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

Príklad 1 — čo sa deje s časticami: Kovovú guľu zohrejeme nad plameňom. Prečo potom neprejde krúžkom, ktorým za studena prešla?
Pri zahriatí sa častice kovu pohybujú rýchlejšie a kmitajú s väčším rozkmitom.
Vzdialenosti medzi nimi sa zväčšia a guľa zväčší objem.
Počet častíc ani hmotnosť sa nezmenia.
Výsledok → guľa sa roztiahla, jej objem vzrástol, hmotnosť ostala rovnaká

Príklad 2 — predĺženie koľajnice: Oceľová koľajnica dlhá 1 m sa pri zohriatí o 1 °C predĺži o 0,012 mm. O koľko sa predĺži koľajnica dlhá 25 m, ktorá sa ohreje o 40 °C?
Predĺženie rastie s dĺžkou aj so zmenou teploty.
Koľajnica 25 m pri 1 °C: 25 · 0,012 = 0,3 mm
Pri 40 °C: 40 · 0,3 = 12 mm

Príklad 3 — poradie skupenstiev: Nafúknutý balónik, voda vo fľaši a železný klinec ohrejeme o rovnaký počet stupňov. Čo sa roztiahne najviac?
V plyne sú častice ďaleko od seba a takmer neviazané.
V kvapaline sú bližšie, v pevnej látke sú pevne usporiadané.
Poradie → plyn (balónik) > kvapalina (voda) > pevná látka (klinec)

Príklad 4 — zaseknuté viečko (prax): Prečo sa kovové viečko na zaváraninovom pohári ľahšie otvorí, keď ho podržíš pod teplou vodou?
Kovové viečko aj sklo sa teplom rozťahujú.
Kov sa rozťahuje viac ako sklo.
Viečko sa roztiahne viac ako hrdlo pohára → viečko povolí a ľahšie sa otvorí

Príklad 5 — teplovzdušný balón: Prečo balón stúpa, keď horák ohreje vzduch v ňom?
Ohriaty vzduch zväčší objem, ale jeho hmotnosť ostane rovnaká.
Hustota = hmotnosť ÷ objem, preto hustota teplého vzduchu klesne.
Teplý vzduch je ľahší ako okolitý studený → balón stúpa nahor

Príklad 6 — most v lete a v zime (prax): Oceľový most dlhý 50 m má v zime −10 °C a v lete 35 °C. O koľko sa zmení jeho dĺžka? (1 m ocele sa pri 1 °C predĺži o 0,012 mm)
Rozdiel teplôt: 35 − (−10) = 45 °C
Most 50 m pri 1 °C: 50 · 0,012 = 0,6 mm
Most preto potrebuje dilatačnú medzeru, ktorá túto zmenu dĺžky vyrovná.
Pri 45 °C: 45 · 0,6 = 27 mm

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.

Precvič si

1. Čo sa deje s časticami látky, keď ju ochladíme?
2. Zoraď od najmenšej po najväčšiu rozťažnosť: olej, kyslík, meď.
3. Prečo sa elektrické drôty medzi stĺpmi vešajú trochu prevesené?
4. Oceľová tyč je dlhá 2 m. O koľko sa predĺži pri ohreve o 50 °C? (1 m ocele sa pri 1 °C predĺži o 0,012 mm)
5. Hliníkový profil je dlhý 10 m. O koľko sa predĺži pri ohreve o 30 °C? (1 m hliníka sa pri 1 °C predĺži o 0,023 mm)
6. Koľajnica dlhá 30 m má v zime −20 °C a v lete 40 °C. O koľko je v lete dlhšia? (oceľ: 0,012 mm na 1 m a 1 °C)