§ 53. Тепловое расширение твердых и жидких тел

При повышении температуры твердого тела усиливается тепловое движение его частиц и среднее расстояние между ними возрастает. Поэтому при нагревании твердое тело расширяется. Опыт показывает, что удлинение тела (линейное расширение) пропорционально изменению его температуры:

где длина тела при температуре длина тела при температуре коэффициент линейного расширения. Полагая из формулы (1) получим

и

откуда следует, что коэффициент линейного расширения равен относительному удлинению тела при нагревании на Для твердых тел имеет порядок

В результате линейного расширения увеличивается и объем тела. Возьмем тело кубической формы с ребром при температуре Его объем После нагревания до температуры ребро станет равным а объем

В связи с малостью а можно пренебречь членами, содержащими написав

Обозначив

получим

Величина называется коэффициентом объемного расширения. Очевидно, что порядок величины такой же, как и у .

Поскольку плотность тела то, согласно формуле (4), получим

где плотность тела при температуре Таким образом, плотность тела уменьшается с повышением его температуры.

Формулы (2), (4) и (5) остаются справедливыми и для жидких тел, только коэффициент объемного расширения у жидкостей больше, чем у твердых тел; он имеет порядок

Благодаря уменьшению плотности с повышением температуры в нагреваемом снизу объеме жидкости (и газа) возникает конвекция: нижние слои жидкости (газа), как менее плотные, начинают подниматься вверх, а верхние слои опускаются вниз; этим значительно ускоряется нагревание объема. Конвекция играет важную роль в процессах теплообмена в атмосфере и водных бассейнах.