§ 47. Неге жылудың ұлғаюы өмірлік маңызды құбылыс болып саналады?

Жаратылыстану, 5 сынып. Оқулық: Верховцева Л.А. және т.б. (Алматыкітап баспасы, 2023). 5 тарау: Энергия және қозғалыс. 79–84-беттер.

Нені үйренесің

• Жылудың ұлғаюы дегеніміз не екенін түсіндіруді: көлемдік, сызықтық, беттік.
• Шар мен сақинамен жасалатын тәжірибені сипаттап, нәтижесін түсіндіруді.
• Судың қатқанда неге «дұрыс емес» қасиет көрсететінін және бұл балықтарды қалай құтқаратынын айтып беруді.
• Техникада ұлғаюдың қайда ескерілетініне мысал келтіруді: рельстер, көпірлер, сымдар.

Ой қозғау

• Тығыз жабылған шыны тығыны бар құты ашылмайды. Неге мойнын жылытуды ұсынады? Мойны жылудан сәл ұлғаяды, ал тығын әлі салқын. Араларында өте жіңішке саңылау пайда болады да, тығын оңай шығады.
• Тығыз металл қақпағы бар банканы неге ыстық судың астына ұстайды? Себебі сол: қақпақ ұлғайып, банканы «босатады».
• Бағандар арасындағы сымдар жазда қыстағыдан неге көбірек салбырайды? Жазда олар ыстықтан ұзарады.

💡 Үш жауап та бір нәрсе туралы: қыздырғанда денелер сәл үлкейеді, ал суытқанда сәл кішірейеді.

Тақырыпты талдаймыз

Денелер жылудан «тыныс алады»

Кез келген дене үнемі қозғалыстағы ұсақ бөлшектерден тұрады. Қыздырсаң, бөлшектер жылдам қозғалып, бір-бірін қаттырақ «итереді» де, бір-бірінен сәл алыстап кетеді. Дене үлкейеді. Суытсаң, бөлшектер баяулайды, дене кішірейеді.

📌 Жылудың ұлғаюы — дене температурасының көтерілуіне байланысты тиісінше дене өлшемі мен көлемінің артуы. Дене ұлғайғанда оның көлемі артады, осыны дене көлемінің ұлғаюы дейді.

Ғалымдар үш жағдайды ажыратады:

• көлемдік ұлғаю — бүкіл көлем маңызды болғанда (шар, термометрдегі сұйықтық);
• сызықтық ұлғаю — ұзындық маңызды болғанда (рельстер, сымдар, көпірлер);
• беттік ұлғаю — аудан маңызды болғанда (автомобиль құрастыруда металл табағының беті).

Шар мен сақина тәжірибесі

Оқулықтағы суретте үш штатив тұр. а) Шынжырға ілінген суық металл шар сақинадан еркін өтеді. ә) Шарды спирт шамының үстінде қыздырады. б) Қызған шар сақинаға тұрып қалады, өтпейді. Суығанда ол қайтадан өтіп кетеді.

Көпірлер, рельстер және Эйфель мұнарасы

Ұлғаюды ескермесе, жазда рельстер майысып, көпір бұзылар еді. Сондықтан рельстердің арасында шағын саңылаулар қалдырады (бұрын осыдан пойыз «тарсылдап» жүретін). Көпірлердің бір шетін білікшелерге қояды, сонда ол сәл жылжып тұра алады. Сымдарды салбыратып іледі, әйтпесе қыста үзіліп кетеді.

Ұзындығы 300 м темір сым 1 градусқа қызғанда шамамен 3 мм ұзарады. Эйфель мұнарасы да шамамен 300 м және темірден жасалған. Парижде ыстық күндері мұнараның темірі +40 °C дейін қызады, ал қыста 0 °C дейін (кейде одан да төмен) суиды. Температура айырмасы 40 градус және одан көп.

Шығады: $3 \cdot 40 = 120$ мм, яғни 12 см. Сондықтан «Эйфель мұнарасының биіктігі қанша?» деген сұраққа айлалы жауап бар: «Қандай ауа райында?»

🌟 Қазақстанда жазда +40 °C, ал қыста −40 °C болады. Айырма — 80 градус! Ертіс немесе Есіл арқылы өтетін көпірлерді салушылар ұлғаюды өте мұқият есептеуге мәжбүр.

Су — ерекше зат

Көптеген заттар қатқанда кішірейеді. Ал су, керісінше, ұлғаяды: мұз өзі пайда болған судан шамамен 9 %-ға көп орын алады. Сондықтан мұз судан жеңіл және су бетінде жүзеді.

Күзде тоғандағы су үстінен суи бастайды. Суық (ауыр) су төмен түседі, жылы су жоғары көтеріледі. Су араласады — бұл конвекция (судың вертикаль араласуы). Осылай оттегі беткі қабаттан түбіне жетеді, балықтарға тыныс алатын нәрсе болады.

Бірақ су +4 °C дейін суығанда араласу тоқтайды. +4 °C-тағы су ең ауыр, ол түбінде қалады. Үстіңгі қабаттар әрі қарай суып, мұзға айналады. Мұз тоғанды үстінен көрпедей жауып тұрады.

Оқулықтағы суретте: үстінде мұз қабаты, оның астында су. 40 см тереңдікте +1 °C, 60 см-де +2 °C, 80 см-де +3 °C, түбінде 100 см-де +4 °C. Балықтар сонда қыстайды.

⚠️ Жиі кететін қате. «Қыста түбі ең суық болады». Олай емес! Мұздың астында, дәл түбінде ең жылы — шамамен +4 °C.

Түсінгеніңді тексер

Өзіңді тексер

• Жылудың ұлғаюы дегеніміз не? Қыздырғанда дене өлшемінің артуы.
• Сызықтық ұлғаю көлемдік ұлғаюдан несімен ерекшеленеді? Сызықтық ұлғаюда тек ұзындыққа қарайды, көлемдікте — бүкіл көлемге.
• Мұз неге жүзеді? Су қатқанда ұлғаяды, мұз судан жеңіл болады.
• Рельстердің арасында неге саңылау қалдырады? Жазда ұзарған рельстердің ұлғаятын орны болуы үшін.

Жаттығуларды шығарамыз

№ 1

1199 жылы Бавариядағы Ингольштадт қаласында қатты аяз болды: А. И. Куприннің «Жендет» әңгімесіндегі шежірешінің айтуынша, «суықтан тастар қақ жарылды». Тастар неге жарылды?

Қалай ойлаймыз. Судың қатқанда не істейтінін және тастың біркелкі суымайтынын еске түсір.

Жауап үлгісі.

• Тастарда жарықшақтар мен саңылаулар бар, оларға су енеді. Қатқанда су 9 %-ға ұлғайып, сына сияқты жарықшақтарды ашады.
• Қатты аязда тас сырттан іштегіге қарағанда тезірек суиды. Сыртқы қабат ортасынан көбірек кішірейеді де, тас жарылады.
• Таулар да осылай бұзылады: Іле Алатауының етегіндегі жартастардың түбінде үйінділер көп — бұл аяз бен судың жұмысы.

Жауабы: жарықшақтағы қатқан су ұлғайып, тасты жарады; сонымен қатар тас суықтан біркелкі кішіремейді.

№ 2

Кварцтан дайындалған ыдыс температураның шұғыл өзгеруіне шыдамды. Ерітілген кварц стақанын салқын суға салуға болады. Кварцтың мұндай қасиетін қалай түсіндіруге болады?

Қалай ойлаймыз. Кәдімгі стақан бір бөлігі екінші бөлігінен тезірек кішірейетін не ұлғаятын болғандықтан жарылады. Ал зат өлшемін дерлік өзгертпесе ше?

Шешуі. Кварц қызғанда да, суығанда да дерлік ұлғаймайды және кішіреймейді — кәдімгі шыныдан ондаған есе аз. Сондықтан шұғыл суығанда онда ыстық және суық бөліктер арасында күшті «қиғаштық» пайда болмайды, стақан жарылмайды.

Жауабы: кварц қызғанда өте аз ұлғаяды, сондықтан температура өзгергенде жарылмайды.

№ 3

Неліктен кірпіштен пеш қалаған кезде кірпіштерді ұстастыру үшін цемент емес (ол берігірек қой), сазбалшық ерітіндісі пайдаланылады?

Қалай ойлаймыз. Пеш кейде қатты қызады, кейде суиды. Осы кезде кірпіш пен ерітінді қалай өзгеретінін ойла.

Жауап үлгісі.

• Сазбалшық пен кірпіш бір материалдан жасалған, сондықтан ыстықта дерлік бірдей ұлғаяды. Тігіс кірпішпен бірге «тыныс алады».
• Цемент басқаша ұлғаяды, оның үстіне қатты ыстықтан бұзылады. Тігіс жарылып, пеш түтіндей бастайды.
• Пештегі сазбалшық оттан бұзылмай, керісінше, күйіп, бекиді.

Жауабы: сазбалшық кірпіш сияқты ұлғаяды және ыстыққа шыдайды; цемент тігістері жарылып кетер еді.

№ 4

Неліктен континенттік климаты бар қалада өзеннен өтетін темір көпір салған кезде, температураның жыл бойында өзгеруін есепке алу керек?

Қалай ойлаймыз. Континенттік климат — ыстық жаз бен аязды қыс, Астана мен Павлодардағыдай. Айырма орасан зор, ал болат қызғанда ұзарады.

Шешуі.

1. Температура айырмасы: $40 + 40 = 80$ °C.
2. Мұндай айырмада болат ұзындығы байқалатындай өзгереді: 300 м болат аралық шамамен $3 \cdot 80 = 240$ мм ұзарады, яғни метрдің шамамен төрттен біріне жуық.
3. Көпірді қатып қалатындай бекітсе, жазда ол майысады, ал қыста үзіледі. Сондықтан деформациялық тігістер (тарақ тәрізді саңылаулар) жасайды және бір шетін білікшелерге қояды.

Жауабы: температура айырмасы үлкен болғандықтан, болат жазда қатты ұзарып, қыста қысқарады; саңылаусыз көпір бұзылар еді.

№ 5

(оқулықта нөмірі жоқ тапсырма: 1-тәжірибе) Шынжырға ілінген шар сақинаның үстінде тұр. Сақинаны жоғары жылжыт. Содан кейін шарды қыздырып, оны қайтадан сақинадан өткізіп көр. Нені байқадың? Неге солай болады? Адамдар заттың бұл қасиетін қайда пайдаланады?

🧪 Тәжірибе. Қажетті құрал-жабдық: штатив, шынжырға ілінген кішкене металл шар, металл сақина (суық шар одан еркін өтеді), жанарғы (горелка).

⚠️ Отпен жұмысты тек сыныпта мұғаліммен бірге жүргіз. Қызған шар қарапайым шар сияқты көрінеді, бірақ күйдіреді. Қолмен ұстама!

Шешуі. Суық шар өтеді. Қызған шар тұрып қалады, себебі қызғанда оның көлемі артты. Суығанда ол бұрынғы өлшеміне дейін кішірейеді.

Қайда пайдаланылады: пойыз дөңгелегінің қапталын (бандаж) қыздырып, білікке кигізеді, суығанда ол өте тығыз отырады; тығыз банка қақпағын ыстық сумен қыздырады; термометрдегі сұйықтық жылудан ұлғайып, түтікшемен көтеріледі.

Жауабы: қызған шар өтпейді, себебі ұлғайған; осылай дөңгелектерге бандаж кигізеді, тығыз қақпақтарды ашады, термометр да осылай жұмыс істейді.

№ 6

(оқулықта нөмірі жоқ тапсырма: «Тәжірибелерді түсіндір») Ұлғаюға арналған тәжірибелер нені көрсететінін түсіндір: мұнда қайсысы көлемдік, қайсысы сызықтық, қайсысы беттік ұлғаю?

Жауап үлгісі.

• Шар мен сақина — көлемдік ұлғаю: бүкіл шар үлкейді.
• Рельстердің, сымдардың, сәбіздің ұзаруы — сызықтық ұлғаю: бізге тек ұзындығы қызық.
• Көлік қорабының металл табағы, банка қақпағы — беттік ұлғаю: аудан маңызды.

Жауабы: шар — көлемдік, рельстер мен сәбіз — сызықтық, металл табақтар — беттік ұлғаю.

№ 7

(оқулықта нөмірі жоқ тапсырма: 2-тәжірибе «Сәбізден жасалған таразы») Тоқыма бізін шарап тығынының (немесе сәбіз кесегінің) ортасынан өткіз, тығынның екі жағынан екі түйреуішті аударылған стақанның түбіне қарайтындай түй. Біздің ұштарына екі сәбіз кигізіп, тепе-теңдікке келтір. Бір иығының астына шам қой. Не болады? Шамды алсаң, тепе-теңдік неге қайтып келеді?

🧪 Тәжірибе. Қажетті құрал-жабдық: тоқыма бізі, шарап тығыны, екі түйреуіш, стақан, екі сәбіз, шам, тіреуге қойылған кітап.

Қалай ойлаймыз. Таразы екі иығы да бірдей «тартқанша» тепе-теңдікте тұрады. Бір иығы ұзарса, не өзгереді?

Шешуі. Шамның үстіндегі иық қызып, ұзарады. Ондағы сәбіз тіреуден алыстап, басым түседі — сол иық төмен түседі. Шамды алдық — біз суиды, бұрынғы ұзындығына дейін қысқарады да, тепе-теңдік қайтып келеді.

Оқулықтағы суретте: стақан кітаптың үстінде төңкеріліп тұр, үстінде түйреуіш қадалған тығын, оның ішінен ұзын біз өтіп тұр, ұштарында екі сәбіз, бір ұшының астында шам жанып тұр.

👨‍👩‍👧 Ата-анаға. Тәжірибені үйде ас үйде бірге қайталауға болады. Бәрін керамика тәрелкеге қойыңыздар, жанында қағаз бен мата болмасын. Шамның үстіндегі біз ыстық!

Жауабы: қыздырылған иық ұзарып, төмен түседі; суығанда қысқарады — таразы қайтадан тепе-теңдікте.

№ 8

(оқулықта нөмірі жоқ тапсырма: «Бірінің ішіне бірі қойылған екі стақанды қалай ажыратуға болады?»)

Қалай ойлаймыз. Сыртқы стақанды ұлғайту, ал ішкісін кішірейту керек.

Шешуі.

1. Үстіңгі (ішкі) стақанға салқын су құямыз — ол кішіреяді.
2. Астыңғы (сыртқы) стақанды ыстық су құйылған ыдысқа саламыз — ол ұлғаяды.
3. Стақандардың арасында саңылау пайда болады да, олар оңай ажыратылады.

Оқулықтағы суретте: бірінің ішіне бірі салынған екі стақан ыстық су құйылған ыдыста тұр, ал үстінен оларға шүмектен салқын су құйылып жатыр.

⚠️ Ыдыстағы су — шүмектен аққан ыстық су, қайнаған су емес. Шұғыл айырма жұқа стақанды сындыруы мүмкін, сондықтан бәрін үлкен кісімен бірге жаса.

Жауабы: ішкі стақанға салқын су құю, сыртқысын ыстық суға салу.

№ 9

(оқулықта нөмірі жоқ тапсырма: «Ойланып жауап бер! Су қатуының "+" және "−" жақтарын ата»)

Жауап үлгісі.

• Артықшылықтары: мұз судан жеңіл, сондықтан үстінде қалып, су қоймаларын жауып тұрады, олар түбіне дейін қатпайды — балықтар тірі қалады. Топырақта қатқан су оны борпылдатады — көктемде жер жұмсақ болады.
• Кемшіліктері: құбырлар мен бөтелкелер жарылады, асфальт пен бетон жарықшақтанады, тастар мен жартастар бұзылады.

Жауабы: «+» — су қоймалары түбіне дейін қатпайды, топырақ борпылдайды; «−» — құбырлар жарылады, жолдар мен тастар бұзылады.

№ 10

(оқулықта нөмірі жоқ тапсырма: 3-тәжірибе, үйде) Пластик бөтелкеге боялған су құйып, мұздатқыш камерасына шамамен 6 сағатқа қой. Алған кезде нені байқайсың? Түсіндір және сурет сал.

🧪 Тәжірибе. Саған керек: пластик бөтелке, су, аздаған бояу (көрнекілік үшін).

Қалай ойлаймыз. Су мұзға айналып, ұлғаяды. Артық көлем қайда барады?

Шешуі. Бөтелке ісіп кетті, түбі мен қабырғалары сыртқа қарай домбығып қалды, ал мұздың деңгейі судың деңгейінен жоғары болды. Бөтелке толық құйылса, мұз тіпті қақпағын итеріп шығаруы немесе пластикті жыртуы мүмкін. Себебі мұз судан шамамен 9 %-ға көп орын алады.

Сурет: екі бөтелке қатар — «дейін» (су белгіге дейін) және «кейін» (мұз белгіден жоғары, қабырғалары домбыққан).

⚠️ Шыны бөтелкені мұздатқышқа салма: ол жарылып, сынықтар шығады. Тек пластикті және жоғарғы жиегіне дейін толтырмай ғана қой.

Жауабы: бөтелке домбығып қалды — су қатқанда ұлғайды.

№ 11

(оқулықта нөмірі жоқ тапсырма: 4-тәжірибе, үйде) 0,5 л-лік үш бөтелке: кәдімгі су, тұзды су және минералды су құйылған. Мұздатқышқа 2 сағатқа қой. Нені байқайсың? Қорытындыны жазып, фотоесеп жаса.

Қалай ойлаймыз. Суда қоспалар болады. Тұз судың қатуына кедергі жасайды: тұзды су 0 °C-тан төмен температурада қатады.

Шешуі. Әдетте кәдімгі су ең тез қатады (онда мұз бұрыннан көп). Минералды су сәл баяу қатады, онда тұздар еріген. Тұзды су — ең баяу, ол дерлік сұйық күйінде қалуы мүмкін. Қорытынды: суда қоспалар (тұздар) неғұрлым көп болса, оның қатуы соғұрлым қиын. Сондықтан қыста жолдарға тұз себеді, ал теңіздер өзендерден кеш қатады.

🌟 Су тұщы, тұзды (теңіз) және тұздық (тұз өте көп) болады. Оқулықтағы суретте: жағасында ақ тұз кристалдары бар тұзды теңіз, тамшысы «тәж» тәрізді тұщы су, стақандағы тұздық. Қазақстанда екеуі де бар: Балқаш көлінің шығыс бөлігі тұзды деуге жақын, ал батыс бөлігі — тұщы.

Жауабы: кәдімгі су тез қатады, тұзды су ең баяу қатады: тұз қатуға кедергі жасайды.

№ 12

(оқулықта нөмірі жоқ тапсырма: «Ойланып жауап бер!») Тістің бұзылуы, көбіне ыстық тамақтан кейін суық тамақ ішкенге байланысты немесе керісінше болады. Әсіресе бірінен соң бірін бір уақытта ішсе, тістің эмалі жарылып, тіс бұзыла бастайды. Мұны қалай түсіндіресің?

Қалай ойлаймыз. Бұл мұздан кейін қайнаған су құйылған стақан сияқты.

Шешуі. Ыстықтан эмаль ұлғаяды, суықтан кішірейеді. Айырма шұғыл болса, эмальдің сыртқы қабаты қызып немесе суып үлгереді, ал тереңірек жатқан тіс қабаты — жоқ. Қабаттар өлшемін әртүрлі өзгертеді де, эмальде микрожарықшақтар пайда болады. Олар арқылы кейін микробтар енеді.

Жауабы: температураның шұғыл өзгеруі эмальді біресе ұлғайтып, біресе біркелкі емес кішірейтеді де, ол жарылады.

👨‍👩‍👧 Ата-анаға. Бұл — «балмұздақты ыстық шаймен ішпейміз» деп келісіп алуға жақсы себеп.

№ 13

(оқулықта нөмірі жоқ тапсырма: «Себебін түсіндір. Мәселені шешетін өз пікіріңді ұсын») Суретте: асфальттағы ұзын жарық және жарылған шыны стақан.

Қалай ойлаймыз. Әр жағдайда температура айырмасын және «ұлғайған нәрсені» тап.

Жауап үлгісі.

• Асфальт. Жазда ол қызып ұлғаяды, қыста кішірейеді. Саңылаулардағы су қатып, оларды кеңейтеді. Бірнеше жылдан кейін жарықтар пайда болады. Шешімі: жолдар мен тротуарларда тігіс-саңылаулар жасау, жарықтарды битуммен толтыру, жолдан суды жақсы бұру.
• Стақан. Суық қалың стақанға қайнаған су құйылды (немесе керісінше). Ішкі қабырғасы ұлғайды, ал сыртқысы әлі суық. Стақан жарылды. Шешімі: ыстықты аздап құю, алдымен стақанды жылыту; стақанға металл қасық қою — ол жылудың бір бөлігін алады; ыстыққа төзімді ыдыс пайдалану.

Жауабы: жарықтар температура өзгергенде ұлғаю мен кішіреюден пайда болады; жолдарда саңылаулар керек, ал шыны ыдыста ыстықты ақырын құю керек.

№ 14

(оқулықта нөмірі жоқ тапсырма: «Өткен тақырып бойынша 3 «жеңіл» және кемінде 2 «күрделі» сұрақтар құрап жаз. Оларды сыныптастарыңа қой»)

Қалай ойлаймыз. «Жеңіл» сұрақтың жауабы бір сөзбен беріледі (кім? не? қашан? қалай аталады?). «Күрделі» сұраққа ойланып, түсіндіру керек (неге? егер… болса, не болады?).

Жауап үлгісі.

«Жеңіл» сұрақтар:

1. Қыздырғанда дене өлшемінің артуы қалай аталады? (Жылудың ұлғаюы.)
2. Су қатқанда көлемі неше пайызға ұлғаяды? (Шамамен 9 %-ға.)
3. Қатқан тоған түбінің температурасы қандай? (+4 °C.)

«Күрделі» сұрақтар:

1. Су қоймалары неге түбіне дейін қатпайтынын және бұл балықтарға қалай көмектесетінін түсіндір.
2. Рельстерді саңылаусыз төссе, не болады?

Жауабы: әркімнің сұрақтары әртүрлі болады.

Жадынама

• Қыздырдық — дене ұлғайды, суыттық — кішірейді.
• Техникада саңылаулар қалдырады: рельстерде, көпірлерде, сымдарда.
• Су қатқанда ұлғаяды, мұз жүзеді.
• Мұздың астында, түбінде шамамен +4 °C — балықтар сонда қыстайды.
• Тұз судың қатуына кедергі жасайды.

Шағын тест