Физика

Урок 1: Тепловые явления. Часть 1

Тепловые явления. Часть 1

Самой привычной одеждой для жителей Крайнего Севера служит шуба из оленьего меха. А греет ли шуба? Вопрос выглядит совсем неподходяще. В шубе ведь теплее на морозе, чем без нее. И еще говорят, что снег греет землю. Ну, это уже совсем интересно. Снег он такой холодный, как он может греть? На эти и другие вопросы ответы будут в данном уроке.

Обложка урока взята с источника.


План урока: 

Природа теплоты. Температура

Внутренняя энергия

Можно ли энергию изменить?

Каким бывает теплообмен?

 

Природа теплоты. Температура

В глубокой древности люди приручили самое яркое явление природы – огонь. С этих пор был взят старт вверх на использование очень высоких температур. Даже в пламени простой свечи температура достигает 1000о С. Это высоко или низко? Вода в кастрюльке кипит при 100о С, а температура огня в газовой горелке находится в пределах 1500 – 1800о С. У спирали электрической плитки 600 – 800о С, а спирали обычной лампочки 2500о С. С такими температурами люди сталкиваются дома. А как же в промышленности? Вот несколько таких примеров.

  • Расплавленный чугун - 1500 - 1800о С.
  • Металл в прокатном стане -1300о С.
  • Газ от сгорающего топлива в автомобильном двигателе -1700о С.

Электрогазосварка - 7000о С.  

1
Жидкий чугун Источник                                               Электрогазосварка Источник

Это далеко не самые высокие температуры, которые создаются человеком или существуют вокруг в природе. В момент термоядерного взрыва достигается температура десятков миллионов градусов.

Человек имеет достижения и в сфере снижения температур. Прежде всего, раньше для охлаждения использовались смеси веществ. Например, смесь поваренной соли и снега давала возможность получить – 20о С.

Но более широкое применение «холод» получил, когда было замечено, что сжатый воздух при расширении охлаждается. Используя это свойство, получен жидкий кислород (-183о С), жидкий водород

(-253о С).

2
Жидкий кислород Источник

Низкие температуры, как и высокие, получили широкое применение. Суда – холодильники (в рыболовстве), шкафы – холодильники, морозильники. Эти устройства используют для хранения продуктов.

Обработка металлических изделий холодом повышает твердость металла и увеличивает срок его службы.

В медицине низкий температурный режим нужен для производства и хранения многих лекарств.

В деятельности людей нагревание и охлаждение находит очень разнообразное применение. Освоение этой сферы продолжается высокими темпами.

В далеком 1745 году М.В. Ломоносов утверждал, что энергия тепла объясняется постоянным движением мелких частиц, составляющих тела. К восемнадцатому столетию имелось иное учение о теплоте.

До Ломоносова считали, что теплота есть жидкость, Она заполняет пустые поры в теле, как вода бытовую губку. Жидкость эта прозрачная, у нее нет веса. Кажется, на самом деле это так. Например, тепло костра поступает в воду сквозь стенки котелка. Если опустить ложку в чашку с горячим чаем, то якобы через поры в ложке тепло передается ей.

Что теплота, невидна и ничего не весит, доказано было взвешиванием одного тела, но при разных температурах. Вес оказался одинаковым.

Такая жидкость была названа «теплородом».

Все-таки в конце восемнадцатого века утверждения и идеи Ломоносова были опытным путем доказаны английским ученым Румфордом. Корни теории теплоты теперь ученые находят в механике.

3
М.В.Ломоносов Источник

Непрекращающееся движение любой молекулы определяет ее кинетическую энергию. Общее беспорядочное перемещение этих мельчайших частиц вещества, составляющего тело, является тепловым движением. 

Чем быстрее движутся молекулы, тем больше их кинетическая энергия, тем выше температура тела

 

Внутренняя энергия

Интересно было бы представить себя, например, внутри глиняной плитки в виде молекулы. Вокруг постоянно и хаотически движется огромное количество таких же маленьких, «шустрых» частиц. Молекулы участвуют в тепловом движении.

4
Источник

 Они друг на друга действуют, значит, есть потенциальная энергия каждой молекулы. Они еще и движутся, значит, имеют кинетическую энергию. Вот эта совместная энергия взаимодействия и движения  всех, вместе взятых молекул, образует внутреннюю энергию любого тела (обозначают ее обычно буквой U). В приведенном примере, тело – глиняная плитка.

Пусть над плиткой подняли глиняный шарик и отпустили его. Потенциальная энергия шарика, максимальная на высоте, заменяется кинетической. На месте удара шарика уже кинетическая энергия станет максимальной, но шарик не подскочит, а остановится, как бы влипая в плиту.

5
Превращение энергии Источник

Что произошло? Энергия исчезла? Конечно, нет. Опять следует представить себя маленькой молекулой, которая «видит»: на месте удара шарика о плиту наблюдается резкое увеличение скорости молекул глины, они же получили от молекул шарика толчок. В свою очередь, частицы передают изменение скорости соседним молекулам, а те - дальше.

Движение внутри тела убыстряется, значит, увеличивается кинетическая энергия частиц, составляющих тело. Это означает - растет внутренняя энергия тела. В шарике наблюдается то же самое. Внутренняя энергия шарика тоже растет.

Если бы существовал такой бытовой термометр, который фиксировал температуру во время удара, можно было бы заметить, что на месте удара температура резко повышается (ведь температура является мерой теплового движения молекул).

На примере глины трудно увидеть рост температуры. Зато подтвердить это легко в случае удара молотка по железному гвоздю. Шляпка гвоздя и сам молоток становятся горячими.

6
Источник

Не нужно путать внутреннюю энергию и механическую. Например, полная механическая энергия мяча, лежащего на поле, равна нулю (нет ни кинетической, ни потенциальной). Внутренняя же есть всегда, так как молекулы внутри мяча движутся постоянно и определяют его внутреннюю энергию. Иначе, механическая энергия – это энергия самого тела, а внутренняя – это энергия молекул внутри тела.

7
Источник

В приведенном примере происходит превращение разных видов энергии, что впервые заметил немецкий врач Юлиус Роберт Майер в 1838 году. Плавая в море, он с удивлением заметил, что температуры воды после бури бывает выше, чем до бури. Как врач, занимаясь лечением матросов, он увидел, что цвет крови людей южных и северных широт отличается. На севере кровь имеет более темный оттенок красного. Майер объяснил отличие цвета температурными условиями различных климатических зон и переходами энергий разных видов друг в друга.

8
Источник

t1

Такой вид имеет закон сохранения энергии в изучаемых тепловых явлениях.

 

Можно ли энергию изменить?

Оказывается древние люди, никаких научных знаний не имея, могли изменять внутреннюю энергию используемых тел. Чтобы в пещере стало тепло, надо развести огонь. Сейчас для этого нужны спички. Но тогда, никто и не знал, что такое спички. Как же быть?

Выручало действие, которое требовало от древнего человека некоторой сноровки. Сухой острой палочкой человек пытался сверлить дырку в деревяшке. Делать это было нужно очень быстро и умело. Секунд за 12-13 температура в месте сверления достигала 250о, и появлялся язычок огня. Дерево загоралось. В основе такого получения огня лежало трение дерева по дереву, что приводило к нагреванию трущихся поверхностей.

9
Вращение палочки с помощью лука Источник

Применение спичек тоже основано на трении. Головка спички покрыта легко воспламеняющимся веществом, поэтому при трении о боковую поверхность коробка спичка загорается.

10
Источник

Итак, если над телом совершить работу (трение тел друг по другу, сгибание и разгибание куска проволоки, удары молота по наковальне), то внутренняя энергия его заметно увеличится.

Но тело само может работать. Если в бутылку с пробкой накачивать воздух (совершать над воздухом работу), внутренняя энергия воздуха вырастет, а температура станет больше. В момент, когда пробка выскочит из горлышка бутылки, на стекле наблюдается туман. Это говорит о снижении температуры тела (воздуха), т.е. и внутренняя энергия тоже уменьшается.

Пробку вытолкнул из горлышка воздух, т.е. совершая работу, сам воздух изменил свою энергию.

11
Источник

Не выполняя работу самим телом и над телом, изменить внутреннюю энергию также можно. Чайная ложка нагревается, если ее поместить в посуду с кипятком. В уютном помещении становится прохладней, если отключить батареи, от солнца нагреваются земля и воздух весной. Такие изменения называются теплообменом или теплопередачей, причем тепло передается от нагретого тела к более холодному.

12
Источник

Часть энергии, переходящая от нагретого тела к другому при теплообмене, называется количеством теплоты Q. Q измеряется, как работа и энергия, в джоулях.

Итак, изменить внутреннюю энергию возможно, но определить способ изменения ее - не всегда. Так, подняв со стола теплый металлический брусок, нельзя догадаться, был он нагрет трением или его достали из теплой воды, или он лежал на освещенном солнцем подоконнике.

 

Каким бывает теплообмен?

Теплообмен и теплопередача – это два названия одного и того же физического понятия. Они обозначают процесс обмена теплом. Есть три вида теплопередачи:

13
Источник

Первый вид теплообмена – теплопроводность. Изучив такое понятие, наконец-то, можно ответить на вопрос о шубе. Она греет? Нет, шуба сама по себе греть не может! Она удерживает человеческое тепло, не дает ему передаваться окружающим телам. Всему виной теплопроводность («тепло» «проводить» или «пропускать»). У воздуха очень плохая теплопроводность, как и у дерева, кирпича, пенопласта, гипса и других веществ. Между ворсинками шубы находится как раз воздух, и он удерживается внутри, благодаря этим ворсинкам. То тепло, которое образовалось вокруг тела человека, не может выбраться наружу из-за слоя воздуха, который содержится в шубном мехе. Воздух это тепло не проводит.

Аналогично и в примере со снегом. Снег очень пористый. Поры заполнены воздухом. Тепло, сохранившееся в земле осенью, не выходит из-под слоя снега в морозную пору.

Хорошая теплопроводность имеется у металлов. Поэтому в быту ручки металлических предметов, которые нужно нагревать, обычно делают из веществ с плохой теплопроводностью. У сковородок, кастрюль, чайников, паяльников, выжигателей ручки обычно деревянные или пластмассовые.

14
Источник

Обогрев помещений, нагревание и охлаждение жидкостей в емкостях осуществляется с помощью конвекции – второй разновидности теплопередачи. Конвекция обязательно сопровождается перемещением частей жидкости или газа, которые замещают друг друга. Эти части образуют целые потоки.

Например, теплый воздух от батареи идет потоком вверх, его место тут же занимает поток холодного воздуха, который, постепенно нагреваясь, тоже устремляется кверху и т.д.

Нагретая вода в чайнике, освобождает место холодным потокам, и те тоже нагреваются. В твердых телах это происходить не может. Конвекция не характерна для твердых тел. Там не происходит замены одних частей тела на другие.

Если конвекция протекает независимо от действий человека, ее называют естественной. Нагревание жидких веществ в сосудах, обогрев комнат батареями – это примеры естественной конвекции. Помешивание чая или каши приводит к быстрому их охлаждению. Это пример вынужденной конвекции, которая происходит с помощью человека.  

15
Источник

Есть еще вид теплообмена – лучистый обмен, иначе тепловое излучение. Энергия здесь переносится лучами. Например, уставшие туристы греются вблизи костра. В этом случае для теплопроводности нет условий, воздух - плохой проводник тепла. Конвекция тоже не подходит, теплые потоки воздуха от костра отправляются всегда вверх. Обогреваются люди с помощью невидимых тепловых лучей.

Лучистый обмен может происходить в среде, где нет вещества – в вакууме. Примером этому служит нагревание земли и всего, что на ней находится солнечными лучами. В этом случае излучение видимое.

Жарким летом не рекомендуется надевать на себя темную одежду. Почему? Поглощение и излучение поверхностями разного цвета происходит по-разному. Вот пример опыта, доказывающего это утверждение.

В опытах берут простое устройство, которое состоит из металлической круглой коробки и резинового шланга, что называется теплообменником. Коробка внутри заполнена воздухом, снаружи одна сторона - зеркальная, а другая - черная, матовая. Через отверстие по шлангу воздух из коробки может выходить в трубку жидкостного манометра (прибора для определения небольших величин давления).

16
Теплоприемник Источник

Нужно взять два совершенно одинаковых теплообменника и один поставить черной стороной к источнику тепла (лампе), а другой – зеркальной. Уровни жидкости в манометрах передвинутся. Объясняется это расширением нагреваемого воздуха. Нагрев в коробке идет за счет лучистого теплообмена (теплопроводности и конвекции с боков лампы нет). Следует отметить различия в показаниях манометров. Там, где теплообменник повернут к лампе черной стороной, воздух расширился больше, значит, нагрелся больше, поглотив больше энергии от источника тепла.

Тела темных цветов легче поглощают тепло, но легче и отдают его. В светлом ведре вода остывает медленнее, чем в темном.

Разновидности теплопередачи отдельно очень редко встречаются.

17
Источник

Человеком широко используется передача энергии в разных видах:

  • отопление домов и квартир;
  • использование теплиц и погребов;
  • термосы, печи и холодильники;
  • зимняя и летняя одежда, обувь;
  • приготовление пищи в специальной посуде;
  • загорание и закаливание.

И этот список можно продолжать и продолжать дальше. Значение теплоты для человека безгранично.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Нож заточили на станке. Что произошло с внутренней энергией ножа?
1Ничего не произошло
2Увеличилась
3Уменьшилась
Ответить
2
Вопрос: 2
Сорвалась крышка с банки неудачной заготовки маринованных огурцов. Что произошло с энергией внутри маринада?
1Увеличилась
2Уменьшилась
3Не изменилась
Ответить
2
Вопрос: 3
Разновидности теплообмена – это
1Теплопередача, конвекция и излучение
2Теплопроводность, тепловое излучение и конвекция
3Теплопроводность, лучистый обмен и излучение
Ответить
2
Вопрос: 4
На столе стоит нагретая кружка. Каким способом она была нагрета?
1С помощью теплой воды
2С помощью электроплитки
3Солнечными лучами
4Любым из указанных способов, точно неизвестно
Ответить
4
Вопрос: 5
Какой из видов теплопередачи существует в вакууме
1Теплопроводность
2Тепловое излучение
3Конвекция
4Ни один из видов
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Нож заточили на станке. Что произошло с внутренней энергией ножа?
1) Ничего не произошло 2) Увеличилась 3) Уменьшилась
2 вопрос:

Сорвалась крышка с банки неудачной заготовки маринованных огурцов. Что произошло с энергией внутри маринада?
1) Увеличилась 2) Уменьшилась 3) Не изменилась
3 вопрос:

Разновидности теплообмена – это
1) Теплопередача, конвекция и излучение 2) Теплопроводность, тепловое излучение и конвекция 3) Теплопроводность, лучистый обмен и излучение
4 вопрос:

На столе стоит нагретая кружка. Каким способом она была нагрета?
1) С помощью теплой воды 2) С помощью электроплитки 3) Солнечными лучами 4) Любым из указанных способов, точно неизвестно
5 вопрос:

Какой из видов теплопередачи существует в вакууме
1) Теплопроводность 2) Тепловое излучение 3) Конвекция 4) Ни один из видов
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Увеличилась
2 вопрос: Уменьшилась
3 вопрос: Теплопроводность, тепловое излучение и конвекция
4 вопрос: Любым из указанных способов, точно неизвестно
5 вопрос: Тепловое излучение