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.