Почему твёрдые тела расширяются при нагревами

Подавляющее большая часть веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы либо атомы вещества начинают двигаться быстрее. В жестких телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг собственного среднего положения в кристаллической решетке, и им нужно больше свободного места. В итоге тело расширяется. Так же и жидкости и газы, по большей доли, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости термического движения свободных молекул (см. Закон БойляМариотта, Закон Шарля, Уравнение состояния образцового газа).

Главный закон теплового расширения говорит, что тело с линейным размером L в соответствующем измерении при увеличении его температуры на Т расширяется на величину L, одинаковую:

L = LT

где так именуемый коэффициент линейного термического расширения. Аналогичные формулы имеются для расчета изменения площади и объема тела. В приведенном простом случае, когда коэффициент термического расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, вещество будет равномерно расширяться по всем направлениям в требовательном согласовании с вышеприведенной формулой.

Для инженеров термическое расширение актуально главное явление. Проектируя металлической мост через реку в городе с континентальным климатом, нельзя не учесть возможного перепада температур в границах от 40C до +40C в течение года. Такие перепады вызовут изменение общей длины моста вплоть до нескольких метров, и, чтобы мост не вздыбливался летом и не испытывал сильных нагрузок на разрыв зимой, проектировщики составляют мост из отдельных секций, объединяя их особыми тепловыми буферными сочленениями, которые представляют собой входящие в зацепление, но не соединенные агрессивно ряды зубьев, которые плотно смыкаются в жару и довольно обширно расползаются в холожу. На длинноватом мосту может насчитываться достаточно много таких буферов.

Однако не все материалы, особенно это дотрагивается кристаллических жестких тел, расширяются равномерно по всем фронтам. И далековато не все материалы расширяются идиентично при разных температурах. Самый ясный пример последнего рода вода. При охлаждении вода сначала сжимается, как и большинство веществ. Но, начиная с +4C и до точки замерзания 0C вода начинает расширяться при охлаждении и сжиматься при нагревании (с точки зрения приведенной выше формулы можно сказать, что в промежутке температур от 0C до +4C коэффициент термического расширения воды принимает отрицательное значение). Конкретно благодаря этому редчайшему эффекту земные моря и океаны не промерзают до дна даже в самые сильные морозы: вода холоднее +4C становится менее плотной, чем более теплая, и всплывает к поверхности, вытесняя ко дну воду с температурой выше +4C.

То, что лед имеет удельную плотность ниже плотности воды, еще одно (желая и не связанное с предшествующим) аномальное свойство воды, которому мы должны существованием жизни на нашей планетке. Если бы не этот эффект, лед шел бы ко дну рек, озер и океанов, и они, вновь же, вымерзли бы до дна, убив всё живое.