Teplotná rozťažnosť látok Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Teplotná rozťažnosť — Je to vlastnosť látok meniť svoj objem (a pri pevných látkach aj dĺžku) pri zmene teploty. Pri zahrievaní sa väčšina látok rozťahuje a pri ochladzovaní zmršťuje. Je to dôležité, pretože sa s týmto javom stretávame v prírode aj v technike každý deň — od koľajníc až po teplomer.

2. Príčina rozťažnosti (pohyb častíc) — Všetky látky sú zložené z drobných častíc (atómov a molekúl), ktoré sú v neustálom pohybe. Keď látku zahrievame, dodávame jej teplo a častice sa pohybujú rýchlejšie a kmitajú s väčším rozkmitom. Tým potrebujú viac priestoru, vzdialenosti medzi nimi sa zväčšujú a celá látka zväčší svoj objem.

3. Rozťažnosť pevných látok — Pevné látky sa pri zahriatí rozťahujú najmenej zo všetkých skupenstiev, lebo ich častice sú pevne usporiadané a držia spolu. Predĺženie je síce malé, ale pri veľkých rozmeroch (mosty, koľajnice, potrubia) sa stáva výrazným a treba s ním počítať. Pevná látka sa rozťahuje do dĺžky, šírky aj výšky — teda do všetkých smerov.

4. Rôzne látky sa rozťahujú rôzne — Pri rovnakom zahriatí sa rôzne látky predĺžia o rôznu hodnotu — napríklad hliník sa rozťahuje viac než železo. Túto vlastnosť opisuje takzvaná teplotná rozťažnosť konkrétneho materiálu. Práve preto sa pri stavbách a strojoch musí starostlivo vyberať, aký kov sa kde použije.

5. Rozťažnosť kvapalín — Kvapaliny sa pri zahriatí rozťahujú viac ako pevné látky, lebo ich častice nie sú tak pevne viazané a môžu sa ľahšie vzďaľovať. Keďže kvapalina nemá vlastný tvar, sledujeme len zmenu jej objemu. Tento jav využívame napríklad v kvapalinových teplomeroch.

6. Anomália vody — Voda sa správa nezvyčajne (anomálne): pri ochladzovaní od 4 °C do 0 °C sa namiesto zmršťovania rozťahuje a jej objem rastie. Najmenší objem (a teda najväčšiu hustotu) má voda práve pri 4 °C. Vďaka tomu zamŕzajú jazerá a rieky od hladiny smerom dole a ryby môžu pod ľadom prežiť zimu.

7. Rozťažnosť plynov — Plyny sa pri zahriatí rozťahujú zo všetkých látok najviac, pretože ich častice sú od seba veľmi vzdialené a pohybujú sa najvoľnejšie. Aj malé zvýšenie teploty spôsobí výrazné zväčšenie objemu plynu. Preto sa teplý vzduch rozpína, stáva sa redším a stúpa nahor.

8. Teplý vzduch stúpa nahor — Keď sa vzduch zohreje, zväčší svoj objem, zníži hustotu a stane sa ľahším než okolitý chladnejší vzduch, preto stúpa hore. Tento jav vysvetľuje prúdenie vzduchu, vznik vetra aj let teplovzdušného balóna. Rovnaký princíp funguje aj pri kúrení v miestnosti, kde sa teplo šíri od radiátora nahor.

9. Dilatačné medzery a využitie v stavbách — Mosty, betónové cesty, chodníky a koľajnice sa cez deň na slnku zahrievajú a predlžujú, v noci sa skracujú. Aby materiál nepopraskal alebo sa nevybočil, nechávajú sa medzi dielmi malé voľné miery, takzvané dilatačné medzery. Práve preto počuť na koľajniciach pravidelné klepanie kolies vlaku.

10. Bimetalový pásik — Je to pásik zložený z dvoch zváraných kovov, ktoré sa pri zahriatí rozťahujú rôzne. Pri zahriatí sa pásik ohne na stranu kovu, ktorý sa rozťahuje menej, a pri ochladení sa narovná. Využíva sa ako tepelný spínač v žehličkách, termostatoch a starších blikajúcich svetlách.

11. Teplomer ako využitie rozťažnosti — Kvapalinový teplomer funguje práve vďaka teplotnej rozťažnosti: pri zahriatí sa kvapalina (napríklad lieh zafarbený načerveno) v tenkej rúrke rozpína a stĺpec stúpa nahor. Čím vyššia teplota, tým viac sa kvapalina rozťahuje a tým vyššie vystúpi. Stupnica nám potom ukáže nameranú teplotu.

12. Praktické problémy a opatrenia — S rozťažnosťou treba počítať aj pri potrubiach, elektrických drôtoch a vedeniach, ktoré sa v lete predlžujú a v zime skracujú. Preto sa drôty medzi stĺpmi nevešajú napnuté, ale mierne previsnuté, aby v zime nepopraskali. Sklené nádoby zase môžu pri náhlom zahriatí prasknúť, lebo sa ich časti rozťahujú nerovnomerne.

1. Poučka

Väčšina látok pri zahrievaní zväčšuje svoj objem (rozťahuje sa) a pri ochladzovaní svoj objem zmenšuje (zmršťuje sa). Tento jav sa volá teplotná rozťažnosť. Najviac sa rozťahujú plyny, menej kvapaliny a najmenej pevné látky.

2. Vysvetlenie

• Každá látka je zložená z drobných častíc (atómov a molekúl), ktoré sa neustále pohybujú.
• Keď látku zahrievame, dodávame jej teplo a častice sa pohybujú rýchlejšie a kmitajú s väčším rozkmitom.
• Preto sa od seba častice vzdialia a látka zaberie väčší objem — roztiahne sa.
• Keď látku ochladzujeme, častice spomalia, priblížia sa k sebe a látka sa zmrští.
• Hmotnosť sa pri tom nemení — mení sa iba objem (a tým aj hustota: pri väčšom objeme je hustota menšia).
• Poradie podľa veľkosti rozťažnosti: plyny > kvapaliny > pevné látky.

3. Príklady a prečo je to dôležité

1. Teplomer — kvapalina (lieh alebo ortuť) v trubičke sa pri zahriatí roztiahne a stúpa nahor; podľa jej výšky odčítame teplotu. Bez rozťažnosti by teplomer nefungoval.
2. Medzery na koľajniciach a mostoch — v lete sa oceľ rozťahuje. Keby tam neboli dilatačné medzery, koľajnice by sa prehli a most by sa poškodil.
3. Elektrické a telefónne drôty — v lete visia voľnejšie (predĺžia sa teplom), v zime sa napnú (skrátia sa chladom). Preto sa vešajú trochu prevesené.
4. Voľnejší uzáver na fľaši / zaseknuté viečko pohára — keď kovové viečko zohrejeme pod teplou vodou, roztiahne sa viac než sklo a ľahšie sa odšróbuje.
5. Horúcovzdušný balón — vzduch vnútri sa zahreje, roztiahne sa, zriedne (zmenší sa jeho hustota) a balón stúpa nahor.
6. Bimetalový pásik v žehličke alebo termostate — dva spojené kovy sa rozťahujú rôzne, pásik sa ohne a vypne/zapne kúrenie.

Prečo je to dôležité: Inžinieri musia s rozťažnosťou počítať pri stavbe mostov, ciest, potrubí, železníc aj budov, aby sa teplom nepoškodili. Zároveň ju využívame v praktických zariadeniach — teplomeroch, termostatoch a poistkách.