Фізика 7 клас

Тема "Агрегатні стани речовини. Фізичні властивості тіл у різних агрегатних станах"

Конспект уроку до теми "Агрегатні стани речовини. Фізичні властивості тіл у різних агрегатних станах" 

КРИСТАЛІЧНІ ТА АМОРФНІ ТІЛА. ЗАЛЕЖНІСТЬ ЛІНІЙНИХ РОЗМІРІВ ТВЕРДИХ ТІЛ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ
Передісторія Землі
Виверження вулкана є грандіозним явищем природи. Крізь тріщини в земній корі під великим тиском вириваються назовні мільйони тон розплавленої магми, вогняними річками стікають униз з вершини вулкана, руйнуючи все на своєму шляху.
Це грізне явище свідчить, що колись Земля була розпеченою кулею. Вона випромінювала тепло в космос, поверхня охолоджувалася, а швидкість молекул речовини ставала все меншою. Відштовхуючись між собою при зіткненнях, молекули і атоми ніби застигали на певних відстанях, на яких їх взаємодія була найменшою.
Так утворилася тверда кора Землі.
Зменшення швидкості молекул призвело до зменшення їх кінетичної енергії, тому настав момент, коли вони вже не змогли вільно рухатися в речовині. Кожна молекула зайняла в просторі певне положення, при якому її взаємодія з іншими молекулами була найменшою.

Кристалічна структура речовини
Уява вже підказала вам, як розміщені молекули у твердих тілах: кожна молекула чи атом має своє місце-вузол, навколо якого здійснює невеликі коливання. Взаємодія з іншими «молекулами-сусідками» не дає їм можливості залишити це місце.
Речовини, у яких кожен атом або молекула мають своє місце і лише коливаються відносно нього, називають кристалічними. Чим нижча температура речовини, тим швидкість коливань менша.
Атоми і молекули кристалічних тіл можуть як завгодно довго перебувати на одному місці (в одному вузлі).

Температура плавлення
При нагріванні тіла швидкість його молекул чи атомів збільшується і за певної температури окремі молекули переборюють супротив сусідніх молекул та залишають свої місця. Речовина переходить у рідкий стан.
Температуру, за якої кристалічна речовина переходить з твердого стану в рідкий, називають температурою плавлення.
Рідина відрізняється від кристалічної речовини тим, що молекули в ній не мають постійного місця перебування і можуть переміщуватися в речовині. Це переміщення відбувається в напрямку, в якому на молекули діє сила.

Текучість рідин
Рідина є текучою, оскільки її молекули можуть змінювати своє положення.
Якщо виливати в посудину воду, то на молекули рідини діє сила тяжіння вниз, і рідина поступово заповнює посудину знизу доверху.
Різні рідини мають різну текучість. Це свідчить про те, що час зміни положення молекул у різних рідин неоднаковий. Дослід показує, що молекули меду менш рухомі за молекули води і тому текучість меду менша.

Аморфні тіла
Не всі тверді тіла мають кристалічну будову. Наприклад, смола є твердою речовиною. Прослідкуймо за поведінкою шматка смоли, який будівельники після проведення ремонтних робіт залишили на асфальті.
З часом на ньому округляються гострі кути, він поступово розпливається, тобто проявляє текучість як рідина, але дуже повільно.
Якщо смолу підігрівати, вона поступово розм’якшується і переходить у рідкий стан, тобто вона не має певної температури плавлення.

Аморфними називають тверді речовини, молекули яких з часом змінюють своє положення (тобто речовина проявляє текучість).
Аморфні речовини не мають точки плавлення і при нагріванні поступово розм’якшуються і переходять у рідкий стан. До аморфних речовин належать: скло, бурштин, природні смоли тощо.

Розміри тіл і їх температура
Тверді тіла, рідини і гази мають ще одну особливість: при нагріванні збільшується відстань між молекулами, тому тіла розширюються. У цьому переконує дослід.
Сталева кулька легко проходить крізь отвір у пластинці. При нагріванні її діаметр збільшується і вона вже не проходить крізь отвір.

При збільшенні температури твердих тіл їх розміри збільшуються. Збільшуються також об’єми рідин і газів при їх нагріванні, про що свідчать досліди з водою (зліва) та з повітрям (справа).

Теплове розширення різних речовин
Учені дослідили розширення різних речовин при нагріванні.
При нагріванні металевих стрижнів однакової довжини вони розширювалися неоднаково.
Зокрема, при досліджені зразків із алюмінію, міді та заліза виявили:
1. При підвищенні температури довжина всіх зразків збільшилася. Це видовження виявили за допомогою чутливого індикатора з ціною поділки 0,01 мм.
2. Найбільше видовжився зразок із алюмінію, найменше – із заліза.

Формула залежності
Встановимо математичну залежність між видовженням тіла і зміною його температури.
Якщо початкова довжина l0, а після нагрівання l, то його видовження:

Відповідно, зміна температури: 

де t0, – початкова і t – кінцева температура тіла.
Залежність між видовженням тіла і зміною його температури приблизно виражається формулою

де - величина, яка залежить від речовини. Її називають лінійним коефіцієнтом теплового розширення.

Коефіцієнт теплового розширення вимірюють 1/oC або 1/oK (одиниця на градус Цельсія або одиниця на Кельвін), і він наведений у спеціальних таблицях.

Зміна розмірів тіл і техніка
Знання про зміну розмірів тіл при зміні температури враховують і використовують у техніці.
1. Між стиками рейок залізничної колії залишають проміжки, інакше при нагріванні рейки можуть деформуватися.
2. На наземних трубопроводах роблять петлеподібні коліна, у яких труба прогинається при зміні температури.
3. Дроти ліній електропередач завжди дещо провисають, оскільки при зниженні температури вони можуть обірватися.
4. Ємності, у яких зберігають тривалий час рідини, не заповнюють повністю.
5. Якщо отвір у деталі зробити дещо меншим діаметра вала і, нагрівши деталь, насадити на вал, вони після охолодження міцно скріпляться. Таке з’єднання використовують у техніці.
Існують інші випадки врахування та використання лінійного розширення тіл при нагріванні.

Особливості розширення води
При зміні температури для твердих тіл в більшості випадків визначають зміну довжини, ширини чи висоти. Для рідин і газів вимірюємо зміни об’єму, оскільки вони не зберігають своєї форми.
При нагріванні рідини і газів збільшується їх об’єм, але, вода має особливості зміни об’єму при зміні її температури: при охолоджені води до температури +4o її об’єм зменшується, а при подальшому охолодженні – збільшується.
Вода має найменший об’єм при температурі +4o, а густина її за цієї температури найбільша. Тому в водоймах біля їх дна найменша температура води +4o.

Нові поняття
Аморфні тіла – тверді тіла, в яких молекули можуть, як і в рідинах, змінювати своє положення. Тому аморфні тіла не мають кристалічної будови і проявляють текучість
Видовження тіла – різниця між кінцевою і початковою довжиною тіла
Вузол – умовна точка у просторі, біля якої коливається атом чи молекула кристалічної речовини Кристалічні речовини – речовини, молекули та атоми яких мають певне розташування в просторі (у вузлах) і можуть перебувати в ньому як завгодно довго
Зміна температури – різниця між кінцевою і початковою температурою тіла
Лінійний коефіцієнт теплового розширення – величина, яка характеризує зміну довжини даної речовини при її нагріванні
Рідина– стан речовини, в якому вона зберігає об’єм, але довільно змінює форму. Молекули в рідині перебувають у даному місці протягом певного часу, після чого займають інше місце. Тому рідини мають властивість текучість
Температура плавлення – температура, за якої кристалічна речовина при нагріванні переходить у рідкий стан

Надіслано вчителем Міжнародного ліцею Гранд