Определение коэффициента линейного теплового расширения. Лыгденов Б.Д - 3 стр.

UptoLike

4
Лабораторная работа
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА
ЛИНЕЙНОГО
ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ
Все твердые тела при нагревании увеличивают свои
линейные размеры. Это явление носит название теплового
расширения. Тепловое расширение зависит от материала, из
которого сделано данное тело. Если тело состоит из двух
разнородных материалов, то в процессе нагрева эти
материалы расширяются по-разному, что приводит к
возникновению тепловых напряжений на границе их
контакта. В ряде случаев это может сопровождаться
деформацией твердого тела и даже приводить к его
разрушению.
Цель данной работы - определение коэффициента
линейного теплового расширения некоторых твердых тел,
нашедших широкое применение в художественном
материаловедении (благородные металлы, нержавеющая
сталь, латунь, дюраль, фарфор).
Рассмотрим, с чем связано тепловое расширение
твердого кристаллического тела. Повышение температуры
кристалла приводит к увеличению энергии колебательного
движения атомов в узлах кристаллической решетки. При
этом соответственно возрастает амплитуда этих колебаний.
Однако увеличение амплитуды колебаний еще не говорит
об увеличении линейных размеров тела. В самом деле, если
бы колебания были гармоничны, то каждый атом, на
сколько бы приближался к соседнему, на столько бы
отдалялся от другого, что не приводило бы к изменению
среднего межатомного расстояния, а значит, и к тепловому
расширению. В действительности, атомы в кристаллических
решетках совершают не гармонические, а ангармонические
колебания. Это связано с характером взаимодействия между
атомами. При сближении атомов возникают силы
отталкивания, а при удалении - силы притяжения. Однако
характер зависимостей этих сил от расстояния различен.
Силы отталкивания более резко зависят от расстояния
между атомами, чем силы притяжения. Это приводит к
тому, что при увеличении амплитуды колебаний атомов
вследствие нагрева рост сил отталкивания преобладает над
ростом сил притяжения, т.е. атому "легче" удалиться от
соседа, чем приблизиться к другому. Поэтому причина
теплового расширения тел заключается в ангармоничности
колебаний атомов в узлах кристаллической решетки.
Количественно тепловое расширение характеризуется
коэффициентом линейного расширения, который
определяется следующим образом. Пусть при некоторой
температуре (например, 0°С) длина тела была l
0
, в
результате нагрева она увеличилась и стала l
t
, тогда
абсолютное удлинение
0
lll
t
=
не является
характеристикой материала, так как зависит от начальной
длины l
0
и температуры. Поэтому, чтобы получить
характеристику материала, вводят коэффициент линейного
расширения
.
)(
120
0
ttl
ll
t
=
α
Строго говоря, коэффициенты линейного расширения
зависят от температуры. Однако если температурные
интервалы невелики (200…300
0
С), а сами температуры
достаточно высоки (300...400 °С), то коэффициенты
линейного расширения практически не зависят от
температуры (табл. 1).
3