ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Определения и обозначения

Тепловое явление — изменение состояния или свойств тел, связанное с нагреванием, охлаждением либо передачей энергии. Например, вода может нагреться, лёд — расплавиться, а воздух — расшириться. Это понятие помогает объединить разные процессы, вызванные изменением энергии тела.

Тепловое движение — непрерывное хаотическое движение частиц, из которых состоят тела. Частицы движутся во всех направлениях и сталкиваются друг с другом. Представление о таком движении нужно, чтобы объяснить нагревание, охлаждение и распространение энергии.

Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела и связанная со средней энергией движения его частиц. Чем быстрее частицы движутся в среднем, тем выше температура. По температуре можно сравнивать нагретость тел и определять направление теплопередачи.

Внутренняя энергия — энергия движения частиц тела и их взаимодействия друг с другом. Она есть у любого тела, даже если оно покоится как целое. Это понятие позволяет описывать запас энергии внутри вещества и его изменение при нагревании или работе.

Как это устроено

Все тела состоят из частиц: молекул, атомов или других более мелких частиц. Они не стоят неподвижно, а постоянно и беспорядочно движутся, сталкиваясь между собой и взаимодействуя. При повышении температуры средняя скорость движения частиц увеличивается, потому что телу передаётся энергия.

Изменение скорости частиц меняет их энергию движения, а изменение расстояний между частицами — энергию взаимодействия. Поэтому внутренняя энергия может возрастать при ускорении движения, расширении тела или изменении его состояния. При охлаждении энергия движения обычно уменьшается, а взаимодействие частиц может измениться из-за сближения или перестройки их расположения.

Если соприкоснулись тела с разной температурой, частицы более горячего тела передают энергию частицам холодного тела при столкновениях. Поэтому горячее тело обычно охлаждается, а холодное нагревается. Передача продолжается до теплового равновесия, когда температуры тел становятся одинаковыми, хотя движение частиц не прекращается.

Энергия передаётся тремя основными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением. При теплопроводности вещество в целом не перемещается, при конвекции движутся сами слои жидкости или газа, а излучение переносит энергию электромагнитными волнами. Кроме теплопередачи, внутренняя энергия меняется при совершении работы: например, при трении тело нагревается, а при сжатии газа его температура может повыситься.

Способы передачи энергии при тепловых явлениях

Чтобы выбрать способ передачи энергии, сначала определите, перемещается ли вещество. Если движутся слои жидкости или газа, это конвекция; если энергия проходит через тело без общего переноса вещества, это теплопроводность.

Излучение узнают по возможности передачи энергии без непосредственного контакта и даже без вещества между телами. В реальных ситуациях способы теплопередачи могут происходить одновременно, но один из них обычно преобладает.

Разбор задач

Ложка нагрелась в горячем чае. Какой способ передачи энергии от чая к ложке преобладает?

Чай и ложка соприкасаются, поэтому энергия может переходить через границу контакта. Ложка является твёрдым телом, в котором вещество не перемещается потоком. Нужно выбрать способ, соответствующий передаче энергии без переноса вещества.

1. Определяем, что тела находятся в непосредственном контакте.
2. Учитываем, что в ложке нет движения слоёв жидкости или газа.
3. Называем передачу энергии от более горячего чая к холодной ложке.

Преобладает теплопроводность. Энергия передаётся от частиц чая частицам металла в месте соприкосновения, а затем распространяется по ложке.

Почему воздух у отопительного прибора нагревается и поднимается вверх?

Воздух рядом с прибором получает энергию и нагревается. При нагревании он расширяется, поэтому его плотность уменьшается. Под действием выталкивания менее плотный воздух поднимается, а холодный и более плотный опускается.

1. Нагретый воздух расширяется и становится менее плотным.
2. Менее плотный слой перемещается вверх.
3. Его место занимает более холодный воздух, который снова нагревается.

Такое перемещение слоёв воздуха называется конвекцией. Энергия переносится вместе с движущимся воздухом, поэтому помещение постепенно прогревается.

В сосуд налили горячую и холодную воду. Как изменяются их температуры и в каком направлении передаётся энергия?

Горячая вода имеет большую температуру, чем холодная, поэтому их частицы взаимодействуют с разной средней энергией. При контакте энергия переходит от горячей воды к холодной. Температуры постепенно сближаются, пока не установится тепловое равновесие.

1. Сравниваем температуры и называем более нагретую воду источником энергии.
2. Указываем направление передачи: от горячей воды к холодной.
3. Отделяем теплопередачу от движения воды: энергия может идти в одном направлении, а слои воды перемещаться иначе.

Горячая вода остывает, а холодная нагревается. В равновесии их температуры становятся одинаковыми, если внешняя среда не отводит и не подводит энергию.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что частицы при нагревании обязательно увеличиваются в размерах. Так думают, потому что тело действительно может расшириться. Проверка: вспомните, что обычно меняются скорость движения частиц и расстояния между ними, а не размер самих частиц.

Ошибка: отождествлять температуру и внутреннюю энергию. Причина — обе величины связаны с движением частиц. Проверяйте себя вопросом о массе: одинаковая температура не означает одинаковую внутреннюю энергию у тел разного количества вещества.

Ошибка: считать, что тепло само передаётся от холодного тела к горячему. Такая мысль появляется, если путать направление движения вещества с направлением передачи энергии. Самопроизвольная теплопередача идёт от более нагретого тела к менее нагретому.

Ошибка: называть конвекцией любую передачу энергии. Конвекция обязательно связана с перемещением слоёв жидкости или газа. Если вещество в целом не перемещается, ищите теплопроводность или излучение.

Связь с другими темами

До изучения тепловых явлений нужно знать, что тела состоят из частиц и что частицы находятся в непрерывном движении. Эти представления объясняют, почему вещества нагреваются, расширяются и обмениваются энергией.

Тема понадобится при изучении количества теплоты и удельной теплоёмкости. Она также помогает понять процессы плавления, парообразования и конденсации, при которых меняются состояние вещества и его внутренняя энергия.

Знание способов передачи энергии нужно для объяснения работы двигателей, холодильников, отопительных приборов и других тепловых устройств. С их помощью можно понять, как энергия движется и превращается в полезную работу.

Что запомнить

• Тепловые явления связаны с изменением состояния тел и передачей энергии.
• Частицы вещества непрерывно и хаотично движутся.
• Температура связана со средней энергией движения частиц.
• Внутренняя энергия включает энергию движения и взаимодействия частиц.
• Энергия самопроизвольно передаётся от более нагретого тела к менее нагретому.
• Основные способы теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение.