§ 47. Почему тепловое расширение является жизненно важным явлением?

Естествознание, 5 класс. Учебник: Верховцева Л. А. и др. (Алматыкітап баспасы, 2023). Глава 5: Энергия и движение. Страницы 79–84.

Чему научишься

• Объяснять, что такое тепловое расширение: объёмное, линейное, поверхностное.
• Описывать опыт с шаром и кольцом и объяснять его результат.
• Рассказывать, почему вода при замерзании ведёт себя «неправильно» и почему это спасает рыб.
• Приводить примеры, где расширение учитывают в технике: рельсы, мосты, провода.

Разминка

• Флакон с тугой стеклянной пробкой не открывается. Почему советуют погреть горлышко? Горлышко от тепла чуть-чуть расширяется, а пробка ещё холодная. Между ними появляется крошечный зазор — и пробка вынимается.
• Почему банку с тугой металлической крышкой подставляют под горячую воду? По той же причине: крышка расширяется и «отпускает» банку.
• Почему провода между столбами летом провисают сильнее, чем зимой? Летом они от жары длиннее.

💡 Все три ответа про одно и то же: при нагревании тела становятся чуть больше, а при охлаждении — чуть меньше.

Разбираемся

Тела «дышат» от тепла

Любое тело состоит из крошечных частиц, которые всё время двигаются. Нагреваешь — частицы двигаются быстрее и «толкаются» сильнее, расходятся чуть дальше друг от друга. Тело становится больше. Остужаешь — частицы успокаиваются, тело сжимается.

📌 Тепловое расширение — увеличение размеров и объёма тела при нагревании.

Учёные различают три случая:

• объёмное — когда важен весь объём (шар, жидкость в термометре);
• линейное — когда важна длина (рельсы, провода, мосты);
• поверхностное — когда важна площадь (листы металла в кузове машины).

Опыт с шаром и кольцом

На рисунке в учебнике три штатива. а) Холодный металлический шарик на цепочке спокойно проходит сквозь кольцо. б) Шарик греют над спиртовкой. в) Горячий шарик застрял на кольце и не проходит. Остынет — снова проскочит.

Мосты, рельсы и Эйфелева башня

Если не учесть расширение, летом рельсы выгнет, а мост сломается. Поэтому между рельсами оставляют небольшие зазоры (раньше поезд из-за них «стучал»). У мостов один край ставят на катки, чтобы он мог чуть-чуть ездить. Провода вешают с провисом, иначе зимой они порвутся.

Железный стержень длиной 300 м при нагреве на 1 °C удлиняется примерно на 3 мм. Эйфелева башня как раз около 300 м и сделана из железа. В Париже металл башни летом нагревается до +40 °C, а зимой остывает до 0 °C и ниже. Разница — 40 градусов и больше.

Получается $3 \cdot 40 = 120$ мм, то есть 12 см. Так что на вопрос «Какая высота у Эйфелевой башни?» хитрый ответ: «А в какую погоду?»

🌟 В Казахстане летом бывает +40 °C, а зимой −40 °C. Перепад — 80 градусов! Строителям мостов через Иртыш или Ишим приходится считать расширение очень аккуратно.

Вода — особенная

Почти все вещества при замерзании сжимаются. А вода, наоборот, расширяется: лёд занимает примерно на 9 % больше места, чем вода, из которой он получился. Поэтому лёд легче воды и плавает.

Осенью вода в пруду остывает сверху. Холодная (более тяжёлая) опускается вниз, тёплая поднимается. Вода перемешивается — это конвекция. Так кислород с поверхности попадает к дну, и рыбам есть чем дышать.

Но когда вода остынет до +4 °C, перемешивание прекращается. Вода при +4 °C самая тяжёлая, она остаётся у дна. Верхние слои остывают дальше и превращаются в лёд. Лёд как одеяло укрывает пруд сверху.

На рисунке в учебнике: сверху слой льда, под ним вода. На глубине 40 см +1 °C, на 60 см +2 °C, на 80 см +3 °C, у дна на 100 см +4 °C. Там зимуют рыбы.

⚠️ Частая ошибка. «Зимой у дна холоднее всего». Наоборот! Подо льдом у самого дна теплее всего — около +4 °C.

Проверь, как понял

Проверь себя

• Что такое тепловое расширение? Увеличение размеров тела при нагревании.
• Чем линейное расширение отличается от объёмного? В линейном следим только за длиной, в объёмном — за всем объёмом.
• Почему лёд плавает? При замерзании вода расширяется, лёд становится легче воды.
• Почему между рельсами оставляют зазоры? Чтобы летом удлинившимся рельсам было куда расширяться.

Решаем упражнения

№ 1

В 1199 году в Ингольштадте (Бавария) была лютая зима: по словам летописца из рассказа А. И. Куприна «Палач», «камни трескались от мороза». Почему трескались камни?

Как думать. Вспомни, что делает вода при замерзании, и что камень остывает неравномерно.

Пример ответа.

• В камнях есть трещинки и поры, в них попадает вода. Замерзая, вода расширяется на 9 % и, как клин, раздвигает трещины.
• В сильный мороз камень остывает снаружи быстрее, чем внутри. Наружный слой сжимается сильнее, чем середина, и камень лопается.
• Так же разрушаются горы: в Заилийском Алатау у подножия скал полно осыпей — это работа мороза и воды.

Ответ: замерзающая вода в трещинах расширяется и разрывает камень; кроме того, камень неравномерно сжимается от холода.

№ 2

Посуда из кварца выдерживает резкие перепады температуры: раскалённый кварцевый стакан можно опустить в холодную воду. Чем это объясняется?

Как думать. Обычный стакан лопается, потому что одна его часть сжимается или расширяется быстрее другой. А если вещество почти не меняет размеров?

Решение. Кварц при нагревании и охлаждении почти не расширяется и не сжимается — в десятки раз меньше обычного стекла. Поэтому при резком охлаждении в нём не возникает сильных «перекосов» между горячими и холодными частями, и стакан не трескается.

Ответ: кварц очень мало расширяется при нагревании, поэтому не трескается при перепадах.

№ 3

Почему кирпичные печи кладут на глиняном растворе, а не на цементном, хотя цемент твёрже?

Как думать. Печь то сильно нагревается, то остывает. Подумай, как при этом ведут себя кирпич и раствор.

Пример ответа.

• Глина и кирпич сделаны из одного материала и расширяются от жара почти одинаково. Шов «дышит» вместе с кирпичом.
• Цемент расширяется иначе, к тому же от сильного жара он разрушается. Шов растрескается, и печь начнёт дымить.
• Глина в печи от огня только крепнет, обжигаясь.

Ответ: глина расширяется так же, как кирпич, и выдерживает жар; цементные швы потрескались бы.

№ 4

Почему при строительстве стального моста в городе с резко континентальным климатом учитывают перепады температуры за год?

Как думать. Континентальный климат — жаркое лето и морозная зима, как в Астане или Павлодаре. Перепад огромный, а сталь от тепла удлиняется.

Решение.

1. Перепад: $40 + 40 = 80$ °C.
2. Сталь при таком перепаде меняет длину заметно: стальной пролёт в 300 м удлинится примерно на $3 \cdot 80 = 240$ мм, то есть почти на четверть метра.
3. Если мост закрепить намертво, летом его выгнет, а зимой порвёт. Поэтому делают деформационные швы (зазоры с гребёнкой) и ставят один конец на катки.

Ответ: из-за большого перепада сталь сильно удлиняется летом и укорачивается зимой; без зазоров мост разрушится.

№ 5

(задание без номера в учебнике: Опыт 1) Шарик на цепочке висит над кольцом. Двигай кольцо вверх. Потом нагрей шарик и попробуй снова протащить его сквозь кольцо. Что видишь? Почему? Где люди используют это свойство?

🧪 Опыт. Оборудование: штатив, металлический шарик на цепочке, металлическое кольцо (холодный шарик проходит в него свободно), горелка.

⚠️ Опыт с огнём — только в классе с учителем. Горячий шарик выглядит как обычный, но обжигает. Не трогай руками!

Решение. Холодный шарик проходит. Горячий застревает, потому что от нагревания он увеличился в объёме. Остыв, он сжимается до прежнего размера.

Где используют: колесо поезда (бандаж) нагревают и надевают на ось, остыв, оно сидит очень плотно; тугую крышку банки греют горячей водой; в термометре жидкость от тепла расширяется и поднимается по трубочке.

Ответ: горячий шарик не проходит, потому что расширился; так насаживают бандажи на колёса, открывают тугие крышки, так работает термометр.

№ 6

(задание без номера в учебнике: «Объясни опыты») Объясни, что показывают опыты с расширением: где здесь объёмное, где линейное, где поверхностное расширение?

Пример ответа.

• Шарик и кольцо — объёмное расширение: увеличился весь шар.
• Удлинение рельсов, проводов, спицы — линейное: нас интересует только длина.
• Металлический лист кузова, крышка банки — поверхностное: важна площадь.

Ответ: шар — объёмное, рельсы и спица — линейное, листы металла — поверхностное расширение.

№ 7

(задание без номера в учебнике: Опыт 2 «Весы из спицы») Спицу проткни через пробку (или кусочек моркови), по бокам в пробку воткни две булавки остриями на донышко перевёрнутого стакана. На концы спицы насади по морковке и добейся равновесия. Поставь под одно плечо свечу. Что происходит? Убери свечу — почему равновесие возвращается?

🧪 Опыт. Оборудование: вязальная спица, пробка, две булавки, стакан, две морковки, свеча, книга-подставка.

Как думать. Весы уравновешены, пока оба плеча одинаково «тянут». Что изменится, если одно плечо станет длиннее?

Решение. Плечо над свечой нагревается и удлиняется. Морковка на нём оказывается дальше от опоры и перевешивает — это плечо опускается. Свечу убрали — спица остывает, укорачивается до прежней длины, и равновесие возвращается.

На рисунке в учебнике: стакан вверх дном на книге, сверху пробка с булавками, сквозь неё длинная спица, на концах по морковке, под одним концом горит свеча.

👨‍👩‍👧 Дома безопасно. Опыт можно повторить с родителем на кухне. Поставьте всё на керамическую тарелку, рядом не должно быть бумаги и тканей. Спица над свечой горячая!

Ответ: нагретое плечо удлиняется и опускается; остыв, укорачивается — весы снова в равновесии.

№ 8

(задание без номера в учебнике: «Как разъединить два стакана, вставленные один в другой?»)

Как думать. Наружный стакан надо расширить, а внутренний — сжать.

Решение.

1. В верхний (внутренний) стакан наливаем холодную воду — он сжимается.
2. Нижний (наружный) опускаем в миску с горячей водой — он расширяется.
3. Между стаканами появляется зазор, и они легко разъединяются.

На рисунке в учебнике: два стакана один в другом стоят в миске с горячей водой, а сверху в них льётся холодная вода из крана.

⚠️ Вода в миске — горячая из-под крана, а не кипяток. Резкий перепад может разбить тонкий стакан, поэтому делай всё с взрослым.

Ответ: во внутренний налить холодной воды, внешний поставить в горячую.

№ 9

(задание без номера в учебнике: «Назови "+" и "−" замерзания воды»)

Пример ответа.

• Плюсы: лёд легче воды и остаётся сверху, укрывает водоёмы, и они не промерзают до дна — рыбы живы. Замерзая в почве, вода разрыхляет её — весной земля мягче.
• Минусы: лопаются трубы и бутылки, трескаются асфальт и бетон, разрушаются камни и скалы.

Ответ: «+» — водоёмы не промерзают до дна, почва рыхлеет; «−» — рвутся трубы, разрушаются дороги и камни.

№ 10

(задание без номера в учебнике: Опыт 3, домашний) Налей в пластиковую бутылку подкрашенную воду и положи в морозилку примерно на 6 часов. Что видишь, когда достанешь? Объясни и нарисуй.

🧪 Опыт. Тебе понадобятся: пластиковая бутылка, вода, немного краски (для наглядности).

Как думать. Вода превращается в лёд и расширяется. Куда деваться лишнему объёму?

Решение. Бутылка раздулась, дно и стенки выгнулись наружу, а уровень льда стал выше, чем был уровень воды. Если бутылка была налита до верха, лёд даже может выдавить крышку или порвать пластик. Это потому, что лёд занимает примерно на 9 % больше места, чем вода.

Рисунок: две бутылки рядом — «до» (вода до отметки) и «после» (лёд выше отметки, бока раздуты).

⚠️ Стеклянную бутылку в морозилку не клади: она лопнет, будут осколки. Только пластик и не до самого верха.

Ответ: бутылка раздулась — вода при замерзании расширилась.

№ 11

(задание без номера в учебнике: Опыт 4, домашний) Три бутылки по 0,5 л: с простой водой, с солёной водой и с минеральной водой. Поставь в морозилку на 2 часа. Что заметишь? Запиши выводы и сделай фотоотчёт.

Как думать. В воде бывают примеси. Соль мешает воде замерзать: солёная вода замерзает при температуре ниже 0 °C.

Решение. Обычно простая вода замерзает быстрее всего (в ней уже много льда). Минеральная — чуть медленнее, в ней растворены соли. Солёная — медленнее всех, она может остаться почти жидкой. Вывод: чем больше в воде примесей (солей), тем труднее ей замёрзнуть. Поэтому зимой дороги посыпают солью, а моря замерзают позже рек.

🌟 Вода бывает пресная, солёная (море) и рассол (очень много соли). На фото в учебнике: солёное море с белыми кристаллами соли на берегу, пресная вода с каплей-«короной», рассол в стакане. В Казахстане рядом есть и то и другое: восточная часть озера Балхаш почти солёная, а западная — пресная.

Ответ: простая вода замерзает быстрее, солёная — медленнее всех: соль мешает замерзанию.

№ 12

(задание без номера в учебнике: «Подумай и ответь!») Зубы часто портятся от очень горячей и очень холодной еды, особенно если есть их одну за другой: эмаль трескается. Почему?

Как думать. Это как стакан, в который налили кипяток после льда.

Решение. От горячего эмаль расширяется, от холодного сжимается. Если перепад резкий, наружный слой эмали успевает нагреться или остыть, а глубже лежащий слой зуба — нет. Слои меняют размер по-разному, и в эмали появляются микротрещинки. Через них потом проникают микробы.

Ответ: резкие перепады температуры заставляют эмаль то расширяться, то сжиматься неравномерно, и она трескается.

👨‍👩‍👧 Родителю. Хороший повод договориться: не запивать мороженое горячим чаем.

№ 13

(задание без номера в учебнике: «Рассмотри фотографии и объясни причины. Предложи решения») На фото: длинная трещина в асфальте и лопнувший стеклянный стакан.

Как думать. Найди в каждом случае перепад температуры и «то, что расширилось».

Пример ответа.

• Асфальт. Летом он нагревается и расширяется, зимой сжимается. Вода в порах замерзает и раздвигает их. Через несколько лет появляются трещины. Решение: делать в дорогах и тротуарах швы-зазоры, заливать трещины битумом, хорошо отводить воду с дороги.
• Стакан. В холодный толстый стакан налили кипяток (или наоборот). Внутренняя стенка расширилась, а наружная ещё холодная. Стакан лопнул. Решение: наливать горячее понемногу, сначала прогреть стакан; поставить в стакан металлическую ложку — она заберёт часть тепла; использовать термостойкую посуду.

Ответ: трещины — от расширения и сжатия при перепадах температуры; нужны зазоры в дорогах и осторожность с горячим в стеклянной посуде.

№ 14

(задание без номера в учебнике: «Составь не менее 3 "тонких" и не менее 2 "толстых" вопросов»)

Как думать. «Тонкий» вопрос — с коротким ответом в одно слово. «Толстый» — нужно подумать и объяснить.

Пример ответа.

«Тонкие» вопросы:

1. Как называется увеличение размеров тела при нагревании? (Тепловое расширение.)
2. На сколько процентов увеличивается объём воды при замерзании? (Примерно на 9 %.)
3. Какая температура у дна замёрзшего пруда? (+4 °C.)

«Толстые» вопросы:

1. Объясни, почему водоёмы не промерзают до дна и как это помогает рыбам.
2. Что будет, если проложить рельсы без зазоров?

Ответ: у каждого свой набор вопросов.

Шпаргалка

• Нагрели — тело расширилось, остудили — сжалось.
• В технике оставляют зазоры: у рельсов, мостов, проводов.
• Вода при замерзании расширяется, лёд плавает.
• Подо льдом у дна около +4 °C — там зимуют рыбы.
• Соль мешает воде замерзать.

Мини-тест