ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Определения и обозначения

Тепловое движение — беспорядочное движение частиц вещества, интенсивность которого связана с температурой. Молекулы и атомы постоянно перемещаются, даже если тело кажется неподвижным. Это понятие помогает объяснить нагревание, охлаждение, диффузию и другие тепловые явления.

Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела и связанная с интенсивностью движения его частиц. Чем выше температура, тем быстрее в среднем движутся частицы. Температура нужна для сравнения состояния тел и определения направления передачи теплоты.

Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Она принадлежит всему телу, поэтому зависит не только от его температуры, но и от массы и вещества. Понятие внутренней энергии позволяет описывать изменения состояния тела без учёта его движения как целого.

Теплопередача — процесс передачи внутренней энергии от более нагретого тела к менее нагретому без совершения механической работы. Такая передача происходит при разности температур. Её рассматривают, чтобы понять, как нагреваются предметы и почему со временем устанавливается тепловое равновесие.

Как это устроено

Все тела состоят из частиц, потому что вещества могут смешиваться и проникать друг в друга: например, запах распространяется по комнате, а капля краски постепенно окрашивает воду. Такое перемешивание объясняется непрерывным беспорядочным движением молекул. Движение мельчайших частиц также проявляется в броуновском движении, когда видимые частицы пылинок или взвеси сталкиваются с невидимыми молекулами.

Температура отражает среднюю интенсивность теплового движения, а не скорость каждой отдельной частицы. При соприкосновении горячего и холодного тел частицы обмениваются энергией, поэтому движение в горячем теле в среднем замедляется, а в холодном усиливается. Когда температуры становятся одинаковыми, направленная передача энергии прекращается: наступает тепловое равновесие.

Внутренняя энергия складывается из кинетической энергии беспорядочного движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. При повышении температуры обычно увеличивается энергия движения частиц. Кроме того, для одинаковой температуры большее тело содержит больше частиц, а разные вещества имеют разное строение и энергию взаимодействия, поэтому внутренняя энергия зависит от массы и рода вещества.

Внутренняя энергия изменяется двумя основными способами. При теплопередаче энергия переходит от одного тела к другому без перемещения тела целиком, а при совершении работы энергия изменяется из-за действия сил: например, при трении предмет нагревается, а при сжатии газа его температура может повыситься. Поэтому нагреть тело можно не только пламенем или горячей водой.

Самопроизвольная передача энергии идёт от более нагретого тела к менее нагретому, поскольку частицы горячего тела в среднем имеют большую энергию движения. При контакте происходят многочисленные столкновения, и энергия постепенно распределяется между частицами обоих тел. Обратный переход без дополнительных затрат энергии не наблюдается, поэтому горячий чай остывает в комнате, а не нагревается сам по себе.

Способы теплопередачи

Чтобы пользоваться таблицей, сначала выясните, движется ли вещество как поток. Если его общего переноса нет, проверьте, передаётся ли энергия через соприкасающиеся частицы или электромагнитными волнами. В реальных ситуациях способы теплопередачи нередко действуют одновременно, но обычно один из них преобладает.

Разбор задач

Металлическая ложка в горячем чае

Условие. Металлическую ложку оставили в горячем чае, и через некоторое время нагрелась не только её часть в жидкости, но и ручка. Нужно объяснить наблюдаемое явление. Перемещения ложки как целого не происходит.

1. Энергия от горячего чая переходит к погружённой части ложки.
2. Частицы металла передают энергию соседним частицам вдоль ложки, хотя сам металл в целом не течёт.
3. Следовательно, основной способ передачи энергии внутри ложки — теплопроводность.

Ответ. Ложка нагревается по всей длине благодаря теплопроводности. Металл хорошо проводит энергию от горячего участка к более холодному. Ручка получает энергию постепенно, поэтому сначала её температура ниже температуры чая.

Нагревание воздуха радиатором

Условие. Радиатор нагревает воздух в комнате. Нужно определить способ передачи энергии и описать движение воздушных потоков.

1. Воздух у радиатора нагревается, расширяется и становится менее плотным.
2. Более лёгкий тёплый воздух поднимается вверх, а его место занимает более холодный и плотный воздух.
3. Повторяющееся движение слоёв создаёт циркуляцию воздуха, то есть конвекцию.

Ответ. Воздух в комнате нагревается главным образом конвекцией. Тёплые потоки поднимаются от радиатора, перемещаются по комнате и остывают, после чего более холодный воздух опускается вниз.

Солнце и вода в кастрюле

Условие. Земля нагревается солнечными лучами, а вода в кастрюле — пламенем или нагревателем. Нужно сравнить способы передачи энергии в этих случаях.

1. От Солнца энергия проходит через космическое пространство, где почти нет вещества, поэтому это излучение.
2. От нагретого дна кастрюли энергия сначала передаётся прилегающим слоям воды теплопроводностью.
3. Затем тёплая вода поднимается, холодная опускается, и в основном объёме возникает конвекция.

Ответ. Земля получает энергию от Солнца излучением. В кастрюле у дна действует теплопроводность, а перенос энергии по воде происходит преимущественно конвекцией. Различие определяется тем, движется ли вещество и нужна ли материальная среда.

Типичные ошибки

Температура и внутренняя энергия — одно и то же. Ошибка возникает потому, что обе величины связаны с нагреванием. Проверьте себя: температура относится к степени нагретости, а внутренняя энергия — ко всему телу и зависит также от массы и вещества.

Теплопередача возможна только при контакте. Так считают, наблюдая теплопроводность и нагревание при соприкосновении. Вспомните излучение: солнечная энергия проходит через вакуум, поэтому непосредственный контакт не обязателен.

Теплопроводность путают с конвекцией. Причина ошибки — в обоих случаях энергия переходит от горячего места к холодному. Спросите себя, перемещается ли вещество целиком: при конвекции да, при теплопроводности нет.

Тело получает энергию только при теплопередаче. Это неверно, потому что работа сил также может изменить внутреннюю энергию. Пример проверки — нагревание ладоней при трении друг о друга.

Связь с другими темами

Для понимания тепловых явлений нужны знания о строении вещества, движении и взаимодействии молекул, механической энергии и работе. Дальше эти представления помогут изучать плавление, кипение, количество теплоты, тепловые двигатели и законы сохранения энергии. В быту они объясняют работу батарей, теплоизоляции, термоса и нагревательных приборов.

Что запомнить

• Тепловые явления связаны с движением и взаимодействием частиц вещества.
• Чем выше температура тела, тем интенсивнее в среднем движутся его частицы.
• Внутренняя энергия включает энергию движения и взаимодействия частиц.
• Внутренняя энергия изменяется при теплопередаче и при совершении работы.
• Теплота самопроизвольно передаётся от более нагретого тела к менее нагретому.
• Основные способы теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение.