И так, начнем с малого, наверное всем известно, что подавляющее большинство веществ при нагревании расширяется. Это легко объяснимо с позиции механической теории теплоты, поскольку при нагревании молекулы или атомы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах атомы начинают с большей амплитудой колебаться вокруг своего среднего положения в кристаллической решетке, и им требуется больше свободного пространства. В результате тело расширяется. Так же жидкости и газы, по большей части, расширяются с повышением температуры по причине увеличения скорости теплового движения свободных молекул.
Жидкость нельзя нагреть, не нагревая сосуда, в котором она находится. Поэтому мы не можем наблюдать истинного расширения жидкости в сосуде, так как расширение сосуда занижает видимое увеличение объема жидкости. Впрочем, коэффициент объемного расширения стекла и других твердых тел обычно значительно меньше коэффициента объемного расширения жидкости, и при не очень точных измерениях увеличением объема сосуда можно пренебречь.
Наиболее распространенная на Земле жидкость — вода — обладает особыми свойствами, отличающими ее от других жидкостей. У воды при нагревании от 0 до 4 °С объем не увеличивается, а уменьшается. Лишь с 4 °С объем воды начинает при нагревании возрастать. При 4 °С, таким образом, объем воды минимален, а плотность максимальна*. На рисунке 3 показана примерная зависимость плотности воды от температуры.
* Эти данные относятся к пресной (химически чистой) воде. У морской воды наибольшая плотность наблюдается примерно при 3 °С.
Отмеченное особое свойство воды оказывает большое влияние на характер теплообмена в водоемах. При охлаждении воды вначале плотность верхних слоев увеличивается, и они опускаются вниз. Но после достижения воздухом температуры 4 °С дальнейшее охлаждение уже уменьшает плотность, и холодные слои воды остаются на поверхности.
Исходя из всего сказанного, можно сделать вывод:
что объем твердых тел жидкостей и газов зависят от температуры. Наиболее заметно увеличение при нагревании объема у газов; объемное расширение жидкостей менее значительно. Труднее всего заметить изменение объема твердого тела.
Изменение объема тела Δ V зависит от значения его объема до нагревания V 0, разности температур до и после нагревания Δ T , а также от свойств вещества, из которого тело изготовлено:
Δ V = α V 0* Δ T (1)
Величина α , характеризующая зависимость объемного расширения тела при нагревании от рода вещества и внешних условий, называется коэффициентом объемного расширения. Коэффициент α показывает, на какую часть объема тела, взятого при 0 °C, изменяется его объем при нагревании на1 °C: α = Δ V / V 0 Δ T . Размерность этой величины составляет °C-1.