ΒΓ/Μ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΟΡΟΣΗΜΟ. Τεύχος 6ο: ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

Transcript

1 ΒΓ/Μ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΙΔΕΙΑΣ ΟΡΟΣΗΜΟ Τεύχος 6ο: ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

2 ΕΚΔΟΤΙΚΕΣ ΤΟΜΕΣ ΟΡΟΣΗΜΟ ΠΕΡΙΟΔΙΚΗ ΕΚΔΟΣΗ ΓΙΑ ΤΟ ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΚΑΙ ΤΟ ΛΥΚΕΙΟ Π Ε Ρ Ι Ε Χ Ο Μ Ε Ν Α Φυσική για την B' Τάξη του Γυμνασίου 1. Θερμοκρασία - Θερμόμετρα - Πώς μετράμε την θερμοκρασία σελ Θερμότητα - Πώς μετράμε την θερμότητα σελ Θερμοκρασία, θερμότητα & μικρόκοσμος σελ Θερμική διαστολή & συστολή σελ. 288

3 Θερμοκρασία Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμόμετρα Θερμοκρασία: Tι είναι θερμοκρασία; Η θερμοκρασία είναι το φυσικό μέγεθος που χρησιμοποιούμε για να προσδιορίσουμε πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα. Με ποιο όργανο μετράμε την θερμοκρασία; Το όργανο με το οποίο μετράμε αξιόπιστα τη θερμοκρασία είναι το θερμόμετρο. Που βασίζεται η λειτουργία των θερμομέτρων; Δύο τύποι θερμομέτρων Η λειτουργία των θερμομέτρων βασίζεται στη μεταβολή των ιδιοτήτων ορισμένων υλικών, όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία τους. Τα θερμόμετρα με τα οποία μετράμε την ανθρώπινη θερμοκρασία είναι τα υδραργυρικά, των οποίων η λειτουργία βασίζεται στη μεταβολή του μήκους της στήλης του υδραργύρου όταν αλλάζει η θερμοκρασία.

4 264 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Τι είναι η κλίμακα Κελσίου; Στην καθημερινή ζωή, η μέτρηση της θερμοκρασίας γίνεται με βάση την κλίμακα Κελσίου. Το μηδέν της κλίμακας Κελσίου αντιστοιχεί στη θερμοκρασία που λιώνει ο πάγος, ενώ το εκατό, στη θερμοκρασία που βράζει το καθαρό νερό. Το διάστημα μεταξύ αυτών των δύο αριθμών (0-100) χωρίζεται σε εκατό ίσα τμήματα και κάθε τμήμα αντιστοιχεί σε μεταβολή της θερμοκρασίας κατά ένα βαθμό Κελσίου. O ένας βαθμός Κελσίου συμβολίζεται 1 ο C. Ο Κέλσιος. Η κλίμακα Κελσίου έχει και αρνητικές τιμές, οι οποίες αντιστοιχούν σε θερμοκρασίες μικρότερες από 0 ο C. Τι είναι η κλίμακα Κέλβιν; Η κλίμακα Κέλβιν είναι μία κλίμακα της οποίας το μηδέν αντιστοιχεί στους -273 ο C. O βαθμός Κέλβιν συμβολίζεται με Κ. Η μεταβολή της θερμοκρασίας κατά 1 Κ είναι ίση με μεταβολή κατά 1 ο C. Tι ονομάζουμε απόλυτο μηδέν; Η χαμηλότερη θερμοκρασία στη φύση στην οποία μπορεί να βρεθεί ένα σώμα, είναι -273 ο C ή 0 Κ. Η θερμοκρασία αυτή ονομάζεται απόλυτο μηδέν. Ο Κέλβιν. Η δημιουργία μίας κλίμακας μέτρησης ονομάζεται βαθμονόμηση. Επειδή το μηδέν της κλίμακας Κέλβιν είναι το απόλυτο μηδέν, η κλίμακα αυτή ονομάστηκε και απόλυτη κλίμακα θερμοκρασιών και δεν έχει αρνητικές τιμές.

5 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 265 Πως μετατρέπουμε τους βαθμούς Κελσίου σε βαθμούς Κέλβιν; Η αριθμητική σχέση που συνδέει τη θερμοκρασία σε βαθμούς Κέλβιν (Τ) με τη θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου (Θ) είναι: Τ = Θ Είναι προφανές ότι αν θέλουμε να μετατρέψουμε τους βαθμούς Κέλβιν σε βαθμούς Κελσίου, η παραπάνω σχέση γίνεται: Θ = Τ Eνέργεια: Οι διαφορές στη μέτρηση, από την κλίμακα Κelvin στην κλίμακα Celsius. Ποιος είναι ο βασικός σκοπός που εξυπηρετεί η ενέργεια στη φυσική; Η ενέργεια μας βοηθά να περιγράψουμε τα φυσικά φαινόμενα με όσο το δυνατό λιγότερες έννοιες. Όπως θα δούμε στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια των φαινόμενων η ενέργεια μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο, ή μετατρέπεται από μία μορφή σε μία άλλη. Ποια είναι η μονάδα μέτρησης της ενέργειας στο διεθνές σύστημα μονάδων (S.I.); Μονάδα μέτρησης της ενέργειας στο S.I. Είναι το Τζάουλ (Joule), το οποίο συμβολίζεται με J. Πότε ένα σώμα έχει κινητική ενέργεια; Ένα σώμα έχει κινητική ενέργεια όταν κινείται.

6 266 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Πως μπορούμε με τη βοήθεια της κινητικής ενέργειας να περιγράψουμε τη σύγκρουση μίας μπάλας του μπόουλινγκ με τις κορύνες; Πριν τη σύγκρουση, η μπάλα που κινείται έχει κινητική ενέργεια, ενώ οι ακίνητες κορύνες όχι. Κατά τη διάρκεια της σύγκρουσης, οι κορύνες εκσφενδονίζονται και αποκτούν κινητική ενέργεια, ενώ η ταχύτητα της μπάλας μειώνεται. Δηλαδή, κατά τη διάρκεια της σύγκρουσης, έχουμε μεταφορά κινητικής ενέργειας από τη μπάλα στις κορύνες. Τι είναι η δυναμική ενέργεια; Δυναμική είναι η ενέργεια που έχει ένα σώμα λόγω της θέσης ή της κατάστασης στην οποία βρίσκεται. Για παράδειγμα, ένα συσπειρωμένο ελατήριο, έχει δυναμική ενέργεια. Πως μπορούμε με τη βοήθεια της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας να περιγράψουμε την εκτόξευση ενός βέλους από ένα τόξο; Η τεντωμένη χορδή του τόξου, έχει δυναμική ενέργεια. Όταν αφήνουμε τη χορδή, αυτή παύει να είναι τεντωμένη και χάνει τη δυναμική της ενέργεια, ενώ το βέλος εκτινάσσεται, αποκτώντας κινητική ενέργεια. Δηλαδή στην περίπτωση αυτή, η δυναμική ενέργεια της χορδής μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια του βέλους. Θερμότητα: Τι είναι η θερμότητα; Θερμότητα ονομάζεται η μορφή ενέργειας που μεταφέρεται από το σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας στο σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας.

7 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 267 Η μεταφορά θερμότητας σταματά όταν τα σώματα αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία, δηλαδή βρεθούν σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας. Κάποιες φορές, η μεταβολή στη θερμοκρασία ενός σώματος, δεν περιγράφεται με μεταφορά θερμότητας, για παράδειγμα, όταν τρίβουμε τα χέρια μας και ζεσταίνονται, δεν έχουμε μεταφορά θερμότητας, αλλά η θερμοκρασία αυξάνεται λόγω της τριβής των χεριών. Τι γνωρίζετε για το νόμο διατήρησης της ενέργειας; Η ενέργεια δεν δημιουργείται από το τίποτα, δεν χάνεται άλλα διατηρείται αλλάζοντας μορφές. Σύμφωνα με το νόμο διατήρησης της ενέργειας, η ενέργεια συνολικά διατηρείται. Δηλαδή σε κάθε μεταβολή, η ενέργεια μετατρέπεται από μία μορφή σε μία άλλη ή μεταφέρεται από ένα σώμα σε ένα άλλο, χωρίς να αυξάνεται, να ελαττώνεται ή να δημιουργείται από το μηδέν. Ανακεφαλαίωση: Η θερμοκρασία είναι το φυσικό μέγεθος με το οποίο προσδιορίζουμε πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα και τη μετράμε με το θερμόμετρο. Οι δύο βασικές κλίμακες μέτρησης της θερμοκρασίας είναι οι Κελσίου και Κέλβιν. Η αριθμητική σχέση που συνδέει τη θερμοκρασία σε βαθμούς Κέλβιν (Τ) με τη θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου (Θ), είναι: Τ = Θ Με τη βοήθεια της ενέργειας περιγράφουμε τα φυσικά φαινόμενα και έχει ως μονάδα μέτρησης το Τζάουλ (J). Θερμότητα ονομάζεται η μορφή ενέργειας που μεταφέρεται από το σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας στο σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας. Σύμφωνα με το νόμο διατήρησης της ενέργειας, η ενέργεια απλώς μεταφέρεται ή μεταμορφώνεται, ενώ δεν χάνεται, ούτε δημιουργείται από το μηδέν.

8 268 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Λυμένες ασκήσεις: 81. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Αν η θερμοκρασία ενός σώματος αυξηθεί κατά 20 ο C, τότε η μεταβολή της θερμοκρασίας του σε βαθμούς Κέλβιν είναι: = 293 Κ. β. Σε ορισμένες μεταφορές ενέργειας από ένα σώμα σε ένα άλλο, η ενέργεια ελαττώνεται. γ. Το μηδέν της κλίμακας Κελσίου αντιστοιχεί στη θερμοκρασία που λιώνει ο πάγος. δ. Η θερμότητα μεταφέρεται από ένα σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας προς ένα σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας. Λύση α. Η πρόταση είναι λανθασμένη, γιατί η μεταβολή της θερμοκρασίας έχει την ίδια τιμή και στις δύο κλίμακες. β. Η πρόταση είναι λανθασμένη, γιατί η ενέργεια διατηρείται σταθερή. γ. Η πρόταση είναι σωστή. δ. Η πρόταση είναι σωστή. 82. Να συμπληρώσετε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις: α. Το μηδέν της κλίμακας Κελσίου αντιστοιχεί στη θερμοκρασία που.. ο.. β. Η χαμηλότερη θερμοκρασία στην οποία μπορεί να βρεθεί ένα σώμα είναι.. ο C ή.. Κ. γ. Όταν δύο σώματα διαφορετικής θερμοκρασίας έρθουν σε επαφή, η θερμότητα μεταφέρεται πάντα από το σώμα.. θερμοκρασίας προς το άλλο. δ. Μονάδα μέτρησης της ενέργειας στο S.I. είναι το.. που συμβολίζεται με.. Λύση α. λιώνει, πάγος β. -273, 0 γ. υψηλότερης δ. Τζάουλ, J

9 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Την Πέμπτη 14 Οκτωβρίου του 2004, στις 3:00 το μεσημέρι η θερμοκρασία σε ορισμένες Ευρωπαϊκές πρωτεύουσες ήταν: Στη Βαρσοβία 14 ο C, στη Λισσαβόνα 295 Κ, στην Πράγα 10 ο C, στη Ρώμη 18 o C και στο Βερολίνο 286 Κ. Σε ποια πόλη η θερμοκρασία ήταν υψηλότερη και σε ποια χαμηλότερη; Λύση Για να συγκρίνουμε τις θερμοκρασίες, πρέπει να είναι στην ίδια κλίμακα. Για αυτό, μετατρέπουμε τις θερμοκρασίες που είναι στην κλίμακα Κελσίου, σε Κέλβιν: Βαρσοβία Θ = 14 ο C: Πράγα Θ = 10 ο C: Ρώμη Θ = 18 ο C: Τ = (273 + Θ) Κ = ( ) Κ = 287 Κ Τ = (273 + Θ) Κ = ( ) Κ = 283 Κ Τ = (273 + Θ) Κ = ( ) Κ = 291 Κ Συνεπώς, η πόλη με την υψηλότερη θερμοκρασία είναι η Λισσαβόνα, ενώ αυτή με τη χαμηλότερη η Πράγα. 84. Να συμπληρώσετε τα κενά στον παρακάτω πίνακα: Σώμα Α Β Γ Δ Θερμοκρασία σε Κ (θ) Λύση Θα χρησιμοποιήσουμε τις σχέσεις: Τ = (273 + θ) Κ ή θ = (Τ 273) ο C. Σώμα Α: θ = (Τ 273) ο C = ( ) ο C = 27 ο C Σώμα Β: Τ = (273 + θ) Κ = ( ) Κ = 373 Κ Σώμα Γ: θ = (Τ 273) ο C = ( ) ο C = 123 ο C Σώμα Δ: Τ = (273 + θ) Κ = ( ) Κ = 500 Κ Θερμοκρασία σε ο C (Τ)

10 270 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Άρα ο πίνακας συμπληρώνεται ως εξής: Σώμα Α Β Γ Δ Θερμοκρασία σε Κ (θ) Θερμοκρασία σε ο C (Τ)

11 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 271 Ασκήσεις για λύση: 101. Μία χειμωνιάτικη μέρα, η θερμοκρασία της Αθήνας στις 8:00 το πρωί ήταν 11 ο C ενώ στις 12:00 το μεσημέρι ήταν 292 Κ. Την ίδια μέρα και τις ίδιες ώρες, η θερμοκρασία στη Θεσσαλονίκη ήταν 280 Κ και 13 ο C αντίστοιχα. Να υπολογίσετε σε ποια από τις δύο πόλεις είχαμε μεγαλύτερη μεταβολή της θερμοκρασίας, από τις 8:00 το πρωί μέχρι τις 12:00 το μεσημέρι Να περιγράψετε όσα από τα παρακάτω φαινόμενα είναι δυνατό να περιγραφούν με μεταφορά θερμότητας: α. το λιώσιμο του χιονιού. β. το βράσιμο του νερού. γ. η θέρμανση των ελαστικών ενός αυτοκινήτου κατά το φρενάρισμα. δ. το πάγωμα του νερού στην κατάψυξη Nα συμπληρώσετε τα κενά με τις κατάλληλες λέξεις, στις παρακάτω προτάσεις: α. Το όργανο με το οποίο μετράμε αξιόπιστα τη θερμοκρασία είναι το.. β. Η αριθμητική σχέση που συνδέει τη θερμοκρασία σε βαθμούς Κέλβιν με τη θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου είναι.. γ. H ενέργεια που έχουν τα σώμ ατα που κινούνται ονομάζεται.... δ. Για να μετρήσουμε με ακρίβεια τη θερμοκρασία, χρησιμοποιούμε τα Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Είναι δυνατό η θερμοκρασία ενός σώματος να είναι 2 Κ. β. Στην κλίμακα Κελσίου, η θερμοκρασία παίρνει και αρνητικές τιμές. γ. Η θερμοκρασία που βράζει το νερό αντιστοιχεί στους 100 Κ. δ. Μία τεντωμένη χορδή, έχει δυναμική ενέργεια.

12 272 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 21 Ο Κριτήριο Αξιολόγησης: Θέμα 1 ο α. Τι είναι η θερμοκρασία; Με ποιο όργανο μετρούμε τη θερμοκρασία; β. Να συμπληρώσετε τα κενά στην ακόλουθη φράση: Στην κλίμακα Κέλβιν, το μηδέν αντιστοιχεί στους... ο C, ονομάζεται και Η κλίμακα Κέλβιν έχει μόνο... τιμές. Θέμα 2 ο α. Να αναφέρετε ένα σώμα το οποίο έχει κινητική ενέργεια και ένα σώμα που να έχει δυναμική ενέργεια. β. Να αντιστοιχίσετε τις θερμοκρασίες της Α στήλης, με τις αντίστοιχες της Β στήλης: Στήλη Α o C K o C K o C Στήλη Β α. 27 o C β. 318 K γ. 0 K δ o C ε. 373 Κ Θέμα 3 ο α. Να περιγράψετε με την έννοια της μεταφοράς της θερμότητας το λιώσιμο του χιονιού. β. Δύο σώματα έρχονται σε επαφή και δεν έχουμε μεταφορά θερμότητας. Ποιο συμπέρασμα βγάζετε; Θέμα 4 ο Μία χειμωνιάτικη μέρα η θερμοκρασία στην Αθήνα ήταν 5 o C, στη Θήβα 280 Κ, στην Κόρινθο 7 o C και στη Χαλκίδα 277 K. Σε ποια πόλη η θερμοκρασία ήταν υψηλότερη και σε ποια χαμηλότερη;

13 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 273 Πως μετράμε τη θερμότητα Από τι εξαρτάται το ποσό θερμότητας που απορροφά ένα σώμα για τη θέρμανσή του; Το ποσό θερμότητας που απορροφά ένα σώμα κατά τη θέρμανσή του: α. Είναι ανάλογο με την αύξηση της θερμοκρασίας του (Δθ). Για παράδειγμα: Αν διπλασιαστεί η αύξηση της θερμοκρασίας, διπλασιάζεται και το ποσό θερμότητας που απορροφάται. β. Είναι ανάλογο της μάζας του σώματος (m). Για παράδειγμα: Αν η μάζα του σώματος υποδιπλασιαστεί, υποδιπλασιάζεται και το ποσό της θερμότητας. γ. Εξαρτάται από το υλικό του σώματος. Για παράδειγμα: Ίσες μάζες νερού και λαδιού, χρειάζονται διαφορετικό ποσό θερμότητας για να αυξηθεί η θερμοκρασία τους κατά 1 ο C. Από τους ίδιους παράγοντες εξαρτάται και το ποσό θερμότητας που απελευθερώνει ένα σώμα κατά την ψύξη του. Tι είναι η ειδική θερμότητα ενός υλικού; Η ειδική θερμότητα ενός υλικού συμβολίζεται με c και είναι η ποσότητα της θερμότητας που χρειάζεται 1 Κg του υλικού για να μεταβληθεί η θερμοκρασία του κατά 1 o C. Μονάδα μέτρησης της ειδικής θερμότητας στο S.I. είναι: J o Kg C

14 274 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Οι ειδικές θερμότητες ορισμένων συνηθισμένων υλικών: Με ποια σχέση υπολογίζουμε το ποσό θερμότητας που απορροφά ή απελευθερώνει ένα σώμα, κατά τη θέρμανση ή την ψύξη του αντίστοιχα; Για να υπολογίσουμε τη θερμότητα χρησιμοποιούμε τη σχέση: Όπου: Q το ποσό θερμότητας σε J. m η μάζα του σώματος σε Κg. Q = m ΔΘ c ΔΘ η μεταβολή της θερμοκρασίας του σώματος σε o C. c η ειδική θερμότητα του σώματος σε J / (Kg o C). Γιατί τα συστήματα κεντρικής θέρμανσης και τα συστήματα ψύξης των αυτοκινήτων έχουν νερό για τη μεταφορά της θερμότητας; Όπως βλέπουμε στον πίνακα με τις ειδικές θερμότητες, το νερό έχει τη μεγαλύτερη ειδική θερμότητα από τα συνηθισμένα υλικά. Αυτό έχει σαν συνέπεια, αν μεταφερθεί ένα συγκεκριμένο ποσό θερμότητας με την ίδια μάζα νερού και ενός άλλου υλικού, η θερμοκρασία του νερού θα μεταβληθεί λιγότερο.

15 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 275 Γιατί την ημέρα η θερμοκρασία της ξηράς αυξάνεται γρηγορότερα από αυτή της θάλασσας; Αυτό γίνεται γιατί η ειδική θερμότητα της ξηράς είναι περίπου 4 φορές μικρότερη από του νερού. Τι είναι η θερμίδα; Θερμίδα ή cal είναι άλλη μία μονάδα μέτρησης της θερμότητας. 1 cal είναι το ποσό θερμότητας το οποίο χρειάζεται 1 g νερού για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά 1 o C. Να σημειώσουμε ότι 1 cal = 4,19 J. Τα πολλαπλάσια του cal είναι: 1 Κcal = cal = 10 3 cal 1 Mcal = cal = 10 6 cal 1 Gcal = cal = 10 9 cal Σε Κcal αναφέρεται συνήθως το ενεργειακό περιεχόμενο των τροφών. Τα πολλαπλάσια του J είναι: 1 ΚJ = J = 10 3 J 1 MJ = J = 10 6 J 1 GJ = J = 10 9 J Ανακεφαλαίωση: Θερμότητα που μεταφέρεται σε ένα σώμα: α. Είναι ανάλογη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας του. β. Είναι ανάλογη της μάζας του. γ. Εξαρτάται από το υλικό του σώματος. Η θερμότητα που απορροφά ή απελευθερώνει ένα σώμα κατά τη θέρμανση ή την ψύξη του αντίστοιχα, υπολογίζεται από τη σχέση: Q = m ΔΘ c. Ειδική θερμότητα ονομάζεται η ποσότητα της θερμότητας που χρειάζεται για να μεταβληθεί η θερμοκρασία 1 Κg ενός υλικού κατά 1 ο C. 1 cal είναι το ποσό θερμότητας το οποίο χρειάζεται 1 g νερού για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά 1 o C. Να σημειώσουμε ότι 1 cal = 4,19 J.

16 276 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Λυμένες ασκήσεις: 85. Ίσες μάζες νερού, ελαιόλαδου και υδράργυρου, απορροφούν ίσα ποσά θερμότητας. Να αιτιολογήσετε σε ποιο υλικό θα έχουμε τη μεγαλύτερη αύξηση της θερμοκρασίας και σε ποιο τη μικρότερη. Λύση Η μεταβολή στη θερμοκρασία ενός σώματος, δίνεται από τη σχέση: Q ΔΘ, η οποία προκύπτει από την σχέση: Q = m ΔΘ c m c Και τα τρία υλικά, έχουν ίσες μάζες και απορροφούν το ίδιο ποσό θερμότητας. Συνεπώς, η μεταβολή της θερμοκρασίας τους εξαρτάται αποκλειστικά από την ειδική θερμότητα. Πιο συγκεκριμένα, είναι αντιστρόφως ανάλογη, δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η ειδική θερμότητα, τόσο μικρότερη είναι η μεταβολή της θερμοκρασίας. Από τον πίνακα με τις ειδικές θερμότητες, βλέπουμε ότι το νερό έχει τη μεγαλύτερη ειδική θερμότητα, ενώ ο υδράργυρος τη μικρότερη. Άρα, τη μεγαλύτερη αύξηση της θερμοκρασίας θα έχει ο υδράργυρος και τη μικρότερη το νερό. 86. Πόση θερμότητα χρειάζεται για να αυξηθεί η θερμοκρασία 1500 g ελαιόλαδου, από τους 10 ο C στους 40 ο C; Η ειδική θερμότητα του ελαιόλαδου είναι: 2000 J/(Kg ο C). Λύση Για να υπολογίσουμε τη θερμότητα, θα χρησιμοποιήσουμε τη σχέση: Q = m ΔΘ c Πριν χρησιμοποιήσουμε την παραπάνω σχέση, πρέπει να μετατρέψουμε τη μάζα σε Kg και να υπολογίσουμε τη μεταβολή της θερμοκρασίας m 1500g kg 1,5kg 1000 Για να υπολογίσουμε τη μεταβολή της θερμοκρασίας, αφαιρούμε από την τελική θερμοκρασία την αρχική:

17 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 277 ΔΘ = 40 ο C 10 ο C = 30 ο C Τώρα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη σχέση: Q = m ΔΘ c = 1,5Κg 30 ο C 2000 J/(Kg ο C) = J 87. Ορισμένη ποσότητα χαλκού θερμοκρασίας 30 ο C, απορροφά J θερμότητας. Αν η ειδική θερμότητα του χαλκού είναι 450 J/(Kg o C) και η τελική θερμοκρασία του χαλκού είναι 230 ο C, ποια είναι η μάζα του χαλκού; Λύση Αρχικά, θα υπολογίσουμε τη μεταβολή της θερμοκρασίας του χαλκού, χρησιμοποιώντας τη σχέση: Δθ = 230 ο C 30 o C = 200 o C Για να υπολογίσουμε τη μάζα χρησιμοποιούμε τη σχέση: Q m η οποία προκύπτει από τη σχέση: Q = m ΔΘ c c Δθ 4 Q J m 5kg o o c Δθ 450J / kg C 200 C 88. Να συμπληρώσετε τα κενά στον παρακάτω πίνακα: Θερμότητα σε cal θερμότητα σε J 4000 Λύση Γνωρίζουμε ότι: 1 cal = 4,19 J, άρα: 1 cal είναι 4,19 J 1000 cal είναι x; x = ,19 J = 4190 J 4,19 J είναι 1 cal 4000 J είναι x; x = 4000 / 4,19 cal = 954,65 cal 1 cal είναι 4,19 J 5000 cal είναι x; x = ,19 J = J

18 278 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Ασκήσεις για λύση: 105. Σε ορισμένη ποσότητα νερού προσφέρεται θερμότητα Q 1 και η θερμοκρασία του αυξάνεται κατά 20 ο C. Τι θα συμβεί στη θερμοκρασία της ίδιας ποσότητας νερού αν: α. Απορροφήσει θερμότητα Q 2 = 3 Q 1. β. Αποβάλλει στο περιβάλλον θερμότητα Q 3 = Q 1 / Όταν 6 Κg ενός σώματος απορροφήσουν θερμότητα 7200 J, η θερμοκρασία του αυξάνεται κατά 1 ο C. Ποια είναι η ειδική θερμότητα του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένο το σώμα; 107. Πόση θερμότητα χρειάζονται 300 g υδραργύρου, ώστε η θερμοκρασία του να αυξηθεί από τους 15 ο C στους 30 ο C; Η ειδική θερμότητα του υδραργύρου είναι 200 J/(Kg ο C) Πόσο θα μεταβληθεί η θερμοκρασία 4 Kg άμμου, αν απορροφήσει θερμότητα J; Η ειδική θερμότητα της άμμου είναι 1100 J/(Kg ο C) Να συμπληρώσετε τα κενά στον παρακάτω πίνακα: Θερμότητα σε cal θερμότητα σε J

19 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Ο Κριτήριο Αξιολόγησης: Θέμα 1 ο α. Από τι εξαρτάται η θερμότητα που μεταφέρεται σε ένα σώμα; β. Να συμπληρώσετε τα κενά στην ακόλουθη φράση: Η ειδική θερμότητα μας δείχνει το ποσό... που χρειάζεται για να μεταβληθεί η θερμοκρασία... κάποιου υλικού κατά.... Θέμα 2 ο α. Ποια είναι η μονάδα μέτρησης της ειδικής θερμότητας; β. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; 1. Αν η μάζα του σώματος υποδιπλασιαστεί, το ποσό της θερμότητας υπερδιπλασιάζεται. 2. Το νερό έχει τη μεγαλύτερη ειδική θερμότητα από τα συνηθισμένα υλικά. 3. Για να υπολογίσουμε τη θερμότητα χρησιμοποιούμε τη σχέση: Q = m ΔΘ c Θέμα 3 ο Πόσα J πρέπει να μεταφέρουμε σε 1500 g χαλκού, για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά 5 o C; Δίνεται η ειδική θερμότητα του χαλκού: 400 J/(Kg o C). Θέμα 4 ο 0,4 m 3 αλουμινίου θερμαίνονται από τους 50 ο C στους 250 ο C. Αν το αλουμίνιο έχει πυκνότητα 2700 Κg/m 3 και ειδική θερμότητα 900 J/(Kg ο C), πόση θερμότητα προσφέρθηκε στο αλουμίνιο;

20 280 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Θερμοκρασία, θερμότητα και μικρόκοσμος Τι είναι τα μόρια; Τα μόρια είναι μικροσκοπικά σωματίδια τα οποία αποτελούν τα δομικά σωματίδια της ύλης. Η συμπεριφορά όλων των σωμάτων μπορεί να ερμηνευτεί με τη βοήθεια των μορίων. Ποιες είναι οι φυσικές καταστάσεις της ύλης; Η ύλη βρίσκεται στη φύση σε 3 καταστάσεις: Τη στερεή την υγρή και την αέρια. Πως ερμηνεύεται η συμπεριφορά των στερεών, των υγρών και των αερίων σωμάτων, με τη βοήθεια των μορίων; Στα στερεά, τα μόρια κινούνται ελάχιστα γύρω από καθορισμένες θέσεις. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, τα στερεά σώματα να έχουν ορισμένο σχήμα και όγκο. Στα υγρά, τα μόρια κινούνται γλιστρώντας το ένα πάνω στο άλλο, με αποτέλεσμα ο όγκος τους να είναι ορισμένος αλλά να μην έχουν ορισμένο σχήμα. Πιο συγκεκριμένα, τα υγρά ρέουν παίρνοντας το σχήμα του δοχείου στο οποίο βρίσκονται. Στα αέρια, τα μόρια κινούνται ελεύθερα προς κάθε κατεύθυνση, καταλαμβάνοντας όλο το διαθέσιμο χώρο, με αποτέλεσμα να μην έχουν ορισμένο σχήμα και όγκο. Πως συνδέεται η θερμοκρασία ενός σώματος με την κίνηση των μορίων; Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος, τόσο εντονότερη είναι η κίνηση των μορίων. Με άλλα λόγια, όταν αυξάνεται η θερμοκρασία ενός σώματος αυξάνεται και η κινητική ενέργεια των μορίων του. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι όταν δύο σώματα έχουν την ίδια θερμοκρασία, τότε και τα μόριά τους, το καθένα ξεχωριστά, έχουν ίση κινητική ενέργεια.

21 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 281 Βυθίζουμε ένα κρύο σώμα σε ζεστό νερό. Τι θα συμβεί στα μόρια του σώματος και του νερού; Στην αρχή, η θερμοκρασία του νερού είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία του σώματος, συνεπώς τα μόρια του νερού κινούνται εντονότερα από τα μόρια του σώματος. Μετά τη βύθιση του σώματος στο νερό, τα μόρια του νερού συγκρούονται με τα μόρια του σώματος και κινητική ενέργεια μεταφέρεται από τα πρώτα στα δεύτερα. Η μεταφορά αυτή αντιστοιχεί στη μεταφορά της θερμότητας. Σταδιακά, η θερμοκρασία του νερού μειώνεται και του σώματος αυξάνεται, μέχρι οι θερμοκρασίες τους να γίνουν ίσες. Από τη στιγμή αυτή και μετά, η θερμοκρασία μένει σταθερή, δεν έχουμε μεταφορά θερμότητας και τα σώματα βρίσκονται σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας. Για να μετρήσουμε σωστά τη θερμοκρασία ενός σώματος, θα πρέπει το θερμόμετρο να βρίσκεται σε επαφή με το σώμα και να έχει σταθεροποιηθεί η ένδειξή του. Δηλαδή, το θερμόμετρο και το σώμα να βρίσκονται σε θερμική ισορροπία. Τι είναι η θερμική ενέργεια και από ποιους παράγοντες εξαρτάται; Θερμική ενέργεια ονομάζεται το σύνολο της κινητικής ενέργειας των μορίων ενός σώματος. Είναι προφανές ότι η θερμική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται από: α. Την κινητική ενέργεια του κάθε μορίου, συνεπώς από τη θερμοκρασία του σώματος. β. Το συνολικό αριθμό των μορίων του σώματος, συνεπώς από τη μάζα του σώματος. Αν συγκρίνουμε τη θερμική ενέργεια ενός παγόβουνου και μίας κούπας ζεστό τσάι, παρατηρούμε ότι τα μόρια στην κούπα έχουν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια το καθένα ξεχωριστά από ότι στο παγόβουνο, όμως η θερμική ενέργεια του παγόβουνου είναι μεγαλύτερη γιατί η μάζα του είναι τεράστια.

22 282 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Τι γνωρίζετε για τις δυνάμεις μεταξύ των μορίων στις τρεις καταστάσεις της ύλης; Στα στερεά σώματα, ασκούνται ισχυρές δυνάμεις μεταξύ των μορίων, με αποτέλεσμα τα μόρια να έχουν καθορισμένες θέσεις. Στα υγρά σώματα, οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων είναι ασθενέστερες από τα στερεά, με αποτέλεσμα τα μόρια να κινούνται, γλιστρώντας το ένα πάνω στο άλλο. Στα αέρια σώματα, δεν ασκούνται δυνάμεις μεταξύ των μορίων τους, για αυτό τα μόρια κινούνται ελεύθερα, μακριά το ένα από το άλλο. Επειδή στα στερεά και στα υγρά σώματα, υπάρχουν δυνάμεις μεταξύ των μορίων τους, τα μόρια εκτός από κινητική ενέργεια έχουν και δυναμική. Τι ονομάζουμε εσωτερική ενέργεια ενός σώματος; Το σύνολο της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας των μορίων ενός σώματος ονομάζεται εσωτερική ενέργεια.

23 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 283 Ανακεφαλαίωση: Στα αέρια, τα μόρια κινούνται συνεχώς και ελεύθερα προς κάθε κατεύθυνση. Στα υγρά, τα μόρια κινούνται άτακτα γλιστρώντας το ένα πάνω στο άλλο. Στα στερεά, τα μόρια κινούνται ελάχιστα, γύρω από καθορισμένες θέσεις. Δύο σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία όταν έχουν την ίδια θερμοκρασία και δεν υπάρχει μεταφορά θερμότητας μεταξύ τους. Θερμική ενέργεια ονομάζεται το σύνολο της κινητικής ενέργειας των μορίων ενός σώματος. Εσωτερική ενέργεια ονομάζεται το σύνολο της δυναμικής και της κινητικής ενέργειας των μορίων ενός σώματος.

24 284 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Λυμένες ασκήσεις: 89. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Η θερμική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται από την κινητική ενέργεια κάθε μορίου του και από το συνολικό αριθμό των μορίων του. β. Τα σώματα έχουν ορισμένο όγκο και σχήμα στην υγρή κατάσταση. γ. Για να μετρήσουμε σωστά τη θερμοκρασία ενός σώματος, πρέπει το θερμόμετρο και το σώμα να βρίσκονται σε κατάσταση θερμικής ι- σορροπίας. δ. Όταν δύο σώματα έχουν διαφορετική θερμοκρασία, μεγαλύτερη θερμική ενέργεια έχει πάντα αυτό που βρίσκεται σε μεγαλύτερη θερμοκρασία. Λύση α. Η πρόταση είναι σωστή. β. Η πρόταση είναι λανθασμένη, γιατί ορισμένο όγκο και σχήμα έχουν τα στερεά σώματα. γ. Η πρόταση είναι σωστή. δ. Η πρόταση είναι λανθασμένη, γιατί η θερμική ενέργεια εξαρτάται και από τη μάζα του σώματος. 90. Να συμπληρώσετε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις: α... ενέργεια ονομάζεται το σύνολο της κινητικής ενέργειας των μορίων ενός σώματος. β. Όσο υψη λότερη είναι η θερ μοκρασία ενός σώμα τος, τόσο.. είναι η κίνηση των μορίων του. γ. Η θερμική ενέργεια ενός σώματος εξαρτάται από τη.. και από τη.. του σώματος. δ. Στα.. σώματα, τα μόρια κινούνται ελάχιστα, γύρω από καθορισμένες θέσεις.

25 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 285 Λύση α. Θερμική β. εντονότερη γ. θερμοκρασία, μάζα δ.στερεά 91. Να αντιστοιχίσετε τις καταστάσεις της ύλης της στήλης Α με τις περιγραφές της στήλης Β: Στήλη Α α. Στερεή β. Υγρή γ. Αέρια Στήλη Β 1. Τα μόρια γλιστρούν το ένα πάνω στο άλλο. 2. Δεν ασκούνται δυνάμεις μεταξύ των μορίων. 3. Συγκεκριμένο σχήμα. 4. Συγκεκριμένος όγκος, μεταβλητό σχήμα. 5. Τα μόρια κινούνται ελάχιστα. 6. Καταλαμβάνουν όλο το χώρο που διατίθεται. Λύση α. 3, α. 5, β. 1, β. 4, γ. 2, γ. 6

26 286 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Ασκήσεις για λύση: 110. Να συμπληρώσετε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις: α. Το θερμόμετρο δείχνει σωστά τη θερμοκρασία ενός σώματος, όταν βρίσκεται σε... με αυτό. β. Μεταξύ των μορίων ενός.. δεν ασκούνται δυνάμεις. γ. Η.. ενός σώματος εξαρτάται μόνο από την κινητική ενέργεια κάθε μορίου του. δ. Στα.. σώματα, τα μόρια κινούνται ελεύθερα, προς κάθε κατεύθυνση Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η κινητική ενέργεια των μορίων του. β. Οι ισχυρότερες δυνάμεις μεταξύ των μορίων εμφανίζονται στα υγρά σώματα. γ. Στα αέρια σώματα, τα μόρια εκτός από κινητική ενέργεια έχουν και δυναμική. δ. Δύο σώματα που έχουν την ίδια θερμική ενέργεια, έχουν και ίδια θερμοκρασία Δύο ποσότητες νερού έχουν την ίδια θερμοκρασία και διαφορετική θερμική ενέργεια. Τι συμπέρασμα βγάζετε από τα παραπάνω; 113. Να αντιστοιχίσετε τις καταστάσεις της ύλης της στήλης Α με τις εικόνες της στήλης Β: Στήλη Α Στήλη Β α. Στερεή β. Υγρή γ. Αέρια

27 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Ο Κριτήριο Αξιολόγησης: Θέμα 1 ο α. Πότε δύο σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία; β. Να συμπληρώσετε τα κενά στην ακόλουθη φράση: Όσο υψηλότερη είναι η... ενός σώματος, τόσο εντονότερη είναι η... των μορίων. Με άλλα λόγια, όταν αυξάνεται η... ενός σώματος αυξάνεται και η των μορίων του. Θέμα 2 ο α. Από τι εξαρτάται η θερμική ενέργεια ενός σώματος; β. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; Ένα παγόβουνο και ένα παγάκι έχουν: 1. Ίδια θερμοκρασία. 2. Ίδια θερμική ενέργεια. 3. Μόρια με ίδια κινητική ενέργεια. Θέμα 3 ο α. Τι ονομάζουμε εσωτερική ενέργεια; β. Σε ποια θερμοκρασία τα μόρια ενός σώματος έχουν την ελάχιστη κινητική ενέργεια; Θέμα 4 ο Να περιγράψετε την κινητική κατάσταση των μορίων και τις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ τους, στον πάγο, στο νερό και στους υδρατμούς.

28 288 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Θερμική διαστολή και συστολή Τι είναι η θερμική διαστολή και τι η θερμική συστολή ενός σώματος; Θερμική διαστολή ονομάζουμε το φαινόμενο της αύξησης των διαστάσεων ενός σώματος, όταν θερμαίνεται. Θερμική συστολή ονομάζουμε το φαινόμενο της μείωσης των διαστάσεων ενός σώματος, όταν ψύχεται. Τι ονομάζεται γραμμική διαστολή ή διαστολή κατά μήκος ενός σώματος; Γραμμική διαστολή ή διαστολή κατά μήκος ενός σώματος ονομάζεται η διαστολή στην οποία η αύξηση του μήκους του είναι συγκριτικά πολύ μεγαλύτερη από την αύξηση των άλλων διαστάσεών του. Γραμμική διαστολή των στερεών: Από ποιους παράγοντες εξαρτάται η μεταβολή του μήκους ενός στερεού κατά τη γραμμική διαστολή; Η μεταβολή του μήκους κατά τη θέρμανση ενός στερεού σώματος: α. Είναι ανάλογη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Δηλαδή, αν διπλασιάσουμε τη μεταβολή της θερμοκρασίας, διπλασιάζεται και η μεταβολή του μήκους. β. Είναι ανάλογη με το αρχικό μήκος του σώματος. Δηλαδή, αν διπλασιάσουμε το αρχικό μήκος, θα διπλασιαστεί και η μεταβολή του μήκους, για ίδια μεταβολή της θερμοκρασίας. γ. Εξαρτάται από το υλικό κατασκευής του σώματος. Δηλαδή, δύο σώματα ίδιου μήκους από διαφορετικό υλικό, για ίδια μεταβολή της θερμοκρασίας, παρουσιάζουν διαφορετική μεταβολή του μήκους. H σιδερένια σφαίρα στη θερμοκρασία δωματίου μόλις περνά μέσα από το δακτυλίδι. Η ίδια σφαίρα σφηνώνεται στο δακτυλίδι, όταν η θερμοκρασία της φτάσει στους 200 ο C, λόγω αύξησης του όγκου της. Η αύξηση του μήκους είναι ανάλογη της μεταβολής της θερμοκρασίας. Θερμική διαστολή των υγρών: Τι γνωρίζετε για τη θερμική διαστολή των υγρών;

29 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 289 Η αύξηση όγκου εξαρτάται από το είδος του υγρού. Κατά τη θέρμανση ενός υγρού, παρατηρείται αύξηση του όγκου του. Η αύξηση του όγκου ενός υγρού: α. Είναι ανάλογη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Δηλαδή, αν διπλασιάσουμε τη μεταβολή της θερμοκρασίας, διπλασιάζεται και η μεταβολή του όγκου. β. Είναι ανάλογη με τον αρχικό όγκο του υγρού. Δηλαδή, αν διπλασιάσουμε τον αρχικό όγκο, θα διπλασιαστεί και η μεταβολή του όγκου, για ίδια μεταβολή της θερμοκρασίας. γ. Εξαρτάται από το είδος του υγρού. Δηλαδή, δύο υγρά ίδιου όγκου από διαφορετικό υλικό, για ίδια μεταβολή της θερμοκρασίας, παρουσιάζουν διαφορετική μεταβολή του όγκου. Γενικά, τα υγρά διαστέλλονται περισσότερο από τα στερεά. Θερμική διαστολή των αερίων: Τι γνωρίζετε για τη θερμική διαστολή των αερίων; Σε όλα τα αέρια, μεταβολή της θερμοκρασίας κατά 1 ο C, υπό σταθερή πίεση, προκαλεί μεταβολή του όγκου κατά το 1/ 273 του όγκου που είχαν στους 0 ο C. Κατά τη θέρμανση ενός αερίου, μπορεί να παρατηρηθεί αύξηση του όγκου ή αύξηση της πίεσης ή ταυτόχρονη αύξηση του όγκου και της πίεσης του αερίου. Η μεταβολή του όγκου ενός αερίου όταν θερμαίνεται και η πίεσή του είναι σταθερή: α. Είναι ανάλογη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας. Δηλαδή, αν διπλασιάσουμε τη μεταβολή της θερμοκρασίας, διπλασιάζεται και η μεταβολή του όγκου. β. Είναι ανάλογη με τον αρχικό όγκο του αερίου. Δηλαδή, αν διπλασιάσουμε τον αρχικό όγκο, θα διπλασιαστεί και η μεταβολή του όγκου, για ίδια μεταβολή της θερμοκρασίας. Σε όλα τα αέρια τα μόρια δεν συνδέονται μεταξύ τους, γι αυτό η μεταβολή του όγκου δεν εξαρτάται από το είδος του αερίου.

30 290 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Ερμηνεία της διαστολής: Πως ερμηνεύεται η διαστολή και συστολή των στερεών σωμάτων με τη βοήθεια των μορίων; Θεωρούμε ότι τα μόρια του στερεού συγκρατούνται μεταξύ τους σαν να συνδέονται με μικροσκοπικά ελατήρια τα οποία ευκολότερα επιμηκύνονται παρά συμπιέζονται. Όταν θερμαίνουμε το στερεό, τα μόριά του ταλαντώνονται εντονότερα, με αποτέλεσμα να συμπιέζονται και να επιμηκύνονται περισσότερο. Όμως, η επιμήκυνση είναι μεγαλύτερη από τη συμπίεση, με αποτέλεσμα τα μόρια να απομακρύνονται μεταξύ τους και το σώμα να διαστέλλεται. Άρα κατά τη διαστολή δεν αυξάνονται οι διαστάσεις των μορίων, αλλά η μεταξύ τους απόσταση. Τι συμπεράσματα προκύπτουν από την ερμηνεία της διαστολής; Τα συμπεράσματα από την ερμηνεία του φαινόμενου της διαστολής είναι τα ακόλουθα: α. Η αύξηση του μήκους εξαρτάται από τις δυνάμεις μεταξύ των μορίων. Όσο ασθενέστερα είναι συνδεδεμένα τα μόρια μεταξύ τους, τόσο εντονότερο είναι το φαινόμενο της διαστολής, γι αυτό η διαστολή εξαρτάται από το είδος του υλικού. β. Η αύξηση του μήκους εξαρτάται από το αρχικό μήκος του σώματος. Όσο μεγαλύτερο είναι το αρχικό μήκος, τόσο περισσότερα μόρια παρεμβάλλονται μεταξύ των άκρων του, άρα τόσο μεγαλύτερη είναι η αύξηση του μήκους του σώματος, λόγω διαστολής. Κατά τη διαστολή ενός σώματος αυξάνεται ο όγκος του, η μάζα του όμως παραμένει σταθερή, επομένως η πυκνότητά του μειώνεται. Δυνάμεις διαστολής ή συστολής: Πότε εμφανίζονται οι δυνάμεις διαστολής ή συστολής; Δώστε ένα παράδειγμα.

31 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 291 Οι δυνάμεις διαστολής ή συστολής εμφανίζονται όταν εμποδίζεται η διαστολή ή συστολή ενός σώματος αντίστοιχα. Για παράδειγμα: Αν μέσα σε ένα κρύο ποτήρι ρίξουμε ξαφνικά καυτό νερό, το εσωτερικό του ποτηριού θερμαίνεται ταχύτερα, σε σχέση με το εξωτερικό και διαστέλλεται πριν από αυτό, με αποτέλεσμα να εμφανιστούν δυνάμεις διαστολής και το ποτήρι να σπάσει. Γιατί τα γυάλινα σκεύη που χρησιμοποιούμε για το ψήσιμο του φαγητού είναι πυρίμαχα; Τα σκεύη αυτά κατασκευάζονται από πυρίμαχο γυαλί (Pyrex) το οποίο διαστέλλεται πολύ λιγότερο από το κοινό γυαλί, με αποτέλεσμα οι δυνάμεις διαστολής να είναι ασθενέστερες και να μην σπάει. Θερμοστάτης: Τι είναι ο θερμοστάτης; Ο θερμοστάτης είναι μία συσκευή με την οποία ρυθμίζουμε τη θερμοκρασία σε διάφορες ηλεκτρικες συσκευές. Για παράδειγμα: Στην ηλεκτρική κουζίνα, στο ηλεκτρικό ψυγείο και στο ηλεκτρικό σίδερο υπάρχουν θερμοστάτες, για να κρατούν την θερμοκρασία σταθερή. Θερμοστάτης (διμεταλλικό έλασμα). Όταν θερμαίνεται παραμορφώνεται. Tι είναι το διμεταλλικό έλασμα; Το διμεταλλικό έλασμα αποτελείται από δύο ελάσματα από διαφορετικά μέταλλα, κολλημένα πολύ καλά το ένα στο άλλο. Όταν ένα διμεταλλικό έλασμα θερμανθεί, τότε το ένα μέταλλο διαστέλλεται εντονότερα από το άλλο, με αποτέλεσμα να κάμπτεται προς την πλευρά του υλικού που διαστέλλεται λιγότερο. Ένα διμεταλλικό έλασμα από invar και ορείχαλκο κάμπτεται προς τη μεριά του invar γιατί αυτό διαστέλλεται λιγότερο.

32 292 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Πως λειτουργεί ένας θερμοστάτης που αποτελείται από ένα διμεταλλικό έλασμα; Όταν σε μία ηλεκτρική συσκευή υπάρχει θερμοστάτης που αποτελείται από διμεταλλικό έλασμα, τότε με τις μεταβολές της θερμοκρασίας, αυτό κάμπτεται. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να διακόπτει και να αποκαθιστά τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος όταν η θερμοκρασία της συσκευής αυξηθεί ή ελαττωθεί πέρα από το όριο στο οποίο έχει ρυθμιστεί ο θερμοστάτης. Η διαστολή του νερού: Ποια ιδιομορφία παρουσιάζει το νερό κατά τη διαστολή του; Σε αντίθεση με τα υπόλοιπα υγρά τα οποία όταν αυξάνεται η θερμοκρασία τους διαστέλλονται, το νερό όταν θερμαίνεται μεταξύ 0 και 4 ο C, συστέλλεται. Μετά τους 4 ο C το νερό συμπεριφέρεται όπως τα υπόλοιπα υγρά, δηλαδή αν το θερμάνουμε διαστέλλεται μέχρι να βράσει. Αποτέλεσμα αυτής της ιδιομορφίας είναι μία ποσότητα νερού να έχει τον ελάχιστο όγκο και τη μέγιστη πυκνότητα σε θερμοκρασία 4 ο C. Ποιο ρόλο παίζει η ιδιομορφία του νερού κατά τη διαστολή του στη διατήρηση της υδρόβιας ζωής; Μεταβολή του όγκου 1 L νερού, καθώς μεταβάλλεται η θερμοκρασία του. Όταν η θερμοκρασία του νερού στην επιφάνεια μίας λίμνης φτάσει τους 4 ο C, το επιφανειακό νερό έχει μεγαλύτερη πυκνότητα και βυθίζεται. Η διαδικασία αυτή συνεχίζεται μέχρι η θερμοκρασία όλου του νερού της λίμνης να γίνει 4 ο C. Μόνο τότε η θερμοκρασία του νερού ελαττώνεται κάτω από τους 4 ο C, αρχίζοντας από το νερό της επιφάνειας. Ο χειμώνας όμως δεν διαρκεί τόσο πολύ ώστε να παγώσει όλο το νερό. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η θερμοκρασία στο βυθό της λίμνης να είναι 4 ο C, αν και σε μικρότερα βάθη έχουμε μικρότερες θερμοκρασίες. Το αποτέλεσμα των παραπάνω είναι η διατήρηση της ζωής στο βυθό της λίμνης, όλο τον χειμώνα.

33 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 293 Ανακεφαλαίωση: Θερμική διαστολή ονομάζουμε το φαινόμενο της αύξησης των διαστάσεων ενός σώματος, όταν θερμαίνεται. Γραμμική διαστολή ή διαστολή κατά μήκος ενός σώματος ονομάζεται η διαστολή στην οποία η αύξηση του μήκους του είναι συγκριτικά πολύ μεγαλύτερη από την αύξηση των άλλων διαστάσεών του. Η μεταβολή του μήκους κατά τη θέρμανση ενός στερεού σώματος είναι ανάλογη της μεταβολής της θερμοκρασίας και του αρχικού μήκους του σώματος και εξαρτάται από το υλικό κατασκευής του σώματος. Τα υγρά διαστέλλονται περισσότερο από τα στερεά. Η μεταβολή του όγκου κατά τη θέρμανση ενός υγρού σώματος είναι ανάλογη της μεταβολής της θερμοκρασίας και του αρχικού όγκου του σώματος και εξαρτάται από το είδος του υγρού. Τα αέρια διαστέλλονται περισσότερο από τα υγρά. Η μεταβολή του όγκου κατά τη θέρμανση ενός αέριου σώματος είναι ανάλογη της μεταβολής της θερμοκρασίας και του αρχικού όγκου του σώματος και δεν εξαρτάται από το είδος του αερίου. Κατά τη διαστολή, δεν αυξάνονται οι διαστάσεις των μορίων του σώματος, αλλά οι μεταξύ τους αποστάσεις. Κατά τη διαστολή, η μάζα παραμένει σταθερή, ο όγκος αυξάνεται και η πυκνότητα ελαττώνεται. Οι δυνάμεις διαστολής ή συστολής εμφανίζονται όταν εμποδίζεται η διαστολή ή συστολή ενός σώματος αντίστοιχα. Σε αντίθεση με τα υπόλοιπα υγρά τα οποία όταν αυξάνεται η θερμοκρασία τους διαστέλλονται, το νερό όταν θερμαίνεται μεταξύ 0 και 4 ο C, συστέλλεται.

34 294 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Λυμένες ασκήσεις: 92. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Η μεταβολή του μήκους μίας ράβδου κατά τη θέρμανσή της είναι ανάλογη με τη μεταβολή της θερμοκρασίας. β. Η μεταβολή του όγκου ενός υγρού κατά τη διαστολή του δεν εξαρτάται από το είδος του υγρού. γ. Κατά τη διαστολή ενός στερεού σώματος, αυξάνεται η μάζα του. δ. Το νερό όταν θερμαίνεται μεταξύ 0 και 4 o C, συστέλλεται. Λύση α. Η πρόταση είναι σωστή. β. Η πρόταση είναι λανθασμένη, γιατί η μεταβολή του όγκου εξαρτάται από το είδος του υγρού. γ. Η πρόταση είναι λανθασμένη, γιατί η μάζα ενός στερεού κατά τη διαστολή παραμένει σταθερή. δ. Η πρόταση είναι σωστή. 93. Να συμπληρώσετε τα κενά στις παρακάτω προτάσεις: α. Όταν η αύξηση του μήκους είναι συγκριτικά πολύ μεγαλύτερη από την αύξηση των άλλων διαστάσεων, η διαστολή αυτή ονομάζεται.. διαστολή. β. Σε αντίθεση με τα στερεά και τα υγρά, η μεταβολή του όγκου στα αέρια δεν εξαρτάται από το.. του.. γ. Κατά τη διαστολή δεν αυξάνονται οι.. των μορίων αλλά οι μεταξύ τους.. δ. Στους.. ο C, ο όγκος κάθε αερίου, θεωρητικά, μηδενίζεται. Λύση α. γραμμική β. είδος, αερίου γ. διαστάσεις, αποστάσεις δ. 273

35 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Με δεδομένο ότι η αγορά των καυσίμων γίνεται με βάση τον όγκο τους, θα ήταν οικονομικότερο να τοποθετήσετε καύσιμα στο αυτοκίνητο το πρωί ή το μεσημέρι μίας ημέρας; Λύση Το μεσημέρι, η θερμοκρασία είναι γενικά μεγαλύτερη, συνεπώς ίδια μάζα καυσίμου έχει μεγαλύτερο όγκο από ότι το πρωί. Άρα το μεσημέρι θα πληρώναμε περισσότερα χρήματα για την ίδια ποσότητα καυσίμου. Για αυτό θα ήταν οικονομικότερο να βάλουμε καύσιμα στο αυτοκίνητο το πρωί. 95. Ο πλαϊνός πίνακας μας δείχνει τη διαστολή ράβδων από διάφορα υλικά με αρχικό μήκος 1 m, όταν η θερμοκρασία τους μεταβληθεί κατά 100 o C. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πίνακα να βρείτε πόσο θα μεταβληθεί το μήκος μίας ράβδου από ορείχαλκο, αρχικού μήκους 4 m, αν η θερμοκρασία της αυξηθεί κατά 100 o C. Λύση Γνωρίζουμε ότι η μεταβολή του μήκους είναι ανάλογη του αρχικού μήκους. Άρα: Για 1 m η μεταβολή του μήκους είναι 2 mm. Για 4 m η μεταβολή του μήκους είναι x; x = 2 4 mm = 8 mm Άρα η μεταβολή του μήκους είναι 8 mm. 96. Ο πλαϊνός πίνακας μας δείχνει τη διαστολή ράβδων από διάφορα υλικά με αρχικό μήκος 1 m, όταν η θερμοκρασία τους μεταβληθεί κατά 100 o C. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πίνακα να βρείτε πόσο θα μεταβληθεί το μήκος μίας ράβδου από κράμα πλατίνας, αρχικού μήκους 1 m, αν η θερμοκρασία της αυξηθεί κατά 500 o C. Λύση Γνωρίζουμε ότι η μεταβολή του μήκους είναι ανάλογη της μεταβολής της θερμοκρασίας. Άρα:

36 296 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Για 100 ο C η μεταβολή του μήκους είναι 0,9 mm. Για 500 ο C η μεταβολή του μήκους είναι x; 100x = 0,9 500 mm 100x = 450 mm x = 450 / 100 mm x = 0,45 mm Άρα η μεταβολή του μήκους είναι 0,45 mm.

37 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 297 Ασκήσεις για λύση: 114. Nα συμπληρώσετε τα κενά με τις κατάλληλες λέξεις, στις παρακάτω προτάσεις: α. Κατά τη θέρμανση μίας ράβδου, η μεταβολή του μήκους είναι.. με το αρχικό μήκος του σώματος. β. Ο όγκος των αερίων θεωρητικά μηδενίζεται στους.. Κ. γ. Όταν η διαστολή ενός σώματος εμποδίζεται παρουσιάζονται οι.... δ. Η συσκευή ρύθμισης της θερμοκρασίας ονομάζεται Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές και ποιες λανθασμένες; α. Γενικά, τα στερεά διαστέλλονται περισσότερο από τα υγρά. β. Η μεταβολή του όγκου ενός αερίου εξαρτάται από το είδος του αερίου. γ. Κατά τη διαστολή ενός στερεού σώματος, αυξάνεται ο κενός χώρος μεταξύ των μορίων του. δ. Το νερό έχει τη μέγιστη πυκνότητα στούς 4 o C Ο πλαϊνός πίνακας μας δείχνει τη διαστολή ράβδων από διάφορα υλικά με αρχικό μήκος 1 m, όταν η θερμοκρασία τους μεταβληθεί κατά 100 o C. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πίνακα να βρείτε πόσο θα μεταβληθεί το μήκος μίας ράβδου από αλουμίνιο, αρχικού μήκους 5 m, αν η θερμοκρασία της αυξηθεί κατά 100 o C O πίνακας της άσκησης 3 μας δείχνει τη διαστολή ράβδων από διάφορα υλικά με αρχικό μήκος 1 m, όταν η θερμοκρασία τους μεταβληθεί κατά 100 o C. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πίνακα να βρείτε πόσο θα μεταβληθεί το μήκος μίας ράβδου από κράμα πλατίνας, αρχικού μήκους 1 m, αν η θερμοκρασία της αυξηθεί κατά 400 o C.

38 298 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή 118. Ο πλαϊνός πίνακας μας δείχνει τη διαστολή ράβδων από διάφορα υλικά με αρχικό μήκος 1 m, όταν η θερμοκρασία τους μεταβληθεί κατά 100 o C. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πίνακα να βρείτε πόσο θα μεταβληθεί το μήκος μίας ράβδου από πυρίμαχο γυαλί, αρχικού μήκους 8 m, αν η θερμοκρασία της αυξηθεί κατά 2000 o C Ο πλαϊνός πίνακας μας δείχνει τη μεταβολή του όγκου από διάφορα υλικά με αρχικό όγκο 1 m 3, όταν η θερμοκρασία τους μεταβληθεί κατά 100 o C. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πίνακα να βρείτε πόσο θα μεταβληθεί o όγκος 10 L υδραργύρου, αν η θερμοκρασία του αυξηθεί κατά 100 o C Ο πίνακας της άσκησης 34 μας δείχνει τη μεταβολή του όγκου από διάφορα υλικά με αρχικό όγκο 1 m 3, όταν η θερμοκρασία τους μεταβληθεί κατά 100 o C. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πίνακα να βρείτε πόσο θα μεταβληθεί o όγκος 30 m 3 λαδιού, αν η θερμοκρασία του αυξηθεί κατά 20 o C.

39 ΦΥΣΙΚΗ: Θερμοκρασία - Μέτρηση της θερμοκρασίας - Θερμότητα - Θερμική διαστολή και συστολή Ο Κριτήριο Αξιολόγησης: Θέμα 1 ο α. Από τι εξαρτάται η μεταβολή του μήκους μίας μεταλλικής ράβδου; β. Να συμπληρώσετε τα κενά στην ακόλουθη φράση: Κατά τη διαστολή, αυξάνεται ο μεταξύ των μορίων. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να... ο όγκος των σωμάτων. Η μάζα όμως Άρα η πυκνότητα... Θέμα 2 ο α. Πότε εμφανίζονται οι δυνάμεις διαστολής; β. Ποια ιδιομορφία παρουσιάζει το νερό σε σχέση με τα υπόλοιπα υγρά, κατά τη διαστολή του; Θέμα 3 ο Σε δύο δοχεία υπάρχουν ίσοι όγκοι νερού. Αν στο πρώτο δοχείο η θερμοκρασία είναι 4 ο C ενώ στο δεύτερο 2 ο C, σε ποιο από τα δύο δοχεία υπάρχει μεγαλύτερη μάζα νερού; Θέμα 4 ο Ο πλαϊνός πίνακας μας δείχνει τη μεταβολή του όγκου από διάφορα υλικά με αρχικό όγκο 1 m 3, όταν η θερμοκρασία τους μεταβληθεί κατά 100 o C. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του πίνακα να βρείτε πόσο θα μεταβληθεί o όγκος 5 m 3 βενζίνης, αν η θερμοκρασία της αυξηθεί κατά 100 o C.

40