Dlaczego się

Dlaczego się

autorzy:Igor DąbrowskiMichał Muszyński

312/G/NYS/OPO_ZES_NR_2

Dział fizyki: Właściwości i budowa materii

rozciąga i kurczy?

Gimnazjum nr 3 im. Żołnierzy Armii Krajowej w Nysie

ul. T. Kościuszki 10 48-300 Nysa

Celem doświadczeń jest pokazanie jak zmieniają się: własności metalu oraz gumy

na skutek działania podwyższonej temperatury.

Prezentacja zjawiska rozszerzalności cieplnej metali, warunki występowania zjawiska i zastosowanie wiedzy o nim w praktyce.

W doświadczeniu nr 1 - zmiany temperatury przełożone są na wydłużenie pręta i rejestrowane za pomocą papierowego wskaźnika.

W doświadczeniu nr 2 - Termoczuła waga obrazowo przedstawia zjawisko liniowej rozszerzalności metalu.

W doświadczeniu nr 3 - Silnik cieplny pokazuje zamianę energii cieplnej na mechaniczną w ciekawy sposób wykorzystując działanie temperatury na gumę.

Cel doświadczeń:

Rozciągnięty metal

Doświadczenie 1:

Potrzebne materiały:

prosty drut aluminiowy/ miedziany (np. drut do dziergania), dwie butelki np. po winie (wypitym przez osobę dorosłą:-),korek, dwie igły,świeczka lub laboratoryjny palnik spirytusowy,niewielki kawałek kartonu,nożyczki

Doświadczenie 1: Rozciągnięty metal

Opis czynności: Dwie butelki ustawiamy obok siebie, jedna z nich jest zamknięta korkiem od wina.Drut wbijamy ostrym końcem z boku w korek od butelki, a drugi koniec kładziemy na otworze drugiej butelki.Nabijamy na igłę do szycia papierową strzałkę i wsuwamy ją między szyjkę drugiej butelki i drut. Ogrzewamy drut pośrodku używając świeczki (palnika).


Obserwacje:Po zapaleniu świeczki i ogrzaniu drutu strzałka zacznie poruszać się w prawo.

Wyjaśnienie zjawiska:W wyniku podgrzania, drut uległ wydłużeniu na skutek zjawiska liniowej rozszerzalności cieplnej metalu (atomy zaczynają się szybciej poruszać, rosną odległości między nimi). Wydłużający się drut na skutek tarcia powoduje obrót ułożonej poprzecznie pod nim igły z umocowaną papierową strzałką. Strzałka sygnalizuje wydłużenie drutu na skutek wzrostu temperatury. Gdy drut stygnie strzałka wraca do położenia początkowego. Gdyby zamiast drutu aluminiowego użyć stalowego tej samej długości, wychylenie strzałki byłoby mniejsze, ponieważ stal ma mniejszy współczynnik rozszerzalności liniowej niż aluminium.


Termoczuła waga

Doświadczenie 2:

Doświadczenie 2: Termoczuła waga


ok. 20 cm prostego miedzianego lub aluminiowego drutudwa spinacze biurowe (lub coś zastępczego, np. dwa jednakowe klipsy – u nas: „serduszka”),„zębaty” nóż kuchenny dwie książki (lub ciężarki) do ustawienia noża ostrzem skierowanego do góry, świeczka lub palnik spirytusowy


Opis czynności: W środku drutu wykonujemy nożem niewielkie nacięcie. Na obu końcach drutu przypinamy po jednym spinaczu biurowym. Kładziemy na brzegu stołu nóż ustawiony ostrzem w górę, tak by ostrze wystawało poza stół (podpieramy nóż z obu stron książkami lub ciężarkami). Umieszczamy drut na ostrzu noża wykorzystując uprzednio wykonane nacięcie.Doprowadzamy tak wykonaną wagę do stanu równowagi (położenie poziome) odpowiednio przesuwając umieszczone na końcach drutu spinacze.Ogrzewamy drut (wagę) z jednej strony świeczką (palnikiem).


Obserwacje:Gdy podgrzejemy jedno z ramion wagi (w połowie długości) to równowaga układu zostanie zachwiana i waga przechyli się w stronę podgrzanego ramienia.

Wyjaśnienie zjawiska:Dzieje się tak dlatego. że podgrzewane ramię, na skutek zjawiska rozszerzalności cieplnej, wydłużyło się i nastąpiło przesunięcie środka ciężkości. Obserwujemy zjawisko termicznej rozszerzalności liniowej.Przyjmuje się, że zmiana długości jest proporcjonalna do zmiany temperatury, co wyraża wzór na rozszerzalność liniową: x = x0(1+αΔT) gdzie: •x – długość przedmiotu po zmianie temperatury, •x0 – długość początkowa, •α – współczynnik rozszerzalności liniowej (zależny od rodzaju materiału) - podaje on o jaką część długości początkowej zwiększa się długość ciała stałego gdy temperatura wzrasta o 1°C.•ΔT - przyrost temperatury.

UWAGA: Jest to tylko prawo przybliżone, stosunkowo dokładne tylko w wąskim zakresie temperatur. Wzór na liniową rozszerzalność cieplną jest prawdziwy jedynie dla izotropowych ciał polikrystalicznych, ponieważ zawiera średni (co do kierunku) współczynnik rozszerzalności.


Silnik cieplny

Doświadczenie 3:

Doświadczenie 3: Silnik cieplny


gumki recepturki (dwie paczki) sztywna metalowa obręcz (o średnicy ok. 20 -30 cm) patyk do szaszłyków lub metalowy pręt dwie żarówki (75 lub 100 W) oprawy elektryczne do żarówek kabel zasilający dwie blaszki z otworami (np. wieszaczki do półek)kawałek deski (sklejka) narzędzia do obróbki drewna,dwa wkręty

Umieszczamy koło na stelażu, tak by miało możliwość obrotu. Po obu stronach koła montujemy dwa gniazdka z żarówkami i kablem z wyłącznikiem.


Opis czynności: Na sztywną metalową obręcz nakładamy gumki recepturki. W miejscu gdzie się krzyżują wbijamy patyk do szaszłyków tak, by przechodził przez środek ciężkości koła i aby był sztywno umiejscowiony („trzymany” przez gumki).Na końcach patyka montujemy igły (dla zmniejszenia oporów ruchu podczas obrotu koła). Z deseczek robimy stelaż (podstawa drewniana i przymocowane do niej w odpowiedniej odległości dwie pionowe deseczki.


film

Obserwacje:Po zapaleniu żarówek gumki ulegają skurczeniu i koło zaczyna się obracać.

Wyjaśnienie zjawiska:Elastomery (guma) po ogrzaniu kurczą się. Dla gumy nie zachodzi zjawisko termicznej rozszerzalności liniowej jak przy metalach. Dużą wydłużalność przy rozciąganiu i inne cechy elastyczne gumy i kauczuki (tzw. elastomery), zawdzięczają konfiguracji makrocząsteczek, które w materiale nie poddanym działaniu naprężeń mechanicznych są zwinięte w spirale bądź tworzą zygzak. Pod działaniem między innymi wysokiej temperatury następuje usieciowanie makrocząsteczek elastomeru i twardnienie. Następuje proces wulkanizacji.


W naszym doświadczeniu gumki koła silnika są ogrzewane za pomocą żarówek umieszczonych z boku. Powoduje to ich skurczenie. Następuje przesunięcie środka ciężkości koła. Koło, znajdujące się dotychczas w równowadze, zaczyna się obracać „do góry”. Następuje zamiana energii cieplnej w mechaniczną. Powstaje silnik cieplny. Silnik cieplny to urządzenie wytwarzające energię mechaniczną oraz elektryczną z energii cieplnej. Czynnikiem pracującym w silniku cieplnym najczęściej jest ciecz. W zależności od tego, jaki jest rodzaj czynnika pracującego, można rozróżnić silniki spalinowe i parowe. Różne są także sposoby przekształcania energii cieplnej na mechaniczną: tłokowe, turbinowe oraz odrzutowe.


Praktyczne zastosowanie prezentowanego zjawiska:

Precyzyjne urządzenia pomiarowe powinny umieszczane w pomieszczeniach o stabilizowanej temperaturze ponieważ wahnięcia temperatury mogą zmienić odczyt. Nawet nieznaczna zmiana, w dokładnych urządzeniach ma istotne znaczenie. Zjawisko rozszerzalności cieplnej metali wykorzystywane jest w przyrządach: termometrach, czujnikach bimetalowych.Zjawisko rozszerzalności cieplej należy uwzględnić w pracach inżynierskich, gdyż elementy konstrukcyjne mają inne rozmiary latem i zimą (przerwy dylatacyjne w konstrukcji mostów, między szynami szyn kolejowych; zawieszane luźno napowietrzne przewody telefoniczne, energetyczne, na wypadek kurczenia się w zimie; linie ciepłownicze doprowadzające wodę posiadają specjalnie kolana, aby uniknąć wyginania lub pękania na skutek sezonowych zmian rozmiarów ; aluminium ma duży współczynnik rozszerzalności cieplnej, co może powodować odkształcenia ram okna, jeżeli źle się je zamontuje (należy zostawić wolne miejsce w ramie okna aby szyby mogły się swobodnie zwiększać swoje rozmiary)Silniki cieplne – zastosowanie jako napęd. Odmiany: silnik spalinowy, odrzutowy, rakietowy, parowy itp.

Documents

Dlaczego się