В данном уроке рассматривается понятие теплового движения и такой физической величины, как температура.
Тепловые явления в жизни человека занимают огромное значение. С ними мы сталкиваемся и во время прогноза погоды, и во время кипячения обычной воды. С тепловыми явлениями связаны такие процессы, как создание новых материалов, плавление металлов, сгорание топлива, создание новых видов топлива для автомобилей и самолетов и т. д.
Температура является одним из важнейших понятий, связанных с тепловыми явлениями, так как зачастую именно температура является важнейшей характеристикой протекания тепловых процессов.
Определение. Тепловые явления - это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, а также с изменением их агрегатного состояния (рис. 1).
Рис. 1. Плавление льда, нагревание и испарение воды
Все тепловые явления связаны с температурой .
Все тела характеризуются состоянием своего теплового равновесия . Главной характеристикой теплового равновесия является температура.
Определение. Температура - это мера «нагретости» тела.
Поскольку температура является физической величиной, то ее можно и нужно измерить. Для измерения температуры используется прибор, который называется термометр (от греч. термо - «тепло», метрео - «измеряю») (рис. 2).
Рис. 2. Термометр
Первый термометр (а точнее, его аналог) изобрел Галилео Галилей (рис. 3).
Рис. 3. Галилео Галилей (1564-1642)
Изобретение Галилея, которое он представил своим студентам на лекциях в университете в конце XVI века (1597 г.), было названо термоскопом . Действие любого термометр основано на следующем принципе: физические свойства вещества изменяются в зависимости от температуры .
Опыт Галилея состоял в следующем: он взял колбу с длинной ножкой и наполнил ее водой. Затем взял стакан с водой и перевернул колбу ножкой вниз, поставив в стакан. Часть воды, естественно, вылилась, однако в результате в ножке остался определенный уровень воды. Если теперь нагревать колбу (в которой находится воздух), то уровень воды будет опускаться, а если охлаждать, то, наоборот, повышаться. Это связано с тем, что при нагревании вещества (в частности, воздух) имеют свойство расширяться, а при охлаждении - сужаться (именно поэтому рельсы делают несплошными, а провода между столбами иногда немного провисают).
Рис. 4. Опыт Галилея
Эта идея и легла в основу первого термоскопа (рис. 5), который позволял оценивать изменение температуры (точно измерить температуру таким термоскопом нельзя, так как его показания будут сильно зависеть от атмосферного давления).
Рис. 5. Копия термоскопа Галилея
В это же время была введена так называемая градусная шкала. Само слово градус в переводе с латинского означает «ступень».
На сегодняшний день сохранились три основные шкалы.
1. Шкала Цельсия
Наибольшее распространение получение шкала, которая с детства известна каждому - шкала Цельсия.
Андерс Цельсий (рис. 6) - шведский астроном, который предложил следующую шкалу температур: - температура кипения воды; - температура замерзания воды. В настоящее время все мы привыкли к перевернутой шкале Цельсия.
Рис. 6 Андрес Цельсий (1701-1744)
Примечание: сам Цельсий говорил, что такой выбор шкалы вызван простым фактом: зато зимой не будет отрицательной температуры.
2. Шкала Фаренгейта
В Англии, США, Франции, Латинской Америке и некоторых других странах популярностью пользуется шкала Фаренгейта.
Габриель Фаренгейт (рис. 7) - немецкий исследователь, инженер, который впервые применил свою собственную шкалу для изготовления стекла. Шкала Фаренгейта более тонкая: по размерности градус шкалы Фаренгейта меньше градуса шкалы по Цельсию.
Рис. 7 Габриель Фаренгейт (1686-1736)
3. Шкала Реомюра
Техническая шкала придумана французским исследователем Р.А. Реомюром (рис. 8). По этой шкале соответствует температуре замерзания воды, а вот в качестве температуры кипения воды Реомюром была выбрана температура в 80 градусов.
Рис. 8. Рене Антуан Реомюр (1683-1757)
В физике в основном используется так называемая абсолютная шкала - шкала Кельвина (рис. 8). 1 градус по Цельсию равен 1 градусу по Кельвину, однако температура в соответствует приблизительно (рис. 9).
Рис. 9. Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824-1907)
Рис. 10. Температурные шкалы
Напомним, что при изменении температуры тела изменяются его линейные размеры (при нагревании тело расширяется, при охлаждении - сужается). Это связано с поведением молекул. При нагревании увеличивается скорость движения частиц, соответственно, они начинают чаще взаимодействовать и объем увеличивается (рис. 11).
Рис. 11. Изменение линейных размеров
Из этого можно сделать вывод, что температура связана с движением частиц, из которых состоят тела (это относится и к твердым, и к жидким, и к газообразным телам).
Движение частиц в газах (рис. 12) является беспорядочным (так как молекулы и атомы в газах практически не взаимодействуют).
Рис. 12. Движение частиц в газах
Движение частиц в жидкостях (рис. 13) является «скачкообразным», то есть молекулы ведут «оседлый образ жизни», но способны «перепрыгивать» с одного места на другое. Этим определяется текучесть жидкостей.
Рис. 13. Движение частиц в жидкостях
Движение частиц в твердых телах (рис. 14) называется колебательным.
Рис. 14. Движение частиц в твердых телах
Таким образом, все частицы находятся в непрерывном движении. Это движение частиц называется тепловым движением (беспорядочное, хаотическое движение). Это движение никогда не останавливается (пока у тела есть температура). Подтвердил наличие теплового движения в 1827 году английский ботаник Роберт Броун (рис. 15), по имени которого данное движение называют броуновским движением .
Рис. 15. Роберт Броун (1773-1858)
На сегодняшний день известно, что самая низкая температура, которая может быть достигнута, составляет приблизительно . Именно при такой температуре замирает движение частиц (однако не замирает движение внутри самих частиц).
Об опыте Галилея было рассказано ранее, а в заключении рассмотрим еще один опыт - опыт французского ученого Гильома Амонтона (рис. 15), который в 1702 году изобрел так называемый газовый термометр . С небольшими изменениями этот термометр дошел и до наших дней.
Рис. 15. Гийом Амонтон (1663-1705)
Опыт Амонтона
Рис. 16. Опыт Амонтона
Возьмем колбу с водой и заткнем ее пробкой с тонкой трубкой. Если теперь нагревать воду, то за счет расширения воды ее уровень в трубке будет повышаться. По уровню поднятия воды в трубке можно сделать вывод об изменении температуры. Преимущество термометра Амонтона состоит в том, что он не зависит от атмосферного давления.
На этом уроке мы рассмотрели такую важную физическую величину, как температура . Изучили способы ее измерения, характеристики и свойства. На дальнейших уроках мы изучим понятие внутренняя энергия .
Список литературы
- Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
- Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()
- Интернет-портал «school.xvatit.com» ()
- Интернет-портал «ponimai.su» ()
Домашнее задание
1. № 1-4 (параграф 1). Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
2. Почему нельзя проградуировать термоскоп Галилея?
3. Железный гвоздь нагрели на плите:
Как изменилась скорость движения молекул железа?
Как изменится скорость движения молекул, если гвоздь опустить в холодную воду?
Как при этом изменится скорость движения молекул воды?
Как меняется объем гвоздя при этих опытах?
4. Воздушный шарик перенесли из комнаты на мороз:
Как изменится объем шарика?
Как изменится скорость движения молекул воздуха внутри шарика?
Как изменится скорость молекул внутри шарика, если его вернуть в комнату и вдобавок положить к батарее?
Тепловое движение
Любое вещество состоит из мельчайших частиц - молекул. Молекула - это наименьшая частица данного вещества, сохраняющая все его химические свойства. Молекулы расположены в пространстве дискретно, т. е. на некоторых расстояниях друг от друга, и находятся в состоянии непрерывного беспорядочного (хаотичного) движения .
Поскольку тела состоят из большого числа молекул и движение молекул беспорядочно, то нельзя точно сказать, сколько ударов будет испытывать та или иная молекула со стороны других. Поэтому говорят, что положение молекулы, её скорость в каждый момент времени случайны. Однако это не означает, что движение молекул не подчиняется определённым законам. В частности, хотя скорости молекул в некоторый момент времени различны, у большинства из них значения скорости близки к некоторому определённому значению. Обычно, говоря о скорости движения молекул, имеют в виду среднюю скорость (v$cp ).
Нельзя выделить какое-то определённое направление, в котором движутся все молекулы. Движение молекул никогда не прекращается. Можно сказать, что оно непрерывно. Такое непрерывное хаотическое движение атомов и молекул называют — . Такое название определяется тем, что скорость движения молекул зависит от температуры тела. Чем больше средняя скорость движения молекул тела, тем выше его температура. И наоборот, чем выше температура тела, тем больше средняя скорость движения молекул.
Движение молекул жидкости было обнаружено при наблюдении броуновского движения - движения взвешенных в ней очень мелких частиц твердого вещества. Каждая частица беспрерывно совершает скачкообразные перемещения в произвольных направлениях, описывая траектории в виде ломаной линии. Такое поведение частиц можно объяснить, считая, что они испытывают удары молекул жидкости одновременно с разных сторон. Различие в числе этих ударов с противоположных направлений приводит к движению частицы, поскольку ее масса соизмерима с массами самих молекул. Движение таких частиц впервые обнаружил в 1827 г. английский ботаник Броун, наблюдая под микроскопом частицы цветочной пыльцы в воде, почему оно и было названо — броуновское движение .
Теория: Атомы и молекулы находятся в непрерывном тепловом движении, движутся хаотически, постоянно из-за соударений меняют направление и модуль скорости.
Чем выше температура, тем выше скорость движения молекул. При понижении температуры уменьшается скорость движения молекул. Существует температура, которую называют "абсолютный ноль" - температура(-273 °С) при которой прекращается тепловое движение молекул. Но "абсолютный ноль" недостижим.
Броуновское движение - беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных в жидкости или газе частиц твёрдого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Впервые это явление наблюдал в 1827 году Роберт Броун. Он исследовал пыльцу растений, которая находилась в водной среде. Броун заметил, что пыльца с течением времени все время смещается, и чем выше температура, тем быстрее скорость смещения пыльцы. Он предположил, что движение пыльцы связано с тем, что молекулы воды ударяются о пыльцу и заставляют ее двигаться.
Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещеста.
Примером броуновского движения является
1) беспорядочное движение цветочной пыльцы в капельке воды
2) беспорядочное движение мошек под фонарём
3) растворение твёрдых веществ в жидкостях
4) проникновение питательных веществ из почвы в корни растений
Решение:
из определения броуновского движения понятно, что правильный ответ 1. Пыльца беспорядочно движется по причине того, что молекулы воду ударяются об нее. Беспорядочное движение мошек под фонарём не подходит так как мошки сами выбирают направление движения, последние два ответа это примеры диффузии.
Ответ:
1.
Задание огэ по физике (решу егэ):
Какое(-ие) из нижеприведённых утверждений являе(-ю)тся правильным(-и)?
А. Молекулы или атомы в веществе находятся в непрерывном тепловом движении, и одним из аргументов в пользу этого служит явление диффузии.
Б. Молекулы или атомы в веществе находятся в непрерывном тепловом движении, и доказательством этому служит явление конвекции.
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Решение:
Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещеста. Первое утверждение верно, Конвенкция - перенос внутренней энергии со слоями жидкости или газа, получается что второе утверждение не верно.
Ответ:
1.
Задание огэ по физике (фипи):
2) Свинцовый шарик нагревают в пламени свечи. Как в процессе нагревания изменяется объём шарика и средняя скорость движения его молекул?
Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Решение (Спасибо Милене) :
2) 1.Объём шарика увеличится за счёт того, что молекулы начнут двигаться быстрее.
2. Скорость молекул при нагревании увеличится.
Ответ:
11.
Задание демонстрационного варианта ОГЭ 2019:
Одно из положений молекулярно-кинетической теории строения вещества заключается в том, что «частицы вещества (молекулы, атомы, ионы) находятся в непрерывном хаотическом движении». Что означают слова «непрерывное движение»?
1)
Частицы всё время движутся в определённом направлении.
2)
Движение частиц вещества не подчиняется никаким законам.
3)
Частицы все вместе движутся то в одном, то в другом направлении.
4)
Движение молекул никогда не прекращается.
Решение:
Молекулы движутся, из за соударений скорость молекул постоянно меняется, поэтому мы не можем высчитать скорость и направление каждой молекулы, но мы можем высчитать среднюю квадратичную скорость молекул, и она связана с температурой, при понижении температуры скорость молекул уменьшается. Посчитано, что температура при которой прекратится движение молекул равна -273 °С (минимальная возможная температура в природе). Но она не достижима. поэтому молекулы никогда не перестанут двигаться.
§ 1. Тепловое движение. температураВ окружающем нас мире происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел. Мы знаем, что при нагревании холодная вода вначале становится тёплой, а затем горячей.Такими словами, как «холодный», «тёплый» и «горячий», мы указываем на различную степень нагретости тел, или, как говорят в физике, на различную температуру тел. Температура горячей воды выше температуры холодной. Температура воздуха летом выше, чем зимой.
Примеры тепловых явлений:
а - таяние льда; б - замерзание водыТемпературу тел измеряют с помощью термометра и выражают в градусах Цельсия(°С).
Вам уже известно, что диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Это означает, что скорость движения молекул и температура связаны между собой. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, при понижении - уменьшается.Следовательно, температура тела зависит от скорости движения молекул.
Тёплая вода состоит из таких же молекул, как и холодная. Разница между ними заключается лишь в скорости движения молекул.Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры, называются тепловыми. К таким явлениям относятся, например, нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов и др.Плавление металлаМолекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном беспорядочном движении. Их количество в окружающих нас телах очень велико. Так, в объёме, равном 1 см3 воды, содержится около 3,34 1022 молекул. Каждая молекула движется по очень сложной траектории. Это связано с тем, что, например, частицы газа, движущиеся с большими скоростями в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. В результате этого они изменяют свою скорость и снова продолжают движение. На рисунке 1 изображены траектории движения микроскопических частиц краски, растворённой в воде.
Рис. 1. Траектория движения микрочастиц краски, растворённой в водеПоскольку со скоростью движения молекул тела связана его температура, беспорядочное движение частиц называют тепловым движением
.
В жидкостях молекулы могут колебаться, вращаться и перемещаться относительно друг друга. В твёрдых телах молекулы и атомы колеблются около некоторых средних положений.В тепловом движении участвуют все молекулы тела, поэтому с изменением характера теплового движения изменяется и состояние тела, его свойства. Так, при повышении температуры лёд начинает таять, превращаясь в жидкость. Если понижать температуру, например, ртути, то она из жидкости превращается в твёрдое тело.Модель кристаллической решётки льдаТемпература тела находится в тесной связи со средней кинетической энергией молекул. Чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. При понижении температуры тела средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.
События физического мира неотрывно связаны с изменениями температуры. С ней каждый человек знакомится в раннем детстве, когда понимает, что лед холодный, а кипяток обжигает. В то же время приходит понимание, что процессы изменения температуры не происходят мгновенно. Уже потом в школе ученик изучает, что связано это с тепловым движением. И процессам, связанным с температурой, выделен целый раздел физики.
Что такое температура?
Это научное понятие введено для замены обыденных терминов. В повседневной жизни постоянно фигурируют такие слова, как горячий, холодный или теплый. Все они говорят о степени нагретости тела. Именно так она определяется в физике, только с добавлением, что это скалярная величина. Ведь температура не имеет направления, а только числовое значение.
В международной системе единиц (СИ) температура измеряется в градусах Цельсия (ºС). Но во многих формулах, описывающих тепловые явления, требуется переводить ее в Кельвины (К). Для этого существует простая формула: Т = t + 273. В ней Т — температура в Кельвинах, а t — в Цельсиях. Со шкалой Кельвина связано понятие об абсолютном нуле температур.
Существует еще несколько шкал температур. В Европе и Америке, например, в ходу Фаренгейты (Ф). Поэтому их необходимо уметь записывать в Цельсиях. Для этого из показаний в Ф полагается вычесть 32, потом разделить его на 1,8.
Домашний эксперимент
В его объяснении требуется знать такие понятия, как температура, тепловое движение. Да и выполнить этот опыт просто.
Для него потребуется взять три емкости. Они должны быть достаточно большими, чтобы в них легко могли поместиться кисти рук. Наполнить их водой разной температуры. В первом она должна быть очень холодной. Во втором — подогретая. В третий налить горячую воду, такую, в которой руку будет возможно держать.
Теперь сам опыт. Опустить левую руку в емкость с холодной водой, правую — с самой горячей. Подождать пару минут. Вынуть их и сразу погрузить в сосуд с теплой водой.
Результат окажется неожиданным. Левой руке будет казаться, что вода теплая, у правой возникнет ощущение холодной воды. Это связано с тем, что вначале устанавливается тепловое равновесие с теми жидкостями, в которые руки погружены изначально. А потом это равновесие резко нарушается.
Основные положения молекулярно-кинетической теории
Она описывает все тепловые явления. А утверждения эти достаточно просты. Поэтому в разговоре о тепловом движении эти положения знать необходимо.
Первое: вещества образованы мельчайшими частицами, расположенными на некотором удалении друг от друга. Причем этими частицами могут оказаться как молекулы, так и атомы. А расстояние между ними во много раз больше размеров частиц.
Второе: во всех веществах наблюдается тепловое движение молекул, которое никогда не прекращается. Частицы при этом двигаются беспорядочно (хаотично).
Третье: частицы взаимодействуют между собой. Это действие обусловлено силами притяжения и отталкивания. Их величина зависит от расстояния между частицами.
Подтверждение первого положения МКТ
Доказательством того, что тела состоят из частиц, между которыми есть промежутки, служит их Так, при нагревании тела его размер увеличивается. Происходит это из-за удаления частиц друг от друга.
Другим подтверждением сказанному является диффузия. То есть проникновение молекул одного вещества между частицами другого. Причем это перемещение оказывается взаимным. Диффузия проходит тем быстрее, чем дальше друг от друга расположены молекулы. Поэтому в газах взаимное проникновение произойдет гораздо быстрее, чем в жидкостях. А в твердых телах на диффузию требуются года.
Кстати, последний процесс объясняет и тепловое движение. Ведь взаимное проникновение веществ друг в друга происходит без какого-либо вмешательства со стороны. Но его можно ускорить, если нагреть тело.
Подтверждение второго положения МКТ
Яркое доказательство того, что существует тепловое движение — это броуновское движение частиц. Оно рассматривается для взвешенных частиц, то есть для тех, которые существенно больше молекул вещества. Этими частицами могут быть пылинки или крупинки. А помещать их полагается в воду или газ.
Причина беспорядочного движения взвешенной частицы в том, что со всех сторон на нее действуют молекулы. Их действие беспорядочно. Величина воздействий в каждый момент времени разная. Поэтому результирующая сила направлена то в одну, то в другую сторону.
Если говорить о скорости теплового движения молекул, то для нее есть особое название — средняя квадратичная. Ее можно вычислить по формуле:
v = √[(3kT)/m 0 ].
В ней Т — температура в Кельвинах, m 0 — масса одной молекулы, k — постоянная Больцмана (k=1,38*10 -23 Дж/К).
Подтверждение третьего положения МКТ
Частицы притягиваются и отталкиваются. В объяснении многих процессов, связанных с тепловым движением, это знание оказывается важным.
Ведь силы взаимодействия зависят от агрегатного состояния вещества. Так, у газов их практически нет, так как частицы удалены так сильно, что их действие не проявляется. В жидкостях и твердых телах они ощутимы и обеспечивают сохранение объема вещества. В последних они гарантируют еще и поддержание формы.
Доказательством существования сил притяжения и отталкивания является появление сил упругости при деформации тел. Так, при удлинении усиливаются силы притяжения между молекулами, а при сжатии — отталкивания. Но в обоих случаях они возвращают телу первоначальную форму.
Средняя энергия теплового движения
(pV)/N = (2E)/3.
В этой формуле p — давление, V — объем, N — число молекул, E — средняя кинетическая энергия.
С другой стороны, это уравнение можно записать так:
Если их объединить, то получится следующее равенство:
Из него следует такая формула для средней кинетической энергии молекул:
Отсюда видно, что энергия пропорциональна температуре вещества. То есть при повышении последней частицы двигаются быстрее. В этом и заключается суть теплового движения, которое существует, пока есть температура, отличная от абсолютного нуля.