Подавляющее большинство веществ при нагревании расширяются (хотя есть и исключения). Например, при проектировании больших мостов инженерам приходится учитывать возможность перепада температур в пределах от –40°C до +60°C в течение года (морозные и солнечные дни). Такие перепады вызовут изменение общей длины моста до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал мощных нагрузок «на разрыв» зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, соединяя их буферными сочленениями, которые плотно смыкаются в жару и достаточно широко расходятся в стужу.

Тепловое расширение тел нужно учитывать при конструировании и постройке инженерных сооружений. Необходимо принимать меры для того, чтобы тела могли свободно расширяться или сжиматься при изменении температуры. Нельзя, например, туго натягивать провода линий электропередачи (ЛЭП) между опорами. Летом провисание проводов заметно больше, чем зимой. Трубы, по которым идёт пар или горячая вода, нужно снабжать изгибами в виде петель или букв «П» (их называют компенсаторами – см. фото).

Если тело состоит только из одного вещества, оно расширяется равномерно по всем трём направлениям: в длину, в ширину, в высоту. Но что значит – равномерно? Мы знаем равномерное движение, а в чём «равномерность» теплового расширения? Для простоты рассмотрим изменение одного из размеров однородного тела, например, его длины.

Удлинение тел за счёт теплового расширения, как правило, пропорционально изменению температуры: Dl = a loDt°, где a – коэффициент «линейного» теплового расширения, lo – длина тела при нулевой температуре, Dt° – изменение температуры по отношению к 0°С. Есть аналогичные формулы для расчёта изменения площади и/или объёма тела. Типичные значения коэффициентов для некоторых классов веществ: металлы ..., пластмассы .... Очень малый коэффициент линейного расширения имеет кварцевое стекло. Такое стекло выдерживает, не трескаясь, неравномерное нагревание или охлаждение. Например, в раскаленную докрасна колбочку из кварцевого стекла можно вливать холодную воду, тогда как колба из обычного стекла при таком опыте лопается.

Эта формула применима и к жидкостям. Если их нагревать в замкнутом сосуде, не позволяющем расширяться, могут развиваться значительные силы. Они могут привести к разрушению сосудов, в которых находится и/или течёт жидкость. Поэтому системы труб водяного отопления всегда снабжаются расширительным баком, присоединённым к системе отопления и сообщающимся с атмосферой. При нагревании воды в трубах она частично переходит в расширительный бак, и трубы «не разрывает».

При равномерном нагревании однородного тела оно не разрушается, но неравномерный нагрев может вызвать значительные механические напряжения (внутренние нагрузки). Например, стеклянная бутылка или стакан из толстого стекла могут лопнуть, если налить в них горячей воды. Почему? В первую очередь происходит нагрев внутренних частей сосуда, соприкасающихся с горячей водой. Они расширяются и оказывают сильное давление на внешние холодные части этого же сосуда. Тонкий же стакан не лопается при наливании в него горячей воды, так как его внутренняя и внешняя части быстро и почти одномоментно прогреваются.

Разнородные материалы, подвергающиеся периодическому нагреванию и охлаждению, следует соединять вместе только тогда, когда их размеры при изменении температуры меняются одинаково (вещества имеют аналогичные коэффициенты). Это особенно важно при больших размерах изделий. Так, например, железо и бетон при нагревании расширяются одинаково. Именно поэтому широкое распространение получил железобетон – затвердевший бетонный раствор, залитый в стальную решётку. Если бы железо и бетон расширялись по-разному, то в результате суточных и годовых колебаний температуры железобетонное сооружение вскоре бы разрушилось.

Ещё несколько примеров. Металлические проводники, впаянные в стеклянные баллоны электроламп и радиоламп, делают из сплава железа и никеля, имеющего такой же коэффициент расширения, как и стекло, иначе при нагревании металла стекло треснуло бы. Эмаль, которой покрывают посуду, и металл, из которого эта посуда изготовляется, должны иметь одинаковые коэффициенты линейного расширения. В противном случае эмаль будет лопаться при нагревании и охлаждении покрытой ею посуды.

Тепловое расширение тел находит широкое применение в технике. Приведем лишь несколько примеров. Две разнородные пластины (например, железная и медная), сваренные или «склёпанные» вместе, образуют так называемую биметаллическую пластину. При нагревании такие пластины изгибаются вследствие того, что одна расширяется сильнее другой. Та из полосок (медная), которая расширяется больше, оказывается всегда с выпуклой стороны.

Это свойство биметаллических пластин широко используется для измерения температуры и её регулирования. Металлический термометр имеет спираль, сделанную из двух полос различных металлов, сваренных (или склёпанных) друг с другом. Один из этих металлов расширяется при нагревании сильнее, чем другой. Вследствие одностороннего расширения спираль развёртывается, и указатель смещается по шкале вправо. При охлаждении спираль снова скручивается и указатель отходит по шкале влево.

(C) 2012. Савинкова Галина Львовна (г. Самара)