Rozszerzalność temperaturowa ciał - zadania

Zad. 1 Elementy żelazobetonowe są stosowane w budownictwie. Są to bloki betonu, w których warstwie znajdują się wzmacniające druty i pręty żelazne. Jaki wpływ na właściwości tego materiału ma fakt, że żelazo oraz beton mają taką samą rozszerzalność temperaturową? Co stałoby się gdyby ich rozszerzalność była różna?

Odp. Jest to bardzo istotna właściwość, bez której materiał ten byłby skrajnie niestabilny. Gdyby beton i żelazo miały inną rozszerzalność temperaturową, to podczas wzrostu temperatury żelazny pręt mógłby rozsadzić blok betonowy, lub pręt mógłby zostać rozerwany przez beton.

Zad. 2 Z jakiego powodu przewody telekomunikacyjne i energetyczne między słupami nie są silnie naciągnięte, a wręcz lekko zwisają?

Odp. Umożliwia im to „przetrwanie” okresu, gdy temperatury są niskie. Chroni przed zerwaniem się przewodów na skutek zimna.

Zad. 3 Dlaczego rury naziemne, stosowane w ciepłownictwie do doprowadzania gorącej wody z elektrociepłowni do budynków mieszkalnych, są co pewien fragment wygięte w kształt litery „U”?

Odp. Ze względu na zmianę temperatury rura może się wydłużyć i skrócić. Jej zgięcie umożliwia na bezpieczny przebieg tego procesu na jej prostym odcinku, a co za tym idzie nie ma obawy o możliwość jej rozerwania.

Zad. 4 Precyzyjne przyrządy pomiarowe takie jak menzurka, czy suwmiarka, często mają na sobie napis „20°C”. Jakie jest znaczenie informacji o temperaturze na przyrządach służących do pomiaru objętości albo długości?

Odp. Pomiar dokonany takim przyrządem, będzie dokładny, tylko i wyłącznie, w określonej tym napisem temperaturze.

Zad. 5 Jakie rozwiązania stosuje się przy konstrukcji długiego mostu żelaznego, aby uniknąć rozsadzenia jego filarów brzegowych, przy wzroście temperatury w czasie lata?

Odp. Dzięki ułożeniu końców mostu na stalowych walcach, mogą się one przesuwać względem brzegowych filarów.

Zad. 6 Bimetal to połączenie ze sobą dwóch płytek różnych metali. Kiedy się je ogrzeje następuje wygięcie całego elementu. Jakie jest praktyczne zastosowanie bimetali?

Odp. Bimetale stosuje się w urządzeniach z termoregulacją, np. w żelazkach z termoregulatorem

Zad. 7 Na skutek ogrzewania wzrasta temperatura ciała. Czy podczas tego procesu zmieniają się masa, ciężar i objętość?

Odp. Skutkiem ogrzewania ciała jest wzrost jego objętości. Ciężar oraz masa nie ulegają zmianie.

Zad. 8 Koła wagonów taboru kolejowego wydają na stykach szyn charakterystyczny dźwięk. Kiedy stukają one głośniej – w okresie zimowym, czy letnim? Dlaczego istnieje taka różnica?

Odp. Koła wagonów stukają głośniej w okresie zimowym. Jest to spowodowane tym, że odstępy między szynami zwiększają się ze spadkiem temperatury, a co za tym idzie są większe niż w okresie letnim.

Zad. 9 Znanym, negatywnym zjawiskiem, wpływającym na jakość torowiska, jest powstawanie wyboczeń szyn na drewnianych podkładach. Kiedy możliwe jest powstanie takiego wybrzuszenia w bok – latem, czy zimą? W jaki sposób można temu zapobiec?

Odp. Szyny ulegają wydłużeniu w okresie letnim, a co za tym idzie może nastąpić ich wyboczenie. Niezbędne staje się więc stosowanie szczelin między końcami szyn, które stanowią bezpieczny odstęp, jaki wypełnia się tymczasowo przy wysokich temperaturach.

Zad. 10 Wykonana z między kulka, w temperaturze pokojowej, ma średnicę równą otworowi w płytce z tego samego metalu i przechodzi przez ten otwór. Kulka nie zmieści się w otworze kiedy:
A – ogrzana zostanie jedynie kulka, B – ogrzana zostanie jedynie płytka, a otwór się zwęzi,
C – Do tej samej temperatury, ogrzane zostaną płytka oraz kulka; otwór się wówczas zwęzi, a kulka rozszerzy.

Odp. A

Zad. 11 Do szkła żarówki wtapia się przewody z platynitu – specjalnego metalu, za pośrednictwem którego doprowadza się prąd elektryczny do świecącego żarnika. Rozszerzalność temperaturowa szkła ma wartość bardzo bliską rozszerzalności platynitu. Z jakiego powodu nie można wtopić w szkło przewodu miedzianego, mimo tego, że miedź ma lepsze właściwości przewodzące dla prądu od platynitu?

Odp. Miedź na większą rozszerzalność temperaturową od szkła, a co za tym idzie po ogrzaniu powodowałby jego pękanie.

Zad. 12 Metalowy krążek o pewnej średnicy powiększa się po ogrzaniu. Czy średnica otworu w tym krążku, podczas ogrzewania, również się powiększy, czy może zmniejszy? Odpowiedź poprzyj odpowiednim uzasadnieniem.

Odp. Zarówno średnica krążka jak i otworu powiększa się. W przypadku gdy w otworze znalazłby się metalowy krążek, to po ogrzaniu jego średnica również nie zmalałaby, a wprost przeciwnie – wzrosła.

Zad. 13 Z jakiego powodu forma odlewnicza, do wykonania odlewu z mosiądzu albo aluminium, wykonuje się odrobinę większą od zakładanych wymiarów odlewu?

Odp. Jest tak dlatego, że odlany element po ostygnięciu będzie cechował się mniejszą objętością od wewnętrznej objętości formy odlewniczej.

Zad. 14 Powszechnie wiadomo, że podczas wypełniania gorącą wodą, naczynia wykonane ze szkła pękają częściej niż te z porcelany. W takim wypadku, która z tych substancji posiada większą rozszerzalność temperaturową?

Odp. Substancją o większej rozszerzalności temperaturowej jest szkło

Zad. 15 Podczas wykonywania betonowej nawierzchni szos, między betonowymi płytkami, tworzy się niewielkie szczeliny, które są wypełniane smołą. Praktyka ta nie jest jednak stosowana przy wykonywaniu nawierzchni asfaltowej. Z jakiego powodu tak się dzieje?

Odp. Jest tak dlatego, że asfalt w wyższej temperaturze staje się po prostu miękki i plastyczny, a beton przy wzroście temperatury może ulec wybrzuszeniu. Dlatego też wykonuje się szczeliny, które są wypełnione półpłynną smołą.

Zad. 16 Jak na pojemność naczynia wpływa jego ogrzewanie? A – zmniejsza się B – zwiększa się
C – W zależności od rodzaju substancji, z której zostało wykonane, może się ona zmniejszyć lub zwiększyć, D – nie zmieni się

Odp. B

Zad. 17 Z jakiego powodu, szklanki wykonane z grubego szkła, pękają częściej na skutek wlania do nich gorącej wody, niż te wykonane z cieńszej warstwy materiału?

Odp. Jest tak dlatego, gdyż warstwa wewnętrzna szklanki o grubym szkle rozszerza się szybciej niż ta zewnętrzna i przez to zostaje ona rozerwana. W przypadku naczyń o cieńszym szkle różnica między tymi warstwami jest niewielka.

Zad. 18 Z jakiego powodu gorąca woda powinna być nalewana do szklanki bardzo powoli, a dobrą praktyką jest włożenie metalowej łyżeczki i lania tej wody po łyżeczce?

Odp. Spowolnienie tempa nalewania wody powoduje, że równomiernie ogrzewana jest wewnętrzna i zewnętrzna warstwa szklanki, co powoduje, że ich rozszerzalność będzie taka sama. Pozwala to zminimalizować ryzyko pęknięcia szkła. Wykorzystanie łyżeczki pozwala na obniżenie temperatury wody.

Zad. 19 Dane są dwa termometry. Oba posiadają takie same zbiorniczki rtęci. Różnią się tym, że w jednym z nich wewnętrzna średnica rurki z rtęcią jest mniejsza, a w drugim większa. Wskaż, który z tych termometrów dokładniej wskazuje temperaturę i uzasadnij z jakiego powodu.

Odp. Termometr posiadający mniejszą, wewnętrzną średnicę rurki będzie wskazywał temperaturę z większą dokładnością. Jest to spowodowane tym, że niewielkie zmiany temperatury powodują duże zmiany długości słupka rtęci. W tym przypadku, na jego skali, mogą być oznaczone mniejsze wartości temperatury.

Zad. 20 Kiedy w gorącej wodzie zanurzymy menzurkę z denaturatem, to poziom substancji na początku obniży się, a potem nastąpi jego podniesienie powyżej wartości, jaką zajmował w poprzednim stanie. Dlaczego denaturat zachowuje się w taki sposób?

Odp. Kiedy menzurkę zanurzymy w wozie ogrzeje się ona jako pierwsza, co spowoduje jej rozszerzenie się. Wtedy poziom denaturatu się obniży. Kiedy jednak dojdzie do wyrównania temperatury substancji oraz szkła menzurki, to poziom denaturatu wzrasta. Jest to spowodowane faktem, że denaturat podlega większemu rozszerzaniu niż szkło.

Zad. 21 Dane są dwa termometry. Oba posiadają takie same wewnętrzne średnice rurki z rtęcią. Różnią się tym, że w jeden z nich ma większy zbiorniczek, a drugi mniejszy. Wskaż, który z tych termometrów dokładniej wskazuje temperaturę i uzasadnij z jakiego powodu.

Odp. Termometr posiadający większy zbiorniczek rtęci będzie wskazywał temperaturę z większą dokładnością. Jest to spowodowane tym, że niewielkie zmiany temperatury powodują duże zmiany długości słupka rtęci. W tym przypadku, na jego skali, mogą być oznaczone mniejsze wartości temperatury.

Zad. 22 Dlaczego zbiorników na benzynę lub naftę nie zalewamy do pełna, a zostawiamy nieco przestrzeni na powietrze?

Odp. Zarówno benzyna jak i nafta znacząco rozszerzają się po ogrzaniu, w wyniku czego mogłyby rozerwać zbiornik. W zamkniętym zbiorniku powietrze w wolnej przestrzeni ulegnie ściśnięciu po ogrzaniu, ale nie będzie wywierać tak dużego nacisku na jego ściany jak nafta lub benzyna.

Zad. 23 W dwóch butelkach o zróżnicowanej pojemności zamocowano rurki o jednakowej średnicy. Napełniono je różnymi cieczami do tego samego poziomu, a potem zostały one zanurzone w naczyniu z ciepłą wodą. W obu rurkach poziom cieczy podniósł się do takiej samej wysokości. W której z butelek znajduje się ciecz o większej rozszerzalności – w tej o większej, czy mniejszej pojemności?

Odp. Ciecz o większej rozszerzalności znajduje się w butelce o mniejszej pojemności.

Zad. 24 Dwie butelki o pojemnościach 250ml oraz 1l zostały napełnione wodą i zamknięte korkami z rurkami o zróżnicowanych przekrojach wewnętrznych. Obie butelki zostały ogrzane do tej samej temperatury, a skutkiem tego było podniesienie się wody na jednakową wysokość. Jaki był stosunek przekrojów rurek oraz stosunek ich średnic wewnętrznych?

Odp. Stosunek przekrojów rurek wyniósł 4, co odpowiada temu, że pojemność jednej z butelek jest czterokrotnie większa. Jeżeli chodzi o ich wewnętrzne średnice, to analogiczne stosunek wyniósł 2.

Zad. 25 Wskaż różnicę między termometrem laboratoryjnym, a lekarskim. Z jakiego powodu, po obniżeniu temperatury, słupek rtęci w termometrze lekarskim nie opada sam, jak w przypadku termometru laboratoryjnego i trzeba go samodzielne mocno „strząsnąć”?

Odp. W budowie termometru lekarskiego występuje przewężenie u dołu rurki, które powoduje, że rtęć nie może opaść pod własnym ciężarem po obniżeniu temperatury.

Zad. 26 Pewne naczynie zostało napełnione do połowy oliwą, a nad nią znalazło się powietrze. Zostało ono szczelnie zakorkowane, a następnie ogrzane. Jaki wpływ na objętość zajmowaną przez powietrze będzie miało ogrzanie się naczynia i oliwy, które się przy tym rozszerzą?

Odp. Dojdzie do spadku objętości zajmowanej przez powietrze. Stanie się tak dlatego, że oliwa rozszerza się bardziej od szkła przy identycznym wzroście temperatury.

Zad. 27 Jaka jest różnica między zakresem temperatur na termometrze lekarskim i laboratoryjnym.

Odp. Termometry laboratoryjne służą do pomiarów właściwości termicznych cieczy w trakcie doświadczeń najczęściej ich podgrzewania, z tego powodu ich zakres obejmuje zazwyczaj wartości w zakresie od 20°C do 150°C. Zakres temperatur na termometrze lekarskim jest inny (najczęściej 34,5 - 42°C) i odpowiada potencjalnym wartościom temperatury ludzkiego ciała.

Zad. 28 Drut wykonany z aluminium o długości 100cm został ogrzany do temperatury 50°C. Na skutek tego zwiększył on swoją długość do 100,15cm. O ile zwiększy się długość 20m odcinka tego drutu gdy zostanie ogrzany do takiej samej temperatury?

Odp. Drut wydłuży się o 3cm.

Zad. 29 Podczas nocy stacja pomiarowa zanotowała wartość temperatury powietrza na poziomie -5°C, w ciągu dnia wzrosła ona do wartości +5°C. Ile wynosi zmiana temperatury jaka nastąpiła między nocą, a dniem?

Odp. Temperatura zmieniła się o 10°C

Zad. 30 Drut wykonany z miedzi o długości 1m został ogrzany do temperatury 100°C. Na skutek tego zwiększył on swoją długość o 0,16cm. Jak długi będzie drutu gdy zostanie ogrzany do temperatury 300°C?

Odp. Długość drutu wyniesie 100,48cm

Zad. 31 Szklana butelka została wypełniona powietrzem i szczelnie zatkana korkiem. Umieszczono w nim szklaną rurkę, do której wprowadzona została kropla wody. Jaka będzie różnica w zachowaniu kropli wody podczas ogrzewania i schładzania butelki?

Odp. W trakcie ogrzewania kropla powędruje w górę; analogiczne podczas schładzania – w dół.

Zad. 32 Drut wykonany z aluminium o długości 4m został ogrzany do temperatury 100°C, spowodowało to, że wydłużył się o 0,92cm. O ile wydłużyło się 20cm tego drutu?

Odp. Drut wydłuży się o 0,46cm

Zad. 33 Drut wykonany z miedzi o długości 2m został ogrzany od temperatury 20°C do temperatury 70°C. Wydłużył się przy tym o 1,6mm. Oblicz ile wyniesie przyrost długości tego drutu, w przypadku ogrzania go do temperatury 220°C?

Odp. Drut ten wydłużyłby się o 6,4mm

Zad. 34 Probówka została wypełniona powietrzem, a potem zanurzona w naczyniu z zimną wodą, a następnie w naczyniu z gorącą wodą. Za pierwszym razem woda znalazła się w probówce, a w drugim przypadku wychodzą z niej bąbelki powietrza. Z jakiego powodu tak się dzieje?

Odp. W pierwszym przypadku temperatura wody jest mniejsza niż powietrza, a więc ochładza się ono zwiększając gęstość i zmniejszając ciśnienie. W drugim przypadku temperatura powietrza jest mniejsza od temperatury wody, a co za tym idzie powietrze ogrzewa się i rozszerza wypełniając wodę.

Zad. 35 Kiedy mówimy, że gaz jest ściśliwy, znaczy to, że możliwa jest zmiana jego objętości za pośrednictwem zmniejszenia lub zwiększenia ciśnienia. W jaki sposób można wykazać rozszerzalność temperaturową gazu, jeżeli można uniemożliwić jego rozszerzenie się? Jaki warunek jest konieczny względem ciśnienia, aby możliwe było wykazanie rozszerzalności gazu?

Odp. Dzięki utrzymaniu stałego ciśnienia można wykazać rozszerzalność temperaturową gazu.

Zad. 36 Dwie butelki o zróżnicowanych pojemnościach, wykonane ze szkła, zostały ze sobą połączone wygiętą rurką z tego samego materiału. W zgięciu rurki znajduje się rtęć, a jej poziom z obu stron rurki jest taki sam. Wskaż i uzasadnij, z której strony rurki poziom rtęci będzie wyższy, w przypadku, gdy obie butelki zanurzymy w szerokim naczyniu z ciepłą wodą.

Odp. Poziom rtęci będzie wyższy z prawej strony. Jest tak dlatego, że większa objętość powietrza podczas ogrzewania spowoduje większy przyrost objętości.

Zad. 37 Wskaż, które dokończenie zdanie jest prawdziwe. Między cząsteczkami wody średnie odległości są:
A – jednakowe w każdej temperaturze, B – najmniejsze w temperaturze 0°C, C – najmniejsze w temperaturze 4°C, D – najmniejsze w temperaturze 100°C.

Odp. C

Zad. 38 Wskaż, które dokończenie zdania jest prawdziwe. Przy ogrzewaniu wody od 0°C do 10°C jej gęstość:
A – spada podczas wzrostu temperatury od 0 do 4°C i rośnie podczas wzrostu temperatury od 4°C do 10°C,

B - rośnie podczas wzrostu temperatury od 0 do 4°C i spada podczas wzrostu temperatury od 4°C do 10°C,

C – rośnie równomierni,

D – spada równomierni.

Odp. B

Zad. 39 Wybierz prawdziwe dokończenie zdania. Zimą temperatura wody blisko dna głębokiego zbiornika wodnego i tuż pod pokrywą lodu jest równa: A – około 4°C przy dnie i około 4°C pod lodem

B – około 0°C przy dnie i 4°C pod lodem, C – 0°C przy dnie i 0°C pod lodem, D – około 4°C przy dnie i 0°C pod lodem.

Odp. D