Значение тепловых явлений кратко

Обновлено: 30.06.2024

В середине XVIII века возникла механическая теория тепла, какое-то время сочетавшаяся с материальной, или теорией теплорода. На первый взгляд кажется, что если рассматривать теплоту как материальную субстанцию (теплород), получаются одни законы, а если как род движения — совсем другие. Но в обоих случаях, при всей их несхожести, присутствует пара: закон сохранения плюс закон направленности процесса.

И все же с конца XVIII века механическая теория стала постепенно укореняться в физике и химии. А в начале ХХ века Альберт Эйнштейн закрыл вопрос о природе тепла, представив теорию броуновского движения молекул.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Какую роль играет в природе

Тепловые явления — это физические процессы, которые происходят с материальными телами при изменении температуры.

Жизнь на Земле напрямую зависит от главного природного источника тепла в нашей звездной системе — Солнца. Любое изменение температуры влияет на жизнь человека и окружающую его среду. Нагревание и замерзание воды, воздуха, смена агрегатных состояний любых веществ — все эти процессы связаны с температурой.

Признаки теплового явления, чем характеризуется

Признаки тепловых явлений:

Изменение температуры.
Изменение агрегатного состояния вещества.

При нагревании молекулы начинают быстрее обмениваться местами, при охлаждении — наоборот.
Среди самых распространенных тепловых явлений:

нагревание;
охлаждение;
кипение;
испарение;
конденсация;
плавление;
отвердевание.

Формулы тепловых процессов

Обычно для решения учебных задач хватает формул, описывающих сам процесс изменения температуры, а также процессы смены агрегатного состояния.

Формула, связывающая массу, теплоемкость и температуру, дает описание любого процесса нагревания или охлаждения:

\(Q = C \times m \times \triangle t\)

Q — обозначение количества теплоты, С — теплоемкости, m — массы вещества, \(\triangle\) t — разность температур.

Теплоемкость — количество теплоты, которое нужно затратить, чтобы нагреть тело на один градус. Теплоемкость — характеристика вещества, а не теплоты.

Для процессов со сменой агрегатного состояния вещества нужны специализированные формулы.

\(Q = \lambda \times m\)

описывает процессы плавления и отвердевания. \lambda здесь — удельная теплота плавления.

описывает процессы парообразования и конденсации. L здесь — удельная теплота парообразования.

Любые тепловые процессы подчиняются законам термодинамики. Закон сохранения энергии, или Первое начало термодинамики:
\(\triangle\) U = Q + W

Внутренняя энергия U определяется разностью между количеством теплоты Q, получаемой телом, и работой W, которую оно само совершает:
U = Q -W

Также U определяется суммой получаемого количества теплоты Q и совершенной над телом работы W':
U = Q + W'

Второе начало термодинамики: для любого сколь угодно сложного циклического обратимого процесса сумма величин Q/T с учетом знака теплоты (получаемой — с плюсом, отдаваемой — с минусом) равняется нулю.

Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус предложил все превращения описать единым образом, с помощью одной величины — универсальной функции Q/T. Ее он назвал эквивалентом превращений, а Второе начало сформулировал как принцип эквивалентности превращений.

В любом тепловом процессе происходит двойное превращение теплоты и работы: сначала теплота преобразуется в работу, а потом наоборот — работа в теплоту. Причем механическая энергия может переходить в теплоту полностью, а тепловая в механическую — только частично.

Клаузиус ввел понятие энтропии \(\triangle S\) — величины, описывающей взаимные превращения теплоты и механической работы.

Оставаясь в рамках термодинамики, т. е. глядя на систему снаружи, это самое большее, что можно сказать о взаимоотношениях разных видов энергии — тепловой и механической.

Если же перейти к внутреннему устройству системы и рассматривать теплоту как беспорядочное движение составляющих систему частиц, то превращение теплоты в работу окажется преобразованием энергии хаотического движения молекул в работу системы в целом и наоборот. Тогда энтропию следует понимать как степень хаотичности, или неупорядоченности, такого движения.

Окончательно законы термодинамики, связанные с энтропией, можно сформулировать так: в любом необратимом процессе энтропия всегда возрастает, а в обратимом — остается постоянной.

\(\triangle S \geq 0. \)

При стремлении абсолютной температуры к нулю энтропия также стремится к нулю:

\(S \rightarrow 0\) при \(Т \rightarrow 0\)

Это Второе и Третье начала термодинамики.

Области применения теплового явления на практике

Тепловые процессы крайне важны в таких отраслях промышленности, как химическая, металлургическая, пищевая, деревообрабатывающая, машиностроительная и т. д. Наука метеорология занимается почти исключительно изучением тепловых процессов в атмосфере.

Дадим общее представление о значении и смысле того, что вы сейчас начнете изучать.

Макроскопические тела.

Мы живем в мире макроскопических тел. Наше тело - это тоже макроскопическое тело.

В физике макроскопическими телами называются большие тела, состоящие из огромного числа молекул. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень, земной шар - все это примеры макроскопических тел (рис.7.7).

Механика и механическое движение.

В механике Ньютона имеют дело с механическим движением макроскопических тел - перемещением одних тел относительно других в пространстве с течением времени.

Механика изучает движение тел, но она не в состоянии объяснить, почему существуют твердые, жидкие и газообразные тела и почему эти тела могут переходить из одного состояния в другое. Исследование внутренних свойств тел не входит в задачу механики.

Тепловые явления.

После механического движения самые заметные явления связаны с нагреванием или охлаждением тел, с изменением их температуры. Эти явления называются тепловыми.

Механическое движение не вызывает в теле каких-либо существенных изменений, если не происходит катастрофических столкновений. Но нагревание или охлаждение тела способно изменить его до неузнаваемости. Сильно нагрев прозрачную, но все же видимую воду, мы превратим ее в невидимый пар. Сильное охлаждение превратит воду в кусок льда. Если вдуматься, то эти явления загадочны и достойны изумления. Не удивляемся мы потому, что привыкли к ним с детства.

Надо найти законы, которые могли бы объяснить изменения в телах, когда сами тела неподвижны и когда с точки зрения механики с ними не происходит ничего. Эти законы описывают особый вид движения материи - тепловое движение, присущее всем макроскопическим телам независимо от того, перемещаются они в пространстве или нет.

Тепловое движение молекул.

Все тела состоят из атомов и молекул.
Тепловые явления происходят внутри тел и всецело определяются движением этих частиц. Движение атомов и молекул мало напоминает движение собаки или автомобиля. Атомы и молекулы вещества совершают беспорядочное движение, в котором трудно усмотреть следы какого-либо порядка и регулярности. Беспорядочное движение молекул называют тепловым движением.

Движение молекул беспорядочно из-за того, что число их в телах, которые нас окружают, необозримо велико. Каждая молекула беспрестанно меняет свою скорость при столкновениях с другими молекулами. В результате ее траектория оказывается чрезвычайно запутанной, движение -хаотичным, несравненно более хаотичным, чем движение муравьев в разоренном муравейнике.

Беспорядочное движение огромного числа молекул качественно отличается от упорядоченного механического перемещения тел. Оно представляет собой особый вид движения материи со своими особыми свойствами. Об этих свойствах и пойдет речь в дальнейшем.

Значение тепловых явлений.

Привычный облик нашей планеты существует и может существовать только в довольно узком интервале температур. Если бы температура превысила 100°С, то на Земле при обычном атмосферном давлении не было бы рек, морей и океанов, не было бы воды вообще. Вся вода превратилась бы в пар. А при понижении температуры на несколько десятков градусов океаны превратились бы в громадные ледники.

Даже изменение температуры лишь на 20-30°С при смене времен года меняет на средних широтах весь облик планеты.

С наступлением весны начинается пробуждение природы. Леса одеваются листвой, начинают зеленеть луга. Зимой же жизнь растений замирает. Толстый слой снега покрывает поверхность Земли.

Еще более узкие интервалы температур необходимы для поддержания жизни теплокровных животных. Температура животных и человека поддерживается внутренними механизмами терморегуляции на строго определенном уровне. Достаточно температуре повыситься на несколько десятых градуса, как мы уже чувствуем себя нездоровыми. Изменение же температуры на несколько градусов ведет к гибели организмов. Поэтому неудивительно, что тепловые явления привлекали внимание людей с древнейших времен. Умение добывать и поддерживать огонь сделало человека относительно независимым от колебаний температуры окружающей среды. Это было одним из величайших изобретений человечества.

Изменение температуры оказывает влияние на все свойства тел. Так, при нагревании или охлаждении изменяются размеры твердых тел и объемы жидкостей. Значительно меняются механические свойства тел, например упругость. Кусок резиновой трубки уцелеет, если ударить по нему молотком. Но при охлаждении до температуры ниже - 100°С резина становится хрупкой, как стекло, и от легкого удара резиновая трубка разбивается на мелкие кусочки. Лишь после нагревания резина вновь обретает свои упругие свойства.

Кроме механических свойств, при изменении температуры меняются и другие свойства тел, например сопротивление электрическому току, магнитные свойства и др. Так, если сильно нагреть постоянный магнит, то он перестанет притягивать железные предметы.

Все перечисленные выше и многие другие тепловые явления подчиняются определенным законам. Открытие законов тепловых явлений позволяет с максимальной пользой применять эти явления на практике и в технике. Современные тепловые двигатели, установки для сжижения газов, холодильные аппараты и многие другие устройства конструируют на основе этих законов.

Молекулярно-кинетическая теория.

Еще философы древности догадывались о том, что теплота - это вид внутреннего движения. Но только в XVIII в. начала развиваться последовательная молекулярно-кинетическая теория.

Большой вклад в развитие молекулярно-кинетической теории был сделан М. В. Ломоносовым. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц тела.

Цель молекулярно-кинетической теории - объяснение свойств макроскопических тел и тепловых процессов, происходящих в них, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных, беспорядочно движущихся частиц.

Основные положения МКТ. Тепловые явления - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика

Раздел, исследующий тепловые явления в физике, называется термодинамикой. При его изучении не учитывают молекулярное строение тел, а рассматривают оптимальные условия. Исследованием же процесса хаотичного перемещения атомов и молекул вещества занимается молекулярная физика. Именно она определяет природу движения, зависимость от температуры и закономерности.

Общие сведения

В обычной жизни человечество постоянно становится свидетелем тепловых явлений, происходящих в природе. Например, выпадение снега, дождя, образование росы. Все эти процессы связаны с температурой, а именно изменением тепловых движений. Любое вещество состоит из молекул или атомов, взаимодействующих между собой. Эти частицы находятся в постоянном беспорядочном колебании и движении. Характеризуется этот процесс кинетической энергией, которая содержится внутри тела.

Как показали исследования, насколько уменьшается механическая энергия, настолько увеличивается внутренняя. Это правило назвали законом сохранения. То есть значение существующей энергии в природе — всегда постоянная величина. Именно поэтому тепловые колебания никогда не прекращаются. Количество внутренней энергии зависит от многих факторов, но особо значимым из них является температура. Если её значение изменяется без совершения работы, то говорят о прохождении теплопередачи.

Существует несколько типов процессов, сопровождающихся изменением температуры или переходом из одного агрегатного состояния в другое. В зависимости от происходящего действия к тепловым явлениям относятся:

Нагревание. Процесс повышения температуры.
Охлаждение. Явление, при котором температура тела уменьшается.
Парообразование. Переход вещества из текучего состояния в газообразное.
Кипение. Частный случай парообразования, происходящий с высокой интенсивностью.
Испарение. Фазовый переход из жидкого состояния в газообразное.
Кристаллизация. Процесс образования твёрдого вещества из газов или расплавов.
Плавление. Явление перехода материала из твёрдого состояния в текучее.
Конденсация. Переход жидкого или твёрдого вещества в газообразное.
Сгорание. Химический процесс превращения веществ в газ.
Сублимация. Переход материала из твёрдого состояния в газообразное без стадии плавления.

Эти явления могут изучаться не только на уроках физики, но и на химии, металловедении. Они используются при разработке различных устройств, учитываются при проведении строительных работ. Так, при прокладке трубопроводов делается изгиб п-образной формы. Это позволяет избежать деформации и разрушения. Рельсы устанавливаются с зазором, а провода на столбах навешивают так, чтобы они свисали. Все эти мероприятия позволяют бороться с тепловыми явлениями, которые обязательно необходимо знать и учитывать.

Тепловой баланс

Равновесие — это термин, довольно часто используемый в физике. Под ним понимают состояние, в котором тело может находиться сколь угодно долгое время при условии, что на него не воздействуют внешние силы. Чтобы разобраться в тепловом равновесии, нужно рассмотреть пример.

Пусть есть два бруска, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Один из них нагрет, а второй, наоборот — охлаждён. Эти два тела можно привести в соприкосновение. При этом будет происходить одновременно два явления:

нагрев холодного тела;
остывание горячего бруска.

Через некоторое время под действием этих явлений установится устойчивое состояние. Горячий и холодный объектыпримут одинаковую температуру, то есть станут тёплым. Это состояние может сохраняться в замкнутой системе продолжительное время. Другими словами, наступит явление теплового равенства. Это один из важнейших законов природы, определение которого звучит так: в состоянии равновесия физическая система имеет одинаковую температуру в любой точке.

Степень нагрева или охлаждения характеризуется температурой. Определить её можно различными способами. Самый простой из них — использовать тактильные ощущения. Но это приблизительный метод — субъективный. При изменении температуры происходит хаотичное движение молекул, которое в конце концов приводит к диффузии.

При взаимном проникновении молекул веществ происходит заполнение ими промежутков в структуре тела. Можно провести простой эксперимент. Например, взять колбу и налить на её дно подкрашенную воду, а сверху — чистую. Через некоторое время граница между средами станет размытой. Это и есть простой пример произошедшей диффузии. Теперь если эту колбу нагреть или охладить, то можно будет заметить, что процесс смешивания происходит с разной скоростью. Так, при низкой температуре скорость движения молекул становится меньше по сравнению с высокой. Другими словами, снижается энергия движения.

Следовательно, чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия (СКЭ) хаотичного перемещения его молекул. Таким образом, чтобы определить нагрев или охлаждение, нужно измерить СКЭ. Сделать это на опыте невозможно. Но как оказалось, от температуры зависят многих характеристики вещества. Одна из них — объём. На этом явлении и основана работа термометра, устройства, способного количественно определить температуру вещества.

Расширение тел, газов, жидкостей

Явление, характеризующее изменение геометрических размеров тела или объёма, получило название тепловое расширение. Большинство веществ при нагревании увеличивают свои размеры, но встречаются и исключения. Например, вода при температуре от 0 до 4 градусов Цельсия уменьшает свой объём. Как оказалось, тепловому расширению подвержены тела, находящиеся в любом агрегатном состоянии:

твёрдом;
жидком;
газообразном.

Твёрдые тела относятся к веществам, у которых явление расширения или сжатия имеет небольшую степень. Для того чтобы зарегистрировать изменения длины, используют специальный прибор. Но наглядно увидеть эффект можно и самостоятельно. Например, пусть имеется медная трубка, закреплённая одним концом в тиски, а второй лежит на подставке. Чтобы наблюдать изменение длины при нагреве, можно положить на подставку стекло, а на него — иголку. Если при нагревании трубка будет удлиняться, то игла начнёт катиться. Это и произойдёт при опыте.

Почему это происходит, объяснить довольно просто. Стержень удлиняется из-за увеличения расстояния между молекулами. То есть сначала частицы колеблются в состоянии равновесия с установившейся амплитудой. Когда происходит нагрев, то размах увеличивается. При этом размеры молекул остаются неизменным. Следовательно, возрастает расстояние между частицами — твёрдое тело удлиняется.

Увидеть, как будет изменяться от температуры жидкость, можно, поместив колбу с водой в кипящий раствор. При этом водяной столб сначала опустится на некоторую величину, а потом будет набирать высоту. Происходит это явление из-за того, что первоначально нагрелась колба, а затем уже вода. В результате сначала объём сосуда увеличился, и вода как бы провалилась. Затем начинает прогреваться жидкость, и водяной столб возрастает. Из эксперимента можно сделать важный вывод — текучие вещества расширяются сильнее, чем твёрдые.

Аналогичный опыт можно провести для колбы, наполненной газом. Внизу неё налита подкрашенная жидкость, в которую вставлена трубочка, выходящая наружу через пробку. Если сосуд начать нагревать, то станет довольно заметно, как под влиянием тепла будет подниматься жидкость. То есть под действием увеличивающего давления газа происходит вытеснение воды из-за расширения.

Количественное описание расширения

Изменение линейных размеров тела с учётом температурной зависимости характеризуется коэффициентом теплового расширения. Это физическая величина, показывающая, как меняется объём при росте температуры на один градус по кельвину. При этом давление должно оставаться неизменным.

Каждое вещество в зависимости от своего строения характеризуется собственным значением коэффициента линейного расширения. Обозначают его с помощью буквы α, а для вычисления его значения используют формулу: α = ΔL / L * ΔT, где: ΔT — увеличение температуры, ΔL — изменение длины вещества, L — первоначальный размер. Это табличная величина.

Таким образом, если необходимо узнать, какое значение примет линейное расширение, нужно воспользоваться выражением: ΔL = α * L * ΔT. Аналогичные формулы используют и для расчёта изменения объёма или площади тела. В простом случае, при котором коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, материал будет равномерно расширяться во все стороны.

Но, как показывает практика, не все вещества, особенно твёрдые тела, равномерно расширяются по всем направлениям. Причём не все материалы удлиняются одинаково. Самый яркий пример — вода. В интервале от 0 °C до +4 °C коэффициент α принимает отрицательное значение. Из-за этого природного эффекта моря и океаны никогда не промерзают до дна. Ещё одно аномальное свойство воды в том, что при превращении в лёд её удельная плотность уменьшается.

Изучаемые в 8 классе на физике тепловые явления жизненно важны для человечества. Так, любой инженер, составляя проект металлоконструкций, не может не учитывать возможного перепада температур в течение года. Например, при постройке мостов используется секционное строительство со специальными буферными зонами. Иначе зимой его может просто разорвать, а летом — вздыбить.

В далеком 1620 году великий английский философ и ученый Френсис Бекон, размышляя о физической природе тепла, впервые предположил, что теплота имеет связь с движением. Мы все можем это наблюдать воочию на простом примере – при нагревании воды до определенной температуры (100 С) она начинает кипеть. Происходит это из-за того, что с повышением температуры ускоряется движение молекул в воде (как впрочем, и в любом другом веществе). То есть Френсис Бекон был абсолютно прав в своих догадках, которые позднее подтвердили и многие другие ученые, а в физике появился большой раздел, называемый термодинамикой, который собственно и изучает тепловые явления, их суть и природу. О значении тепловых явлений в физике мы поговорим в нашей статье.

Общие сведения и примеры

Мы все с вами порой сами того не подозревая являемся свидетелями тепловых явлений в той или иной форме. Например, когда готовим себе чай или завариваем кофе. Такие природные явления как выпадение снега или дождя, образование росы, замерзание водоемов и образование льда также прямо связаны с изменениями температуры и определенными тепловыми движениями. Теперь давайте дадим общее определение того, что представляют собой тепловые явления.

Итак, тепловые явления это все физические процессы, происходящие с материальными телами под воздействием температуры.

Роль в природе

Роль тепловых явлений в природе сложно переоценить, так как появление жизни на Земле неразрывно связано с главным источникам тепла – Солнцем. И любое изменение температуры имеет огромное влияние и на окружающую среду нашей планеты и как следствие на всю эволюцию жизни на Земле.

Признаки и виды

Есть два главных признака тепловых явлений, причем второй признак является следствием первого:

Изменение температуры.
Изменение агрегатных состояний вещества.

Ярким примером второго признака является испарение жидкостей, которые при нагревании переходят в газообразное состояние. Или наоборот когда при охлаждении вода замерзает и превращается в твердый лед, также происходит изменение агрегатного состояние вещества под действием тепловых явлений.

В целом в физике к тепловым явлениям относятся следующие процессы:

Повышение температуры (нагревание).
Понижение температуры (охлаждение).
Парообразование, когда из-за нагревания жидкость превращается в пар.
Кипение, по сути, тоже парообразование, но происходящее с большой интенсивностью.
Испарение, представляет собой фазовый переход жидкости в газообразное состояние. Об этом явлении на нашем сайте есть отдельная подробная статья. От кипения отличается тем, что происходит постоянно даже при невысоких температурах. К примеру, вода в стакане воды при комнатной температуре также испаряется, но медленно и незаметно, но если мы станем эту воду из стакана нагревать на газу, то испарение увеличится, начнется парообразование, а затем и кипение.
Плавление – фазовый переход твердого вещества в жидкое под действием температуры. В промышленности, к примеру, плавят некоторые металлы, чтобы можно было легко придать им ту или иную форму.
Сгорание – в физическом смысле представляет процесс перехода твердых веществ в газообразное состояние.
Кристаллизация – обратное явление, когда под действием охлаждения жидкие вещества становятся твердыми, то есть замерзают. Яркий пример – образование льда зимой.

Различные тепловые явления не только изучаются на уроках физики, но и порой активно применяются на практике в разных жизненных ситуациях. Например, при прокладке железнодорожных рельсов делается специальный зазор, так званный рельсовый стык. Делается он для того, чтобы обеспечить перемещение конца рельса при температурном удлинении/укорочении рельса.

Формулы тепловых процессов

Все процессы изменения температуры, как и процессы перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое можно описать специальными формулами. Часто в таких формулах существует такая величина как теплоемкость, что же она собой представляет? Теплоемкость – то количество теплоты, которое необходимо затратить, чтобы нагреть вещество на один градус. Причем важно заметить, что теплоемкость это именно характеристика самого вещества, а не теплоты, так как разные вещества и нагреваться могут по-разному, как и по-разному замерзать, и если мы говорим о жидкостях, то иметь разные температуры кипения.

Эта формула описывает связь массы тела, его теплоемкости и температуры, по сути это математическое описание любого физического процесса нагревания или охлаждения. Q – это обозначение количества теплоты, С – теплоемкость тела, m – его масса, △t – разность температур.

Но для процессов, происходящих со сменой агрегатного состояния вещества будут свои формулы:

Лямбда λ в этой формуле это удельная теплота плавления. Об удельной теплоте плавления на нашем сайте также есть отдельная подробная статья, переходите по ссылке, чтобы ознакомится детальнее.

Эта формула описывает процесс парообразование, L здесь представляет удельную теплоту парообразования.

Видео

И в завершение для закрепление материала рекомендуем посмотреть это образовательное видео о тепловых явлениях, теперь надеемся, вы сможете с легкостью написать контрольную работу по этой теме.

Читайте также: