Представьте себе летнюю жару. Вы пытаетесь открыть металлическую крышку на банке с огурцами, но она не поддается. Что делают взрослые? Правильно, льют на неё горячую воду. И крышка magically открывается! Почему?
Или другой пример: почему провода между столбами зимой натянуты как струна, а летом провисают? Во всем виновато явление, которое называется Тепловое расширение и сжатие.
Тепловое расширение — это увеличение линейных размеров и объёма тела при его нагревании.
Тепловое сжатие — это уменьшение размеров и объёма тела при его охлаждении.
Почему это происходит?
Давайте заглянем внутрь вещества. Мы знаем, что все тела состоят из частиц (атомов, молекул), которые находятся в постоянном хаотическом движении. Это тепловое движение.
-
Когда мы нагреваем тело, мы сообщаем ему энергию. Частицы начинают двигаться быстрее и сильнее расталкивать соседей. Амплитуда их колебаний увеличивается. Им нужно больше пространства! Поэтому вещество расширяется.
-
Когда мы охлаждаем тело, мы энергию забираем. Частицы двигаются медленнее, слабее отталкиваются, и вещество сжимается.
Простая аналогия: Представьте, что вы на дискотеке (это нагревание). Если все танцуют очень энергично, они занимают больше места, размахивая руками. Если музыка стихла (охлаждение), все стоят ближе друг к другу.
Важный факт: У разных веществ коэффициент теплового расширения разный! Газы расширяются сильно, жидкости — слабее, твёрдые тела — ещё слабее.
Примеры вокруг нас
Здесь можно разделить примеры на «полезные» и «вредные», которые нужно учитывать.
А) Примеры, которые мы используем с пользой:
-
Термометр. Столбик спирта или ртути в трубке расширяется при нагревании и поднимается вверх. Это самый наглядный пример!
-
Соединение деталей. Как в загадке: металлическую крышку нагрели, она расширилась, и её стало легко открыть. В технике горячие детали (например, подшипник) сажают на вал, а когда они остывают и сжимаются, получается очень прочное соединение.
-
Биметаллическая пластина. Две пластины из разных металлов (например, сталь и латунь) склеены. Они по-разному расширяются при нагреве. Пластина изгибается. Это используется в терморегуляторах утюга, электрического чайника, в автоматических выключателях (предохранителях).
Б) Примеры, которые могут навредить, и как с этим борются:
-
Рельсы и мосты. Летом длинные металлические конструкции могут расшириться так, что путь искривится или мост разрушится. Поэтому:
-
Между рельсами оставляют зазоры.
-
Мосты устанавливают на специальные опоры (ролики), которые позволяют конструкции двигаться.
-
-
Стекло и посуда. Если налить кипяток в холодный стакан, его внутренняя часть расширится быстро, а внешняя еще нет. Из-за этого разного расширения стекло треснет. Поэтому для чая используют толстое стекло или фарфор, которые нагреваются более равномерно.
-
Провода ЛЭП. Летом они провисают, потому что удлиняются. Зимой, сжимаясь, они могут порваться, если их натянуть слишком сильно. Поэтому их монтируют с расчетом на зимнее сжатие.
Линейное и объёмное расширение тел
У тел, у которых один из размеров значительно больше остальных, можно пренебречь изменением размера по двум другим осям и считать, что меняется только одно измерение. Такое расширение считают линейным.
Если пренебречь нельзя, то расширение считается объёмным.
Аномалия воды: самое важное исключение!
У всех правил есть исключения. И здесь оно самое важное для жизни на Земле! Вода при охлаждении от +4°C до 0°C не сжимается, а расширяется! Лед занимает больший объем, чем вода. Поэтому:
-
Лед плавает на поверхности воды.
-
Бутылка с водой, оставленная на морозе, лопается.
-
Почему это хорошо? Озера и реки зимой замерзают сверху, а на дне остается вода +4°C, где могут выжить рыбы. Если бы лед тонул, все водоемы промерзали бы до дна.
Главный вывод: Тепловое расширение и сжатие — фундаментальное явление природы. Его нужно обязательно учитывать в строительстве, технике и в быту, чтобы создавать надежные и долговечные конструкции. А уникальное свойство воды — причина существования жизни в том виде, в каком мы её знаем.
- Информация о материале
- Просмотров: 402
Проведём эксперимент. Наэлектризуем эбонитовую палочку трением о мех, а затем коснёмся ею металлической гильзы. Теперь, если поднести к гильзе наэлектризованную эбонитовую палочку, то гильза отталкивается, а если поднести наэлектризованную стеклянную палочку, то гильза притянется.
Из опыта можно сделать выводы:
1) заряд можно передать от одного тела к другому (гильзу наэлектризовали прикосновением);
2) одноимённые заряды отталкиваются;
3) разноимённые заряды притягиваются.
Для измерения количества переданного электричества нужен прибор, который покажет, сколько заряда передано от одного тела другому.
Есть два прибора такого типа, основанных на свойстве одноимённых зарядов отталкиваться.
Электроскоп — внутри стеклянной колбы (банки) помещают металлический стержень, на нижнем конце которого прикреплены два листочка фольги или бумаги. Если верхнего конца стержня электроскопа коснуться заряженной палочкой, то он зарядится, и его листочки разойдутся.
Электрометр — стержень вставлен через пластмассовую пробку в металлический кожух, к нему прикрепляется металлический шар. Если к шару прикоснуться заряженным телом, то шар, а также стрелка и стержень электрометра зарядятся. Чем больше заряд тела, тем больший заряд оно сообщит стержню и стрелке и тем больше будет угол отклонения стрелки.
Чтобы электроскоп или электрометр использовать снова, его нужно разрядить. Попробуем это сделать с помощью
а) деревянной палочки, б) металлического стержня, в) руки.
Видно, что через деревянную палочку заряд между электроскопами не передаётся, а вот по металлическому стержню переходит.
Через тело человека заряд электрометра передаётся Земле (поскольку размеры Земли огромны, заряд передаётся полностью).
Значит, вещества обладают разными электрическими свойствами. Вещества, ведущие себя в аналогичных опытах подобно металлам и передающие заряд, называют проводниками. Вещества, которые подобно стеклу не передают заряд, называют диэлектриками.
Проводниками являются металлы, электролиты (их примерами могут служить растворы солей и кислот), графит и др.
К диэлектрикам относятся фарфор, эбонит, стекло, янтарь, резина, дистиллированная вода, воздух и др. Тела, изготовленные из диэлектриков, часто называют изолято рами.
Существуют вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их называют полупроводниками. Способность этих веществ передавать электрический заряд зависит от внешних условий: температуры, освещённости и др. Типичные, широко применяемые в технике (в частности, в электронике) полупроводники — германий и кремний. В обычных условиях они являются диэлектриками, а, например, при нагревании становятся проводниками.
Применение полупроводников
- Информация о материале
- Просмотров: 314
В любом двигателе энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, превращается в механическую работу. Однако часть энергии неизбежно теряется и не может быть использована полезно.
Схема теплового двигателя
Тепловой двигатель состоит из трёх частей: нагреватель, рабочее тело, холодильник.
Рабочим телом обычно служит пар или газ. В нагревателе при сжигании топлива выделяется энергия, которая идёт на нагревание рабочего тела. Рабочее тело, расширяясь, совершает работу. Однако нам требуется не однократное расширение, а циклическая работа двигателя. Поэтому рабочее тело надо вернуть в исходное состояние, т. е. сжать его. При этом работа, затраченная на сжатие, должна быть меньше работы, совершённой при расширении. Для этого сжатие осуществляют, приведя систему в контакт с холодильником (телом с более низкой температурой). Холодильником может служить окружающая среда.
По закону сохранения энергии совершаемая двигателем работа равна разности между теплом, полученным от нагревателя, и теплом, отданным холодильнику.
A = Q1 - Q2
В действительности совершённая работа ещё меньше. Это связано с нагреванием деталей двигателя, наличием трения между ними и т. д.
Отношение совершённой двигателем работы к количеству теплоты, выделившемуся при сгорании топлива, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД).
КПД теплового двигателя рассчитывают по формуле:
Так как некоторое количество теплоты рабочее тело передаёт холодильнику, то A < Q1 и коэффициент полезного действия всегда меньше единицы. Часто его выражают в процентах, тогда говорят, что КПД меньше 100%.
Например, КПД современных турбоагрегатов может достигать 40—50%, бензинового двигателя составляет 20—25%, дизеля — 35%.
- Информация о материале
- Просмотров: 421
Вы часто встречались со статическим электричеством, например, когда снимали шерстяной свитер и волосы втавали дыбом, или когд апользовались в очень сухом помещении пластмассовой расчёской и в других случаях.
Ещё древние греки обнаружили, что если потереть янтарь о шерсть, то к нему начинают прилипать мелкие предметы. Слово «янтарь» по-гречески «электрон». Поэтому явление, возникающее при трении двух разнородных твёрдых тел, было названо электризацией.
Опыты по электризации
1) Возьмём стеклянную палочку. Потрём её листом бумаги и поднесём к мелким кусочкам бумаги.
2) Если потереть о шерсть эбонитовую палочку, то и палочка, и кусочек шерсти приобретут способность притягивать мелкие бумажки.
При трении электризуются оба тела. В этом легко убедиться, если поднести к кусочкам бумаги листок, потёртый о палочку. Он тоже будет притягивать эти бумажки.
Взаимодействие наэлектризованных тел
Выясним, как взаимодействуют друг с другом наэлектризованные тела. Для этого наэлектризуем две эбонитовые палочки, потерев их о шерсть. Подвесим одну палочку на нити и поднесём к ней другую. Палочка на нити повернётся, оттолкнувшись от неподвижной палочки. Если же к подвешенной эбонитовой палочке поднести стеклянную палочку, потёртую о шёлк, то эбонитовая палочка к ней притянется.
Взаимодействие наэлектризованных тел было названо электрическим.
Свойство тел, от которого зависит сила их электрического взаимодействия, характеризуется физической величиной — электрический заряд.
Электрический заряд обозначают буквой q и измеряют в кулонах (Кл). Единица заряда названа в честь французского физика Шарля Кулона.
Ппри электризации тела приобретают электрический заряд. Электризация может происходить не только при трении тел друг о друга, но и при соприкосновении, и даже без непосредственного контакта между телами.
Электризация — это сообщение телу электрического заряда.
Опыты показывают, что наэлектризованные тела делятся на две группы. В каждой из этих групп любые два тела взаимно отталкиваются, в то же время любые два тела из разных групп взаимно притягиваются. Это означает, что существует два рода (вида) электрических зарядов.
Одни тела электризуются так, как стеклянная палочка (действуют на другие наэлектризованные тела так, как эта палочка), т. е. приобретают положительный заряд. Другие — как эбонитовая палочка, т. е. приобретают отрицательный заряд.
Существует два рода электрических зарядов; тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются.
- Информация о материале
- Просмотров: 398
В наши дни паровые турбины стали основным агрегатом тепловых и атомных электростанций. Они также используются на морских и речных судах в качестве двигателей.
В паровой турбине сначала внутренняя энергия нагретого пара переходит в кинетическую энергию потока пара, а затем в кинетическую энергию вращения ротора (вращающейся части) турбины.
Нагретый в котле водяной пар поступает в трубки — со́пла 1. Форма трубок такова, что скорость пара в них увеличивается, а его температура при движении по трубке уменьшается. Таким образом, кинетическая энергия потока пара увеличивается за счёт его внутренней энергии. Поток пара 2 направляется на лопатки 3, закреплённые по ободу диска 4. Диск насажен на вал 5. Вал и диск с лопатками образуют ротор турбины. Быстро движущийся пар оказывает давление на лопатки и заставляет ротор вращаться.
Над усовершенствованием конструкции паровой турбины работали в разное время учёные и инженеры многих стран. Так, шведский инженер Густав де Лаваль (1845—1913) в 1890 г. предложил конструкцию сопла́, позволяющего получать сверхзвуковые скорости пара. Это сопло́ используется и в настоящее время и называется сопло Лаваля. А английский механик Чарлз Парсонс (1854—1931) в 1884 г. запатентовал многоступенчатую турбину. В настоящее время турбины Парсонса являются основными двигателями электростанций.
- Информация о материале
- Просмотров: 375
