Тепловые явления

Определения и обозначения

Тепловое движение — беспорядочное движение частиц вещества. Оно происходит непрерывно даже в теле, которое кажется неподвижным: перемещаются его частицы, а не тело целиком. При нагревании движение обычно становится интенсивнее. Это понятие помогает объяснить, почему вещества обладают внутренней энергией и как они нагреваются.

Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Чем интенсивнее в среднем движутся частицы, тем выше температура тела. Температура позволяет описывать, насколько тело нагрето, и предсказывать направление передачи энергии при соприкосновении тел. Но сама по себе она не показывает, сколько вещества содержится в теле.

Внутренняя энергия — энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело. Она относится к частицам внутри тела и отличается от энергии движения тела как целого: мчащийся автомобиль и стоящий автомобиль тоже могут иметь внутреннюю энергию. Понятие нужно, чтобы описывать изменения, происходящие при нагревании, охлаждении и деформации тел.

Теплопередача — изменение внутренней энергии тела без совершения механической работы. Когда горячий чайник остывает, его внутренняя энергия уменьшается, а окружающие тела получают энергию; при нагревании кастрюли происходит обратное. Это понятие помогает различать передачу энергии между телами и изменение энергии при выполнении работы.

Как это устроено

Вещества состоят из частиц, между которыми есть промежутки и действуют силы взаимодействия. Частицы не застывают на месте: они непрерывно движутся, сталкиваются и влияют друг на друга. Поэтому даже у неподвижного тела есть энергия, связанная с движением и взаимодействием его частиц, — внутренняя энергия. Скорость тела целиком не заменяет эту энергию: движение автомобиля и движение его частиц — разные вещи.

Когда тело нагревают, ему передают энергию. Частицы начинают в среднем двигаться интенсивнее, а температура тела повышается; при охлаждении частицы обычно движутся менее интенсивно и температура падает. Так связаны изменения температуры и внутренней энергии. Однако внутренняя энергия зависит также от того, сколько вещества в теле и в каком состоянии оно находится, поэтому одной температуры недостаточно для её полного сравнения.

Изменить внутреннюю энергию можно не только нагреванием или охлаждением. Например, если быстро потереть ладони, трение совершает работу, и ладони нагреваются; если сжать газ, работа над ним может увеличить его внутреннюю энергию. При теплопередаче механическая работа не является причиной изменения энергии: она приходит от другого тела или от излучения. В обоих случаях изменяется энергия частиц, но способы изменения различны.

Если соприкасаются тела с разной температурой, частицы более нагретого тела передают энергию частицам менее нагретого. Поэтому одно тело остывает, а другое нагревается. Передача продолжается, пока температуры не сравняются: наступает тепловое равновесие, и заметный обмен энергией прекращается. В обычных условиях энергия самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому.

Теплопроводность передаёт энергию от частицы к частице без перемещения вещества целиком. При конвекции энергию переносят движущиеся потоки жидкости или газа: нагретые слои перемещаются и уступают место холодным. Излучение переносит энергию электромагнитными волнами и не требует вещества-посредника, поэтому возможно в вакууме. Все три способа могут участвовать одновременно, но в каждом конкретном случае можно определить основной.

Способы теплопередачи

Чтобы определить способ, спросите себя, перемещается ли само вещество и нужна ли энергиям материальная среда. Если вещество в целом не переносится, а энергия идёт через него, это теплопроводность; движение потоков указывает на конвекцию. Передачу через вакуум объясняет излучение.

Разбор задач

Металлическая ложка в горячей воде

Металлическую ложку опустили в горячую воду, и через некоторое время нагрелась её ручка. Нужно определить, каким способом энергия дошла от погружённой части ложки до ручки. Сравним способы: ложка остаётся цельным твёрдым телом, а её части не перемещаются потоками, как жидкость.

1. Источник нагревания — горячая вода, которая передаёт энергию погружённой части ложки.
2. Металл хорошо проводит энергию от соседних частиц к частицам вдоль ложки. Сам металл при этом не течёт и не переносится от чаши к ручке.
3. Значит, энергия распространяется внутри твёрдого тела без переноса вещества. Это признак теплопроводности.

Ответ: ложка нагревается теплопроводностью: энергия проходит по металлу от горячей части к более холодной ручке.

Вода нагревается снизу

Сосуд с водой подогревают снизу. Нужно объяснить, как нагревается вода выше источника тепла и какую роль играет её движение. Здесь важно проследить не только передачу энергии между частицами, но и перемещение самих слоёв жидкости.

1. Вода у дна получает энергию и нагревается. Нагретая вода расширяется, поэтому её плотность становится меньше.
2. Более лёгкий тёплый слой поднимается, а холодная вода, которая плотнее, опускается вниз и занимает его место.
3. Возникающее движение переносит энергию по всему объёму воды. Перенос энергии потоками жидкости называется конвекцией.

Ответ: вода нагревается главным образом благодаря конвекции: тёплые слои поднимаются, холодные опускаются и тоже нагреваются.

Солнце и горячая плита

Сравните два случая: Земля получает энергию от Солнца через космическое пространство, а предмет на плите нагревается при соприкосновении с ней. Нужно назвать способ передачи энергии в каждом случае. Проверим, есть ли между источником и нагреваемым телом контакт или материальная среда.

1. Между Солнцем и Землёй находится почти пустое космическое пространство. Энергия проходит его электромагнитными волнами, а не переносится потоком вещества.
2. Это излучение поглощается Землёй и нагревает её поверхность. Для такого переноса не нужен воздух или другой материал.
3. Предмет касается горячей плиты, поэтому энергия передаётся через соприкасающиеся частицы. В этом случае основной способ — теплопроводность.

Ответ: от Солнца Земля получает энергию излучением, а предмет от плиты нагревается теплопроводностью.

Типичные ошибки

Смешивать температуру и внутреннюю энергию. Температура показывает степень нагретости, а внутренняя энергия относится к движению и взаимодействию всех частиц тела. Ошибка возникает потому, что при нагревании часто растут обе величины, но внутренняя энергия зависит ещё и от количества вещества и состояния тела. Проверка: сравнивайте одинаковые массы одного вещества в одинаковом состоянии, прежде чем связывать внутреннюю энергию только с температурой.

Считать частицы неподвижными, если тело покоится. Покой тела означает отсутствие перемещения целого предмета, а не его частиц. Их не видно невооружённым глазом, поэтому легко принять внешний покой за полное отсутствие движения. Проверка: вспомните, что тепловое движение происходит и в неподвижных телах, а с нагреванием обычно усиливается.

Путать теплопроводность с конвекцией. При теплопроводности энергия передаётся без переноса вещества, а при конвекции перемещаются сами слои жидкости или газа. Путаница появляется, потому что в обоих случаях тепло оказывается в другой части тела. Проверка: спросите, движется ли вещество потоком; если да — это конвекция, если нет — вероятна теплопроводность.

Думать, что теплопередача всегда требует контакта или воздуха. Для теплопроводности нужен путь через вещество, а излучение может распространяться в вакууме. Часто примеры из быта связаны с прикосновением или движением воздуха, поэтому кажется, что других вариантов нет. Проверка: если энергия приходит через пустое пространство, назовите излучение; именно так Солнце греет Землю.

Связь с другими темами

Для понимания тепловых явлений нужно знать, что вещества состоят из частиц и что тела могут менять свою энергию. Эти идеи пригодятся при изучении нагревания, охлаждения и переходов между твёрдым, жидким и газообразным состояниями: при таких переходах меняется состояние вещества и его внутренняя энергия. Знание способов теплопередачи помогает объяснить, как работают теплоизоляция, отопление и бытовые приборы. Например, изоляция замедляет обмен энергией, а отопление использует движение тёплого воздуха или воды.

Что запомнить

• Частицы вещества непрерывно и беспорядочно движутся.
• При нагревании тепловое движение частиц обычно становится интенсивнее.
• Внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием частиц.
• Внутренняя энергия изменяется при теплопередаче и при совершении работы.
• Энергия при теплопередаче обычно переходит от более нагретого тела к менее нагретому.
• Основные способы теплопередачи — теплопроводность, конвекция и излучение.