè ðàññìàòðèâàòü èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû â íå ñëèøêîì øèðîêèõ ïðåäåëàõ, çàâèñèìîñòüþ α1 îò òåìïåðàòóðû ìîæíî ïðåíåáðå÷ü è ñ÷èòàòü òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ âåëè÷èíîé ïîñòîÿííîé äëÿ äàííîãî âåùåñòâà. Äëÿ áîëüøèíñòâà âåùåñòâ ýòîò êîýôôèöèåíò ìàë, åãî çíà÷åíèÿ ñîñòàâëÿþò 10-5—10-6Ê-1. Îñîáåííî ìàë êîýôôèöèåíò ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ â äèàïàçîíå òåìïåðàòóð îò -30 äî +100 °Ñ ó èíâàðà (ñïëàâ æåëåçà è íèêåëÿ). Ïîýòîìó èíâàð ïðèìåíÿþò äëÿ èçãîòîâëåíèÿ òî÷íûõ èíñòðóìåíòîâ, èñïîëüçóåìûõ ïðè îïðåäåëåíèè ðàçìåðîâ òåë. Ëèíåéíûå ðàçìåðû ñàìîãî èíñòðóìåíòà èç èíâàðà ìàëî çàâèñÿò îò êîëåáàíèé òåìïåðàòóðû. Ëèíåéíûå ðàçìåðû òåëà, êàê âûòåêàåò èç ôîðìóëû (9.2.1), çàâèñÿò îò èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû ñëåäóþùèì îáðàçîì: l = l0(1 + α1Δt). (9.2.2)  ôîðìóëàõ (9.2.1) è (9.2.2) îáû÷íî íà÷àëüíîå çíà÷åíèå òåìïåðàòóðû ïîëàãàþò ðàâíûì íóëþ (t0 = 0 °Ñ) è ñîîòâåòñòâåííî t0 ñ÷èòàþò äëèíîé òåëà ïðè ýòîé òåìïåðàòóðå. Íà ïðàêòèêå æå íà÷àëüíàÿ òåìïåðàòóðà òåëà äàëåêî íå âñåãäà áûâàåò ðàâíà 0 °Ñ. Òîãäà ðàñ÷åò äëèíû òåëà ïðè ëþáîé òåìïåðàòóðå ìîæíî âûïîëíèòü òàê. Ïóñòü ïðè òåìïåðàòóðå t1 äëèíà òåëà ðàâíà l1, à ïðè òåìïåðàòóðå t2 îíà ðàâíà l2. Òîãäà, ñ÷èòàÿ íà÷àëüíóþ òåìïåðàòóðó t0 = 0 °Ñ, èìååì l1 = l0(1 + α1t1),
Îòñþäà
Îäíàêî, ó÷èòûâàÿ, ÷òî çíà÷åíèå α1 î÷åíü ìàëî, ôîðìóëó (9.2.3) ìîæíî óïðîñòèòü. Óìíîæèâ ÷èñëèòåëü è çíàìåíàòåëü íà 1 - α1t1, ïîëó÷èì
Ââèäó ìàëîñòè êîýôôèöèåíòà α1 ÷ëåíû, ñîäåðæàùèå
Ðåøàÿ çàäà÷è ñ ó÷åòîì òåïëîâîãî ëèíåéíîãî ðàñøèðåíèÿ òåë, íåîáõîäèìî èìåòü â âèäó, ÷òî ïðè èçìåíåíèè òåìïåðàòóðû ìåíÿåòñÿ íå òîëüêî äëèíà, íî è âñå äðóãèå ëèíåéíûå ðàçìåðû òåëà. Òàê, ó êðóãëîãî ñòåðæíÿ ïðè íàãðåâàíèè óâåëè÷èâàåòñÿ äèàìåòð, è ïðèòîì âî ñòîëüêî ðàç, âî ñêîëüêî óâåëè÷èâàåòñÿ äëèíà ñòåðæíÿ. Ó ïëàñòèíêè â îäíî è òî æå ÷èñëî ðàç óâåëè÷èâàþòñÿ äëèíà, øèðèíà è òîëùèíà. Åñëè íà÷åðòèòü íà ïëàñòèíêå êàêóþ-íèáóäü ëèíèþ, òî äëèíà ýòîé ëèíèè ïðè íàãðåâàíèè óâåëè÷èòñÿ â òàêîå æå ÷èñëî ðàç. Ó îêðóæíîñòè óâåëè÷àòñÿ åå äëèíà è äèàìåòð. Ïðè íàãðåâàíèè ïëàñòèíêè, èìåþùåé êðóãëîå îòâåðñòèå, äèàìåòð îòâåðñòèÿ òîæå óâåëè÷èòñÿ. Äåëî â òîì, ÷òî ïðè ðàâíîìåðíîì íàãðåâàíèè â òåëå íå âîçíèêàþò ñèëû óïðóãîñòè. Ïîýòîìó ðàñøèðåíèå ïðîèñõîäèò òàê, êàê åñëè áû ïëàñòèíêà áûëà ñïëîøíîé. Òî÷íî òàê æå óâåëè÷èâàåòñÿ ïðè íàãðåâàíèè äèàìåòð ãàéêè, ðàçìåðû ðàêîâèíû â òîëùå ìåòàëëè÷åñêîé îòëèâêè è ò. ä.  ñïðàâåäëèâîñòè ñêàçàííîãî ìîæíî óáåäèòüñÿ íà îïûòå ñ ìåòàëëè÷åñêèì øàðîì, î êîòîðîì óæå øëà ðå÷ü â § 9.1. Øàð çàñòðåâàåò â êîëüöå, åñëè åãî íàãðåòü, è ïðîõîäèò ñ áîëüøèì çàçîðîì, åñëè íàãðåòü êîëüöî. Íàîáîðîò, ïðè îõëàæäåíèè êîëüöà øàð çàñòðåâàåò, à îõëàæäåíèå øàðà óâåëè÷èâàåò çàçîð ìåæäó íèì è êîëüöîì.
|
|
|