Конспект уроку: Тепловий стан та тепловий рух. Температура

Тепловий стан та тепловий рух

Людина постійно зустрічається з тепловими явищами в природі, в побуті, на виробництві. Ми відчуваємо тепло під промінням літнього сонця, в кімнаті біля радіатора батареї опалення або поклавши руку на капот автомобіля з працюючим двигуном. Коли граємося з друзями зимою в сніжки без рукавиць - руки мерзнуть, ми відчуваємо холод. Теплові явища є надзвичайно важливими для всіх живих організмів на Землі.

Природна зміна температури, що відбувається протягом року, спричиняє зростання активності тваринного та рослинного світу влітку і зниження взимку. Незначна зміна середньорічної температури на нашій планеті спричиняє природні катаклізми: надмірні опади, повені, не характерну для даної пори року та частини світу температуру навколишнього середовища і т.п. Більшість машин та механізмів, які використовує людина у своїй діяльності (кондиціонери, автомобілі, тепловози, літаки, ракети), є тепловими машинами. Багато технологічних процесів на виробництві супроводжуються зміною теплових станів (металургійна, хімічна промисловість).

Під час перебігу теплових явищ тіла можуть перебувати в різних теплових станах, тобто, при різних температурах. Що ж є причиною зміни теплового стану тіла? У всіх тілах, незалежно від того, рідкі вони чи тверді, молекули, атоми, а також електрони в атомах та поза ними, постійно хаотично рухаються.

Хаотичний рух молекул, атомів, електронів називають тепловим рухом або теплотою.

Тепловий рух визначає стан речовини і зумовлюється її внутрішніми властивостями. Коли температура тіла зростає, то інтенсивність теплового руху мікрочастинок речовини збільшується, і навпаки.

Щоб мати уявлення про особливості теплового (хаотичного руху) помістимо у воду частинку смоли діаметром менше 1 мкм і спостерігатимемо через мікроскоп її рух. Внаслідок бомбардування цієї мікрочастинки молекулами води вона починає рухатися.

Якщо зафіксувати початкове положення А частинки смоли і спостерігати за нею через кожні ЗО с, то побачимо, що через деякий час вона опиниться в положенні Б. Траєкторією руху мікрочастинки є ламана лінія, що відповідає її хаотичному руху.

Тепловий рух завислих в рідині частинок вперше спостерігав та описав англійський ботанік Р. Броун. Тому тепловий рух мікрочастинок, завислих у рідині або газі називають ще броунівським.

Між тепловими рухами мікрочастинок газів, рідин та твердих тіл є суттєві відмінності. Якщо молекули рідин хаотично рухаються у всіх напрямках, то молекули і атоми твердого тіла під час теплового руху не залишають своїх місць, а лише хаотично коливаються навколо деяких середніх положень.

Тепловий стан тіла залежить від теплового руху його мікрочастинок. Чим більша швидкість хаотичного руху молекул, атомів та інших мікрочастинок тіла, тим більш нагрітим воно буде,і навпаки.

Температура

Для людини важливо вірно визначати тепловий стан тіл. Якщо необережно доторкнутися до посудини на розігрітій плиті, можна отримати опіки. Ми можемо оцінити теплові стани деяких тіл за власними відчуттями, як правило, на дотик і то досить відносно: чашка з кавою гаряча, снігова грудка - холодна і т.д. Крім того, відчуття можуть не повністю відповідати дійсному стану тіла. Наприклад, якщо змерзлі руки опустити в теплу воду, може здатися, що вона холодна (навпаки, якщо теплі руки занурити в крижану воду, може здатися, що вона “обпікає”).

Щоб досить точно охарактеризувати тепловий стан тіла, потрібно визначити його кількісні характеристики. Такою характеристикою є кількісна міра нагрітості тіла, яку називають температурою.

Температура тіла - це кількісна міра його нагрітості.

Температура тіла безпосередньо пов’язана з тепловим рухом мікрочастинок речовини, зокрема з їх кінетичною енергією.

Температура є мірою середньої кінетичної енергії хаотичного руху молекул і атомів тіла. Чим вища температура тіла, тим більша середня кінетична енергія його мікрочастинок, і навпаки.

Молекули та атоми більш нагрітого тіла мають більшу середню кінетичну енергію теплового руху порівняно з молекулами та атомами менш нагрітого тіла.

Теплова рівновага

З досвіду ми знаємо, що чайник з окропом, щойно знятий з плити, ставлять на спеціальну підставку, щоб не зіпсувати поверхню столу внаслідок її нагрівання. Гарячий чайник передає своє тепло поверхні, на якій стоїть. Якщо цей же чайник поставити на сніг, він швидко охолоне, а сніг під ним розтане. Тобто, більш нагріті тіла віддають тепло менш нагрітим і при цьому остигають. Пояснити це можна тим, що під час дотику тіл з різною температурою (якщо вони тверді) або змішуванні (якщо це рідини або гази) більш швидкі молекули гарячого тіла співударяються з повільнішими молекулами холоднішого тіла і віддають їм частину своєї енергії. Внаслідок цього, повільні молекули починають рухатися швидше, а швидкі - повільніше.

Більш нагріті тіла віддають тепло менш нагрітим. При цьому кінетична енергія хаотичного руху молекул або атомів, а отже і температура перших знижується (вони остигають), а других - підвищується (вони нагріваються).

Гаряча вода в чайнику через деякий час самочинно остигає до кімнатної температури, але не може самостійно нагрітися - для цього потрібно виконати роботу. Так само потрібно виконати роботу для охолодження продуктів у холодильнику.

Якщо тіла мають різну температуру, то обмін теплотою між ними відбувається у чітко визначеному напрямку: від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою.

Таким чином, в природі існує важлива закономірність: теплота переходить від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою. У зворотному напрямку самочинний обмін теплотою не відбувається.

З часом в тілах з різною температурою встановлюється спільнадля молекул середня швидкість хаотичного руху. Відповідно поступово зрівнюються й їх температури. Гаряча кава в чашці поступово остигає і її температура зрівнюється з температурою в кімнаті (насправді, температура в кімнаті трохи підвищується, але це підвищення незначне). Якщо у склянку з водою опустити шматок льоду і закрити її щільно, то спочатку температура води буде знижуватися, а з часом, коли лід розтане, почне підвищуватися, доки не зрівняється з кімнатною.

Будь-яке тіло або система тіл, що перебувають в обмеженому просторі, з часом самочинно переходять у стан, при якому всі частини тіла або всі тіла системи мають однакову температуру, тобто у стан теплової рівноваги.

Тіла з різною температурою, що перебувають у певному обмеженому просторі, з часом самочинно переходять у стан теплової рівноваги - їх температури вирівнюються і стають однаковими.

Розмістимо два тіла з різною температурою (наприклад, тіло А нагріте до 80 °С та тіло Б охолоджене до - 10 °С в кімнаті при температурі 20 °С. Температура тіла А почне знижуватися, а тіла Б - підвищуватися. Через деякий час температура тіл зрівняється з кімнатною і становитиме приблизно 20 °С. Встановиться теплова рівновага.

Рис. Теплова рівновага: тіло А віддає тепло оточуючому середовищу, тіло Б приймає. Чому температура в кімнаті не змінилась?

1. Вкажіть, як поводяться мікрочастинки тіла під час теплового руху:

a) Рухаються в одному напрямі

b) Рухаються в чітко визначеному напрямі

c) Рухаються впорядковано

d) Рухаються хаотично

2. Виберіть правильну відповідь на питання: як змінюється тепловий стан тіла, якщо інтенсивність теплового руху його мікрочастинок зростає?

a) Тіло нагрівається

b) Тіло охолоджується

c) Температура тіла періодично то підвищується, то знижується

d) Температура тіла залишається сталою

3. Виберіть означення температури

a) Температура - це властивість тіла нагріватися

b) Температура - це властивість тіла віддавати теплоту іншим тілам

c) Температура - це кількісна міра нагрітості тіла

d) Температура - це міра середньої кінетичної енергії хаотичного руху молекул та атомів тіла

4. Вкажіть можливі варіанти самочинного проходження теплових процесів:

a) Танення льоду у воді кімнатної температури

b) Закипання води в чайнику на газовій плиті

c) Охолодження продуктів кімнатної температури в холодильнику

d) Нагрівання води під час танення льоду

5. Виберіть напрямок переходу тепла між тілами 1 та 2

a) Тіло 1 віддає тепло тілу 2, а тіло 2 частину тепла тілу 1

b) Тіло 1 віддає тепло тілу 2

c) Тіло 2 віддає тепло тілу 1

d) Тіло 1 отримує тепло від тіла 2