Тепловое расширение и сжатие

Опорный конспект по теме «Тепловое расширение и сжатие». Обновлен 25.07.2026 г. Проверяемые элементы содержания (ПЭС):
👉 Код ПЭС ОГЭ по физике: 2.4. Тепловое расширение и сжатие.
👉 Код ПЭС ФОП ООО (приказ 704): 6.5. Тепловое расширение и сжатие.
Вернуться к Списку конспектов по физике

Тепловое расширение – это увеличение линейных размеров и объёма тела при повышении температуры. Тепловое сжатие – обратный процесс: уменьшение размеров при охлаждении. Эти явления происходят с твёрдыми телами, жидкостями и газами. Без их учёта невозможно построить мост, проложить рельсы или создать точный термометр.

Интересный факт: Если бы не тепловое расширение, железнодорожное полотно разрушалось бы в жару, а Эйфелева башня летом «вырастает» примерно на 15 см!

Суть явлений и объяснение на базе МКТ

Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), все вещества состоят из частиц (атомов, молекул), находящихся в непрерывном движении. При нагревании тела его частицы получают дополнительную энергию и начинают колебаться (или двигаться) с большей амплитудой. В результате среднее расстояние между частицами увеличивается – тело расширяется. При охлаждении энергия уменьшается, амплитуда колебаний падает, и частицы сближаются – тело сжимается.

• В твёрдых телах частицы колеблются около положений равновесия. При нагревании они «расталкивают» соседей, занимая больше места.
• В жидкостях молекулы подвижнее, расширение более заметно (кроме аномалии воды).
• В газах частицы движутся хаотично, и при нагревании их средняя кинетическая энергия растёт, давление при постоянном объёме увеличивается, а при постоянном давлении объём сильно возрастает.

Аномалии теплового расширения

Большинство веществ расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Но есть исключение – вода в интервале от 0 °C до 4 °C. При охлаждении от +4 °C до 0 °C вода не сжимается, а расширяется. Максимальная плотность воды достигается при +4 °C. Именно поэтому лёд легче воды и плавает на её поверхности – это спасает водоёмы от промерзания до дна зимой. Такое поведение называют аномалией теплового расширения воды.

Интересный факт: Благодаря аномалии воды рыбы и другие водные организмы выживают зимой подо льдом. Если бы лёд был тяжелее воды, водоёмы промерзали бы полностью, и жизнь в них была бы невозможна.

Виды теплового расширения и формулы

Линейное расширение

Характеризует изменение длины твёрдого тела при нагревании. Формула:

l = l₀ · (1 + α · Δt)

• l – конечная длина;
• l₀ – начальная длина;
• α – коэффициент линейного расширения (зависит от материала);
• Δt – изменение температуры (в °C или К).

Коэффициент α показывает, на какую долю первоначальной длины удлиняется тело при нагревании на 1 °C.

Площадное (поверхностное) расширение

Изменение площади поверхности твёрдого тела:

S = S₀ · (1 + γ · Δt)

где γ ≈ 2α (для изотропных материалов).

Объёмное расширение

Относится и к твёрдым телам, и к жидкостям, и к газам:

V = V₀ · (1 + β · Δt)

• V – конечный объём;
• V₀ – начальный объём;
• β – коэффициент объёмного расширения.

Для твёрдых тел β ≈ 3α. Для жидкостей β обычно больше, чем для твёрдых тел. Для газов β ≈ 1/273 (1/К) при постоянном давлении (закон Гей-Люссака).

Интересный факт: Коэффициент расширения стали α ≈ 1,2·10⁻⁵ 1/°C. Это значит, что стальной стержень длиной 1 м при нагреве на 100 °C удлинится всего на 1,2 мм, но такие изменения в крупных конструкциях (мост, рельс) могут быть опасны без компенсаторов.

Тепловое расширение по агрегатным состояниям

Твёрдые тела

Расширение небольшое, но его обязательно учитывают. Коэффициент расширения зависит от строения кристаллической решётки (например, у инвара – сплава железа с никелем – α почти нулевой).

Жидкости

Объёмное расширение жидкостей более заметно, чем у твёрдых тел. Например, у воды β ≈ 2·10⁻⁴ 1/°C (выше 4 °C). У ртути β ≈ 1,8·10⁻⁴ 1/°C, у спирта – около 1,1·10⁻³ 1/°C. Аномалия воды (см. выше) – уникальное свойство.

Газы

У газов тепловое расширение максимально. При постоянном давлении объём газа изменяется пропорционально абсолютной температуре (закон Гей-Люссака): V/T = const. Коэффициент объёмного расширения для всех газов одинаков – ≈ 1/273 1/°C. Именно поэтому газовые термометры очень чувствительны.

Интересный факт: В термометре используется расширение жидкости (спирт, ртуть) или газа. Галилей изобрёл первый термоскоп, работающий на расширении воздуха.

Практические эффекты и учёт в технике

• Рельсы: между ними оставляют зазоры (стыковые зазоры) или используют бесстыковой путь с компенсаторами.
• Мосты: один конец моста опирается на подвижную опору (катки), чтобы конструкция могла удлиняться/укорачиваться.
• Термометры: жидкость (ртуть, спирт) расширяется в резервуаре и поднимается по капилляру.
• Биметаллические пластины: две полоски металлов с разным α (например, сталь и латунь), при нагревании изгибаются – применяются в терморегуляторах (утюги, тостеры, чайники).
• Провода ЛЭП: натягивают не слишком туго, чтобы зимой не разрывались от сжатия, а летом не провисали.
• Компенсаторы: в трубопроводах (водо-, газо-, паропроводы) устанавливают П-образные или сильфонные компенсаторы.
• Стеклянная посуда: термостойкое стекло (пирекс) имеет малый коэффициент расширения, поэтому не трескается при перепадах температур.
• Зубные пломбы: материал пломбы подбирают с таким же α, как у зуба, иначе пломба со временем выпадет.

Интересный факт: Биметаллическая пластина лежит в основе всех современных термостатов. Когда пластина изгибается, она замыкает или размыкает электрическую цепь, поддерживая заданную температуру.

Эксперименты и наблюдения,
подтверждающие тепловое расширение

1. Шар Грейвзенда: металлический шар свободно проходит через кольцо в холодном состоянии, но застревает, если его нагреть. После остывания снова проходит.
2. Биметаллический термометр: можно показать, как изгибается полоска из двух металлов при нагревании.
3. Нагревание монеты: если нагреть монету, она не проходит между двумя гвоздями, закреплёнными с зазором; в холодном состоянии проходит.
4. Расширение воздуха в колбе: колба с воздухом, закрытая пробкой с трубкой с каплей воды или масла; при нагревании колбы руками капля движется вверх, показывая расширение воздуха.
5. Термоскоп Галилея: шар, соединённый с трубкой, погружённой в воду; при нагревании воздух расширяется, вытесняя воду.
6. Ртутный термометр: видно, как столбик ртути поднимается при повышении температуры.

Интересный факт: В быту тепловое расширение можно наблюдать, налив кипяток в стеклянную банку – она может лопнуть из-за неравномерного расширения. Чтобы этого избежать, банки сначала ополаскивают тёплой водой.

Выводы

• Все вещества при нагревании расширяются, при охлаждении сжимаются.
• Причина – изменение интенсивности движения частиц (МКТ).
• Расширение описывается коэффициентами α (линейное) и β (объёмное).
• Вода имеет аномалию: расширяется при охлаждении от +4 °C до 0 °C.
• У газов расширение самое большое, у твёрдых тел – маленькое.
• Тепловое расширение необходимо учитывать в технике (зазоры, компенсаторы, термометры).
• Неучёт расширения может привести к авариям.

Примеры заданий с решениями (уровень ОГЭ)

Задание 1. Стальной рельс длиной 12 м при 0 °C уложен с зазором в 6 мм. При какой температуре зазор исчезнет? Коэффициент линейного расширения стали принять равным 1,2·10⁻⁵ 1/°C.

Решение. При нагревании рельс удлиняется на Δl = α·l₀·Δt. Зазор (6 мм) – это максимальное удлинение, при котором рельсы ещё не упираются друг в друга. При исчезновении зазора Δl = 6 мм = 0,006 м. Начальная длина l₀ = 12 м. Тогда Δt = Δl / (α·l₀) = 0,006 / (1,2·10⁻⁵·12) = 0,006 / (1,44·10⁻⁴) ≈ 41,7 °C. Значит, зазор исчезнет при температуре 0 °C + 41,7 °C ≈ 42 °C.
Ответ: при температуре ≈ 42 °C.

Задание 2. Медицинский термометр (ртуть) имеет резервуар объёмом 0,4 мл при 0 °C. Коэффициент объёмного расширения ртути βрт = 1,8·10⁻⁴ 1/°C, стекла βст = 2,5·10⁻⁵ 1/°C. На сколько увеличится объём ртути относительно резервуара при измерении температуры 40 °C? Считайте, что капилляр заполняется только за счёт превышения расширения ртути над расширением стекла.

Решение. При нагревании от 0 до 40 °C (Δt = 40 °C) объём ртути увеличивается на ΔVрт = V₀·βрт·Δt = 0,4·1,8·10⁻⁴·40 = 0,4·7,2·10⁻³ = 2,88·10⁻³ мл. Объём резервуара (стекла) увеличивается на ΔVст = V₀·βст·Δt = 0,4·2,5·10⁻⁵·40 = 0,4·1,0·10⁻³ = 0,4·10⁻³ = 4·10⁻⁴ мл. Тогда избыточный объём ртути, который выталкивается в капилляр, равен ΔV = ΔVрт – ΔVст = 2,88·10⁻³ – 0,4·10⁻³ = 2,48·10⁻³ мл.
Ответ: объём ртути увеличится на 2,48·10⁻³ мл относительно резервуара.

Задание 3. (На аномалию воды) В 1 кг воды при 4 °C объём равен 1000 см³. Как изменится объём при охлаждении до 0 °C? (Плотность воды при 4 °C – 1000 кг/м³, при 0 °C – 999,8 кг/м³). Считайте, что вода не замерзает (переохлаждённая).

Решение. При 4 °C объём V₄ = m/ρ₄ = 1 кг / 1000 кг/м³ = 0,001 м³ = 1000 см³. При 0 °C плотность ρ₀ = 999,8 кг/м³, значит V₀ = m/ρ₀ = 1 кг / 999,8 кг/м³ ≈ 0,0010002 м³ = 1000,2 см³. Изменение объёма ΔV = V₀ – V₄ = +0,2 см³.
Ответ: объём увеличится на 0,2 см³ (расширение около 0,02%).

⚠️ Обрати внимание:
При охлаждении от 4 °C до 0 °C вода расширяется – это аномалия. Если бы вода вела себя как обычные жидкости, объём уменьшался бы. Всё дело в строении молекулы воды (H₂O) и в водородных связях между ними. Эта аномалия имеет огромное значение для природы: осенью поверхностный слой водоёма охлаждается и, став плотнее, опускается на дно — начинается конвекция. Но как только температура опускается ниже +4 °C, ситуация меняется: более холодная (но менее плотная) вода остаётся сверху. Этот слой охлаждается до 0 °C и замерзает, образуя лёд. Если бы вода вела себя «нормально», то все водоёмы промерзали бы целиком.

Вы смотрели конспект темы по физике 8 класса  «Тепловое расширение и сжатие». Следующая тема: «Тепловое равновесие. Температура. Шкала Цельсия».

Вернуться к Списку конспектов по физике

Посмотреть Конспекты параграфов учебника 8 кл. Баз.уровень

Посмотреть Конспекты параграфов учебника 8 кл. УГЛ.уровень