Т.И.РАДЧЕНКО (сош № 26, г. Владикавказ),
И.В.СИЛАЕВ (Северо-Осетинский госуниверситет)
bigjonick@rambler.ru,
г. Владикавказ, Респ. Северная Осетия (Алания)

Тепловое расширение твёрдых тел

• Изменится ли диаметр отверстия в круглой пластинке при её нагревании?

(Вопрос предложен газетой «Физика» в № 11/06.)

Примеры из техники

Диаметр отверстия при нагревании увеличивается. Это находит применение в технике. Например, в двигателях автомобилей ВАЗ-1111, «Таврия» ЗАЗ-1102 и др. каждый поршень соединяют с верхней головкой своего шатуна шарнирно, с помощью поршневого пальца (стальной трубки), который вставляется в соответствующие отверстия поршня и шатуна. При этом палец фиксируют в верхней головке шатуна путём горячей посадки, нагревая верхнюю часть шатуна. При остывании диаметр отверстия в головке уменьшается, и палец оказывается плотно зажатым, что исключает его продольные перемещения и образование задиров на стенках цилиндров, когда поршни совершают возвратно-поступательное движение [1, 2].

Аналогично крепится предварительно нагретое зажимное кольцо на полуосях, связывающих дифференциал с ведущими колёсами, например, на автомобилях «Волга» и «Жигули». (Дифференциал – устройство, позволяющее ведущим колёсам автомобиля вращаться с разной частотой, например, на повороте, когда внутреннее колесо, ближнее к центру поворота, идёт по окружности меньшего радиуса, чем внешнее.) Наружный конец полуоси (с колесом автомобиля) установлен на шариковом подшипнике, наружное кольцо которого плотно зажато. Полуось вращается вместе с внутренним кольцом подшипника. Чтобы полуось не вышла из подшипника из-за продольных смещений, её удерживают зажимным кольцом [1]. Это кольцо, будучи надетым на полуось, вращается вместе с ней. Оно закрыто кожухом полуоси и через пружинное кольцо упирается в закреплённый подшипник, что не даёт возможности полуоси с колесом отдаляться от продольной оси автомобиля.

Примеры можно было бы продолжить...

Физика теплового расширения

Рассмотрим теперь вопрос с точки зрения физики. Представим, что отверстие образовано восемью атомами или молекулами (дальше мы будем говорить о частицах). Частицы твёрдого тела главным образом колеблются около своих положений равновесия и перескакивают на другие места достаточно редко – время их «оседлой» жизни составляет даже вблизи точки плавления 0,1–0,001 с, а при более низких температурах – уже часы и сутки (вспомним и о скорости диффузии в твёрдых телах) [3]. Таким образом, количество частиц, обрамляющих отверстие, будет оставаться неизменным до тех пор, пока не начнётся переход в жидкую фазу. При повышении температуры размах колебаний каждой частицы увеличится, она станет занимать больше места в пространстве, следовательно, диаметр отверстия увеличится. Сближаться частицы не могут, т.к. при этом они начнут «перекрываться».

Чтобы привести научные объяснения, придётся вспомнить график зависимости силы взаимодействия F частиц от расстояния r между этими частицами [4, 5]. Он получается в результате сложения ординат соответствующих точек верхней кривой II, описывающей силу отталкивания, и нижней I, описывающей силу притяжения. Результирующая кривая III имеет достаточно сложную форму, т.к. сила отталкивания обратно пропорциональна тринадцатой степени расстояния, а сила притяжения – седьмой. Сходным образом выглядит кривая IV, показывающая зависимость от расстояния потенциальной энергии E_p. В положении равновесия r₀ кривая III проходит через нуль (результирующая приложенных сил равна нулю), а кривая IV – через минимум (потенциальная яма). Это положение устойчивого равновесия, и при уменьшении расстояния между частицами будет производиться работа против сил отталкивания, что приведёт к уменьшению кинетической энергии частицы до нуля, так что «удара» одной частицы о другую, подобно удару бильярдных шаров, не произойдёт [6].

В целом же тепловое движение частиц рассматривается как их колебания возле центров, находящих друг от друга на равновесном расстоянии, которое различно для разных веществ. Свободный объём в жидкостях составляет примерно 29% всего объёма, а в твёрдых телах до 26% [3, с. 18]. «Молекулы (атомы) твёрдых тел расположены так плотно, что их электронные оболочки соприкасаются, а иногда перекрывают друг друга». Так что, видимо, правильнее говорить о положении не самих молекул, а их центров.

Посмотрим ещё раз на кривую IV. Глубина потенциальной ямы определяет энергию связи молекул. Обратим внимание, что кривая не симметрична относительно своего минимума. «По этой причине только очень малые колебания частиц около положения равновесия будут иметь гармонический характер. С ростом амплитуды колебаний (что происходит при повышении температуры) всё сильнее будет проявляться ангармоничность (т.е. отклонение колебаний от гармонических). Это приводит к возрастанию средних расстояний между частицами и, следовательно, к увеличению объёма» [7]. «При более низкой температуре молекула совершает колебания около точки А в пределах отрезка А₁А₂. Среднее расстояние между взаимодействующими молекулами (вторую молекулу мы мысленно поместили в начало координат) есть r₀. При повышении температуры энергия колебаний повышается; теперь молекула колеблется в пределах отрезка В₁В₂. Положению равновесия соответствует середина отрезка В₁В₂, т.е. точка В» [6]. Таким образом, хотя амплитуды колебаний невелики, благодаря ангармонизму отдельные колебания не независимы, а связаны друг с другом [8]. Поэтому r₀ (расстояние, на котором сумма сил притяжения и отталкивания двух молекул равна нулю) при повышении температуры начинает увеличиваться.

Учёт теплопроводности и теплового расширения твёрдых тел для двигателя внутреннего сгорания автомобиля

С тепловым расширением в технике приходится всё время считаться. Если взять упомянутые поршни в автомобильных двигателях, то уже здесь будет сразу несколько вариантов. Так, например, головка поршня (его верхняя часть) имеет несколько меньший диаметр, чем юбка (нижняя часть), т.к. головка непосредственно контактирует с нагретыми газами. Она сильнее нагревается и больше расширяется. При этом инженерам надо соблюдать два взаимоисключающих требования. С одной стороны, необходимо обеспечить хорошее уплотнение поршня с цилиндром, а с другой, избежать заклинивания поршня при нагревании. С этой целью по окружности головки делают канавки, в которые ставят специальные кольца: компрессионные и маслосъёмное.

Компрессионные кольца имеют разрезы, называемые замками, которые позволяют уплотнять зазор без заклинивания поршня. Заеданию препятствует и специальная форма юбки поршня – в виде эллипса, большая ось которого перпендикулярна оси поршневого пальца и лежит в плоскости действия боковых сил. В результате устраняется и стук при холодном двигателе, и заедание юбки при нагреве: эллипс становится окружностью, и поршень продолжает свободно перемещаться внутри цилиндра.

Предотвратить заклинивание можно также, сделав в юбке компенсационные разрезы: косые, Т-образные, П-образные, благодаря которым расширение металла при нагревании не приводит к увеличению диаметра поршня. Уменьшить нагревание верхнего поршневого компрессионного кольца можно за счёт канавки, проточенной в поршне, или огневого пояска, препятствующего поступлению дополнительного количества теплоты от верхней части головки поршня, разогретой находящимися в цилиндре горячими газами.

Для лучшего отвода тепла от поршней и цилиндров как сами поршни, так и головка цилиндров изготавливаются из алюминиевого сплава, обладающего хорошей теплопроводностью. Есть двигатели, где весь блок цилиндров отлит из алюминиевого сплава. Кроме того, предусмотрена специальная система охлаждения (воздушная или жидкостная). Например, так называемая рубашка охлаждения жидкостной системы обеспечивает отвод тепла и от цилиндров, и от камер сгорания.

Литература

1. Плеханов И.П. Автомобиль. – М.: Просвещение, 1984.

2. Шестопалов К.С., Демиховский С.Ф. Легковые автомобили. – М.: ДОСААФ, 1989.

3. Подгорнова И.И. Молекулярная физика в средней школе. – М.: Просвещение, 1970.

4. Бергер Н.М. Изучение тепловых явлений в курсе физики средней школы. – М.: Просвещение, 1981.

5. Шамаш С.Я. Методика преподавания физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1975.

6. Блудов М.И. Беседы по физике. – М.: Просвещение, 1992.

7. Савельев А.В. Курс общей физики: Т. 1. – М.: Наука, 1970.

8. Физический энциклопедический словарь: Под ред. Прохорова А.М. – М.: Советская энциклопедия, 1984.