Каким образом движение молекул любого тела связано с температурой: 500 Internal Server Error

Содержание

каким образом движения молекул любого тела связано с температурой

какие частицы имеют электрический заряд 1) атом 2) ядро атома 3) протон 4) нейтрон 5) электрон 6 ) ион а) 1,2,3,4,5 б)2,3,5 с)2,3,5,6 д) нету правильн

ого варипнта пж пж чтобы ыбл праивлтный овтет ​

Используя ключевые слова, завершите текст:Ключевые слова: 1 — Планетарная модель; 2 — Ион; 3 — Атом; 4 — Атомное ядро; 5 — Протон; 6 — Нейтрон; 7 — Э

лектрон______________ — это система, состоящая из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Это система, предложенная Резерфордом, напоминает солнечную систему и поэтому называется _________________. ______________ состоит из протонов и нейтронов. _________________ заряжена положительно, а __________________ отрицательно. _________________ — частица, не имеющая электрического заряда. Атом, отдающий или получающий электроны называется _________________.​

в каком есть элетричемкий заряд 1) атом 2) ядро атома 3) протон 4) нейтрон 5) электрон 6) ион а) 1,3,5 б)2,3,5 с)4,6 пожалуйста срочно нужно двм 100

баллов пжп ж​

Постройте изображение данного предмета в линзе .Какое это изображение?

Початковий імпульс тіла 200 кг м\с. Чому дорівнює кінечнй його імпульс в момент
часу, коли зміна імпульсу досягла значення 20 кг м\с?

Тіло кинули вертикально вверх. Як зміниться імпульс тіла після 1 секунди польоту,
якщо його маса 2кг?

Взаємодія тіл під час якої не змінюється повна кінетична енергія системи тіл
називається …

По трубі з поліетилену тече електропровідна рідина. Труба розміщена в магнітному полі з індукцією 0,010 Тл. Відстань між електродами А і В дорівнює 50

мм, а напруга між ними 0,25 мВ. Яка швидкість потоку рідини?

По трубі з поліетилену тече електропровідна рідина. Труба розміщена в магнітному полі з індукцією 0,010 Тл. Відстань між електродами А і В дорівнює 50

мм, а напруга між ними 0,25 мВ. Яка швидкість потоку рідини?

Помогите❤Ответ обоснуйте, почему «да» или почему «нет».

ТЗ-1. Внутренняя энергия

1. Скорость движения молекул любого тела связана с его температурой. Можно ли считать тепловым движение какой-либо одной молекулы тела?

Тепловое движение — процесс хаотичного движения частиц, образующих вещество, значит движение молекул можно считать тепловым.

2. а) Изменяется ли внутренняя энергия при деформации тела? при изменении температуры тела? при подъеме тела над землей?
б) При деформации тела изменилось только взаимное расположение молекул. Изменилась ли при этом температура тела?

а) при деформации тела — да; при изменении температуры — да; при подъеме тела — нет; б) температура тела изменится, так как происходит взаимодействие между молекулами.

3. а) Одинакова ли внутренняя энергия одной и той же массы холодной и горячей воды? Почему?
б) Вода и водяной пар, имея равную температуру, например 100 °С, отличаются расположением молекул. Одинакова ли внутренняя энергия пара и воды? Почему?

а) нет, внутренняя энергия горячей воды больше, так как температура выше, соответственно молекулы движутся быстрее и чаще взаимодействуют;
б) внутренняя энергия воды больше, так как молекулы расположены ближе друг к другу и, соответственно, чаще взаимодействуют.

4. В одинаковых сосудах находится газ равной массы, но раз-ной температуры (рис. 1). В каком из сосудов газ обладает большей внутренней энергией? Какая часть внутренней энергии — энергия движения частиц или энергия их взаимодействия — играет главную роль при сравнении?

В сосуде 2 газ обладает большей внутренней энергией, так как температура в нем в 2 раза выше. Главную роль при сравнении в данном случае играет энергия движения частиц.

5. Увеличивается ли внутренняя энергия тел в следующих случаях:
а) при трении корпуса движущегося самолета о воздух;
б) при обработке заготовки на токарном станке;
в) при соприкосновении холодного воздуха с нагретым предметом?

Внутренняя энергия тел увеличивается в случае а) и б), так как в обоих случаях над телом совершается работа. В случае в) внутренняя энергия предмета не увеличивается.

6. В двух одинаковых сосудах при одной и той же температуре заключены равные массы газа (рис. 2). В каком из сосудов газ обладает большей внутренней энергией? Почему?

В сосуде I газ обладает большей внутренней энергией, так как молекулы расположены ближе друг к другу, следовательно, взаимодействие между ними происходит чаще.

7. а) Если в сугроб вылить в одном месте ведро теплой воды, а в другом — стакан кипятку, то в каком случае растает больше снега и почему?
б) Из баллона откачивают воздух. Как будет меняться при этом внутренняя энергия оставшейся в баллоне части воздуха? Почему?

а) там, где вылили 1 ведро, так как площадь взаимодействия со снегом больше,
б) внутренняя энергия оставшейся в баллоне части воздуха будет уменьшаться, так как уменьшается взаимодействие молекул.

8. Почему иногда крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает, а иногда — нет?

При кипении часть воды переходит в пар и собирается в верхней части чайника, давление пара увеличивается, и крышка чайника подпрыгивает. Если же вода в чайнике налита так, что отверстие носика незакрыто, то пар выходит через носик чайника и крышка не прыгает.

9. Как можно отогреть озябшие руки, не используя нагретых предметов или теплых перчаток?

Трением ладошек друг о друга, так как в результате этого внутренняя энергия ладошек увеличивается

10. Почему после сильного шторма вода в море становится теплее?

После сильного шторма вода в море становится теплее, т.к. во время шторма происходило трение между слоями воды, увеличивалась их внутренняя энергия, и, соответственно, температура.

11. Для резки стали используют фрикционную пилу (диск без зубьев). Вращаясь с большой скоростью, такой диск режет металл. Объясните этот процесс.

При вращении с большой скоростью между диском и металлом возникает большая сила трения, увеличивается внутренняя энергия, и, соответственно, температура, поэтому в месте соприкосновения с диском металл плавится и таким образом разрезается.

12. Почему при вхождении в плотные слои атмосферы большинство метеоритов сгорает?

Скорость метеоритов, входящих в плотные слои атмосферы, настолько велика, что при трении о слои атмосферы метеориты нагреваются так сильно, что начинают оплавляться, гореть и испаряться

13. Объясните, почему происходит изменение внутренней энергии: а) при нагревании воды в кастрюле; б) при сжатии и расширении воздуха; в) при таянии льда; г) при сжатии и растяжении резины.

а) за счет теплопередачи; б) при сжатии внутренняя энергия увеличивается за счет совершения работы над системой; при расширении работу совершает сама система — внутренняя энергия уменьшается; в) при таянии льда внутренняя энергия увеличивается за счет излучения или теплопроводности; г) при сжатии или растяжении резины внутренняя энергия увеличивается за счет совершения работы над телом.

14. В каком месте водопада температура воды выше?

Температура воды выше в нижней части водопада. Так как по закону сохранения энергии потенциальная энергия падающей воды преобразуется в кинетическую и внутреннюю, соответственно внутренняя энергия увеличивается, значит увеличивается и температура воды.

15. а) Почему выскакивают искры при ударе кремня о сталь? б) Почему от вращающегося точильного камня летят искры, если прижать к нему кусок стали?

а) При ударе кремня о сталь выскакивают искры, т.к. между ними возникает сила трения, температура увеличивается, разогретые мелкие частички кремния разлетаются, образуя искры,
б) Если прижать к вращающемуся точильному камню кусок стали, то между ними возникнет большая сила трения, температура увеличится, и разогретые мелкие частицы стали разлетаются, образуя искры.

 

Что называется испарением? Виды, свойство, особенности

Из этой таблицы видно, что молекулы в жидкостях находятся близко друг другу, но хаотично, то есть не имеют кристаллической решетки, как в твердых телах. Эти молекулы движутся (причем, чем выше температура, тем быстрее движутся) и в ходе движения сталкиваются. Столкновения меняют направление и скорость движения — из-за этого молекулы иногда быстро устремляются к поверхности жидкости и вылетают из нее. Это и есть испарение.

В предыдущем абзаце мы не случайно заметили, что молекулы движутся быстрее при увеличении температуры — ведь из-за этого испарение идет интенсивнее. В этом случае происходит охлаждение: нагретую жидкость уже покинули все самые быстрые молекулы и температура самой жидкости понижается.

Почему если облить человека теплой водой — ему становится холоднее?

Как раз из-за того, что нагретую жидкость быстро покидают быстрые молекулы, и температура жидкости снижается.

Интенсивность испарения

Интенсивностью испарения называют количество воды, которое испаряется с поверхности площадью 1 см2 за одну секунду.

Интенсивность испарения зависит от следующих факторов:

  • Температура поверхности. Чем выше температура, тем больше испарение. После дождя в Санкт-Петербурге улицы долгое время остаются влажными, а вот в Таиланде даже в сезон дождей все высыхает быстро — из-за высокой температуры. Но это только если в сезон дождей дождь умудрился прекратиться 🙂
  • Ветер. Чем больше скорость ветра, тем больше испарение. Фен для волос работает на этом принципе — по сути, он создает портативный ветер, который помогает высушить ваши волосы.
  • Дефицит влажности. Интенсивность испарения будет выше там, где больше дефицит влажности. Вряд ли многие из нас были Сахаре, но что это такое представляют все. В любой пустыне колоссально низкая влажность — из-за этого испарение идет интенсивнее.
  • Давление. Чем больше давление, тем меньше испарение. Мы уже выяснили, что не смотря на разницу между кипением и испарением, эти два процесса между собой связаны. Таким образом, температура кипения воды на вершине Эвереста равна 69 градусам Цельсия. В то время, как в нашей повседневной жизни она равна 100. Это возвращает нас к первому фактору — температуре.

Кажется, правильнее говорить «скорость испарения» вместо интенсивности? Или нет? 🤔

Скорость испарения — количество жидкости, которая испаряется со свободной поверхности в единицу времени.

Интенсивность испарения — количество жидкости, которая испаряется с единицы площади поверхности в единицу времени.

По сути, это два очень близких друг к другу понятия, поэтому разница будет лишь в величинах и единицах измерения, а суть процесса отражают обе формулировки.

Насыщенный пар

Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Вода, испаряясь, превращается в водяной пар и поднимается вверх, где происходит конденсация пара, образуются облака, и вода возвращается на землю в виде осадков.

Вследствие конденсации водяного пара, который живет в воздухе, образуются облака и туман. По этой же причине холодное стекло запотевает, соприкасаясь с теплым воздухом.

На рисунке — процессы испарения и конденсации в плотно закрытом сосуде, когда жидкость и пар находятся в динамическом равновесии. Это значит, что одновременно конденсируется и испаряется одинаковое количество вещества.

Влажность воздуха говорит нам о том, сколько в воздухе содержится водяного пара. Но бесконечное количество пара в воздух не запихнешь. Поэтому, во-первых, его там очень мало, а во-вторых, при избыточном количестве водяного пара происходит конденсация — это когда образуется роса.

Допустим, зимой при температуре -20 градусов в 1 литре воздуха содержится 1 миллиграмм пара. Относительная влажность в таком случае равна 100% — испарения не будет, больше пара в этот воздух уже не запихнешь.

Но если мы тот же воздух поместим в помещение с температурой +20 градусов, то в него может испариться уже до 17 миллиграмм пара. Значит его влажность будет равна 1/17 = 6%. Человеку комфортнее всего находиться при значении влажности 40-50%.

Испарение в жизни

И действительно: чего в этой жизни только не испаряется — мы встречаемся с этим каждый день. Давайте узнаем, зачем этот процесс вообще нужен, и как люди научились извлекать из него пользу.

Испарение в организме человека и животных

Выше мы разбирали вопрос, почему если облиться теплой водой, нам все равно станет холодно. По этому же принципу работает ощущение холода после того, как мы вспотели — в какой-то момент нам становится холодно.

Само потоотделение — важный процесс терморегуляции организма. Если мы достигаем высокой температуры (из-за внешних воздействий или же из-за болезни), то организм стремится себя охладить, чтобы не умереть из-за превращения белков в нашем организме в яичницу.

Пот выделяется через поры кожи, а затем испаряется — все это позволяет нашему организму быстро избавиться от лишней энергии, охладить тело и нормализовать температуру.

При высокой влажности холод и тепло воспринимаются более чувствительно. Это связано с потливостью человека при высокой температуре. Такой механизм помогает нам бороться с жарой и «скинуть» избыточное тепло, но при высокой влажности пот не может испариться.

При низкой влажности происходит нечто похожее. Как ни странно, в мороз мы тоже потеем (намного меньше, но все-таки это происходит). Если влажность на улице низкая, то пот испарится из-под куртки и нам будет комфортно. А при высокой влажности — он там задержится и будет проводить тепло наружу, забирая у нас драгоценные Джоули тепла. Поэтому зимой в Петербурге холоднее, чем в Москве.

У животных этот механизм работает схожим образом. Но, например, собакам испарения с кожи недостаточно, поэтому они часто открывают пасть, высовывают язык и дышат порой ну очень смешно 🐶

Именно гортань и язык собаки идеально подходят для испарения влаги и охлаждения тела животного.

Испарение у растений

Удивительно, но у растений механизм испарения тоже работает схожим образом. Растения очень любят воду, поэтому домашние растения мы поливаем, а в пустынях их просто нет.

Ту воду, которую цветы поглотили, они могут испарять, чтобы не перегреться под жарким солнцем. Да, вода нужна, чтобы растения питались, но в жаркие дни еще и для температурной саморегуляции. Поэтому не забывайте поливать цветы, а в очень жаркие дни делайте это еще интенсивнее.

Испарение в природе и окружающей среде

Процесс испарения напрямую связан с круговоротом воды в природе. Именно круговоротом воды в природе обеспечивается жизнь на Земле — так как влага разносится по всему миру, растения в дикой природе способны жить без наших попыток полить большую пальму из леечки.

Испарение воды с поверхности рек, озер, морей и океанов создает дождевые тучи, которые затем, проливаясь дождем, поливают растения и деревья. Многие дождь не любят, мол, он мокрый, мерзкий и затекает в ботинки, но он очень нужен засушливым регионам — Северной Африке или Центральной Индии, которые часто страдают от засухи.

Испарение в промышленности и быту

С бытом совсем все просто: мы сушим вещи, готовим еду, покупаем увлажнители воздуха или размазываем разлитую лужу по полу.

В случае с промышленностью для нас все не так очевидно. Промышленная техника, работающая на основе испарения, разрабатывается по схожей схеме: в ней всегда максимально увеличена площадь поверхности жидкости, чтобы испарение шло интенсивно.

Например, испаритель, изображенный на схеме, состоит из совокупности соединенных между собой испарителей. В основе его действия — пар, полученный в одной ступени, который используют в качестве источника тепла для следующей ступени. По мере того, как температура уменьшается от одной ступени к другой, вакуум увеличивается, так что температура кипения становится ниже и испарение поддерживается. Он предназначен для того, чтобы очистить воду от отходов.

Понимать и любить этот мир проще, когда разбираешься в физике. В этом помогут небезразличные и компетентные преподаватели детской школы Skysmart.

Чтобы формулы и задачки ожили и стали более дружелюбными, на уроках мы разбираем примеры из обычной жизни современных подростков, Приходите на бесплатный вводный урок по физике и начните учиться в удовольствие уже завтра!

МБОУ «Лицей №55» Потапова И.А. 6ая городская научно-практическая конференция исследовательских работ младших школьников «Влияние температуры на скорость диффузии»

Городская конференция исследовательских работ и творческих проектов младших классов
«Я исследую мир»

 

 

 

 

 

 

 

 

«Влияние температуры на диффузию»

 

 

 

 

 

 

Работу выполнил: Казанцев Константин
Ученик 3 «А» класса МБОУ «Лицей № 55»
Научный руководитель: Потапова Ирина Анатольевна,

Учитель начальных классов

 

 

Пенза 2014

 

Содержание

 

Введение    

1.Понятие диффузии 
2. Диффузия в газах и жидкостях

3. Влияние температуры вещества на диффузию

4. Явление диффузии в природе и ее применении в технике

Заключение

Используемая литература

Введение

В своей жизни человек часто сталкивается с различными физическими явлениями. И часто даже не задумывается об этом. Одному из таких явлений, а именно диффузии, посвящен эта работа.

Говоря научным языком, диффузия – это распространение молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого.

В повседневной жизни мы сталкиваемся с этим явлением, когда завариваем чай, солим пищу или используем освежитель воздуха. Даже в поговорке это явление нашло свое отражение. В физическом смысле поговорка «Ложка дегтя в бочке меда», говорит о том, что деготь – это смолистое жидкое вещество, которое проникает в другое жидкое вещество – мед и придает ему неприятный вкус. Явление диффузии используется везде – в кулинарии, в медицине, в технике, поэтому очень важно представлять закономнрности этого явления.

Цель работы: исследовать такое физическое явление, как диффузия.

Задачи работы:

— изучить физические основы  диффузии;

— провести опыт, доказывающий влияние температуры на диффузию;

— описать роль диффузии в жизни человека.

Гипотеза: температура влияет на скорость протекания диффузии.

1.      Понятие диффузии.

В  соответствии  с  современными  представлениями,  атомы  и  молекулы,  из  которых  состоит  вещество,  находятся  в  беспрерывном  хаотическом движении.  Такое движение называется тепловым.

Тепловое  движение  невозможно  увидеть  невооруженным  глазом,  ведь размеры молекул  очень малы.

Однако существует много физических явлений,  объяснить которые можно только опираясь на тот факт,  что молекулы постоянно двигаются.

Бесспорным  доказательством  движения  молекул  служит  физическое явление,  которое называется диффузия (от лат.  diffusio —  распространение,  растекание). Диффузией  называют  взаимное  проникновение  соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее в результате теплового  (хаотического)  движения молекул  (атомов).

Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия.Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах.

Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред (рис.1а). Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами.

Граница между веществами расплывается (рис.1б). Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит в конце концов к тому, что вещество становится однородным (рис.1в).

 

2.                  Диффузия в газах и жидкостях

Всем хорошо известно, что если в комнату внести какое-либо пахучее вещество, например духи или нафталин, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекуле духов (или нафталина) движутся.

Возникает вопрос, почему же запах в комнате распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время.

Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Молекулы духов (или нафталина) на своем пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Они постоянно меняют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате. Это  значит,  что молекулы ароматного вещества,  двигаясь,  попадают  в  промежутки  между  молекулами  воздуха,  которым  заполнена  комната,  т.  е.  наблюдается диффузия.  Именно  в результате диффузии  в  газах мы ощущаем  запахи: запах вкусной еды  из  столовой  или  запах  прогретой летним солнцем травы.

Диффузию можно наблюдать и в жидкостях. Но в жидких веществах подобные процессы протекают значительно медленнее.Взаимопроникновение двух разнородных жидкостей друг в друга, растворение твердых веществ в жидкостях (например, сахара в воде) и образование однородных растворов – примеры диффузионных процессов в жидкостях. Многочисленные опыты  свидетельствуют,  что диффузия в жидкостях протекает  значительно медленнее,  чем  в  газах. 

 Еще  медленнее  происходит диффузия в твердых телах. Это происходит из-за особенностей расположения молекул газов, жидкостей и твердых  тел.

 

3.                  Влияние температуры вещества на диффузию

Довольно  сложные  эксперименты  показывают,  что  при любой  температуре  в  веществе  есть молекулы,  двигающиеся  довольно  медленно, и молекулы,  скорость которых высока. Если  количество молекул вещества,  имеющих высокую скорость,  увеличивается,  т.  е.  увеличивается средняя скорость молекул, то это значит,  что температура вещества также увеличивается.

Обратимся к опыту, коорый проводил каждый из нас. В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом – горячая. Опустим одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, диффузия протекает быстрее. Чем горячее вода, тем быстрее она приобретет характерный цвет и запах. Это наглядное подтверждение того, что температура влияет на диффузию. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.

В случае повышения  температуры скорость диффузии в  газах  также увеличивается.

Зависимость  скорости  диффузии  от  температуры  особенно  заметна  для  твердых  тел. Так, английский металлург Вильям Роберт Остин провел следующий опыт. Он наплавил тонкий  диск  золота  на  свинцовый  цилиндр  и  на несколько дней поместил  этот цилиндр в печь,  где поддерживалась температура около  400°С.  Оказалось,  что  золото  продиффундировало через весь цилиндр ; тем временем при комнатной температуре диффузия в металлах практически  не наблюдалась.

Для наблюдения за процессом диффузии можно использовать прозрачную емкость с водой и краситель. Если капнуть в воду жидкий краситель, цветные капли будут постепенно расплываться в воде. А через несколько часов раствор приобретет однородный цвет.

Для изучения диффузии и влияния температуры на нее был проведен следующий опыт.

1.                  В колбу налили чистую воду.

2.                  В стакане с теплой водой растворили желый краситель.

3.                  С помощью пипетки в колбу медленно капнули несколько капель желтого цвета.

В результате диффузии вода и краситель смешались и раствор в колбе стал желтым

4.                  В стакане с холодной водой растворили синий краситель, а в колбу с желтым раствором добавили лед.

5.                  С помощью пипетки капнули в колбу воду синего цвета.

При смешивании желтого и синего цветов, вода окрасилась в зеленый. Что наглядно показывает нам действие диффузии на практике. При этом окрашивание воды в желтый цвет с помощью теплого раствора происходило быстрее, чем смешивание желтого и синего растворов.

Для наблюдения за процессом диффузии в твердом веществе был использован кусечек сахара и жидкий криситель. На поверхность кусочка сахара капнули красителем. Сначала окрасилось только то место, куда попала капля. Но постепенно краситель проник в вещество, и окрашенной оказалась значительная часть сахара.

Таким образом, мы выяснили, что чем выше температура вещества,  тем быстрее происходит диффузия,  т.  к.  молекулы  быстрее двигаются.

 

4.                  Явление диффузии в природе и ее применении в технике

Явление диффузии широко используется и на практике. В повседневной жизни – заварка чая, консервирование овощей, изготовление варений. Явление диффузии очень распространено в  природе.  Благодаря  диффузии  углекислый газ  попадает  в  листву  растений;  питательные вещества впитываются в кишечнике;  кислород из легких попадает в кровь, а из крови — в ткани и т.  д.Большую роль играют диффузные процессы в снабжении природных водоёмов и аквариумов кислородом. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность. Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели ее обитателей. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума.

Диффузию  широко  применяют  в  технике. На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов. Метод диффузионной сварки позволяет соединять между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильно разряженным воздухом, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов. Диффузионная сварка применяется в основном в электронной и полупроводниковой промышленности, точном машиностроении.

Для извлечения растворимых веществ из твердого измельченного материала применяют диффузионный аппарат. Такие аппараты распространены, главным образом, в свеклосахарном производстве, где их используют для получения сахарного сока из свекловичной стружки, нагреваемой вместе с водой.

На явлении диффузии основан процесс металлизации – покрытия поверхности изделия слоем металла или сплава для сообщения ей физических, химических и механических свойств, отличных от свойств металлизируемого материала. Применяется для защиты изделий от коррозии, износа, повышения контактной электрической проводимости, в декоративных целя. Для повышения твердости и жаростойкости стальных деталей применяют цементацию. Она заключается в том, что стальные детали помещают в ящик с графитовым порошком, который устанавливают в термической печи. Атомы углерода вследствие диффузии проникают в поверхностный слой деталей. Глубина проникновения зависит от температуры и времени выдержки деталей в термической печи.

К сожалению, необходимо отметить и вредные проявления этого явления. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, вредные вещества. В настоящее время общее количество выбросов газов в атмосферу превышает 40 миллиардов тонн в год. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн.

Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают. Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых электростанций устанавливают специальные фильтры, но установка их стоит очень дорого. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.

Таким образом, значение диффузии в неживой природе очень велико, а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в природе.

Заключение

Изучив явление диффузии, можно сделать вывод, что диффузия – фундаментальное явление природы. Его проявления имеют место на всех уровнях организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц, атомов и молекул, и заканчивая геосферой. Оно широко используется в технике, в повседневной жизни. А так же проявляется во многих природных явлениях.

Исследование диффузии помогает лучше понять явления, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Распространение запахов – наглядный пример диффузии в газах. А заваривание чая, приготовление рассола для овощей пример диффузии в жидкостях.

В результате проведенных экспериментов наглядно видно, что чем выше температура раствора, тем быстрее происходит диффузия.

Все это помогает лучше разобраться в окружающих нас физических процессах и их практическом применении.

 

Использованная литература

  1. Гершберг  А.Е. Физика в доме. – М.::Космосинформ, 2003.
  2. Пёрышкин А.В. Физика 7 класс. – М.: Дрофа, 2010.
  3. Перельман Я.И. Физика на каждом шагу. – М: АСТ, 2013

 

Вложение Размер
kazancev3a.pptx 1.62 МБ

8 класс — Физика

Как вы думаете, от чего зависит скорость растворения сахара в воде? Можете провести простой эксперимент. Возьмите два куска сахара и киньте один в стакан с кипятком, другой – в стакан с холодной водой.

Вы увидите, как сахар в кипятке растворится в несколько раз быстрее, чем в холодной воде. Причиной растворения является диффузия. Значит, диффузия происходит быстрее при более высокой температуре. А причина диффузии – это движение молекул. Следовательно, мы делаем вывод, что молекулы при более высокой температуре движутся быстрее. То есть, скорость их движения зависит от температуры. Именно поэтому беспорядочное хаотическое движение молекул, из которых состоят тела, называют тепловым движением.

При повышении температуры усиливается тепловое движение молекул, меняются свойства вещества. Твердое тело тает, превращаясь в жидкость, жидкость испаряется, переходя в газообразное состояние. Соответственно, если температуру понижать, то будет уменьшаться и средняя энергия теплового движения молекул, а соответственно, процессы изменения агрегатного состояния тел будут происходить в обратном направлении: вода будет конденсироваться в жидкость, жидкость будет замерзать, переходя в твердое состояние. При этом, мы всегда говорим о средних значениях температуры и скорости молекул, так как всегда присутствуют частицы с большими и меньшими значениями этих величин.

Молекулы в веществах движутся, проходя определенное расстояние, следовательно, совершают некую работу. То есть, мы можем говорить о кинетической энергии частиц. Вследствие их взаимного расположения существует также и потенциальная энергия молекул. Когда идет речь о кинетической и потенциальной энергии тел, то мы говорим о существовании полной механической энергии тел. Если кинетической и потенциальной энергией обладают частицы тела, следовательно, можно говорить о сумме этих энергии, как о самостоятельной величине.

Рассмотрим пример. Если мы кидаем упругий мячик об пол, то кинетическая энергия его движения полностью переходит в потенциальную в момент касания пола, а потом вновь переходит в кинетическую, когда он отскакивает. Если же мы бросим тяжелый железный мячик на твердую неупругую поверхность, то мячик приземлится, не отскакивая. Его кинетическая и потенциальная энергии после приземления будут равны нулю. Куда же подевалась энергия? Она просто исчезла? Если мы изучим шарик и поверхность после столкновения, то увидим, что шарик немного сплющился, на поверхности осталась вмятина, и оба они слегка нагрелись. То есть произошло изменение в расположении молекул тел, а также увеличилась температура. Это означает, что изменились кинетическая и потенциальная энергия частиц тела. Энергия тела никуда не пропала, она перешла во внутреннюю энергию тела. Внутренней энергией называют кинетическую и потенциальную энергию всех частиц тела. Столкновение тел вызвало изменение внутренней энергии, она увеличилась, а механическая энергия уменьшилась. В этом и состоит закон сохранения энергии. Энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда. Она только переходит из одного состояния в другое.

Как изменить механическую энергию тела? Да очень просто. Поменять его местоположение или придать ему ускорение. Например, пнуть мячик или поднять его над землей повыше.

В первом случае мы изменим его кинетическую энергию, во втором потенциальную. А как обстоит дело с внутренней энергией? Каким способом изменить внутреннюю энергию тела? Для начала разберемся, что же это такое. Внутренняя энергия – это кинетическая и потенциальная энергия всех частиц, из которых состоит тело. В частности, кинетическая энергия частиц – это энергия их движения. А скорость их движения, как известно, зависит от температуры. То есть, логичный вывод – повышая температуру тела, мы повысим его внутреннюю энергию. Самый простой способ повысить температуру тела – это теплообмен. При контакте тел с разной температурой более холодное тело нагревается за счет более теплого. Более теплое тело в этом случае охлаждается.

Простой ежедневный пример: холодная ложка в чашке с горячим чаем очень быстро нагревается, а чай при этом чуть-чуть остывает.  Повышение температуры тела возможно и другими способами. Как мы все поступаем, когда у нас на улице замерзают лицо или руки? Мы трем их. При трении предметы нагреваются. Также предметы нагреваются при ударах, давлении, то есть, иными словами, при взаимодействии. Всем известно, как добывали огонь в древности – либо терли деревяшки друг о друга, либо стукали кремнием по другому камню. Также и в наше время в кремниевых зажигалках используется трение металлического стержня о кремень. 

До сих пор речь шла о изменении внутренней энергии путем изменения кинетической энергии составляющих его частиц. А как насчет потенциальной энергии этих же самых частиц? Как известно, потенциальная энергия частиц – это энергия их взаиморасположения. Таким образом, для изменения потенциальной энергии частиц тела, нам надо тело деформировать: сжать, скрутить и так далее, то есть, изменить расположение частиц друг относительно друга. Это достигается путем воздействия на тело. Мы меняем скорость отдельных частей тела, то есть совершаем над ним работу.

Таким образом, все случаи воздействия на тело с целью изменения его внутренней энергии достигаются двумя способами. Либо путем передачи ему тепла, то есть теплопередачей, либо путем изменения скорости его частиц, то есть совершением над телом работы.

Примеры изменения внутренней энергии – это практически все происходящие в мире процессы. Не меняется внутренняя энергия частиц в случае, когда с телом абсолютно ничего не происходит, что согласитесь, крайняя редкость — закон сохранения энергии действует. Вокруг нас все время что-то происходит. Даже с предметами, с которыми на первый взгляд ничего не происходит, на самом деле происходят различные незаметные нам изменения: незначительные изменения температуры, небольшие деформации и так далее. Стул прогибается под нашей тяжестью, у книги на полке чуть-чуть изменяется температуру от каждого движения воздуха, не говоря уже про сквозняки. Ну а что касается живых тел – тут понятно без слов, что в них внутри все время что-то происходит, и внутренняя энергия меняется практически в каждый момент времени.

 

Что быстрее нагреется на плите – чайник или ведро воды? Ответ очевиден – чайник. Тогда второй вопрос – почему?

Ответ не менее очевиден – потому что масса воды в чайнике меньше. Отлично. А теперь вы можете проделать самостоятельно самый настоящий физический опыт в домашних условиях. Для этого вам понадобится две одинаковые небольшие кастрюльки, равное количество воды и растительного масла, например, по пол-литра и плита. На одинаковый огонь ставите кастрюльки с маслом и водой. А теперь просто наблюдайте, что быстрее будет нагреваться. Если есть градусник для жидкостей, можно применить его, если нет, можно просто пробовать температуру время от времени пальцем, только осторожно, чтобы не обжечься. В любом случае вы вскоре убедитесь, что масло нагревается значительно быстрее воды. И еще один вопросик, который тоже можно реализовать в виде опыта. Что быстрее закипит – теплая вода или холодная? Все снова очевидно – теплая будет на финише первой. К чему все эти странные вопросы и опыты? К тому, чтобы определить физическую величину, называемую «количеством теплоты».

Количество теплоты

Количество теплоты – это энергия, которую тело теряет или приобретает при теплопередаче. Это понятно и из названия. При остывании тело будет терять некое количество теплоты, а при нагревании – поглощать. А ответы на наши вопросы показали нам, от чего зависит количество теплоты?Во-первых, чем больше масса тела, тем большее количество теплоты надо затратить на изменение его температуры на один градус. Во-вторых, количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от того вещества, из которого оно состоит, то есть от рода вещества. И в-третьих, разность температур тела до и после теплопередачи также важна для наших расчетов. Исходя из всего вышесказанного, мы можем определить количество теплоты формулой:

Q=cm(t_2-t_1 )  ,

где Q – количество теплоты,
m – масса тела,
(t_2-t_1 ) – разность между начальной и конечной температурами тела,
c – удельная теплоемкость вещества, находится из соответствующих таблиц.

По этой формуле можно произвести расчет количества теплоты, которое необходимо, чтобы нагреть любое тело или которое это тело выделит при остывании.

Измеряется количество теплоты в джоулях (1 Дж), как и всякий вид энергии. Однако, величину эту ввели не так давно, а измерять количество теплоты люди начали намного раньше. И пользовались они единицей, которая широко используется и в наше время – калория (1 кал). 1 калория – это такое количество теплоты, которое потребуется для нагреванияь 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. Руководствуясь этими данными, любители подсчитывать калории в съедаемой пище, могут ради интереса подсчитать, сколько литров воды можно вскипятить той энергией, которую они потребляют с едой в течение дня.

 

Как вы думаете, что быстрее нагревается на плите: литр воды в кастрюльке или же сама кастрюлька массой 1 килограмм? Масса тел одинакова, можно предположить, что нагревание будет происходить с одинаковой скоростью.

А не тут-то было! Можете проделать эксперимент – поставьте пустую кастрюльку на огонь на несколько секунд, только не спалите, и запомните, до какой температуры она нагрелась. А потом налейте в кастрюлю воды ровно такого же веса, как и вес кастрюли. По идее, вода должна нагреться до такой же температуры, что и пустая кастрюля за вдвое большее время, так как в данном случае нагреваются они обе – и вода, и кастрюля.

Однако, даже если вы выждете втрое большее время, то убедитесь, что вода нагрелась все равно меньше. Воде потребуется почти в десять раз большее время, чтобы нагреться до такой же температуры, что и кастрюля того же веса. Почему это происходит? Что мешает воде нагреваться? Почему мы должны тратить лишний газ на подогрев воды при приготовлении пищи? Потому что существует физическая величина, называемая удельной теплоемкостью вещества.

Удельная теплоемкость вещества

Эта величина показывает, какое количество теплоты надо передать телу массой один килограмм, чтобы его температура увеличилась на один градус Цельсия. Измеряется в Дж/(кг * ˚С). Существует эта величина не по собственной прихоти, а по причине разности свойств различных веществ.

Удельная теплоемкость воды примерно в десять раз выше удельной теплоемкости железа, поэтому кастрюля нагреется в десять раз быстрее воды в ней. Любопытно, что удельная теплоемкость льда в два раза меньше теплоемкости воды. Поэтому лед будет нагреваться в два раза быстрее воды. Растопить лед проще, чем нагреть воду. Как ни странно звучит, но это факт.

Расчет количества теплоты

Обозначается удельная теплоемкость буквой c и применяется в формуле для расчета количества теплоты:

Q = c*m*(t2 — t1),

где Q – это количество теплоты,
c – удельная теплоемкость,
m – масса тела,
t2  и t1 – соответственно, конечная и начальная температуры тела.

Формула удельной теплоемкости: c = Q / m*(t2 — t1)

По этой формуле можно рассчитать количество тепла, которое нам необходимо, чтобы нагреть конкретное тело до определенной температуры. Удельную теплоемкость различных веществ можно найти из соответствующих таблиц.

Также из этой формулы можно выразить:

  • m = Q / c*(t2-t1) — массу тела
  • t1 = t2 — (Q / c*m) — начальную температуру тела
  • t2 = t1 + (Q / c*m) — конечную температуру тела
  • Δt = t2 — t1 = (Q / c*m) — разницу температур (дельта t)

А что насчет удельной теплоемкости газов? Тут все запутанней. С твердыми веществами и жидкостями дело обстоит намного проще. Их удельная теплоемкость – величина постоянная, известная, легко рассчитываемая. А что касается удельной теплоемкости газов, то величина эта очень различна в разных ситуациях. Возьмем для примера воздух. Удельная теплоемкость воздуха зависит от состава, влажности, атмосферного давления.

При этом, при увеличении температуры, газ увеличивается в объеме, и нам надо ввести еще одно значение – постоянного или переменного объема, что тоже повлияет на теплоемкость. Поэтому при расчетах количества теплоты для воздуха и других газов пользуются специальными графиками величин удельной теплоемкости газов в зависимости от различных факторов и условий.

 

Всем известно, что в нашей жизни огромную роль играет использование топлива. Топливо применяют практически в любой отрасли современной промышленности. Особенно часто применяется топливо, полученное из нефти: бензин, керосин, соляр и другие. Также применяют горючие газы (метан и другие).

Откуда берется энергия у топлива

Известно, что молекулы состоят из атомов. Для того, чтобы разделить какую либо молекулу (например, молекулу воды) на составляющие её атомы, требуется затратить энергию (на преодоление сил притяжения атомов). Опыты показывают, что при соединении атомов в молекулу (это и происходит при сжигании топлива) энергия, напротив, выделяется.

Как известно, существует ещё и ядерное топливо, но мы не будем здесь говорить о нём.

При сгорании топлива выделяется энергия. Чаще всего это тепловая энергия. Опыты показывают, что количество выделившейся энергии прямо пропорционально количеству сгоревшего топлива.

Удельная теплота сгорания

Для расчёта этой энергии используют физическую величину, называемую удельная теплота сгорания топлива. Удельная теплота сгорания топлива показывает, какая энергия выделяется при сгорании единичной массы топлива.

Её обозначают латинской буквой q. В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Отметим, что каждое топливо имеет собственную удельную теплоту сгорания. Эта величина измерена практически для всех видов топлива и при решении задач определяется по таблицам.

Например, удельная теплота сгорания бензина 46 000 000 Дж/кг, керосина такая же, этилового спирта 27 000 000 Дж/кг. Нетрудно понять, что энергия, выделившаяся при сгорании топлива, равна произведению массы этого топлива и удельной теплоты сгорания топлива:

Q = q*m

Рассмотрим пример

Рассмотрим пример. 10 граммов этилового спирта сгорело в спиртовке за 10 минут. Найдите мощность спиртовки.

Решение. Найдём количество теплоты, выделившееся при сгорании спирта:

Q = q*m; Q = 27 000 000 Дж/кг * 10 г = 27 000 000 Дж/кг * 0,01 кг = 270 000 Дж.

Найдём мощность спиртовки:

N = Q / t = 270 000 Дж / 10 мин = 270 000 Дж / 600 с = 450 Вт.

 

Для того чтобы понять, что такое агрегатное состояние вещества, вспомните или представьте себя летом возле речки с мороженным в руках. Замечательная картинка, правда?

Так вот, в этой идиллии кроме получения удовольствия можно еще осуществить физическое наблюдение. Обратите внимание на воду. В реке она жидкая, в составе мороженного в виде льда – твердая, а в небе в виде облаков – газообразная. То есть она находится одновременно в трех различных состояниях. В физике это называется агрегатным состоянием вещества. Различают три агрегатных состояния – твердое, жидкое и газообразное.

Изменение агрегатных состояний вещества

Изменение агрегатных состояний вещества мы можем наблюдать воочию в природе. Вода с поверхности водоемов испаряется, и образуются облака. Так жидкость переходит в газ. Зимой вода в водоемах замерзает, переходя в твердое состояние, а весной вновь тает, переходя в обратно в жидкость. Что происходит с молекулами вещества при переходе его из одного состояния в другое? Меняются ли они? Отличаются ли, например, молекулы льда от молекул пара? Ответ однозначный: нет. Молекулы остаются абсолютно теми же. Меняется их кинетическая энергия, а соответственно и свойства вещества. Энергия молекул пара достаточно велика, чтобы разлетаться в разные стороны, а при охлаждении пар конденсируется в жидкость, и энергии у молекул все еще достаточно для почти свободного перемещения, но уже недостаточно, чтобы оторваться от притяжения других молекул и улететь. При дальнейшем охлаждении вода замерзает, становясь твердым телом, и энергии молекул уже недостаточно даже для свободного перемещения внутри тела. Они колеблются около одного места, удерживаемые силами притяжения других молекул.

Характер движения и состояния молекул в различных агрегатных состояниях вещества можно отразить на следующей таблице:

Агрегатное состояние вещества

Свойства вещества

Расстояние между частицами

Взаимодействие частиц

Характер движения

Порядок расположения

Газ

Не сохраняет форму и объем

Гораздо больше размеров самих частиц

Слабое

Хаотическое (беспорядочное) непрерывное. Свободно летают, иногда сталкиваясь.

Беспорядочное

Жидкость

Не сохраняет форму, сохраняет объем

 

Сравнимо с размерами самих частиц

Сильное

Колеблются около положения равновесия, постоянно перескакивая с одного места на другое.

<p >Беспорядочное

Твердое тело

<p >Сохраняет форму и объем

Мало по сравнению с размерами самих частиц

Очень сильное

Непрерывно колеблются около положения равновесия

В определенном порядке

 

Процессов, в которых происходит изменение агрегатных состояний веществ, всего шесть.

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, обратный процесс – кристаллизацией. Когда вещество переходит из жидкости в газ, это называется парообразованием, из газа в жидкость – конденсацией. Переход из твердого состояния сразу в газ, минуя жидкое, называют сублимацией, обратный процесс – десублимацией

  • 1. Плавление
  • 2. Кристаллизация
  • 3. Парообразование
  • 4. Конденсация
  • 5. Сублимация
  • 6. Десублимация

Примеры всех этих переходов мы с вами не раз наблюдали в жизни. Лед плавится, образуя воду, вода испаряется, образуя пар. В обратную сторону пар, конденсируясь, переходит снова в воду, а вода, замерзая, становится льдом. А если вы думаете, что вы не знаете процессов сублимации и десублимации, то не спешите с выводами. Запах любого твердого тела – это и есть не что иное, как сублимация. Часть молекул вырывается из тела, образуя газ, который мы и можем унюхать. А пример обратного процесса – это узоры на стеклах зимой, когда пар в воздухе, замерзая, оседает на стекле и образует причудливые узоры.

 

Одно и тоже вещество в реальном мире в зависимости от окружающих условий может находиться в различных состояниях. Например, вода может быть в виде жидкости, в идее твердого тела – лед, в виде газа – водяной пар.

  • Эти состояния называются агрегатными состояниями вещества.

Молекулы вещества в различных агрегатных состояниях ничем не отличаются друг от друга. Конкретное агрегатное состояние определяется расположением молекул, а так же характером их движения и взаимодействия между собой.

Газ – расстояние между молекулами значительно больше размеров самих молекул. Молекулы в жидкости и в твердом теле расположены достаточно близко друг к другу. В твердых телах еще ближе.

Чтобы изменить агрегатное состояние тела, ему необходимо сообщить некоторую энергию. Например, чтобы перевести воду в пар её надо нагреть.Чтобы пар снова стал водой, он должен отдать энергию.

Переход из твердого состояния в жидкое

Переход вещества из твердого состояние в жидкое называется плавлением. Для того чтобы тело начало плавиться, его необходимо нагреть до определенной температуры. Температура, при которой вещество плавится, называют температурой плавления вещества.

Каждое вещество имеет свою температуру плавления. У каких-то тел она очень низкая, например, у льда.  А у каких-то тел температура плавления очень высокая, например, железо. Вообще, плавление кристаллического тела это сложный процесс.

График плавления льда

Ниже на рисунке представлен график плавления кристаллического тела, в данном случае льда.

  • График показывает зависимость температуры льда от времени, которое его нагревают. На вертикально оси отложена температура, по горизонтальной — время.

Из графика, что изначально температура льда была -20 градусов. Потом его начали нагревать. Температура начала расти. Участок АВ это участок нагревания льда. С течением времени, температура увеличилась до 0 градусов. Эта температура считается температурой плавления льда. При этой температуре лед начал плавиться, но при этом перестала возрастать его температура, хотя при этом лед также продолжали нагревать. Участку плавления соответствует участок ВС на графике. 

Затем, когда весь лед расплавился и превратился в жидкость, температура воды снова стала увеличиваться. Это показано на графике лучом C. То есть делаем вывод, что во время плавления температура тела не изменяется, вся поступающая энергия идет на плвление.

 

Для того, чтобы расплавить какое-либо вещество в твердом состоянии, необходимо его нагреть. И при нагревании любого тела отмечается одна любопытная особенность

Особенность такая: температура тела растет вплоть до температуры плавления, а потом останавливается до того момента, пока все тело целиком не перейдет в жидкое состояние. После расплавления температура вновь начинает расти, если, конечно, продолжать нагревание. То есть, существует промежуток времени, во время которого мы нагреваем тело, а оно не нагревается. Куда же девается энергия тепла, которую мы расходуем? Чтобы ответить на этот вопрос, надо заглянуть внутрь тела.

В твердом теле молекулы расположены в определенном порядке в виде кристаллов. Они практически не двигаются, лишь слегка колеблясь на месте. Для того, чтобы вещество перешло в жидкое состояние, молекулам необходимо придать дополнительную энергию, чтобы они смогли вырваться от притяжения соседних молекул в кристалликах. Нагревая тело, мы придаем молекулам эту необходимую энергию. И вот пока все молекулы не получат достаточно энергии и не разрушатся все кристаллики, температура тела не повышается. Опыты показывают, что для разных веществ одной массы требуется разное количество теплоты для полного его расплавления.

То есть существует определенная величина, от которой зависит, сколько тепла необходимо поглотить веществу для расплавления. И величина эта различна для разных веществ. Эта величина в физике называется удельная теплота плавления вещества. Опять же, вследствие опытов установлены значения удельной теплота плавления для различных веществ и собраны в специальные таблицы, из которых можно почерпнуть эти сведения. Обозначают удельную теплоту плавления греческой буквой λ (лямбда), а единицей измерения является 1 Дж/кг. 

Формула удельной теплоты плавления

Удельная теплота плавления находится по формуле:

λ=Q/m,

где Q – это количество теплоты, необходимое для того, чтобы расплавить тело массой m.

Опять-таки из опытов известно, что при отвердевании вещества выделяют такое же количество тепла, которое требовалось затратить на их расплавление. Молекулы, теряя энергию, образуют кристаллы, будучи не в силах сопротивляться притяжению других молекул. И опять-таки, температура тела не будет понижаться вплоть до того момента, пока не отвердеет все тело, и пока не выделится вся энергия, которая была затрачена на его плавление. То есть удельная теплота плавления показывает, как сколько надо затратить энергии, чтобы расплавить тело массой m, так и сколько энергии выделится при отвердевании данного тела. 

Для примера, удельная теплота плавления воды в твердом состоянии, то есть, удельная теплота плавления льда равна 3,4*105 Дж/кг.  Эти данные позволяют рассчитать, сколько потребуется энергии, чтобы расплавить лед любой массы. Зная также удельную теплоемкость льда и воды, можно рассчитать, сколько точно потребуется энергии для конкретного процесса, например, расплавить лед массой 2 кг и температурой — 30˚С и довести получившуюся воду до кипения. Такие сведения для различных веществ очень нужны в промышленности для расчета реальных затрат энергии при производстве каких-либо товаров.

 

Если оставить незакрытым сосуд с водой, то через некоторое время вода испарится. Если проделать тот же опыт с этиловым спиртом или бензином, то процесс происходит несколько быстрее. Если кастрюлю с водой нагревать на достаточно мощной горелке, то вода закипит.

Все эти явления являются частным случаем парообразования превращения жидкости в пар. Существует два вида парообразования испарение и кипение.

Что такое испарение

Испарением называют парообразование с поверхности жидкости. Объяснить испарение можно следующим образом.

При соударениях скорости молекул меняются. Часто находятся молекулы, скорость которых настолько велика, что они преодолевают притяжение соседних молекул и отрываются от поверхности жидкости. (Молекулярное строение вещества). Так как даже в небольшом объёме жидкости очень много молекул, такие случаи получаются довольно часто, и идёт постоянный процесс испарения.

Отделившиеся от поверхности жидкости молекулы образуют над ней пар. Некоторые из них вследствие хаотического движения возвращаются обратно в жидкость. Поэтому испарение происходит быстрее, если есть ветер, так как он уносит пар в сторону от жидкости (здесь также имеет место явление «захвата» и отрыва молекул с поверхности жидкости ветром).

Поэтому же в закрытом сосуде испарение быстро прекращается: количество «оторвавшихся» за единицу времени молекул становится равно количеству «вернувшихся» в жидкость.

Интенсивность испарения зависит от рода жидкости: чем меньше притяжение между молекулами жидкости, тем интенсивнее испарение.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул имеют возможность покинуть её. Значит, интенсивность испарения зависит от площади поверхности жидкости.

При повышении температуры скорости молекул возрастают. Поэтому чем выше температура, тем интенсивнее испарение.

Что такое кипение

Кипение это интенсивное парообразование, которое происходит в результате нагревания жидкости, образования в ней пузырьков пара, всплывающих на поверхность и разрывающихся там.

Во время кипения температура жидкости остаётся постоянной.

Температура кипения это температура, при которой жидкость кипит. Обычно, говоря о температуре кипения данной жидкости, подразумевают температуру, при которой эта жидкость кипит при нормальном атмосферном давлении.

При парообразовании молекулы, которые отделились от жидкости, уносят из неё часть внутренней энергии. Поэтому при испарении жидкость охлаждается.

Удельная теплота парообразования

Физическую величину, характеризующую количество теплоты, которое требуется для испарения единичной массы вещества, называют удельной теплотой парообразования. (по ссылке более подробный разбор этой темы)

В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Её обозначают буквой L.

Чтобы рассчитать количество теплоты, которое потребляется при превращении в пар некоторой жидкости с удельной теплотой плавления L и массой m, применяют формулу:

Q = m*L

(где Q искомое количество теплоты).

 

Знаете ли вы, какова температура варящегося супа? 100 ˚С. Ни больше, ни меньше. При той же температуре закипает чайник, и варятся макароны. Что это значит?

Почему при постоянном подогреве кастрюльки или чайника горящим газом температура воды внутри не подымается выше ста градусов? Дело в том, что когда вода достигает температуры в сто градусов, вся поступающая тепловая энергия расходуется на переход воды в газообразное состояние, то есть испарение. До ста градусов испарение происходит в основном с поверхности, а достигнув этой температуры, вода закипает. Кипение – это тоже испарение, но только по всему объему жидкости. Пузырьки с горячим паром образуются внутри воды и, будучи легче воды, эти пузырьки вырываются на поверхность, а пар из них улетучивается в воздух.

До ста градусов температура воды при нагревании растет. После ста градусов при дальнейшем нагревании будет расти температура водяного пара. А вот пока вся вода не выкипит при ста градусах, ее температура не повысится, сколько энергии не прикладывай. Куда девается эта энергия, мы уже разобрались – на переход воды в газообразное состояние. Но раз существует такое явление, значит должна быть описывающая это явление физическая величина. И такая величина существует. Называется она удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования воды

Удельная теплота парообразования – это физическая величина, которая показывает количество теплоты, нужное, чтобы превратить жидкость массой 1 кг в пар при температуре кипения. Обозначается удельная теплота парообразования буквой L. А единицей измерения является джоуль на килограмм (1 Дж/кг).

Удельную теплоту парообразования можно найти из формулы:

L=Q/m,

где Q – это количество теплоты,
m – масса тела.

Кстати, формула такая же, как и для расчета удельной теплоты плавления, разница лишь в обозначении. λ и L

Опытным путем найдены значения удельной теплоты парообразования различных веществ и составлены таблицы, откуда можно найти данные для каждого вещества. Так, удельная теплота парообразования воды равна 2,3*106 Дж/кг. Это означает, что на каждый килограмм воды необходимо потратить количество энергии, равное 2,3*106 Дж, чтобы превратить ее в пар. Но при этом вода должна уже обладать температурой кипения. Если вода изначально была более низкой температуры, то необходимо рассчитать еще то количество теплоты, которое потребуется для подогрева воды до ста градусов.

В реальных условиях часто требуется определить количество теплоты, необходимое для превращения в пар определенной массы какой-либо жидкости, поэтому чаще приходится иметь дело с формулой вида: Q=Lm, а значения удельной теплоты парообразования для конкретного вещества берут из готовых таблиц.

 

Согласитесь, что сегодня невозможно представить себе современный мир без автомобилей, поездов, теплоходов и так далее. А ведь так было не всегда.

Еще совсем недавно каких-то двести лет назад единственным средством передвижения по земле кроме собственных ног были лошади. Лошади возили телеги, повозки, кареты, даже вагоны по рельсам.

И мысль о том, что все это можно передвигать без помощи этих несчастных животных была из области фантастики. Тогда-то, в начале 19 века, и начались первые изобретения самоходных машин на основе парового двигателя.

В таком двигателе нагревался огнем наполненный водой котел, и пар от кипящей воды совершал механическую работу по приведению двигателя в ход. Двигатели были чудовищными, малоэффективными, огромными и небезопасными. Однако, на основе этих двигателей были созданы первые автомобили, паровозы и пароходы.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания

Людям понравилась эта затея, несмотря на все минусы. Тогда это было чудом техники. И лишь в 1860 году, когда паровые двигатели применялись уже повсеместно и перестали считаться чем-то необыкновенным, был изобретен первый двигатель внутреннего сгорания.

Еще 18 лет понадобилось, чтобы изобретение доработали до нормально работающего варианта, который и по сей день является основой любого двигателя внутреннего сгорания четырехтактного двигателя.

Еще через семь лет двигатели начали работать на бензине. До этого их топливом был светильный газ. В наше время практически везде применяются двигатели внутреннего сгорания с кратным четырем количеством цилиндров. Давайте рассмотрим устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Он состоит из цилиндра с поршнем, клапанов для впуска топлива и выпуска отработанных паров и коленчатого вала, соединенного с поршнем. Разберем, как работает двигатель внутреннего сгорания на основе простейшего одноцилиндрового движка.

Во время первого такта сквозь топливный клапан впускается горючая смесь бензина и воздуха. Поршень двигается вниз.

На втором такте поршень двигается вверх, сжимая эту смесь, отчего она нагревается.

Третий такт: сжатая смесь поджигается электрической свечой, и энергия от этого небольшого взрыва толкает поршень вниз, приводя в движение коленчатый вал. Энергии толчка достаточно, чтобы коленвал, вращаясь по инерции, приводил в движение поршень при последующих тактах.

И наконец, на четвертом такте, сквозь второй клапан отработанные газы выталкиваются поршнем из цилиндра. Как видно, только один из четырех тактов рабочий.

Для равномерного вращения вала и увеличения мощности совмещают на одном валу четыре цилиндра таким образом, чтобы во время каждого такта один из цилиндров был в стадии рабочего хода. В таком случае они равномерно и последовательно вращают коленвал. Восемь, двенадцать и более цилиндров применяются уже исключительно для увеличения мощности движка.

 

Развлекались ли вы в детстве таким нехитрым фокусом: если потереть о сухие волосы надутый воздушный шарик, а потом приложить его к потолку, то он как бы «прилипает»?

Нет? Попробуйте, это забавно. Не менее забавно потом торчат во все стороны волосы. Такой же эффект получается иногда при расчесывании длинных волос. Они торчат и липнут к расческе. Ну и всем знакомы ситуации, когда походив в шерстяных или синтетических вещах, прикасаешься к чему-то или к кому-то и чувствуешь резкий укол. В таких случаях говорят – бьешься током. Все это примеры электризации тел. Но откуда возникает электризация, если мы все прекрасно знаем, что электрический ток живет в розетках и батарейках, а не в волосах и одежде? 

Явление электризации тел: способы электризации

Явление электризации тел начинают изучать в восьмом классе. И начинают изучение с рассмотрения электризации тел при соприкосновении. Для этого на уроках проводят опыты с применением простейших способов электризации тел трением эбонитовой или стеклянной палочки о мех или шелк. Вы можете проделать такие опыты самостоятельно, вместо палочки можно взять пластмассовую ручку или линейку. Потрите ручку о шерсть или мех, а затем поднесите к мелко нарезанным кусочкам бумаги, соломинкам или шерстинкам. Вы увидите, как эти кусочки притягиваются к ручке. То же произойдет с тонкой струей воды, если поднести к ней наэлектризованную ручку.

Два рода электрических зарядов

Впервые подобные эффекты были обнаружены с янтарем, потому и были названы электрическими от греческого слова «электрон» – янтарь. И способности тел притягивать другие предметы после соприкосновения, а натирание – это лишь способ увеличить площадь соприкосновения, назвали электризацией или приданием телу электрического заряда. Опытным путем установили, что существует два рода электрических зарядов. Если натереть стеклянную и эбонитовую палочки, то они будут притягиваться между собой. А две одинаковые – отталкиваться. И это происходит не потому, что они не нравятся друг другу, а потому, что у них разные электрические заряды.  Электрический заряд стеклянной палочки условились называть положительным, а эбонитовой – отрицательным. Обозначаются они, соответственно, знаками «+» и «-». Опять-таки, эти названия взяты не в смысле того, то один вид заряда хороший, а второй плохой. Имеется в виду, что они противоположны друг другу. 

В наше время широко используют легко электризующиеся предметы – пластмассы, синтетические волокна, нефтепродукты. При трении таких веществ возникает электрический заряд, который иногда бывает как минимум неприятен, как максимум он может быть вреден. В промышленности с ними борются специальными средствами. В быту же самый простой способ избавиться от электризации – это смочить наэлектризованную поверхность. Если воды под рукой нет, то поможет прикосновение к металлу или земле. Эти тела снимут электризацию. А чтобы вообще не ощущать на себе эти неприятные эффекты рекомендуется пользоваться антистатиками.

 

Если вы походили в одежде из синтетической ткани, то очень вероятно, что вскоре вы ощутите не очень приятные последствия от такого занятия. Ваше тело наэлектризуется и, здороваясь с другом или дотрагиваясь до дверной ручки, вы ощутите острый укол тока.

Это не смертельно и не опасно, но не очень-то приятно. Каждый хотя бы раз в жизни сталкивался с подобным явлением. Но частенько мы узнаем, что наэлектризовались, уже по последствиям. Можно ли узнать, что тело наэлектризовано каким-нибудь более приятным способом, чем укол тока? Можно.

Для чего нужны электроскоп и электрометр?

Самый простой прибор для определения наэлектризованности – электроскоп. Принцип действия его очень прост. Если дотронуться до электроскопа телом, обладающим каким-либо зарядом, то этот заряд передастся металлическому стержню с лепестками внутри электроскопа. Лепестки приобретут заряд одного знака и разойдутся, отталкиваемые одноименным зарядом друг от друга. По шкале можно будет увидеть размер заряда в кулонах. Есть еще разновидность электроскопа – электрометр. Вместо лепестков на металлическом стержне в нем укреплена стрелка. Но принцип действия тот же – стержень и стрелка заряжаются и отталкиваются друг от друга. Величина отклонения стрелки показывает на шкале уровень заряда.(-19)  Кл (Кулона). Эта величина в миллиарды раз меньше величины заряда, который мы получаем, наэлектризовав волосы расческой.

Сущность электрического поля

Еще один вопрос, который возникает при изучении явления электризации, заключается в следующем. Чтобы передать заряд, нам надо прикоснуться непосредственно наэлектризованным телом к другому телу, но чтобы заряд подействовал на другое тело, непосредственный контакт не нужен. Так, наэлектризованная стеклянная палочка притягивает к себе кусочки бумаги на расстоянии, не дотрагиваясь до них. Может, это притяжение передается по воздуху? Но опыты показывают, что в безвоздушном пространстве эффект притяжения остается. Что же это тогда?

Это явление объясняют существованием вокруг заряженных тел определенного вида материи – электрического поля. Электрическому полю в курсе физики 8 класса дают следующее определение: электрическое поле – это особый вид материи, отличающейся от вещества, существующий вокруг каждого электрического заряда и способный действовать на другие заряды. Честно говоря, до сих пор нет однозначного ответа, что это такое, и каковы его причины. Все, что мы знаем об электрическом поле и его воздействии, установлено опытным путем. Но наука движется вперед, и хочется верить, что и данный вопрос когда-нибудь разрешится до полной ясности. Тем более, что хотя мы и не до конца понимаем природу существования электрического поля, тем не менее, мы уже довольно неплохо научились использовать это явление на благо человечества.

 

Мы знаем, что частица, которая является носителем элементарного электрического заряда – это электрон. Передача электронов телами и обусловливает существование и передачу электрического заряда.

При этом электрон заряжен отрицательно. Откуда же тогда берется положительный заряд? Еще мы знаем, что электроны входят в состав атомов. Однако, далеко не все атомы имеют отрицательный заряд. Что компенсирует отрицательный заряд электронов в атоме? И если электрон, входящий в состав атома так легко перемещается, как тогда может оставаться в устойчивости атом, а соответственно и вещество? На эти и другие вопросы дается ответ на уроках по строению атома в восьмом классе в курсе физики. Сейчас мы их разберем.

Электронная модель строения атома

Итак, модель электронного строения атома такова: в центре атома расположено положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны. Количество электронов в атомах различных веществ различается. В атоме водорода один электрон, в атоме кислорода – восемь, в атоме железа – двадцать шесть.

Но главное в атоме – это совсем не количество электронов. В атоме главное – это состав ядра. Электроны могут покидать атом, и тогда он приобретает положительный заряд за счет положительного заряда ядра. Но свойства вещества при этом не изменяются. А вот если изменить состав ядра, то это будет уже другое вещество с другими свойствами. Сделать это очень сложно, однако возможно.

Ядро атома состоит из положительно заряженных частиц. Частицы называются протонами. В состоянии покоя количество протонов и электронов равно, таким образом атом имеет нулевой заряд. Масса каждого протона в 1840 раз больше массы любого электрона. Масса ядра — это около 99% массы всего атома.

А вот заряд протона равен по модулю заряду одного электрона. Опыты показали, что ядро состоит не только из протонов. В его состав входят еще частицы, не имеющие заряда и практически равные по массе протонам. Эти частицы назвали нейтронами. Различие в составе атома на один протон или нейтрон придает атому совсем другие свойства. Это уже разные вещества.

Атом может без всякого ущерба терять электроны, и тогда его заряд становится положительным. Такой атом называют положительно заряженным ионом. Атом может также и приобретать дополнительные электроны. В таком случае атом получает отрицательный заряд, и его называют отрицательным ионом. Надо еще сказать, что изменяться может только заряд атома в ту или иную сторону. Заряд каждого отдельного электрона или протона – величина постоянная, и изменяться не может ни при каких условиях.

 

Ни для кого не секрет, что радиация вредна. Это знают все. Все слышали про ужасные жертвы и опасность радиоактивного воздействия. Что же такое радиация? Как она возникает? Существуют ли разные виды радиации? И как от нее защититься?

Слово «радиация» происходит от латинского radius и обозначает луч. В принципе радиация – это все виды существующих в природе излучений – радиоволны, видимый свет, ультрафиолет и так далее. Но излучения бывают различными, некоторые из них полезны, некоторые вредны. Мы в обычной жизни привыкли словом радиация называть вредное излучение, возникающее вследствие радиоактивности некоторых видов вещества. Разберем, как на уроках физики объясняют явление радиоактивности.

Радиоактивность в физике

Мы знаем, что атомы вещества состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так вот ядро – это в принципе очень устойчивое образование, которое сложно разрушить. Однако, ядра атомов некоторых веществ обладают нестабильностью и могут излучать в пространство различную энергию и частицы.

Это излучение называют радиоактивным, и оно включает в себя несколько составляющих, которые назвали соответственно первым трем буквам греческого алфавита: α-, β- и γ- излучение. (альфа-, бета- и гамма-излучение). Эти излучения различны, различно и их действие на человека и меры защиты от него. Разберем все по порядку.

Альфа-излучение

Альфа-излучение — это поток тяжелых положительно заряженных частиц. Возникает в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. В воздухе альфа-излучение проходит не более пяти сантиметров и, как правило, полностью задерживается листом бумаги или внешним омертвевшим слоем кожи. Однако если вещество, испускающее альфа-частицы, попадает внутрь организма с пищей или воздухом, оно облучает внутренние органы и становится опасным.

Бета-излучение

Бета-излучение — это электроны, которые значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. От него можно защититься тонким листом металла, оконным стеклом и даже обычной одеждой. Попадая на незащищенные участки тела, бета-излучение оказывает воздействие, как правило, на верхние слои кожи. Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году пожарные получили ожоги кожи в результате очень сильного облучения бета-частицами. Если вещество, испускающее бета-частицы, попадет в организм, оно будет облучать внутренние ткани.

Гамма-излучение

Гамма-излучение — это фотоны, т.е. электромагнитная волна, несущая энергию. В воздухе оно может проходить большие расстояния, постепенно теряя энергию в результате столкновений с атомами среды. Интенсивное гамма-излучение, если от него не защититься, может повредить не только кожу, но и внутренние ткани. Плотные и тяжелые материалы, такие как железо и свинец, являются отличными барьерами на пути гамма-излучения.

Как видно, альфа-излучение по его характеристикам практически не опасно, если не вдохнуть его частички или не съесть с пищей. Бета-излучение может причинить ожоги кожи в результате облучения. Самые опасные свойства у гамма-излучения. Оно проникает глубоко внутрь тела, и вывести его оттуда очень сложно, а воздействие очень разрушительно.

В любом случае без специальных приборов знать, что за вид радиации присутствует в данном конкретном случае нельзя, тем более, что всегда можно случайно вдохнуть частички радиации с воздухом. Поэтому общее правило одно – избегать подобных мест, а если уж попали, то укутаться как можно большим количеством одежды и вещей, дышать через ткань, не есть и не пить, и постараться поскорее покинуть место заражения. А потом при первой же возможности избавиться от всех этих вещей и хорошенько вымыться.

Радиоактивность также можно рассматривать как свидетельство сложного строения атомов. Изначально еще философы древности представляли себе мельчайщую частицу вещества — атом — неделимой частицей. Как радиактивность позволила разрушить данное представление? Подробности по ссылке.

Тепло, теплота и внутренняя энергия тела Текст научной статьи по специальности «Физика»

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

1

УДК 536.1 UDC 536.1

01.00.00 Физико-математические науки Physics and mathematical sciences

ТЕПЛО, ТЕПЛОТА И ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ WARM, WARMTH AND INTERNAL ENERGY OF A ТЕЛА BODY

Александров Борис Леонтьевич Alexandrov Boris Leontievich

д.г.-м..н., профессор Dr.Sci.Geol.-Min., professor

[email protected] [email protected]

Кубанский государственный аграрный университет, Kuban state agrarian University, Krasnodar, Russia Краснодар, Россия

Обсуждается вопрос понятия теплоты и внутренней энергией тела. Дается анализ этих понятий в историческом аспекте и представления автора, основанные на новой фотонной теории строения атома. Анализ исторического аспекта этого вопроса показывает, что понятия тепла, теплоты и внутренней энергии тела долгое время ассоциировалось с понятием теплорода, который может перетекать в веществе. Следующим этапом отождествления понятия теплоты явилась энергия, связанная с движением и работой. В соответствии с этим, Клаузиус обосновал эквивалентность тепла и работы как первое начало теории тепла и ввел понятие внутренней энергии, которую можно увеличить двумя путями — производя над телом работу и подводя к нему тепло. Таким образом, энергия явилась главным объединяющим фактором работы и теплоты. Далее кинетическая теория тепла, как энергия движения молекул, была развита Максвеллом и модель теплорода оказалась помехой в развитии теории тепла. Фактически внутреннюю энергию тела определяют фотоны, вращающиеся вокруг заряженных частиц в атомах по своим орбиталям. Определенные серии фотонов объединяются в отдельные фотонные орбитали, направления вращения фотонов в которых отличаются друг от друга. Таким образом, тело обладает внутренней энергией или внутренней теплотой. Она обусловлена энергией фотонов, вращающихся вокруг электронов на внешней оболочке каждого атома, а также вокруг заряженных частиц — протонов и электронов в ядре атома. Эта внутренняя энергия может увеличиваться при механическом воздействии на тело, приводящее к увеличению результирующей частоты колебаний фотонов вокруг заряженных частиц атомов и эта внутренняя теплота, содержащаяся в теле, может перетекать от тела с большей концентрацией теплоты к телу с меньшей концентрацией теплоты

The article discusses the question of the concepts of heat and internal energy of a body. The analysis of these concepts in the historical aspect and the views of the author, based on the new photon theory of atomic structure were presented in this study. The analysis of the historical aspect of this question tells that the concepts of heat and internal energy of the body for a long time were associated with the concept of caloric, which can flow in the substance. The next step was the identification of the concept of heat with energy linked with the movement and work. In accordance with this, Clausius proved the equivalence of heat and work as the first principle of the theory of heat and introduced the concept of internal energy, which can be increased in two ways — making work on body, and summing heat to it. Thus, energy was the main uniting factor of work and heat. Then, the kinetic theory of heat, as the energy of motion of molecules, was developed by Maxwell and caloric model turned out to be a hindrance in the development of the theory of heat. In fact, the internal energy of the body is determined photons, rotating around charged particles in atoms in their orbitals. The series of photons are combined into a single photon orbital direction of rotation of the photons, which are different from each other. Thus, the body has an internal energy or internal heat. It is due to the energy of photons, orbiting electrons in the outer shell of each atom, as well as around the charged particles -electrons and protons in the nucleus of an atom. This internal energy may be increased by mechanical action on the body, leading to an increase in resulting oscillation frequency of photons around charged particles of atoms and the internal heat contained in the body can flow of the body with a higher concentration of heat to the body with a lower concentration of heat

Ключевые слова: ТЕПЛОТА, РАБОТА, ЭНЕРГИЯ, Keywords: HEAT, WORK, ENERGY, PHOTON

ФОТОН

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

2

Введение

Теория тепла возникла не сразу. Очень долго не могли понять что такое тепло, теплота и какая разница между температурой и теплом. Понятие «тепло», «теплота» и «температура» разделить было очень трудно. И в настоящее время этим понятиям нет ясного определения. Так, в соответствии со словарем русского языка С.И. Ожегова [3], «тепло»- это «нагретое состояние чего-нибудь», а «теплота» означает «теплый» или это «форма движения материи — энергия, образуемая беспорядочным движением частиц тела (молекул, атомов и т.п.)» Поэтому всем вроде бы ясно, что когда нагревают тело, температура его повышается. Когда тепло перетекает от одного тела к другому, температура одного тела падает, а другого — повышается. Тепло во многих случаях ведет себя, как ручей, текущий с горы в долину. Поэтому многие ученые прошлого времени думали, что теплота — это вещество. Они считали ее жидкостью (флюидом), которая может перетекать от одного тела к другому. Этот флюид получил название теплорода. Аналогия между теплом и жидкостью стала еще более убедительной после открытия электрических явлений: электрический ток также течет по проводам, как река, выравнивания потенциал между двумя заряженными телами. Модель теплорода объясняла очень многое и завоевала широкое признание в последней четверти XVIII века. Теплород, казалось, хорошо объяснял свойства тепла. Теория теплового двигателя, построенного Карно, была основана на модели теплорода. Тот факт, что большинство веществ расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, казалось, подтверждал материальную теорию теплоты, потому что теплород занимает место.

Смущало только то обстоятельство, что имеется несколько веществ, которые при нагревании сжимаются, а при охлаждении расширяются. Кроме того, если теплота есть вещество, то в горячем состоянии тело должно весить больше, чем в холодном. Опыт, однако, показывал, что это не так. Таким

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

3

образом, модель теплорода не выдерживала испытаний, когда дело касалось закона сохранения. Рассуждали так: если бы тепло было какой-то жидкостью, то она, протекая, сохранялась бы, ее количество не должно было изменяться. Сколько тепла забрали от нагревателя, столько должен получить и холодильник.

На первый взгляд так оно и есть: охлаждается чайник, нагревается воздух. Но часто бывает совсем не так.

Исторический обзор изменения представлений о теплоте и энергии

Первым, кто обратил на это внимание, был Бенджамен Томсон (граф Румфорд). Наблюдая за сверлением пушечных стволов, он заметил выделение большого количества тепла, — особенно, если сверла были тупые. Это заставило его задуматься, что могло быть источником теплоты. Согласно теории теплорода, теплота могла появиться или из металла, или из окружающего пространства. Но, ни то, ни другое, по мнению Румфорда, не являлось источником теплоты. Чтобы проверить теорию, Румфорд взвесил заготовку ствола до сверления и потом взвесил ствол и стружки после сверления. Оба взвешивания дали одинаковый результат. Единственное решение могло бы состоять в том, что в стружках содержится меньше теплорода, чем в сплошной отливке, и избыток его выделяется при сверлении. Но тогда стружку было бы легче нагреть, чем сплошной металл, у стружек должна была быть меньше теплоемкость, чем у сплошного металла. Но это также не подтвердилось опытом. Он применил для охлаждения ствола воду, но все равно ствол при сверлении нагревался.

Полученные результаты убедили Румфорда, что теплород, если он действительно существует, не мог прийти ни из металла, ни из окружающего пространства. Все это никак не укладывалось в простую модель перетекающего с места на место теплорода.

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

4

Так как никаких других возможных источников теплоты не было, Румфорд заключил, что теплота получалась как результат работы сверления. Другими словами, он пришел к выводу, что теплота — энергия. Как описано в [8], для дальнейшей проверки гипотезы Румфорда, что теплота — это энергия, современник Румфорда Хемфри Дэви (1778-1829) придумал очень простой решающий опыт. Опыт состоял в трении двух кусков льда друг о друга при температуре ниже температуры плавления этих кусков льда. Оказалось, что при этом лед плавился, и отсюда неизбежно вытекало заключение, что теплота, которая расплавляла лед, получалась из работы на преодоление трения кусков льда. Таким образом, чаша весов склонялась к тому, чтобы связать природу теплоты с движением.

Понятие о величине, характеризующей движение и имеющей по современной терминологии размерность «энергии», впервые появилось в механике. Основоположниками здесь являются Галилей (1564-1642), Гюйгенс (1629-1695) и Ньютон (1642-1727). Согласно этим авторам при падении тела массой m с высоты h и ускорении силы тяжести g убыль потенциальной энергии тела (его гравитационной энергии) Д( mgh) равна

mvL

приращению его кинетической энергии ——.

Сформулированный здесь закон сохранения энергии до середины XIX века казался частным случаем, реализующимся в «чистой механике» в отсутствии трения. Да и самого понятия «энергия» не было до начала XIX века, когда оно было введено в механику Юнгом. Р.Клаузиусу (1864) приписывают идею окончательного введения этого термина в физику.

Так что же такое энергия? Ее нельзя увидеть, потрогать или понюхать как какое-нибудь вещество. Она представляет для нас более абстрактное понятие. Поэтому следует попытаться проанализировать

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

5

существующие определения энергии и рассмотреть это понятие с общих позиций, прежде чем углубляться в дальнейшее обсуждение.

Энергия (от греческого energeia — действие, деятельность) — общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи [6]. Энергия не возникает из ничего и не исчезает, она может только переходить их одной формы в другую. Энергия связывает воедино все явления природы.

Ранее часто вместо энергии говорили «сила», приписывая один и тот же термин величинам разной размерности. Даже Гельмгольц (1874) статью, посвященную закону сохранения энергии, озаглавил «О сохранении силы». Между тем по Ньютону сила — это причина, вызывающая движение, которая, совершая на известном пути работу, сообщает телу энергию. Таким образом, с понятием энергии неразрывно связано другое понятие той же размерности — «работа».

Работа (А), совершаемая системой, обусловлена взаимодействием между системой и внешней средой, в результате которого преодолеваются внешние силы, нарушившие равновесие в системе. Работа определяется суммой произведений действующих на систему сил на соответствующий путь (давление, изменение объема, поверхностного натяжения, изменение поверхности и т.д.)

Таким образом, работа процесса — это энергия, передаваемая одним телом другому при их взаимодействии, не зависящая от температуры этих тел и не связанная с переносом вещества от одного тела к другому [2].

Наиболее затруднительным явилось установление общего закона сохранения энергии, включая действия диссипативных сил, приводящих к рассеянию работы и превращению ее в теплоту.

Р.Клаузиус (1850) первый заговорил об эквиваленте тепла и работы как о первом начале теории тепла и написал уравнение, которого не хватало Карно. Для этого надо было, прежде всего, сказать простую вещь:

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

6

всякое тело имеет внутреннюю энергию. Принято считать [6], что внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии хаотического движения молекул относительно центра масс тел и потенциальной энергии взаимодействия молекул друг с другом. Внутреннюю энергию можно увеличить двумя путями — производя над телом работу (АЛ) и подводя к нему тепло (AQ).

Смысл этого глубокого утверждения заключен в союзе «и» и описывается простой формулой

AU = AQ + АЛ (1)

Очень важно понимать, что по конечному состоянию системы нельзя никаким образом обнаружить, за счет чего система увеличила свою энергию: за счет тепла или за счет работы. Сам Р.Клаузиус называл U -«теплом, содержащимся в теле», противопоставляя ему Q — «тепло, сообщенное телу». В этом отличии кроется глубокий смысл. Сейчас U называют внутренней энергией (или просто энергией), а AU есть ее приращение.

Таким образом, единственный элемент — энергия — связывает воедино чрезвычайно широкое многообразие явлений, а закон сохранения этого «элемента» не знает исключений ни в макро-, ни в микромире. Энергия, по Ф.Энгельсу, есть мера движения при переходе одной формы движения в другую [9]. Это определение философа дополняет определение физика М.Планка: «Энергия материальной системы в определенном состоянии, взятая по отношению к другому определенному «нулевому» состоянии, имеет однозначное значение» [4]. На основании этого можно говорить о запасе или о «содержании» энергии в системе. Энергия системы однозначно зависит от параметров, характеризующих состояние системы. В случае непрерывной среды или поля вводятся понятия плотности энергии, т.е. энергии в единице объема, и плотности потока энергии, равной произведению плотности энергии на скорость ее перемещения.

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

7

А.Эйнштейн показал, что энергия тела (E) неразрывно связана с его массой т соотношением

E = mc2, (2)

где с — скорость света.

Любое тело обладает энергией. Если масса покоящегося тела m0, то его энергия покоя Е0 = т0с ; эта энергия может переходить в другие виды энергии при превращениях частиц (распадах, ядерных реакциях и так далее). Ю.Г.Белостоцкий [7, стр.15] высказал предположение, что при ускорении материального тела происходит увеличение его собственного гравиполя, причем запас кинетической энергии содержится в гравитационном поле движущегося тела. Это, по его мнению, позволяет определить энергию как процесс превращения вещества в поле. Поэтому

формула E = тс2 характеризует зависимость количества энергии тела от количества превращенного вещества в поле, причем т в этой формуле является полевой массой.

Рассматривая идеальные газы на базе эфирной природы теплоты С.Д.Брусин и Л.Д.Брусин [7, стр.24] отмечают, что количество тепловой энергии Q характеризуется массой эфира «т» и определяется простым

соотношением Q = тс2 (где с — скорость света). Газы представляются состоящими из частичек, сгруппированных в молекулы, и эфира, находящегося как между частичками молекул (молекулярная область), так и между молекулами (межмолекулярная область).

Согласно классической физике энергия любой системы меняется непрерывно и может принимать любые значения. Квантовая теория утверждает, что энергия микрочастиц, движение которых происходит в ограниченном объеме пространства (например, электронов в атоме), принимает дискретный ряд значений. Так, атомы испускают

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

8

электромагнитную энергию в виде дискретных порций — световых квантов или фотонов.

Опыт, накопленный при наблюдении множества различных процессов, свидетельствует о том, что хотя энергия может передаваться от одного тела к другому, а также переходить из одной формы в другую, она никогда не создается из ничего и не исчезает.

Подобные наблюдения, подтвержденные количественными измерениями теплоты и работы, лежат в основе первого закона термодинамики.

Ситуация с энергией во многом напоминает ситуацию с веществом — при любом приращении энергии некоторая часть ее всегда превращается в теплоту, которая рассеивается в окружающую среду и, следовательно, не может быть использована для выполнения работы. Так, на практике большая часть энергии, запасенной в угле или бензине, превращается в теплоту. Таким образом, энергия — это способность к выполнению работы, переносу тепла, а работа и теплота являются количественными характеристиками двух форм обмена энергией между системой и окружающей средой, причем работа является макрофизической формой передачи энергии, а теплота микрофизической. Эти превращения, согласно Майеру, осуществляются в определенных эквивалентах соотношениях. Однако, согласно второму закону термодинамики эти формы не равноценны и если в каком-то процессе работа превращается в теплоту (например, посредством трения), то такое превращение ничем не ограниченно, обратное же превращение теплоты в работу ограниченно определенными условиями. В этом и заключается главная «хитрость» природы, путь к пониманию которой оказался столь трудным и долгим [8]. Была еще одна трудность, которую встретила модель теплорода. Если теплород — это род жидкости, которая совершает работу при перетекании от более высокого уровня (от более высокой температуры) к более

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

9

низкому, то нельзя было понять, что происходит в неоднородно нагретом теле в процессе выравнивания температуры. Куда девается работа, которая должна возникнуть при перетекании теплорода.

Но даже если не обращать внимания на «пропажу» работы, такая картина не смогла объяснить, как передается тепло через вакуум -например, от Солнца к Земле. Говорили о колебаниях эфира, но получить из таких представлений сколько-нибудь убедительную теорию было нельзя. Теория теплорода явно терпела одну неудачу за другой. Согласившись, что теплота есть энергия, естественно было задать вопрос: на что идет эта энергия? Известно, что потенциальная энергия есть энергия положения, а кинетическая — энергия движения. Может ли теплота быть одним из этих видов энергии или быть может, и тем и другим сразу? Мы уже знаем, что вещество построено из молекул, и что если газ или жидкость нагревается, то броуновское движение, как показывают наблюдения, становится более оживленным. Это указывает на усиление движения молекул. Такие наблюдения возможны только в жидкостях и газах, но легко согласиться, что при нагревании, увеличиваются колебания молекул и в твердых телах. Таким образом, экспериментальные наблюдения в сочетании с логическими заключениями привели к выводу, что теплота есть кинетическая энергия молекулярного движения. О том, что теплота связана с движением, говорили многие естествоиспытатели. Писал об этом Декарт. Галилей был одним из первых, кто писал о механической природе тепла. Даниил Бернулли пытался вывести формулу для давления газа. Гук очень ясно говорил о связи между теплотой и движением — колебаниями частиц в нагретом теле. Подобные идеи высказывали Ломоносов, многие философы. Но они не могли превратить эти высказывания в физическую теорию, которую можно проверить на опыте.

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

10

Количественная связь энергии с теплотой была установлена в опыте Джеймса Джоуля (1873). Джоуль показал, что, размешивая мешалкой жидкость и нагревая ее таким образом, надо тратить 460 кгс-м (килограмм-сила на метр) работы на каждую большую калорию, полученную жидкостью. Несколько раньше Джоуля эту же величину, но с меньшей точностью (365 кгс-м/ккал) вычислил Роберт Майер, использовав результаты опытов Г ей-Люссака по расширению газов в пустоту.

Дальше всех продвинулся Максвелл. Принято считать, что кинетическая теория тепла, созданная Максвеллом, позволила понять тепловые явления на основе классической механики. В работе Максвелла появилась формула для распределения движущихся частиц по скоростям: формула позволила вычислить постоянные, характеризующие свойства тел, — такие, как теплопроводность и вязкость газа, и установить их зависимость от температуры. Максвелл положил начало статистической физики или кинетической теории газов. Но как отмечает Я.А.Смородинский [5], у Максвелла был предшественник — Ватерсон, первую формулу новой теории тепла которого мало кто заметил. Как описано в [5], в 1845г. в английскую академию наук (Королевское общество) была представлена работа Ватерсона. В ней было показано, что давление газа на стенки сосуда можно объяснить ударами атомов. Хотя сама идея о том, что газ состоит из атомов, была не нова, мало кто принимал всерьез утверждение, что атомы могут свободно двигаться в сосуде от стенки к стенке, а упругие свойства газа можно свести просто к классической механике атомов.

Работа Ватерсона не понравилась членам ученого общества и рецензентом королевского общества была отклонена. Лишь много лет спустя в 1892г. Рэлей нашел ее в архиве и опубликовал в журнале «философские сообщения Королевского общества». То, что было сделано одним человеком и осталось незамеченным, было открыто впоследствии

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

11

лишь в результате работы нескольких ученых, а окончательная формула была написана Максвеллом только в 1859г. Теперь модель не уничтожающейся жидкости — теплорода стала помехой для дальнейшего развития теории тепла и быстро сошла со сцены.

Как видим, происходили удивительные вещи, из вроде бы наивных представлений о теплороде были выведены правильные результаты и разработана гениальная теория тепла Карно. Понятие об атомах, молекулах долго казалось не нужным для теории тепла, но в окончательном результате стало приоритетным. А как же связана теплота и температура с потенциальной энергией молекул тела? Для ответа на этот вопрос Л.Эллиот и У.Уилкокс [8] рассматривают опыты плавления льда и кипения воды. Известно, что для плавления льда надо подвести тепло и при этом во время процесса плавления температура не будет изменяться. Точно так же требуется теплота для того, чтобы воду превратить в пар, и при этом опять температура во время кипения не изменяется. Сегодня общепризнанно, что температура тела есть мера средней кинетической энергии его молекул или температура есть мера нагретости тела. Так как поглощенная теплота при плавлении и кипении не вызывает никакого повышения температуры, а следовательно, и усиления молекулярного движения, то она не должна изменять кинетическую энергию молекул. Такую теплоту называют скрытой. Так как теплота есть энергия, а энергия не может быть уничтожена (в соответствии с законом сохранения энергии), то делается [8] вывод, что поглощенная теплота должна привести к изменению только потенциальной энергии молекул.nst = 100°С, безусловно имеет более высокую кинетическую энергию. Но так как система не выявляет себя нагревом, а кинетическая энергия молекул системы, как принято и сегодня, растет только с увеличением температуры, то и

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

12

делается неверный вывод, что полученное системой тепло затрачивается только на изменение потенциальной энергии. Более того, как можно интерпретировать работу расширения воды при ее охлаждении от +4оС до 0оС в жидком состоянии? При охлаждении выделяется теплота и одновременно совершается работа расширения можно считать за счет убыли внутренней энергии в соответствии с формулой (1) .

Однако при кристаллизации температура не изменяется, т.е. внутренняя энергия должна оставаться постоянной, но происходит увеличение объема, т.е. совершается работа расширения. За счет чего же совершается работа расширения, если одновременно с этим при кристаллизации выделяется теплота кристаллизации? Ответа на этот вопрос в научной литературе нет.

Современное представление сущности теплоты и внутренней

энергии

По нашим представлениям [1], это возможно лишь в том случае, если принять, что внутреннюю энергию в любом теле определяют фотоны, вращающиеся вокруг заряженных частиц в атомах по своим орбитам, причем энергия (е) каждого фотона, в соответствии с формулой Планка (e=hv), пропорциональна его частоте v (где h — постоянная Планка). Определенные серии фотонов объединяются в отдельные фотонные орбитали, направления вращения фотонов в которых отличаются друг от друга. Химическое взаимодействие атомов происходит не просто через валентные электроны атомов, а с учетом внешних фотонных орбиталей вокруг этих электронов. Когда излучаются фотоны внешних орбиталей, то происходит перестройка кристаллической решетки атомов и в целом молекул, например воды, между собой за счет контакта их следующими фотонными орбиталями, направления вращения которых вокруг электронов иное.

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

13

Таким образом, тело обладает внутренней энергией или внутренней теплотой. Она обусловлена энергией фотонов, вращающихся вокруг электронов на внешней оболочке каждого атома тела, а также вокруг заряженных частиц — протонов и электронов в ядре атома. Эта внутренняя энергия тела может увеличиваться при механическом воздействии на тело, приводящее к увеличению результирующей частоты колебаний фотонов вокруг заряженных частиц атомов вещества и эта внутренняя теплота, содержащаяся в теле, может перетекать от тела с большей концентрацией теплоты к телу с меньшей концентрацией теплоты или при наличии перепада температур с окружающей средой путем теплового электромагнитного излучения за счет внешних фотонных орбиталей электронов атомов или при ядерных процессах за счет излучения фотонов гамма-квантов, вращающихся вокруг нуклонов в ядрах.

Выводы

1.Энергию любого тела можно подразделить на механическую энергию, включая кинетические энергии поступательного и вращательного движений и потенциальную энергию тела относительно поверхности Земли, и внутреннюю энергию тела или внутреннюю теплоту. Последняя обусловлена энергией фотонов, вращающихся вокруг электронов на внешней оболочке атома, а также вокруг заряженных частиц — протонов и электронов в ядре атома. Внутренняя энергия тела может увеличиваться не только за счет дополнительного поглощения фотонов, но и при механическом воздействии на тело, приводящее к увеличению результирующей частоты колебаний фотонов вокруг заряженных частиц атомов вещества. Таким образом, теплота — это сконцентрированная энергия фотонов, обусловленная как собственной частотой этих фотонов, так и дополнительной частотой за счет механической работы. Последняя приводит к повышению результирующей частоты колебания фотонов и, следовательно, их энергии. Без наличия

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

14

фотонов в веществе механически невозможно повысить количества теплоты в нем.

2.Роль теплорода в веществе выполняют фотоны, вращающиеся вокруг заряженных частиц в атомах. При наличии перепада концентрации фотонов вокруг внешних валентных электронов, происходит их перераспределение в область более низкой концентрации, т.е. внутренняя энергия тела может перетекать от тела с большей концентрацией теплоты к телу с меньшей концентрацией теплоты.

Литература

1. Александров Б. Л. Роль фотонов в физических и химических явлениях// Б. Л. Александров, М.Б. Родченко, А.Б. Александров. — Краснодар, ГУП «Печатный двор Кубани», 2002- 543 с.

2. Каркапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. Изд. 3-е переработанное и дополненное// М.Х. Каркапетьянц,- М.: «Химия», 1975- 584 с.

3. Ожегов С.И. Словарь русского языка. Издание 17-е, стереотипное // С.И. Ожегов.- М.: «Русский язык», 1985 — 797 с.

4. Планк М. Принцип сохранения энергии // М. Планк.- М. — Л.: ГОНТИ, 1938.

5. Смородинский Я.А. Температура. Библиотека квант // Я.А. Смородинский. -М.: «Наука», 1981 -160 с.

6. Физический энциклопедический словарь. Главный редактор А.М. Прохоров, М.:, «Советская энциклопедия» 1984.

7. Фундаментальные проблемы естествознания. Международный научный конгресс. 22-27 июня 1998г., Санкт-Петербург, Россия.

8. Эллиот Л. Физика. Перевод с английского под редакцией проф.

А.И.Китайгородского // Л. Эллиот, У. Уилкокс.- Издание третье. М.: «Наука», 1975736 с.

9. Энгельс Ф. Диалектика природы М., «Политиздат» 1965.

References

1. Aleksandrov B.L. Rol’ fotonov v fizicheskih i himicheskih javlenijah// B.L. Aleksandrov, M.B. Rodchenko, A.B. Aleksandrov. — Krasnodar, GUP «Pechatnyj dvor Kubani», 2002- 543 s.

2. Karkapet’janc M.H. Himicheskaja termodinamika. Izd. 3-e pererabotannoe i dopolnennoe// M.H. Karkapet’janc,- M.: «Himija», 1975- 584 s.

3. Ozhegov S.I. Slovar’ russkogo jazyka. Izdanie 17-e, stereotipnoe // S.I. Ozhegov.-M.: «Russkij jazyk», 1985 — 797 s.

4. Plank M. Princip sohranenija jenergii // M. Plank.- M. — L.: GONTI, 1938.

5. Smorodinskij Ja.A. Temperatura. Biblioteka kvant // Ja.A. Smorodinskij. — M.: «Nauka», 1981 -160 s.

6. Fizicheskij jenciklopedicheskij slovar’. Glavnyj redaktor A.M. Prohorov, M.:, «Sovetskaj a j enciklopedij a» 1984.

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Научный журнал КубГАУ, №111(07), 2015 года

15

7. Fundamental’nye problemy estestvoznanija. Mezhdunarodnyj nauchnyj kongress. 2227 ijunja 1998g., Sankt-Peterburg, Rossija.

8. Jelliot L. Fizika. Perevod s anglijskogo pod redakciej prof. A.I.Kitajgorodskogo // L. Jelliot, U. Uilkoks.- Izdanie tret’e. M.: «Nauka», 1975-736 s.

9. Jengel’s F. Dialektika prirody M., «Politizdat» 1965.

http://ej.kubagro.ru/2015/07/pdf/38.pdf

Урок 19. температура. энергия теплового движения молекул — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок №19. Температура. Энергия теплового движения молекул

На уроке рассматриваются понятия: температура и тепловое равновесие; шкалы Цельсия и Кельвина; абсолютная температура как мера средней кинетической энергии теплового движения частиц вещества, зависимость давления от концентрации молекул и температуры.

Глоссарий по теме:

Макроскопические параметры — величины объём V, давление p и температура t, характеризующие состояние макроскопических тел без учёта их молекулярного строения.

Температура характеризует степень нагретости тела (холодное, тёплое, горячее).

Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние) — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Тепловым равновесием называют – такое состояние тел, при котором температура во всех точках системы одинакова.

Тепловым или термодинамическим равновесием, изолированной системы тел, называют состояние, при котором все макроскопические параметры в системе остаются неизменными.

Термометр — это прибор для измерения температуры путём контакта с исследуемым телом. Различают жидкостные, газовые термометры, термопары, термометры сопротивления.

Абсолютная температура Т прямо пропорциональна температуре Θ (тета), выражаемой в энергетических единицах (Дж).

Абсолютный нуль — предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении.

Абсолютный нуль – температура, при которой прекращается тепловое движение молекул.

Абсолютная шкала температур (Шкала Кельвина) – здесь нулевая температура соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры равна градусу по шкале Цельсия.

Кельвин — единица абсолютной температуры в Международной системе измерений (СИ).

Постоянная Больцмана – коэффициент, связывает температуру Θ энергетических единицах (Дж) с абсолютной температурой Т (К).

Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии молекул.

Давление газа прямо пропорционально концентрации его молекул и абсолютной температуре Т.

Закон Авогадро – в равных объёмах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул

Обязательная литература:

  1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 195 – 203.

Дополнительная литература:

  1. Смородинский Я.А. Температура. — 3-е издание. — М.: Бюро Квантум, 2007. (Библиотечка «Квант». Вып. 103. Приложение к журналу «Квант» № 5/2007.) С. 5— 25.
  2. Кирик Л.А., Генденштейн Л.Э., Гельфгат И.М.. Задачи по физике. 10-11 классы для профильной школы. – М.: Илекса, 2010. – С. 111-115.
  3. Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 классы. – М.: Дрофа, 2013. — С. 65 – 67.
  4. Орлов В.А., Сауров Ю.А. Практика решения физических задач. 10-11классы. – М.: Вентана-Граф, 2014. – С. 98-99.
  5. http://kvant.mccme.ru/1991/09/idealnyj_gaz_-_universalnaya_f.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Измеряя расположение звёзд на небе, расстояния на земле, время, люди знали, для чего они это делают и изобретали, телескопы, часы, прототипы современных линеек. О температуре такого же сказать было нельзя. О том, что такое тепловое равновесие и что означает степень нагрева тела (температура), существовали разные мнения. Но человек с незапамятных времен точно знал, что, когда два тела плотно соприкасаются, между ними устанавливается, выражаясь современным языком, тепловое равновесие.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходят в состояние теплового равновесия.

Тепловым равновесием называют такое состояние тел, при котором температура во всех точках системы одинакова.

Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние) — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

К числу характеристик состояния макроскопических тел (твёрдых тел, жидкостей, газов) и процессов изменения их состояний, относят объём, давление и температуру. Эти величины описывают в целом тела, состоящие из большого числа молекул, а не отдельные молекулы. При этом микроскопические процессы внутри тела не прекращаются при тепловом равновесии: расположения молекул всё время меняются и меняются их скорости при столкновениях.

Величины объём, давление и температуру, характеризующие состояние макроскопических тел без учёта их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами.

Тепловым или термодинамическим равновесием, изолированной системы тел, называют состояние, при котором все макроскопические параметры в системе остаются неизменными.

Для точной характеристики нагретости тела, необходим прибор, способный измерить температуры тел и дать возможности их сравнения.

Термометр — это прибор для измерения температуры путём контакта с исследуемым телом. Различают жидкостные, газовые термометры, термопары, термометры сопротивления.

В 1597 году Галилей создал термоскоп, в собственных сочинениях учёного нет описания этого прибора, но его ученики засвидетельствовали этот факт. Аппарат представлял собой устройство для поднятия воды при помощи нагревания.

Изобретение термометра, данные которого не зависели бы от перепадов атмосферного давления, произошли благодаря экспериментам физика Э. Торричелли, ученика Галилея.

Во всех приборах, изобретённых в XVIII веке, измерение температуры было относительно расширению столбика воды, спирта или ртути и произвольности выбора начала отсчёта, т.е. нулевой температуры. Наполняющие их вещества замерзали или кипели и этими термометрами нельзя было измерять очень низкие или очень высокие температуры. Необходимо было изобрести такую шкалу, чтобы избавиться от зависимости выбранного вещества, на основе которого формировалось градуирование.

Шкала, предложенная шведским учёным Андерсом Цельсием в 1742 г., точно устанавливала положение двух точек: 0 и 100 градусов. По шкале Цельсия температура обозначается буквой t, измеряется в градусах Цельсия (ºС).

На территории Англии и США используется шкала Фаренгейта. Такая шкала была предложена немецким учёным Даниелем Габриелем Фаренгейтом в 1724 г.: 0 °F — температура смеси снега с нашатырём или поваренною солью, 96 °F —температура здорового человеческого тела, во рту или под мышкой.

Рене Антуан де Реомюр не одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента расширения ртути. В 1730 году изобрёл водно-спиртовой термометр и предложил шкалу от 0 до 80°.

Шкала Реомюра очень долго использовалась на родине учёного во Франции вплоть до настоящего времени.

Различные жидкости при нагревании расширяются не одинаково. Поэтому расстояния на шкале между нулевой отметкой 0 °C и 100 °C будут разными.

Однако существует способ создать тело, которое приближенно обладает нужными качествами. Это идеальный газ. Было замечено, что в отличие от жидкостей все разряжённые газы – водород, гелий, кислород – расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют своё давление при изменении температуры. Это свойство газов позволяет избавиться в термометрах от одного существенного недостатка шкалы Цельсия – произвольности выбора начала отсчёта, то есть нулевой температуры.

При тепловом равновесии, если давление и объём газа массой m постоянны, то средняя кинетическая энергия молекул газа должна иметь строго определённое значение, как и температура.

Практически такую проверку произвести непосредственно невозможно, но с помощью основного уравнения молекулярно-кинетической теории её можно выразить через макроскопические параметры:

; ; ; ;

Если кинетическая энергия действительно одинакова для всех газов в состоянии теплового равновесия, то и значение давления р должно быть тоже одинаково для всех газов при постоянном значении отношения объёма к числу молекул. Подтвердить или опровергнуть данное предположение может только опыт.

Возьмём несколько сосудов, заполненных различными газами, например, водородом, гелием и кислородом. Сосуды имеют определённые объёмы и снабжены манометрами, для измерения давления газов в сосудах. Массы газов известны, тем самым известно число молекул в каждом сосуде. Приведём газы в состояние теплового равновесия. Для этого поместим их в тающий лёд и подождём, пока не установится тепловое равновесие и давление газов перестанет меняться.

Здесь устанавливается тепловое равновесие и все газы имеют одинаковую температуру 0 °С. При этом показания манометра показывают разное давление р, объёмы сосудов V изначально были разными и число молекул N различно, так как газы, закаченные в баллоны разные. Найдём отношение для водорода всех параметров для одного моля вещества:

Такое значение отношения произведения давления газа на его объём к числу молекул получается для всех газов при температуре тающего льда. Обозначим это отношение через Θ0 (тета нулевое):

Таким образом, предположение, что средняя кинетическая энергия, а также давление р в состоянии теплового равновесия одинаковы для всех газов, если их объёмы и количества вещества одинаковы или если отношение

Если же сосуды с газами поместить в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, то согласно эксперименту, отношение макроскопических параметров будет также одинаковым для всех газов, но значение будет больше предыдущего

Отсюда следует, что величина Θ растёт с повышением температуры и не зависит от других параметром, кроме температуры. Этот опытный факт позволяет рассматривать величину Θ тета как естественную меру температуры и измерять в энергетических единицах — джоулях.

А теперь вместо энергетической температуры введём температуру, которая будет измеряться в градусах. Будем считать величину тета Θ прямо пропорциональной температуре Т, где k- коэффициент пропорциональности

Так как , то тогда

По этой формуле вводится температура, которая даже теоретически не может быть отрицательной, так как все величины левой части этого равенства больше или равны нулю. Следовательно, наименьшим значением этой температуры является нуль, при любом другом параметре p, V, N равным нулю.

Предельную температуру, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или при которой объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении, называют абсолютным нулём температуры.

Тепловое движение молекул непрерывно и бесконечно, а при абсолютном нуле молекулы поступательно не двигаются. Следовательно, абсолютный нуль температур при наличии молекул вещества не может быть достигнут. Абсолютный нуль температур — это самая низкая температурная граница, верхней не существует, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказывал М.В. Ломоносов.

В 1848 г. английскому физику Вильяму Томсону (лорд Кельвин) удалось построить абсолютную температурную шкалу (её в настоящее время называют шкалой Кельвина), которая имеет две основные точки 0 К (или абсолютный нуль) и 273К, точка в которой вода существует в трёх состояниях (в твёрдом, жидком и газообразном).

Абсолютная температурная шкала — шкала температур, в которой за начало отсчёта принят абсолютный нуль. Температура здесь обозначается буквой T и измеряется в кельвинах (К).

На шкале Цельсия, есть две основные точки: 0°С (точка, в которой тает лёд) и 100°С (кипение воды). Температура, которую определяют по шкале Цельсия, обозначается t. Шкала Цельсия имеет как положительные, так и отрицательные значения.

Из опыта мы определили значения величины Θ (тета) при 0 °С и 100 °С. Обозначим абсолютную температуру при 0 °С через Т1, а при 100 °С через Т2. Тогда согласно формуле:

Отсюда можно вычислить коэффициент k, который связывает температуру в Θ энергетических единицах (Дж) с абсолютной температурой Т (К)

k = 1,38 • 10-23 Дж/К — постоянная Больцмана.

Зная постоянную Больцмана, можно найти значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Для этого найдём сначала значение абсолютной температуры, соответствующее 0°С:

значение абсолютной температуры.

Один кельвин и один градус шкалы Цельсия совпадают. Поэтому любое значение абсолютной температуры Т будет на 273 градуса выше соответствующей температуры t по Цельсию:

Теперь выведем ещё одну зависимость температуры от средней кинетической энергии молекул. Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории и уравнения для определения абсолютной температуры

Здесь видно, что левые части этих уравнений равны, значит правые равны тоже.

Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.

Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.

Из выведенных формул мы можем получить выражение, которое показывает зависимость давления газа от концентрации молекул и температуры

Из этой зависимости вытекает, что при одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул у всех газов одна и та же. Отсюда следует закон Авогадро, известный нам из курса химии.

Закон Авогадро: в равных объёмах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.

Рассмотрим задачи тренировочного блока урока.

1. При температуре _______ (370C; 2830C; 270C) средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул равна 6,21·10-21Дж.

Дано:

k = 1,38 • 10-23 Дж/К — постоянная Больцмана

t -?

Решение:

Запишем значение средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул с зависимостью от абсолютной температуры:

Отсюда выразим Т:

Соотношение между абсолютной температурой и температурой в градусах Цельсия:

Подставим значение абсолютной температуры:

Правильный вариант ответа:

2. При температуре 290 К и давлении 0,8 МПа, средняя кинетическая энергия молекул равна __________ Дж, а концентрация составляет молекул ___________ м-3.

Дано:

Т = 290К

р = 0,8 МПа =0,8·106 Па

k = 1,38 • 10-23 Дж/К — постоянная Больцмана

Ек -? n — ?

Решение:

Значение средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул:

Подставив значение абсолютной температуры, найдём ответ:

Определим концентрацию газа из соотношения:

Правильный вариант ответа: 6·10-21; 2·1026 м-3.

Движение частиц

Эта идея фокусировки исследуется через:

Противопоставление взглядов студентов и ученых

Ежедневный опыт студентов

На этом уровне студенты должны «объяснять поведение и свойства материалов с точки зрения составляющих их частиц и сил, удерживающих их вместе» (стандарты VELS, уровень 6). Однако тот факт, что учащиеся могут рисовать обычные статические расположения частиц в твердых телах, жидкостях и газах, не означает, что они придерживаются полного представления о материи.Исследования показывают, что многие студенты в этом возрасте и старше все еще придерживаются ряда альтернативных представлений о частицах, которые трудно погасить. Они часто не осознают очень маленький размер частиц, приписывают микроскопическим частицам макроскопические свойства, испытывают трудности с пониманием движения частиц во всех состояниях материи и имеют проблемы с пониманием сил между частицами.

Research: Driver (1987)

Многие студенты, которые понимают, что материя представляет собой твердые частицы, все еще сохраняют прежние взгляды и считают, что частицы могут изменять свою форму (от твердого до жидкого), взрываться, гореть, расширяться, изменять форму и цвет или сжиматься.Студенты визуализируют атомы, молекулы и ионы как маленькие шарообразные объекты (возможно, из-за способа представления информации), и это способствует тому, что они путают свойства частиц с макроскопической природой материалов, из которых они состоят.

Research: Happs (1980)

Эти идеи также рассматриваются в идее фокуса.
Макроскопические и микроскопические свойства.

Студенты часто не понимают динамическую природу частиц; они склонны думать о них как о статичных.Студенты могут верить, что частицы газа движутся медленно, подобно тому, как они наблюдают, когда видят взвешенные частицы пыли в луче света. Случайное движение частиц в жидкостях и газах — трудная для понимания концепция. На вопрос: «Почему частицы газа не падают на дно сосуда?» только около 50% студентов думали, что частицы находятся в постоянном движении. Студенты заявили, что частицы раздвигались (под воздействием тепла, действующего как вещество) при нагревании газов.Когда газы конденсировались в жидкость, многие студенты объясняли это увеличением сил притяжения между частицами.

Исследования: Новик и Нуссбаум (1981)

Студентам часто трудно оценить движение частиц в твердых телах, и это приводит к различным представлениям о замораживании и плавлении. Вот несколько примеров того, как студенты думают о поведении частиц в тающей ледяной глыбе:

Студент 1: «Частицы начинают отламываться друг от друга из-за повышения температуры.Когда они отделяются друг от друга, они превращаются из кристаллической формы в форму раствора ».

Студент 2:« Когда кусок льда вынимается из морозильника, резкое изменение температуры реагирует на частицы, заставляющие их уменьшаются в размерах ».

Scientific view

Атомы невероятно малы, и их невозможно увидеть даже с помощью самого мощного светового микроскопа. Мы используем несколько моделей атомов, чтобы помочь объяснить химические процессы и описать их поведение.

В газах частицы движутся быстро во всех направлениях, часто сталкиваясь друг с другом и стенками контейнера.С повышением температуры частицы приобретают кинетическую энергию и движутся быстрее. Фактическая средняя скорость частиц зависит от их массы, а также от температуры — более тяжелые частицы движутся медленнее, чем более легкие, при той же температуре. Молекулы кислорода и азота в воздухе при нормальной комнатной температуре быстро перемещаются со скоростью от 300 до 400 метров в секунду. В отличие от столкновений между макроскопическими объектами, столкновения между частицами являются совершенно упругими без потери кинетической энергии.Это сильно отличается от большинства других столкновений, когда некоторая кинетическая энергия преобразуется в другие формы, такие как тепло и звук. Совершенно эластичный характер столкновений позволяет частицам газа продолжать отскакивать после каждого столкновения без потери скорости. Частицы по-прежнему подвержены силе тяжести и ударяются о дно контейнера с большей силой, чем о его верх, что придает газу вес. Если бы вертикальное движение молекул газа не замедлялось под действием силы тяжести, атмосфера давно бы покинула Землю.

В жидкостях частицы расположены довольно близко друг к другу и беспорядочно перемещаются по контейнеру. Частицы быстро движутся во всех направлениях, но сталкиваются друг с другом чаще, чем в газах, из-за более коротких расстояний между частицами. С повышением температуры частицы движутся быстрее, поскольку они набирают кинетическую энергию, что приводит к увеличению частоты столкновений и увеличению скорости диффузии.

В твердом теле частицы упаковываются вместе настолько плотно, насколько это возможно, в аккуратном и упорядоченном расположении.Частицы удерживаются вместе слишком сильно, чтобы их можно было перемещать с места на место, но частицы действительно колеблются относительно своего положения в структуре. С повышением температуры частицы приобретают кинетическую энергию и вибрируют быстрее и сильнее.

Сила притяжения в твердых телах не обязательно должна быть сильнее, чем в жидкостях или газах. Например, силы между твердыми частицами гелия (при -270 ° C) все еще очень слабы. Для сравнения, силы между частицами паров железа (требующие очень высоких температур) очень велики.Если вы сравните разные вещества с одинаковой температурой, то средняя кинетическая энергия частиц будет одинаковой (т. Е. Если частицы имеют одинаковую массу, они будут двигаться с одинаковой скоростью), но силы притяжения в твердых телах будут быть больше, чем в жидкостях, которые будут больше, чем в газах. Силы притяжения не ослабевают, когда вещество переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное, скорее, кинетическая энергия частиц увеличивается (что подразумевает более быстрое движение), позволяя им преодолевать силы притяжения.

Критические идеи обучения

  • Вся материя состоит из атомов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть даже с помощью самых мощных световых микроскопов.
  • Частицы во всех состояниях материи находятся в постоянном движении, и это очень быстро при комнатной температуре. Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию и скорость частиц; это не ослабляет силы между ними.
  • Частицы в твердых телах колеблются в фиксированных положениях; даже при очень низких температурах.
  • Отдельные частицы в жидкостях и газах не имеют фиксированного положения и движутся хаотично.
  • Столкновения между частицами отличаются от столкновений между макроскопическими объектами тем, что они совершенно упругие: то есть кинетическая энергия частиц остается постоянной, и во время столкновений энергия не преобразуется в другие формы.

Изучите взаимосвязь между идеями о движении частиц в
Карты развития концепций — (химические реакции, состояния вещества)

Студенты этого уровня неоднократно сталкивались с идеями о частицах (включая атомы, ионы и молекулы), но многие из них сохраняют альтернативные или наивные взгляды на природа частиц, и они могут препятствовать их пониманию.Стремитесь принять стратегии обучения, которые вызывают у учащихся неудовлетворенность их существующими идеями, и продвигать научную концепцию, которая будет правдоподобной, последовательной и полезной в различных ситуациях.

Преподавательская деятельность

Выявление существующих идей студентов

Важно выяснить предыдущие взгляды большинства студентов в начале обучения, чтобы установить их существующее понимание модели частиц материи.

Спросите студентов, что они думают о размере атомов по сравнению с другими мелкими объектами, такими как клетки, бактерии и вирусы.Это можно сделать, попросив их нарисовать их относительный размер в одном масштабе (шкале, где человеческая клетка равна размеру страницы или плаката). Выразите идею о том, что атомы снова стали намного меньше. Поищите другие действия, которые помогут укрепить идею о том, что частицы очень и очень маленькие.

Покажите студентам обычные рисунки частиц в твердых телах, жидкостях и газах и спросите их, движутся ли они и с какой скоростью.

Бросить вызов некоторым существующим идеям

Здесь актуален ряд вопросов, поднятых в основной идее «Сохранение массы», и взвешивание колбы, содержащей небольшое количество ацетона до и после испарения, может быть использовано для проверки идей студентов. о том, что вещество легче в газовом состоянии, и о проблемах со статическими изображениями частиц газа в текстах.Для получения дополнительной информации см .:
Сохранение массы.

Помогите учащимся выработать для себя некоторые «научные» объяснения

С небольшим поощрением класс обычно может решить путем обсуждения, что частицы в газах должны ударяться о дно колбы сильнее, чем о ее верх, и, следовательно, на них действует сила тяжести. Это может быть расширено до объяснения того, почему атмосфера Земли истончается и в конечном итоге прекращается — вертикальное движение частиц вверх прекращается.

Содействовать осмыслению и прояснению существующих идей и побуждать студентов выявлять явления, не объясняемые (в настоящее время представленной) научной моделью или идеей

Поскольку частицы нельзя наблюдать напрямую, большая часть обучения включает поиск очевидных проблем или несоответствий с своего рода статические изображения частиц, данные в предыдущие годы.Предложите студентам определить их и обсудить возможные объяснения. Некоторые подсказки:

  • Что задерживает частицы воздуха?
  • Частицы воздуха движутся быстрее в ветреный день?
  • Каким образом газы могут иметь вес?
  • Почему молекулы воздуха не улетают в космос?

Если необходимо, поднимите подобные вопросы, которые станут предметом обсуждения, но лучше, если учащиеся предложат некоторые из них сами. Обратите внимание, что многие проблемы связаны с газами — для объяснения именно их свойств нам больше всего нужна модель твердых частиц.

Чтобы усилить понятие упругих столкновений, спросите, что произошло бы, если бы столкновения между частицами газа не были упругими. Какие практические последствия были бы для людей? Это можно представить, бросая различные типы мячей (например, футбольный мяч, мяч для настольного тенниса и надувной мяч (из магазинов игрушек)) и объясняя, что надувной мяч ведет себя больше как частицы газа.

Начать обсуждение через общий опыт

Использование таких упражнений, как POE (Predict-Observe-Explain), может помочь учащимся задуматься, а затем подвергнуть сомнению свои существующие идеи.Следующее задание поможет учащимся обдумать свои представления о движении частиц.

Установите две пары колб, каждая из которых соединена клапаном (см. Схемы ниже). Обе пары содержат коричневый диоксид азота в левой колбе.

Эксперименты POE (прогнозировать-наблюдать-объяснять)

У первой пары также есть воздух в правой колбе. Студентов просят предсказать, что произойдет, когда клапан между двумя колбами откроется.Коричневый цвет будет очень медленно распространяться от одной колбы к другой, потому что частицы часто сталкиваются с частицами воздуха.

Вторая пара колб имеет коричневый газ в левой колбе, но правая колба полностью откачана. Студентов снова просят предсказать, что произойдет, когда клапан откроется. Очень высокая скорость молекул означает, что они очень быстро наполняют откачанную колбу.

Эксперименты по диффузии могут укрепить идею движения частиц.Их также можно использовать как POE.

Например:

  • кристалл сульфата меди помещают в агаровый гель; синий цвет медленно распространяется через гель.
  • Кристалл перманганата калия помещают в стакан и медленно добавляют воду. Смотрите изображение. В качестве альтернативы к раствору перманганата калия в бюретке очень медленно добавляют воду.

Броуновское движение также можно наблюдать с помощью стереомикроскопов, когда порошок серы или камфора разбрызгивается на поверхность воды или этанола.

Практикуйтесь в использовании и создайте воспринимаемую полезность научной модели или идеи

Кусок ваты, пропитанный аммиаком, помещается на один конец длинной стеклянной трубки, а другой, пропитанный соляной кислотой (HCl), помещается на другой конец . В конце концов, на стыке двух газов образуется белое кольцо. Два газа имеют одинаковую температуру и, следовательно, частицы имеют одинаковую кинетическую энергию; кольцо образуется ближе к источнику более тяжелой и, следовательно, более медленно движущейся HCl.Это предсказывается сравнением относительных молекулярных масс. Наличие в трубке полоски универсальной индикаторной бумаги позволяет отслеживать диффузию газа. Это пример POE, где полезно привлечь внимание студентов к соответствующему разделу науки, прежде чем они сделают свой прогноз, поскольку он создает полезность для концепции относительной молекулярной массы (значений Mr).

Студентам должна быть предоставлена ​​возможность использовать научные концепции теории частиц в других условиях.Попросите учащихся понаблюдать, а затем объяснить изменения с точки зрения движения частиц в таких сценариях, как плавление воска или пластика, исчезновение нафталина в шкафу и запах духов, распространяющийся по комнате.

3.10: Температура — случайное движение молекул и атомов

Цели обучения

  • Определите разницу между температурой и теплом.
  • Распознавать различные шкалы, используемые для измерения температуры

Понятие температуры может показаться вам знакомым, но многие люди путают температуру с теплом. Температура — это мера того, насколько горячий или холодный объект относительно другого объекта (его содержание тепловой энергии), тогда как тепло — это поток тепловой энергии между объектами с разными температурами. Температура — это мера средней кинетической энергии частиц в веществе. В повседневном использовании температура указывает на то, насколько горячий или холодный объект. Температура — важный параметр в химии. Когда вещество превращается из твердого в жидкое, это происходит из-за повышения температуры материала.Химические реакции обычно протекают быстрее при повышении температуры. Многие нестабильные материалы (например, ферменты) сохранят свою жизнеспособность дольше при более низких температурах.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Светящийся уголь слева представляет высокую кинетическую энергию, в то время как снег и лед справа имеют гораздо более низкую кинетическую энергию.

Для измерения температуры обычно используются три различных шкалы: Фаренгейта (выражается в ° F), Цельсия (° C) и Кельвина (K). Термометры измеряют температуру с помощью материалов, которые расширяются или сжимаются при нагревании или охлаждении.Например, ртутные или спиртовые термометры имеют резервуар с жидкостью, который расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, поэтому столб жидкости удлиняется или укорачивается при изменении температуры жидкости.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Даниэль Габриэль Фаренгейт (слева), Андерс Цельсий (в центре) и лорд Кельвин (справа).

Шкала Фаренгейта

Первые термометры были стеклянными и содержали спирт, который расширялся и сжимался при изменении температуры. Немецкий ученый Даниэль Габриэль Фаренгейт использовал ртуть в трубке — идею, выдвинутую Исмаэлем Бульо.\ text {o} \ text {C} \) соответственно. Расстояние между этими двумя точками делится на 100 равных интервалов, каждый из которых составляет один градус. Другой термин, который иногда используется для шкалы Цельсия, — это «градус по Цельсию», потому что на этой шкале существует 100 градусов между точками замерзания и кипения воды. Однако предпочтительным термином является «Цельсий».

Шкала Кельвина

Температурная шкала Кельвина названа в честь шотландского физика и математика лорда Кельвина (1824–1907). Он основан на молекулярном движении, а температура \ (0 \: \ text {K} \), также известная как абсолютный ноль, является точкой, в которой все молекулярное движение прекращается.Температура замерзания воды по шкале Кельвина равна \ (273.15 \: \ text {K} \), а точка кипения — \ (373.15 \: \ text {K} \). Обратите внимание, что в обозначении температуры не используется «градус». В отличие от шкал Фаренгейта и Цельсия, где температура обозначается как «градус \ (\ text {F} \)» или «градус \ (\ text {C} \)», мы просто обозначаем температуру по шкале Кельвина как кельвин.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): сравнение температурных шкал по Фаренгейту, Цельсию и Кельвину. Поскольку разница между температурой замерзания воды и температурой кипения воды составляет 100 ° по шкале Цельсия и Кельвина, величина градуса Цельсия (° C) и градуса Кельвина (K) абсолютно одинаковы.Напротив, и градус Цельсия, и кельвин составляют 9/5 градуса Фаренгейта (° F). (CC BY-SA-NC 3.0; анонимно)

Преобразование между весами

Кельвин имеет тот же размер, что и градус Цельсия, поэтому измерения легко переводятся из одного в другое. Температура замерзания воды 0 ° C = 273,15 K; температура кипения воды составляет 100 ° C = 373,15 K. Шкалы Кельвина и Цельсия связаны следующим образом:

\ [T \, \ text {(в ° C)} + 273,15 = T \, \ text {(в K)} \ tag {3.10.1} \ label {3.10.1} \]

\ [Т \; \ text {(в K)} — 273,15 = T \; \ text {(в ° C)} \ tag {3.10.2} \ label {3.10.2} \]

градуса по шкале Фаренгейта, однако, основаны на английской традиции использования 12 делений, так же как 1 фут = 12 дюймов. Соотношение между градусами Фаренгейта и градусами Цельсия следующее: где коэффициент для градусов Фаренгейта является точным. (В некоторых калькуляторах есть функция, которая позволяет напрямую переводить между ° F и ° C.) Существует только одна температура, для которой числовое значение одинаково на шкале Фаренгейта и Цельсия: -40 ° C = -40 ° F .Соотношение между весами следующее:

\ [° C = \ dfrac {(° F-32)} {1.8} \ tag {3.10.3} \ label {3.10.3} \]

\ [° F = 1,8 \ times (° C) +32 \ tag {3.10.4} \ label {3.10.4} \]

Пример \ (\ PageIndex {1} \): преобразование температуры

Учащийся заболел с температурой 103,5 ° F. Какая у нее температура в ° C и K?

Решение

Преобразование Фаренгейта в Цельсия требует использования уравнения \ ref {3.10.3}:

\ [\ begin {align} ° C & = \ dfrac {(103.5 ° F — 32)} {1.8} \\ & = 39.7 \, ° C \ end {align} \]

Преобразование из Цельсия в Кельвин требует использования уравнения \ ref {3.10.1}:

\ [\ begin {align} K & = 39,7 \, ° C + 273,15 \\ & = 312,9 \, K \ end {align} \]

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

Преобразует каждую температуру в ° C и ° F.

  1. температура поверхности Солнца (5800 К)
  2. точка кипения золота (3080 К)
  3. точка кипения жидкого азота (77.36 К)
Ответ (а)
5527 К, 9980 ° F
Ответ (б)
2807 К, 5084 ° F
Ответ (c)
-195,79 К, -320,42 ° F

Сводка

Для измерения температуры обычно используются три различных шкалы: Фаренгейта (выражается в ° F), Цельсия (° C) и Кельвина (K).

Авторы и авторства

Эта страница была создана на основе содержимого следующими участниками и отредактирована (тематически или всесторонне) командой разработчиков LibreTexts в соответствии со стилем, представлением и качеством платформы:

движущихся молекул — кинетическая молекулярная теория тепла

Назначение

Цель этой лабораторной работы — определить взаимосвязь между температурой и скоростью молекул в жидкости.

Ключевые научные темы

  • Кинетическая молекулярная теория тепла
  • Преобразование температурной шкалы
  • Зависимость тепла от температуры

Уровень оценки

  • Физические науки, 6-9 классы

Предварительные знания учащегося

  • Студенты должны уметь определять кинетическую молекулярную теорию тепла.
  • Студенты должны знать, как переводить градусы Цельсия, Фаренгейта и Кельвина.
  • Студенты должны знать разницу между жарой и температурой.

Материалы

В каждой лабораторной группе должно быть следующее:

  • Три стакана с маркировкой A, B и C
  • Один цвет пищевого красителя
  • Цветной карандаш или мелок, соответствующий цвету пищевого красителя
  • Горячая вода
  • Вода со льдом, не допускайте попадания льда в мензурки.
  • Вода комнатной температуры
  • Таймер

Ресурсы

Справочная информация

Нагрев и температура

Тепло и температура связаны, но не одно и то же. Тепло — это другое название для тепловой энергии , энергии, содержащейся в колебаниях атомов и молекул. Количество тепла в веществе — это полных колебательной энергии всех атомов и молекул, составляющих вещество.Даже вещества, которые мы считаем ледяными, например лед, имеют много тепла.

Поставьте кастрюлю с водой на плиту, включите конфорку и наблюдайте за ней. Вы добавляете тепло, поэтому общая вибрационная энергия воды возрастает.

Так что же такое температура?

Температура — это не энергии, а скорее , среднее значение тепла в веществе или количество тепла на молекулу .

Наполните ванну водой и налейте немного чашки.И ванна, и чашка теперь содержат воду одинаковой температуры. Но поскольку ванна содержит намного больше воды , она также содержит намного больше тепла !

Почему температура имеет значение?

Температура говорит нам, как тепло течет . Если мы возьмем два объекта любого размера с разной температурой и поместим их в контакт друг с другом, тепло будет перетекать от одного с более высокой температурой к другому с более низкой температурой.Количество тепла не меняется, но меняется его распределение, поскольку энергия передается от более теплого объекта к более холодному.

Чтобы охладить стакан теплой воды, добавьте лед. Стакан теплой воды начинается с хорошего тепла. Лед также обладает теплом, хотя и не таким большим, как жидкая вода, поэтому добавление льда фактически увеличивает количество тепла в стакане на . После добавления льда количество тепла в стакане остается неизменным. В этот момент разница температур между теплой водой и холодным льдом требует, чтобы тепло перетекало из воды в лед.Удаление тепла из воды приводит к падению ее температуры на , в то время как нагревание льда приводит к повышению температуры на . Этот поток тепла продолжается до тех пор, пока лед не тает и не смешается с водой. В результате получается стакан воды, который становится холоднее и полнее, чем был до того, как мы добавили лед.

Фото: Д. Френч

Хотя молекулы воды слишком малы, чтобы их можно было увидеть, мы можем обнаружить и измерить их движение.В этой лаборатории пищевой краситель будет использоваться в качестве «детектора движения молекул». Студенты поместят каплю пищевого красителя в три стакана с водой разной температуры. Студенты будут наблюдать за движением пищевого красителя и делать выводы о движении молекул.

Внимание: Ученики захотят взглянуть на ленты пищевого красителя. Подчеркните, что они хотят, чтобы чистая вода приобрела легкий оттенок цвета. На фото показаны ленты пищевого красителя, а также оттенок цвета, который ищут студенты.Ученики должны остановить таймер, когда они видят область, похожую на область, обведенную кружком. На рисунках учащихся должны быть изображены ленты пищевого красителя, а также область, которая сначала меняет цвет.

Резюме

Тепло — это энергия, которой обладает объект из-за движения его атомов и молекул, которые непрерывно покачиваются и перемещаются, ударяясь друг о друга и других объектах. Когда мы добавляем энергию к объекту, его атомы и молекулы движутся быстрее, увеличивая его энергию движения или тепла.Даже очень холодные объекты обладают некоторой тепловой энергией, потому что их атомы все еще движутся.

Предложений:

Чтобы начать лабораторную работу, я прошу студентов записать температуру воды комнатной температуры и начать запись данных для этого стакана. Пока студенты записывают данные, я хожу по комнате и наливаю холодную воду в мензурки каждой группы. Делая это, я нагреваю воду в лабораторной микроволновой печи. Температура воды должна быть выше комнатной, но не настолько, чтобы вызвать травму.Я также проделал эту лабораторную работу, когда преподавал в классе математики, и у меня под рукой была кофеварка, чтобы нагреть воду. Если у вас не хватает стеклянных стаканов для каждой группы, убедитесь, что стакан с горячей водой стеклянный, а остальное можно сделать из пластика.

Общие основные стандарты

Вставьте сюда применимые общие базовые стандарты.

Стандарты науки нового поколения

Вставьте сюда применимый NGSS.

Температура и движение частиц — tec-science

Чем выше температура вещества, тем больше кинетическая энергия частиц!

Температура

Если вещество нагревается и, таким образом, его температура повышается все больше и больше, можно видеть, что содержащиеся в нем частицы движутся все быстрее — будь то относительно свободное движение частиц в газах или колебания вокруг положения покоя в твердых телах.

Анимация: Влияние температуры на движение частиц и тепловое расширение

Таким образом, температуру вещества можно рассматривать как меру скорости содержащихся в нем частиц. При более высокой температуре и, следовательно, более высокой скорости частиц кинетическая энергия частиц также увеличивается. Следовательно, применяется следующее заявление:

Чем выше температура вещества, тем больше кинетическая энергия частиц!

Анимация: Влияние температуры на движение частиц и тепловое расширение

Более подробную информацию о связи между температурой и движением частиц, особенно для газов, можно найти в статье «Кинетическая теория газов».

Обратите внимание, что движение частиц в контексте температуры всегда является случайным движением! Температура куба, показанного на приведенной выше анимации, не увеличилась бы, если бы он двигался с высокой скоростью, а отдельные частицы должны были быть быстрее. Это потому, что это больше не случайное движение отдельных частиц. Скорее, случайное движение частиц накладывается на направленное движение куба. Такие направленные движения не влияют на случайное движение частиц внутри материала и, следовательно, на температуру.

Температура — это мера «ненаправленной» кинетической энергии частицы в веществе!

Тепловое расширение

Чем выше температура, тем выше скорость частиц и тем больше пространство, занимаемое частицами. В результате вещества обычно расширяются при повышении температуры. И наоборот, это означает, что вещество обычно сжимается при охлаждении. Результирующее уменьшение громкости связано с увеличением плотности (см. Также анимацию в предыдущем разделе).

Рисунок: Влияние температуры на движение частиц и тепловое расширение

Явление, при котором вещества обычно расширяются при нагревании, также известно как тепловое расширение . Этот эффект используется, например, в стеклянных жидкостных термометрах для измерения температуры.

При повышении температуры объем веществ обычно увеличивается из-за увеличения пространства, занимаемого частицами!

Обратите внимание, что температура в конечном итоге является макроскопической величиной (т.е.е. ее можно измерить макроскопически), в то время как скорость частиц можно наблюдать только в микроскопическом масштабе. Тем не менее, обе величины связаны! Для получения дополнительной информации см. Статью «Распределение Максвелла-Больцмана » .

Сводка

В следующей таблице приведены свойства частиц в различных состояниях материи.

09 средняя скорость

энергия

частицы

состояние вещества твердое тело жидкое газ
температура низкая
частица

средняя

средний высокий
кинетическая энергия
частиц
низкий средний высокий
занятый объем
*
низкий средний высокая

высокая высокий средний низкий
(идеальный: нет)

*) Примечание: с некоторыми веществами, такими как e.грамм. воды, так называемое отрицательное тепловое расширение (NTE) происходит в определенном диапазоне температур, что приводит к увеличению объема, несмотря на падение температуры. Подробнее об этом читайте в статье Аномалия плотности воды.

Броуновское движение и диффузия

Поскольку каждому веществу может быть присвоена определенная температура, молекулы, содержащиеся в нем, очевидно, находятся в постоянном движении. Это (случайное) тепловое движение частиц из-за температуры также называется броуновским движением .Броуновское движение можно наблюдать косвенно, если аккуратно поместить открытый стакан с чернилами в воду.

Рисунок: Стакан чернил в воде для демонстрации движения броуновской частицы Анимация: Стакан чернил в воде для демонстрации движения броуновской частицы

Даже если вода и чернила макроскопически полностью покоятся, через некоторое время можно заметить смешивание воды с водой. чернила. Причина этого — броуновское движение частиц, которое заставляет молекулы воды (показаны красным) и молекулы чернил (показаны синим) из-за постоянных столкновений.Различия в концентрации постепенно уравновешиваются. Такое смешение разных веществ также называется диффузией .

Рисунок: Иллюстрация движения броуновской частицы с шариками Анимация: Иллюстрация движения броуновской частицы с шариками

Диффузия означает смешивание веществ из-за броуновского движения (стремление к диффузионному равновесию)!

Чем выше температура, тем быстрее будет диффузия, потому что тем сильнее движение молекул и, следовательно, «перемешивание».

Подобно тому, как смешение различных газов или жидкостей можно отнести к броуновскому движению, движение частиц также можно наблюдать в твердых телах. Хотя частицы в твердых телах обычно связаны с определенным местом силами электростатического притяжения, они более или менее сильно колеблются вокруг своего положения покоя, в зависимости от температуры. Из-за этих колебаний частиц (показаны красным) посторонние частицы (показаны синим) могут перемещаться через атомную структуру.Частицы, так сказать, «проталкиваются» через атомную структуру.

Рисунок: Диффузия в твердых телах Анимация: Диффузия в твердых телах

При повышении температуры колебания решетки увеличиваются, и расстояния между колеблющимися частицами также увеличиваются. Это позволяет диффундирующим частицам лучше перемещаться по структуре решетки. Снова применяется: чем выше температура, тем быстрее процессы диффузии!

Диффузия — это процесс с регулируемой температурой, т.е. чем выше температура, тем быстрее диффузия!

Кинетическая теория: атомное и молекулярное объяснение давления и температуры

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Выразите закон идеального газа через молекулярную массу и скорость.
  • Определите тепловую энергию.
  • Рассчитайте кинетическую энергию молекулы газа с учетом ее температуры.
  • Опишите взаимосвязь между температурой газа и кинетической энергией атомов и молекул.
  • Опишите распределение скоростей молекул в газе.

Мы разработали макроскопические определения давления и температуры. Давление — это сила, деленная на площадь, на которую действует сила, а температура измеряется термометром.Мы получаем лучшее понимание давления и температуры из кинетической теории газов, которая предполагает, что атомы и молекулы находятся в непрерывном беспорядочном движении.

Рис. 1. Когда молекула сталкивается с жесткой стенкой, составляющая ее импульса, перпендикулярная стенке, меняется на противоположную. Таким образом, на стену действует сила, создающая давление.

На рисунке 1 показано упругое столкновение молекулы газа со стенкой контейнера, так что она оказывает на стенку силу (в соответствии с третьим законом Ньютона).Поскольку огромное количество молекул столкнется со стенкой за короткое время, мы наблюдаем среднюю силу на единицу площади. Эти столкновения являются источником давления в газе. По мере увеличения количества молекул увеличивается количество столкновений и, следовательно, давление. 2} \\ [/ латекс] является средним квадратом молекулярной скорости.2}} = NkT \\ [/ latex].

Установление связей: большие и малые вещи — атомное и молекулярное происхождение давления в газе

Рис. 2. Газ в ящике оказывает внешнее давление на его стенки. Молекула, сталкивающаяся с жесткой стенкой, меняет направление своей скорости и импульса в x-направлении. Это направление перпендикулярно стене. Компоненты его скорости движения в направлениях y и z не изменяются, что означает отсутствие силы, параллельной стенке.

На рис. 2 показан ящик, заполненный газом.Из наших предыдущих обсуждений мы знаем, что добавление большего количества газа в ящик создает большее давление, и что повышение температуры газа также создает большее давление. Но почему повышение температуры газа должно увеличивать давление в коробке? Взгляд на атомный и молекулярный масштаб дает нам некоторые ответы и альтернативное выражение для закона идеального газа.

На рисунке показан увеличенный вид упругого удара молекулы газа о стенку емкости.Расчет средней силы, действующей на такие молекулы, приведет нас к закону идеального газа и к связи между температурой и молекулярной кинетической энергией. Мы предполагаем, что молекула мала по сравнению с разделением молекул в газе, и что ее взаимодействием с другими молекулами можно пренебречь. Мы также предполагаем, что стенка жесткая и что направление молекулы меняется, но ее скорость остается постоянной (и, следовательно, ее кинетическая энергия и величина ее количества движения также остаются постоянными).Это предположение не всегда верно, но тот же результат получается при более подробном описании обмена энергии и импульса молекулы со стенкой.

Если скорость молекулы изменяется в направлении x , ее импульс изменяется с — мв x на + мв x . Таким образом, его изменение импульса составляет Δ mv = + mv x — ( −mv x ) = 2 mv x .Сила, действующая на молекулу, определяется выражением [латекс] F = \ frac {\ Delta {p}} {\ Delta {t}} = \ frac {2mv_x} {\ Delta {t}} \\ [/ latex].

Между стенкой и молекулой нет силы, пока молекула не ударяется о стенку. За короткое время столкновения сила между молекулой и стенкой относительно велика. Ищем среднюю силу; примем Δ t за среднее время между столкновениями молекулы с этой стенкой. Это время, которое потребуется молекуле, чтобы пройти через коробку и обратно (расстояние 2 l ) со скоростью v x .2}} = v _ {\ text {rms}} = \ sqrt {\ frac {3kT} {m}} \\ [/ latex]

, где v rms обозначает среднеквадратичную (среднеквадратичную) скорость.

Пример 1. Расчет кинетической энергии и скорости молекулы газа

  1. Какова средняя кинетическая энергия молекулы газа при 20,0ºC (комнатная температура)?
  2. Найдите среднеквадратичную скорость молекулы азота (N 2 ) при этой температуре.
Стратегия для части 1

В уравнении для средней кинетической энергии известна температура.2} = \ frac {3} {2} kT \\ [/ latex]

Перед тем, как подставлять значения в это уравнение, мы должны преобразовать заданную температуру в градусы Кельвина. {- 23} \ text {J / K} \ right) \ left (293 \ text {K} \ right) = 6.{-26} \ text {kg}}} = 511 \ text {m / s} \\ [/ latex]

Обсуждение

Обратите внимание, что средняя кинетическая энергия молекулы не зависит от типа молекулы. Средняя поступательная кинетическая энергия зависит только от абсолютной температуры. Кинетическая энергия очень мала по сравнению с макроскопической энергией, поэтому мы не чувствуем, когда молекула воздуха ударяется о нашу кожу. Среднеквадратичная скорость молекулы азота удивительно велика. Эти большие скорости молекул не приводят к макроскопическому движению воздуха, поскольку молекулы движутся во всех направлениях с равной вероятностью.Длина свободного пробега (расстояние, на которое молекула может двигаться в среднем между столкновениями) молекул в воздухе очень мала, поэтому молекулы движутся быстро, но не уходят очень далеко за секунду. Однако высокое значение среднеквадратичной скорости отражается на скорости звука, которая составляет около 340 м / с при комнатной температуре. Чем выше среднеквадратичная скорость молекул воздуха, тем быстрее звуковые колебания могут передаваться по воздуху. Скорость звука увеличивается с температурой и больше в газах с малой молекулярной массой, таких как гелий.(См. Рисунок 3.)

Рис. 3. (a) В обычном газе есть много молекул, движущихся с такой скоростью, что они сталкиваются миллиард раз в секунду. (б) Отдельные молекулы не перемещаются очень далеко за небольшой промежуток времени, но возмущения, подобные звуковым волнам, передаются со скоростью, зависящей от молекулярных скоростей.

Установление соединений: историческая справка — кинетическая теория газов

Кинетическая теория газов была разработана Даниэлем Бернулли (1700–1782), наиболее известным в физике своими работами по течению жидкости (гидродинамика).Работа Бернулли предшествовала атомистическому взгляду на материю, установленному Дальтоном.

Распределение молекулярных скоростей

Движение молекул в газе является случайным по величине и направлению для отдельных молекул, но газ, состоящий из многих молекул, имеет предсказуемое распределение молекулярных скоростей. Это распределение называется распределением Максвелла-Больцмана в честь его создателей, которые рассчитали его на основе кинетической теории и с тех пор подтверждены экспериментально.(См. Рис. 4.) Распределение имеет длинный хвост, потому что некоторые молекулы могут двигаться в несколько раз быстрее среднеквадратичной скорости. Наиболее вероятная скорость v p меньше действующей скорости v rms . На рисунке 5 показано, что кривая смещается в сторону более высоких скоростей при более высоких температурах с более широким диапазоном скоростей.

Рис. 4. Распределение Максвелла-Больцмана молекулярных скоростей в идеальном газе. Скорее всего, скорость vp меньше среднеквадратичной скорости vrms. Хотя возможны очень высокие скорости, только небольшая часть молекул имеет скорости на порядок больше, чем vrms.

Распределение тепловых скоростей сильно зависит от температуры. При повышении температуры скорости сдвигаются в сторону более высоких значений, а распределение расширяется.

Рис. 5. Распределение Максвелла-Больцмана смещается в сторону более высоких скоростей и расширяется при более высоких температурах.

Какое значение имеет изменение распределения с температурой, показанное на рисунке 5, для людей? При прочих равных условиях, если у человека лихорадка, он, вероятно, потеряет больше молекул воды, особенно из подкладки вдоль влажных полостей, таких как легкие и рот, создавая ощущение сухости во рту.

Пример 2. Расчет температуры: скорость убегания атомов гелия

Чтобы избежать гравитации Земли, объект в верхней части атмосферы (на высоте 100 км) должен улететь от Земли со скоростью 11,1 км / с. Эта скорость называется второй скоростью . При какой температуре атомы гелия будут иметь среднеквадратичную скорость, равную скорости убегания?

Стратегия

Определите известные и неизвестные и определите, какие уравнения использовать для решения проблемы.

Решение

Определите известные: v — космическая скорость, 11,1 км / с. 2}} {3k} \\ [/ latex], где k — постоянная Больцмана, а m — масса атома гелия.4 \ text {K} \\ [/ latex]

Обсуждение

Рис. 6. Эта фотография командира корабля «Аполлон-17» Юджина Сернана, управляющего луноходом по Луне в 1972 году, выглядит так, как если бы она была сделана ночью с помощью большого прожектора. На самом деле свет исходит от Солнца. Поскольку ускорение свободного падения на Луне настолько низкое (примерно 1/6 от земного), космическая скорость Луны намного меньше. В результате молекулы газа очень легко убегают с Луны, практически не оставляя на ней атмосферы.Даже днем ​​небо черное, потому что нет газа, рассеивающего солнечный свет. (Источник: Харрисон Х. Шмитт / НАСА)

Эта температура намного выше, чем температура окружающей среды, которая составляет приблизительно 250 K ( 25ºC или 10ºF) на большой высоте. В атмосфере осталось очень мало атомов гелия, но их было много, когда атмосфера была сформирована. Причина потери атомов гелия заключается в том, что существует небольшое количество атомов гелия со скоростями, превышающими космическую скорость Земли даже при нормальных температурах.Скорость атома гелия меняется от одного момента к другому, так что в любой момент есть небольшой, но ненулевой шанс, что скорость больше, чем скорость убегания, и молекула ускользнет от гравитационного притяжения Земли. Более тяжелые молекулы, такие как кислород, азот и вода (очень немногие из которых достигают очень большой высоты), имеют меньшую среднеквадратичную скорость, поэтому гораздо менее вероятно, что какая-либо из них будет иметь скорости, превышающие скорость убегания.

На самом деле, очень немногие из них имеют скорости выше космической, что требуются миллиарды лет, чтобы потерять значительное количество атмосферы.На рисунке 6 показано влияние отсутствия атмосферы на Луне. Поскольку гравитационное притяжение Луны намного слабее, она потеряла почти всю свою атмосферу. Сравнение Земли и Луны обсуждается в задачах и упражнениях этой главы.

Проверьте свое понимание

Если вы рассмотрите очень маленький объект, такой как крупинка пыльцы, в газе, то количество атомов и молекул, ударяющихся о его поверхность, также будет относительно небольшим. Будет ли пыльца испытывать колебания давления из-за статистических колебаний количества атомов и молекул газа, ударяющихся о нее за заданный промежуток времени?

Решение

Да.Такие флуктуации на самом деле происходят для тела любого размера в газе, но поскольку количество атомов и молекул для макроскопических тел огромно, флуктуации составляют крошечный процент от количества столкновений, а средние значения, о которых говорится в этом разделе, меняются незаметно. . Грубо говоря, флуктуации пропорциональны корню, обратному квадратному из числа столкновений, поэтому для малых тел они могут стать значительными. Это действительно наблюдалось в 19 веке для пыльцевых зерен в воде и известно как броуновский эффект.

Исследование PhET: свойства газа

Закачивайте молекулы газа в ящик и смотрите, что происходит, когда вы изменяете объем, добавляете или убираете тепло, меняете гравитацию и многое другое. Измерьте температуру и давление и узнайте, как свойства газа меняются по отношению друг к другу.

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

  • Кинетическая теория — это атомистическое описание газов, а также жидкостей и твердых тел.{2}}} = {v} _ {\ text {rms}} = \ sqrt {\ frac {3 \ text {kT}} {m}} \\ [/ latex].
  • Движение отдельных молекул в газе является случайным по величине и направлению. Однако газ, состоящий из многих молекул, имеет предсказуемое распределение молекулярных скоростей, известное как распределение Максвелла-Больцмана .

Концептуальные вопросы

  1. Как импульс связан с давлением газа? Объясните на атомном и молекулярном уровне, учитывая поведение атомов и молекул.

Задачи и упражнения

  1. Некоторые лампы накаливания заправлены аргоном. Что составляет v среднеквадратичное значение для атомов аргона вблизи нити, если их температура равна 2500 K?
  2. Средние атомные и молекулярные скорости ( v rms ) велики даже при низких температурах. Что такое v среднеквадратичное значение для атомов гелия при 5,00 К, что всего на один градус выше температуры сжижения гелия?
  3. (a) Какова средняя кинетическая энергия в джоулях атомов водорода на поверхности Солнца при температуре 5500 ° C? (б) Какова средняя кинетическая энергия атомов гелия в области солнечной короны, где температура равна 6 ° C.00 × 10 5 К?
  4. Космическая скорость любого объекта с Земли составляет 11,2 км / с. (a) Выразите эту скорость в м / с и км / ч. (b) При какой температуре молекулы кислорода (молекулярная масса равна 32,0 г / моль) имели бы среднюю скорость v rms , равную космической скорости Земли 11,1 км / с?
  5. Космическая скорость с Луны намного меньше, чем с Земли, и составляет всего 2,38 км / с. При какой температуре прошли бы молекулы водорода (молекулярная масса равна 2.016 г / моль) имеют среднюю скорость v rms , равную космической скорости Луны?
  6. Ядерный синтез, источник энергии Солнца, водородных бомб и термоядерных реакторов, происходит гораздо легче, когда средняя кинетическая энергия атомов высока, то есть при высоких температурах. Предположим, вы хотите, чтобы атомы в вашем термоядерном эксперименте имели среднюю кинетическую энергию 6,40 × 10 −14 Дж. Какая температура необходима?
  7. Предположим, что средняя скорость ( v rms ) молекул углекислого газа (молекулярная масса равна 44.0 г / моль) в пламени составляет 1,05 × 10 5 м / с. Какую температуру это представляет?
  8. Молекулы водорода (молекулярная масса равна 2,016 г / моль) имеют среднюю скорость v rms , равную 193 м / с. Какая температура?
  9. Большая часть газа около Солнца состоит из атомарного водорода. Его температура должна быть 1,5 × 10 7 K, чтобы средняя скорость v среднеквадратичного значения равнялась скорости убегания от Солнца. Что это за скорость?
  10. Есть два важных изотопа урана — 235 U и 238 U; эти изотопы почти идентичны химически, но имеют разные атомные массы.Только 235 U очень полезен в ядерных реакторах. Один из методов их разделения (диффузия газа) основан на различных средних скоростях v rms газообразного гексафторида урана, UF 6 . (а) Молекулярные массы для 235 U UF 6 и 238 U UF 6 составляют 349,0 г / моль и 352,0 г / моль, соответственно. Каково соотношение их средних скоростей? (б) При какой температуре их средние скорости отличаются на 1.00 м / с? (c) Означают ли ваши ответы на эту проблему, что этот метод может быть трудным?

Глоссарий

тепловая энергия: [латекс] \ overline {\ text {KE}} \\ [/ latex], средняя поступательная кинетическая энергия молекулы

Избранные решения проблем и упражнения

1. 1,25 × 10 3 м / с

3. (а) 1.20 × 10 −19 Дж; (б) 1.24 × 10 −17 Дж

5. 458 К

7. 1.95 × 10 7 К

9.6,09 × 10 5 м / с

Температура и энергия | Энергетические основы химии в старших классах

Крис

Ах, скромный градусник. Хотим ли мы знать, приготовлена ​​ли наша праздничная индейка или нам нужно конкретное доказательство того, что мы слишком больны, чтобы ходить в школу, термометр — это точный научный инструмент, который нам нужен. Но что именно измеряет градусник? Другими словами, что такое температура на самом деле?

Бриттни

Вещество состоит из атомов и молекул, будь то твердое тело, жидкость или газ.Эти частицы постоянно находятся в движении. Они сталкиваются друг с другом и со стенками всего, в чем они заключены. Мы количественно оцениваем движение частиц по их кинетической энергии.

В химии мы определяем температуру вещества как среднюю кинетическую энергию всех атомов или молекул этого вещества.

Не все частицы вещества имеют одинаковую кинетическую энергию. В любой момент времени кинетическая энергия частиц может быть представлена ​​распределением.Некоторые атомы или молекулы обладают большой кинетической энергией и очень быстро движутся. Другие атомы или молекулы обладают небольшой кинетической энергией и движутся очень медленно. Это средняя кинетическая энергия частиц, которую измеряют термометры и мы записываем как температуру.

Одним из процессов, который особенно хорошо иллюстрирует изменение кинетической энергии, является испарение. Как вы, наверное, знаете, испарение — это фазовый переход, при котором частицы вещества переходят из жидкой фазы в газовую.

Но вы когда-нибудь задумывались, как лужа воды может испариться при комнатной температуре ? Имейте это в виду — мы вернемся к этому вопросу чуть позже.

Крис

Когда мы думаем о фазовом переходе от жидкости к газу, мы часто думаем о добавлении тепловой энергии к жидкости путем ее нагрева. Когда мы это делаем, молекулы жидкости движутся быстрее и расходятся немного дальше друг от друга, пока не приобретут достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение, которое они испытывают к другим молекулам жидкости, и перейти в газовую фазу.

Подумайте об этом: если бы кто-нибудь попросил вас превратить стакан, полный воды, в водяной пар, что бы вы сделали?

Будучи блестящим молодым ученым, вы можете поставить его на горячую плиту и разжечь огонь.Теперь вы можете расслабиться и расслабиться, пока горячая плита не передаст достаточно энергии, чтобы заставить все молекулы воды перейти из жидкой фазы в газовую. Говоря менее научным языком, вы бы вскипятили воду.

Кипение — это особый пример фазового перехода из жидкости в газ, который происходит при определенной температуре, называемой точкой кипения, где давление пара вещества равно давлению в одну атмосферу. Кипячение обычно осуществляется с использованием постоянного ввода энергии от внешнего источника (например, горячей плиты) для поддержания постоянной температуры.

Очевидный вывод таков: если вы постоянно добавляете тепловую энергию от горячей плиты, вы можете вызвать фазовый переход от жидкости к газу.

Но как лужа воды может испариться при комнатной температуре ?

Когда вода испаряется при комнатной температуре, некоторые быстро движущиеся высокоэнергетические молекулы обладают достаточной энергией, чтобы преодолеть притяжение отдельных молекул друг к другу и перейти в газовую фазу. Когда эти высокоэнергетические молекулы покидают жидкую фазу, средняя энергия оставшихся жидких молекул понижается, а их температура понижается.Эта жидкость имеет более низкую энергию, чем ее окружение, поэтому она поглощает энергию из этого окружения. Цикл продолжается, лужа медленно исчезает.

Кипение — более быстрый процесс, потому что окружающая среда (горячая плита) нагревает жидкость до более высокой температуры, при которой большее количество молекул имеет высокую энергию, поэтому испарение происходит быстрее. Горячая пластина горячее жидкости, поэтому передача тепловой энергии происходит достаточно быстро, чтобы поддерживать постоянную температуру жидкости на уровне температуры кипения.

Испарение может происходить при любой температуре , потому что некоторые молекулы в жидкости — те, что находятся на верхнем конце распределения — всегда будут иметь достаточно энергии для перехода в газовую фазу.Крис

Итак, температура представляет собой среднюю кинетическую энергию частиц вещества. Но именно разброс кинетических энергий между отдельными частицами объясняет, почему лужи высыхают.

Разница между горячими и холодными молекулами

Обновлено 30 марта 2020 г.

Кевин Бек

Проверено: Lana Bandoim, B.S.

Каждый чувствует разницу между «горячим» и «холодным», по крайней мере, в относительной шкале, такой как температура.Если вы поместите литр воды, стоявшей на прилавке комнатной температуры, в нормально работающий холодильник, он станет холоднее. Если вы вместо этого поместите его в микроволновую печь с высокой температурой на три минуты, она станет теплее.

Поскольку «горячие» и «холодные» являются субъективными терминами и могут означать разные вещи для разных людей в разное время, ученым и другим лицам необходима объективная шкала, чтобы точно описать «жаркость» и «холод» в числовой шкале.Эта шкала — это, конечно, температура, наиболее распространенными единицами измерения которой во всем мире являются кельвин (K), градусы Цельсия (° C) и градусы Фаренгейта (° F).

Температура , в свою очередь, не является мерой «тепла», которое имеет единицы энергии и является передаваемой величиной в физической науке. Температура — это мера средней кинетической энергии молекул в веществе; движение этих молекул генерирует тепло. Если вы все еще в замешательстве, не беспокойтесь. Ты только разогреваешься!

Что такое тепло и откуда оно берется?

Тепло можно представить как общее количество энергии, возникающее в результате молекулярного движения вещества.Тепло можно представить как «текущее» из мест, где его много, в места, где его относительно мало, точно так же, как вода течет вниз под действием силы тяжести, а молекулы имеют тенденцию перемещаться из областей с более высокой концентрацией (плотностью частиц) в области более низкой концентрации.

Теплота обычно выражается в джоулях (Дж), единицах энергии в международной системе СИ. Это равно 4,18 калорий, (кал), количеству тепла, необходимому для повышения температуры 1 грамма (1 г) воды (H 2 O) на 1 градус Цельсия (° C).(«Калорийность» на этикетках продуктов питания на самом деле равна килокалории (ккал), или 1000 кал.

Нагревание вещества заставляет частицы в нем ускоряться; охлаждение вещества заставляет частицы замедляться. В конце концов, это приводит не только к большему количеству калорий. (или меньше) тепла и более высоких (или более низких) температур, но фазовые изменения, о которых вы вскоре прочитаете.

Определения движения частиц

Температура — теоретически безграничная величина на верхнем уровне, но ее значение может быть не ниже 0 K, что соответствует температуре, известной как абсолютный ноль.Отрицательные значения невозможны, потому что молекулы и атомы не могут иметь «отрицательного движения». Они могут просто полностью перестать вибрировать и, как следствие, не выделять тепло.

Средняя кинетическая энергия молекул в образце, будь то твердый, жидкий или газовый, используется для определения температуры, поскольку это значение стабильно при данной температуре.

Индивидуальное значение кинетической энергии данной молекулы будет меняться со временем, особенно при высоких температурах. Поскольку обычно оцениваются миллионы частиц, среднее значение этих значений энергии остается неизменным, если условия эксперимента не нарушаются (т.е., для газа, давления, объема и количества частиц в пробе).

Состояния вещества, тепла и температуры

Состояния или фаз вещества соответствуют кинетической энергии молекул в веществе.

Материя в твердом состоянии имеет «более холодные молекулы», чем то же самое вещество, нагретое достаточно, чтобы расплавить его или заставить стать жидкостью. (Жидкость становится твердой из-за того, что она остывает и теряет тепло, это называется замерзанием.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *