DANE INFORMACYJNE

2. DANE INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: Gimnazjum im. Adama Mickiewicza w Brodach Gimnazjum im. Tadeusza Kościuszki w Pile • ID grupy: 98/66 _MF_G2, 98/27_MF_G1 • Opiekunowie: Grażyna Nowak, Alicja Marcinek • Kompetencja: matematyczno – fizyczna • Temat projektowy: „Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych, cieczy i gazów” • Semestr/rok szkolny: semestr III /rok szkolny 2010/2011

3. Spis treści: • Cele projektu. • Wstęp – podstawowe informacje dotyczące budowy materii. • Rozszerzalność temperaturowa ciał - podstawowe pojęcia, definicje i wzory. • Anomalna rozszerzalność wody. • Przykłady przeciwdziałania skutkom zjawiska rozszerzalności temperaturowej ciał oraz przykłady jego wykorzystania. • Przykłady doświadczeń z zakresu rozszerzalności cieplnej ciał stałych, cieczy i gazów. • Przykłady zadań. • Podsumowanie.

4. Cele projektu

5. Zebranie i usystematyzowanie wiadomości dotyczących budowy materii. • Wybór i przeprowadzenie doświadczeń badających rozszerzalność ciał stałych, cieczy i gazów. • Rozwiązywanie przykładowych zadań związanych z rozszerzalnością cieplną. • Poznanie przykładów przeciwdziałania skutkom zjawiska rozszerzalności temperaturowej ciał oraz przykładów jego wykorzystania.

6. Kształtowanie umiejętności samodzielnego korzystania z różnych źródeł informacji, gromadzenie, selekcjonowanie i przetwarzanie zdobytych informacji. • Doskonalenie umiejętności prezentacji zebranych materiałów. • Wyrabianie odpowiedzialności za pracę własną i całej grupy.

7. Budowa materii - podstawowe informacje

8. Budowamaterii Substancje z którymi mamy styczność na co dzień, np. woda, powietrze, drewno, masy plastyczne, metal, tworzywa sztuczne sprawiają wrażenie ciągłości w ich budowie. Materia jednak zbudowana jest z maleńkich cząsteczek, które cały czas są w ruchu. Już w starożytności Demokryt z Abdery doszedł do wniosku, że materia ma budowę nieciągłą. Składa się z ziaren, które nazwał atomami. Dopiero w XVIII w. chemicy D. Bernoullie, A. Lavoisier i J. Dalton stworzyli współczesną teorię cząsteczkowej budowy ciał, ale jej doświadczalne potwierdzenie zostało dokonane dopiero na początku XIX wieku.

9. Postulaty teorii atomistyczno-cząsteczkowej budowy materii Daltona. 1.Atom jest najmniejszą cząstką materii o określonych właściwościach fizycznych i chemicznych. 2. Pierwiastek to materia składająca się z tych samych atomów określających jego właściwości chemiczne i fizyczne. 3. Związek chemiczny powstaje w wyniku łączenia się 2-óch lub większej liczby atomów z 2-óch lub większej liczby pierwiastków, w wyniku czego atomy łącząc się ze sobą tworzą całkowicie nową substancje o innych właściwościach niż by miały poszczególne atomy osobno.

10. Podstawowe założenia kinetyczno-cząsteczkowej teoriibudowy materii. • Wszystkie ciała zbudowane są z cząsteczek (molekuł). • Cząsteczki (molekuły) pozostają w bezustannym, chaotycznym (nieuporządkowanym) ruchu, zwanym ruchem cieplnym (termicznym). Potwierdzeniem kinetyczno-cząsteczkowej teorii budowy materii są np. zjawiska: dyfuzji, ruchy Browna, powstawanie roztworów, zjawisko kontrakcji, rozszerzalność termiczna ciał.

11. Ruchy Browna to nieuporządkowane ruchy cząstek zawiesin (np. pyłku roślinnego) zawieszonych w cieczy lub gazie. Robert Brown zaobserwował zjawisko, które na początku XX wieku zostało uznane za jeden z najmocniejszych dowodów na istnienie atomów. Wyjaśnienie i opracowanie teoretyczne (matematyczne) ruchów Browna zawdzięczamy Albertowi Einsteinowi i polskiemu fizykowi Marianowi Smoluchowskiemu. l

12. Zjawisko kontrakcji – polega na zmniejszeniu objętości mieszaniny cieczy. Objętość roztworu jest mniejsza od sumy objętości cieczy przed wymieszaniem. Zjawisko to ma miejsce, gdy rozmiary cząsteczek są różne. Model zjawiska kontrakcji. Cząsteczki są jak ziarenka różnego kształtu i różnej wielkości. Dyfuzja – zjawisko samorzutnego mieszania się cząsteczek różnych substancji.

13. Rozszerzalność temperaturowa ciał - podstawowe pojęcia

14. Rozszerzalność cieplna (rozszerzalność termiczna) właściwość fizyczna ciał polegająca na zwiększaniu się ich długości (rozszerzalność liniowa) lub objętości (rozszerzalność objętościowa) w miarę wzrostu temperatury. Spadek temperatury powoduje zmniejszenie się wymiarów ciał.

15. Wyjaśnienie zjawiska Wpływ na prędkość ruchu cząsteczek ma temperatura. Gdy rośnie, cząsteczki poruszają się coraz szybciej, rośnie zatemśrednia odległość miedzy atomami. Prowadzi to do rozszerzenia całego ciała stałego. Zjawisko to zachodzi również w cieczach i gazach.

16. Rozszerzalność objętościowa • Wraz ze wzrostem temperatury ciał stałych, cieczy i gazów wzrasta ich objętość. • Zjawisko to najszybciej zachodzi w gazach a najwolniej w ciałach stałych - wzrost objętości cieczy jest około 10 razy większy niż dla ciał stałych (w tych samych warunkach). • Rozszerzalność cieczy i ciał stałych jest różna i zależy od rodzaju substancji. • Przyrost objętości jest wprost proporcjonalny do przyrostu temperatury. ∆V~ ∆T

17. Rozszerzalność objętościowa – cd. Wzór poniższy pozwala obliczyć objętość ciała po zmianie temperatury o ∆T. Spełniają go nie tylko ciała stale, ale również ciecze i gazy (przy stałym ciśnieniu). – objętość cieczy po zmianie temperatury, ∆T – przyrost temperatury – objętość początkowa, – współczynnik rozszerzalności objętościowej .

18. Współczynnik rozszerzalności określa o ile zwiększa się objętość 1 m³ po zwiększeniu temperatury o 1 K. Jednostką współczynnika rozszerzalności objętościowej w układzie SI jest odwrotność Kelwina

19. Tabela przedstawia przyrost objętości 1 litra substancji przy wzroście temp. o 1°C (od 20°C do 21°C)

21. Rozszerzalność temperaturowa gazów • Gazy rozszerzają się o wiele silniej niż ciała stałe i ciecze (około 1000 razy szybciej niż ciała stale). • Gazy ogrzewane pod stałym ciśnieniem rozszerzają się równomiernie. • Wszystkie gazy rozszerzają się jednakowo a współczynniki rozszerzalności objętościowej mają wspólną wartość .

22. Rozszerzalność liniowa W przypadku prętów, szyn, przewodów elektrycznych istotny jest przyrost długości ciała. Przyjmuje się, że zmiana długości jest proporcjonalna do zmiany temperatury, co wyraża wzór na rozszerzalność liniową Rozszerzalność liniową określa się tylko dla ciał stałych.

23. Współczynnik rozszerzalności liniowej α informuje o ile zwiększa się długość 1 m danej substancji po ogrzaniu o jednostkę temperatury (1 K) lub 1 °C. Jednostką współczynnika rozszerzalności liniowej w układzie SI jest odwrotność kelwina. Rozszerzalnośćliniowąokreślasiętylkodlaciałstałych Przykład: 1 m stalowego drutu przy ogrzaniu o 1 ̊C wydłuża się o 0,01 mm a przy ogrzaniu o 100 ̊C wydłuży się o 1 mm.

24. Tabela przedstawia przyrost długości 1 m danej substancji przy wzroście temp. O 100 °C

26. Temperatura

27. Temperatura – jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek.Jednostką temperatury w układzie SI jest kelwin [K] Pod względem mikroskopowym, temperatura zależy od ruchu cząsteczek, z których złożone jest ciało. Temperatura rośnie, kiedy wzrasta energia tych ruchów. Ruch może być związany z przemieszczaniem się cząsteczki (np. w gazie), z drganiami atomów, cząsteczek (np. w krysztale), drganiami wewnętrznymi cząsteczki.

28. Skale temperatur Skala Celsjusza to jedna ze skal pomiaru temperatury (od nazwiska szwedzkiego uczonego Andersa Celsjusza, który zaproponował ją w roku 1742).

29. Skala Kelvina (skala bezwzględna) tzn. zero w tej skali oznacza najniższą teoretycznie możliwą temperaturę, jaką może mieć kryształ doskonały, w którym ustały wszelkie drgania cząsteczek (zero bezwzględne). Temperatura ta nie została nigdy zarejestrowana, gdyż praktycznie nie da się jej osiągnąć, lecz obliczono ją na podstawie funkcji uzależniającej temperaturę od energii kinetycznej drgań cząsteczek w krysztale doskonałym. Funkcję tę opracował Lord Kelvin; od niego pochodzi też nazwa skali.

30. Skala Fahrenheita to skala pomiaru temperatury stosowana w niektórych krajach anglosaskich. Skalę w 1715 zaproponował Daniel Gabriel Fahrenheit. Na punkt zerowy skali wyznaczył on najniższą temperaturę zimy 1708/1709 r. zanotowanąw Gdańsku (jego rodzinnym mieście). 212°F to temperatura wrzenia wody. 

31. Daniel GabrielFahrenheit 1686 - 1736 Fizyk i inżynier pochodzenia niemieckiego. Większość okresu naukowego spędził w Niderlandach. Wynalazca termometru rtęciowego, twórca skali temperatur używanej w niektórych krajach anglosaskich. Skonstruował również prototyp higrometru.  W geście uznania dla jego wkładu do nauki został przyjęty w poczet elitarnego Royal Society.Zmarł w nędzy, z dala od rodzinnego miasta. Zachował się jego testament, w którym prosi o najtańszy pogrzeb oraz spieniężenie kilku pozostałych sprzętów i przekazanie dzieciom swej siostry, do Gdańska.

32. Anders Celsjusz(1701- 1766) miejscem jego urodzenia była miejscowość Uppsala, w Szwecji. Anders od najmłodszych lat chłonął naukową atmosferę. W wieku 29 lat otrzymał tytuł profesorski. W roku 1734 Celsjusz rozpoczął obserwacje w Paryskim Obserwatorium. Odkrył magnetyczną naturę zórz polarnych. Skatalogował również pod względem jasności prawie 300 gwiazd. Anders Celsjusz Dom Celsjusza Obserwatorium

33. William Thomson, (Lord Kelvin )(1824 -1907 r.) brytyjski fizyk pochodzenia irlandzkiego, matematyk, oraz przyrodnik. Sformułował drugą zasadę termodynamiki, badał elektryczność i magnetyzm, zajmował się zastosowaniem fizyki w technice. ANEGDOTA Kelvin wymyślał wiele pomysłowych doświadczeń. Ale niejednokrotnie mogły one zakończyć się tragicznie. Pewnego razu Kelvin demonstrował działanie wahadła balistycznego. Był to jeden z ulubionych jego pokazów i wymagał strzelby, z której strzelał do wahadła. Zdarzyło się jednak, że Kelvin chybił i kula przeszła przez ścianę do sąsiedniej sali wykładowej, gdzie utkwiła w tablicy. Przerażony Kelvin pobiegł zobaczyć co się stało. Na szczęście wykładający tam profesor nie poniósł szwanku, ale wbiegającego Kelvina studenci powitali okrzykiem: - Nie trafił go pan, proszę spróbować jeszcze raz.

34. Anomalna rozszerzalność wody

35. Większość ciał zwiększa swoją objętość w wyniku wzrostu temperatury, znanych jest jednak kilka wyjątków. Najbardziej znanym przykładem odstępstwa od reguły jest woda , która w zakresie od 0 °C do 4 °C zmniejsza swoją objętość przy wzroście temperatury. Gdy temperatura spada poniżej zera, woda o temperaturze 4°C mająca największą gęstość opada na dno zapewniając wszelkim organizmom żywym odpowiednie warunki do życia.

36. Temperatura wody zimą Temperatura wody latem

37. Nietypowym zjawiskiem jest również zwiększenie objętości podczas krzepnięcia wody (lód ma zawsze większąobjętość niż woda, z której powstał. Zjawisko to spowodowane jest tym, iż w lodzie cząsteczki tworzą szczególną strukturę, w której są położone od siebie dalej niż w wodzie.

38. Przykłady przeciwdziałania skutkom zjawiska rozszerzalności temperaturowej ciał

39. Zjawisko rozszerzalności temperaturowej ciał stałych ma olbrzymie znaczenie praktyczne. W naszym klimacie zmiany temperatury w ciągu roku mogą przekraczać 50C. Rozszerzalność temperaturowa musi więc być uwzględniona w praktyce, np. przy budowie konstrukcji architektonicznych, przewodach linii napowietrznych.

40. MOSTY Stalowe przęsła mostu mogą być latem nawet o pół metra dłuższe niż zimą. Wymaga to odpowiednich rozwiązań technicznych – stosuje się zazębiające się stalowe „grzebienie”, za pomocą których łączy się poszczególne części nawierzchni mostu. Nie przyczepia się też mostu sztywno do podłoża, lecz pod jednym z końców przęsła umieszcza się stalowe walce, po których ten koniec może się toczyć. Taki ruch umożliwiają przerwy dylatacyjne.

42. DROGI BETONOWE Budując drogę z betonową nawierzchnią, zostawia się szczeliny, aby beton miał miejsce na rozszerzenie się w upalne dni.

43. SZYNY KOLEJOWE I TRAMWAJOWE Szyny kolejowe i tramwajowe łączą się ze sobą zostawiając pomiędzy kolejnymi odcinkami tzw. przerwy dylatacyjne. Podczas jazdy pociągiem słychać charakterystyczne stukanie kół w miejscach przerw w szynach. Obecnie, aby uniknąć „stukania” stosuje się często ukośne nacięcia na szynach lub wypełnia się szczeliny specjalną termoelastyczną substancją.

45. KABLE TELEFONICZNE I ELEKTRYCZNE Kable telefoniczne i elektryczne w instalacjach napowietrznych zmieniają swą długość, co powoduje ich zwisanie.

46. STRUNY W GITARACH Gitarzyści w czasie występów bardzo często muszą stroić gitary, ponieważ ich metalowe struny ogrzane np. silnym światłem reflektorów rozszerzają się, co powoduje rozstrojenie instrumentu.

47. Zastosowanie rozszerzalności temperaturowej ciał stałych

48. BIMETALE Rozszerzalność termiczną ciał stałych zastosowano m. in. przez zamontowanie płytki bimetalowej w wyłączniku termostatycznym (np. w żelazkach, lodówkach, pralkach, kuchenkach elektrycznych). Płytki te w momencie dostarczenia im prądu elektrycznego (ciepła) zmieniają swój kształt załączając lub wyłączając obwody elektryczne.

49. JAK OTWORZYĆ MOCNO ZAKRĘCONY SŁOIK ? Domowy przecier z pomidorów, zakręcony zbyt mocno. Słoik zanurzony we wrzątku. Po upływie 15 sekund słoik należy wyjąć z wody, wytrzeć go do sucha i odkręcić. Tej metodzie nie oprze się żaden, nawet najmocniej zakręcony słoik.

50. Zastosowanie rozszerzalności temperaturowej cieczy i gazów