"Физика", Андрюшечкин С.М.
Тепловые явления связаны с нагреванием и охлаждением тел, изменением температуры и передачей энергии. Их причины помогают объяснить движение и взаимодействие частиц вещества. Разобравшись в температуре и внутренней энергии, можно понять, почему нагреваются предметы, как тепло распространяется в воздухе, воде и металлах и что происходит при смешивании жидкостей. Эти знания пригодятся при изучении плавления, кипения и работы тепловых двигателей.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Тепловые явления — изменения состояния тел, связанные с нагреванием, охлаждением и изменением температуры. Например, остывание чая и нагревание ложки — тепловые явления. Это понятие объединяет процессы, в которых тела обмениваются энергией или меняют своё состояние.
Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц вещества. Частицы не останавливаются даже тогда, когда тело кажется неподвижным. Чем интенсивнее они движутся, тем обычно выше температура, поэтому это представление помогает объяснить нагревание и охлаждение.
Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела и связанная со средней энергией теплового движения его частиц. Её измеряют термометром, обычно в градусах Цельсия (°C). Температура позволяет сравнить, какое из тел нагрето сильнее.
Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Она относится ко всему телу, а не только к одной частице. Понятие нужно, чтобы описывать энергию, которую тело может получить, отдать или изменить при совершении работы.
Частицы вещества непрерывно движутся, потому что внутри вещества они взаимодействуют друг с другом и обладают энергией. В твёрдом теле частицы в основном колеблются около своих мест, а в жидкости и газе могут перемещаться по-разному. Если тело нагревают, ему передают энергию, и движение частиц обычно становится интенсивнее; при охлаждении энергия уходит, и движение ослабевает.
Если соприкоснуть тела с разной температурой, частицы более нагретого тела передают часть энергии частицам менее нагретого. Поэтому первое тело охлаждается, а второе нагревается. Обмен продолжается, пока температуры не станут одинаковыми: тогда устанавливается тепловое равновесие и направленный обмен энергией между телами прекращается.
Внутренняя энергия складывается из энергии движения частиц и энергии их взаимодействия. При нагревании или охлаждении она меняется, потому что меняется движение частиц; при изменении состояния вещества может меняться и характер их взаимодействия. Изменить внутреннюю энергию можно также работой: например, при трении тела нагреваются, хотя их не помещали рядом с более горячим телом.
При теплопроводности энергия передаётся от части к части тела или от одного соприкасающегося тела к другому без переноса вещества как целого. При конвекции энергию перемещают потоки вещества: нагретые слои жидкости или газа обычно поднимаются, а более холодные опускаются. При излучении энергию переносят электромагнитные волны, поэтому для него не требуется соприкосновение тел.
В твёрдом теле частицы расположены близко, поэтому взаимодействие между соседними частицами помогает передавать энергию по всему предмету: так особенно заметна теплопроводность. В жидкости и газе частицы могут перемещаться целыми слоями, поэтому в них возможна конвекция. Излучение не нуждается в веществе-переносчике, и именно так энергия Солнца достигает Земли через космическое пространство.
| Способ | Как передаётся энергия | В каких средах происходит | Пример |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность | От частицы к частице без переноса вещества как целого | В твёрдых телах, жидкостях и газах; особенно заметна в твёрдых телах | Металлическая ложка нагревается в горячем чае |
| Конвекция | Потоками вещества, которые переносят энергию | В жидкостях и газах | Тёплый воздух поднимается от батареи |
| Излучение | Электромагнитными волнами | Может происходить без вещества, в том числе в вакууме | Энергия Солнца достигает Земли |
Чтобы определить способ передачи энергии, спросите себя, перемещается ли само вещество и нужна ли для процесса среда. Если вещество остаётся на месте, а энергия распространяется через него, это теплопроводность; если перемещаются потоки жидкости или газа — конвекция. Передача через пустое пространство возможна благодаря излучению.
В комнате смешали 200 г воды температурой 20 °C и 100 г воды температурой 80 °C. Найдём установившуюся температуру, считая теплообменом с комнатой можно пренебречь. Более горячая вода отдаёт столько энергии, сколько получает холодная. Удельная теплоёмкость воды в обеих частях смеси одинакова.
Обозначим установившуюся температуру через t. Запишем баланс: энергия, полученная холодной водой, равна энергии, отданной горячей. Получаем 0,2c(t − 20) = 0,1c(80 − t).
Сократим обе части равенства на одинаковую теплоёмкость c. Тогда 0,2t − 4 = 8 − 0,1t, откуда 0,3t = 12. Следовательно, t = 40 °C.
Ответ: 40 °C. Получилось значение между 20 °C и 80 °C, как и должно быть при смешивании без внешнего нагрева или охлаждения.
Нужно нагреть 0,5 кг воды от 20 °C до 60 °C. Удельная теплоёмкость воды равна 4200 Дж/(кг·°C). Найдём количество теплоты, необходимое для нагревания, используя данные в единицах СИ. Теплопотерями пренебрегаем.
Находим изменение температуры: Δt = 60 − 20 = 40 °C. Масса уже дана в килограммах, поэтому переводить её не нужно. Используем формулу Q = cmΔt.
Подставляем значения: Q = 4200 · 0,5 · 40 = 84 000 Дж. Проверка единиц показывает, что результат выражен в джоулях, как и требуется для количества теплоты.
Ответ: 84 000 Дж, или 84 кДж. Чтобы не перепутать изменение температуры, из конечной температуры вычитают начальную.
В алюминиевом сосуде массой 0,2 кг находится 0,5 кг воды при 20 °C. Нужно добавить воду при 80 °C, чтобы получить смесь при 40 °C. Теплоёмкость алюминия равна 900 Дж/(кг·°C), воды — 4200 Дж/(кг·°C); потерями тепла пренебрегаем. Сосуд нагревается вместе с холодной водой, поэтому его тоже включаем в баланс.
Обозначим массу горячей воды через m. Она остывает на 80 − 40 = 40 °C. Холодная вода и сосуд нагреваются на 40 − 20 = 20 °C.
Записываем тепловой баланс: энергия горячей воды равна энергии, полученной холодной водой и сосудом. Получаем 4200m · 40 = 0,5 · 4200 · 20 + 0,2 · 900 · 20.
Правая часть равна 42 000 + 3 600 = 45 600 Дж. Поэтому 168 000m = 45 600, откуда m ≈ 0,271 кг. Здесь учитываются только указанные в условии потери и тела.
Ответ: нужно добавить примерно 0,27 кг горячей воды. Если бы теплоёмкость сосуда не учли, расчёт дал бы меньшую массу, потому что на нагревание сосуда тоже расходуется энергия.
Температуру принимают за внутреннюю энергию, потому что обе величины связаны с нагреванием. Но температура характеризует состояние тела, а внутренняя энергия зависит ещё и от количества вещества и его состояния. Проверьте себя: одинаковая ли внутренняя энергия у стакана и ведра воды при одной температуре? Нет, количество вещества у них разное.
Иногда говорят, что тепло «содержится» в теле, смешивая внутреннюю энергию с количеством теплоты. Тело обладает внутренней энергией, а количество теплоты описывает энергию, переданную при теплообмене. Чтобы проверить формулировку, спросите: описываем запас энергии тела или процесс передачи энергии?
Теплопроводность и конвекцию путают, потому что оба способа могут происходить в жидкости или газе. При конвекции энергия перемещается вместе с потоками вещества, а при теплопроводности вещество не переносится как целое. Проверьте себя: движутся ли заметные слои жидкости или газа? Если да, это конвекция.
В задачах на теплообмен иногда записывают одинаковые знаки для энергии, отданной и полученной телами. Тогда равенство может дать ошибочный результат: одни тела охлаждаются, другие нагреваются. Перед расчётом отметьте, кто отдаёт, а кто получает энергию, и запишите равенство Qотд = Qпол; итоговая температура смеси должна быть между начальными температурами.
Для изучения тепловых явлений нужны представления о строении вещества и движении частиц: они помогают объяснять нагревание и передачу энергии. Также важно уметь пользоваться единицами физических величин и переводить граммы в килограммы, если этого требует формула. Дальше эти знания применяются при изучении плавления, парообразования и сгорания топлива. Они помогают понять работу тепловых двигателей и способы энергосбережения.
Чем температура отличается от внутренней энергии?
Температура показывает, насколько нагрето тело, и связана со средней энергией движения его частиц. Внутренняя энергия включает энергию движения и взаимодействия всех частиц тела, поэтому зависит также от их количества и состояния вещества.
Может ли измениться внутренняя энергия тела без изменения его температуры?
Да. Например, при плавлении вещество получает энергию, но его температура во время плавления может оставаться постоянной. Энергия в этом случае идёт на изменение взаимодействия частиц и состояния вещества.
Почему металлическая ложка в горячем чае нагревается быстрее деревянной?
Металл хорошо проводит тепло: энергия быстро передаётся от нагретого конца ложки к остальной части. Дерево проводит тепло значительно хуже, поэтому его поверхность нагревается медленнее.
Как тепло передаётся от Солнца через космическое пространство?
Энергия от Солнца до Земли передаётся излучением. Для этого способа не нужны частицы вещества, поэтому он возможен даже в почти пустом космическом пространстве.
Почему при решении задач на смешивание воды учитывают теплоёмкость сосуда?
Сосуд тоже нагревается или охлаждается и обменивается энергией с водой. Если не учитывать его теплоёмкость, часть энергии окажется «потерянной» в расчёте и ответ может быть неверным.
Раздел 1. Тепловые явления
