Физика 8 класс: Тепловые явления

Тепловое движение, температура и внутренняя энергия тел

Добро пожаловать в курс физики 8 класса! Мы начинаем большой и увлекательный раздел — Тепловые явления. В 7 классе мы изучали механическое движение, силы и давление. Теперь мы заглянем внутрь вещества, чтобы понять, почему лед тает, чайник кипит, а двигатели автомобилей работают.

Эта статья — фундамент всего раздела. Мы разберемся, что такое температура с точки зрения физики, почему молекулы никогда не останавливаются и что такое внутренняя энергия.

Строение вещества: напоминание

Прежде чем говорить о тепле, давайте вспомним ключевые положения о строении вещества, которые вы узнали в прошлом году:

Все тела состоят из мельчайших частиц (атомов и молекул).

Эти частицы находятся в непрерывном движении.

Частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются).

Именно движение молекул является ключом к пониманию тепловых явлений.

Тепловое движение

Представьте себе перемену в школе. Ученики хаотично бегают по коридору, сталкиваются, меняют направление. Примерно так же ведут себя молекулы в газах. В жидкостях они движутся более плотно, но все равно меняются местами. В твердых телах они колеблются около своих мест, как дрожащие листья на ветру.

Это движение имеет одну важную особенность: оно беспорядочное (хаотичное). У него нет единого направления. Миллиарды молекул движутся во все возможные стороны с разными скоростями.

> Тепловое движение — это беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела.

Почему мы называем это движение «тепловым»? Потому что его интенсивность напрямую зависит от того, насколько тело нагрето.

!Сравнение движения молекул в твердых телах, жидкостях и газах

Отличие от механического движения

Важно не путать механическое движение всего тела и тепловое движение его частиц.

* Если вы бросите мяч, он летит через поле — это механическое движение. * Внутри этого мяча молекулы резины и воздуха хаотично дрожат и летают — это тепловое движение.

Даже если мяч лежит неподвижно на траве (механическая скорость равна нулю), тепловое движение внутри него не прекращается ни на секунду.

Температура

В быту мы используем слова «горячий», «теплый», «холодный». Но эти ощущения субъективны. Одному человеку вода в реке кажется теплой, другому — ледяной. Физике нужна точная мера.

Что меняется в веществе, когда мы его нагреваем? Ответ прост: скорость движения молекул.

* В горячей воде молекулы движутся быстро. * В холодной воде молекулы движутся медленно.

Таким образом, температура — это физическая величина, которая показывает меру «нагретости» тела. Но если смотреть глубже:

> Температура — это мера средней кинетической энергии хаотического движения молекул тела.

Вспомним формулу кинетической энергии из 7 класса:

Где: * — кинетическая энергия (Джоули); * — масса молекулы (кг); * — скорость движения молекулы (м/с).

Чем выше температура, тем больше средняя скорость , а значит, и кинетическая энергия молекул.

!Связь температуры со скоростью движения молекул

Тепловое равновесие

Если привести в соприкосновение горячее и холодное тело (например, положить горячую ложку в холодную воду), то через некоторое время их температуры сравняются. Быстрые молекулы ложки будут сталкиваться с медленными молекулами воды, передавая им часть своей энергии. Ложка остынет, вода нагреется. Это состояние называется тепловым равновесием.

Внутренняя энергия

Теперь мы подходим к самому важному понятию этого урока. Любое тело обладает энергией не только когда оно летит или падает, но и просто потому, что оно существует.

Мы знаем, что молекулы движутся (значит, у них есть кинетическая энергия) и взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются, значит, у них есть потенциальная энергия).

> Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической энергии теплового движения всех молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом.

Обозначим внутреннюю энергию буквой . Тогда формулу можно записать так:

Где: * — внутренняя энергия тела; * — суммарная кинетическая энергия движения всех молекул; * — суммарная потенциальная энергия взаимодействия всех молекул.

От чего зависит внутренняя энергия?

От температуры. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы, тем больше их кинетическая энергия, а значит, и внутренняя энергия тела растет.

От агрегатного состояния. Внутренняя энергия пара массой 1 кг при 100°C больше, чем внутренняя энергия воды массой 1 кг при тех же 100°C (так как на разрыв связей между молекулами при испарении была затрачена энергия).

От массы тела. Чем больше молекул, тем больше их суммарная энергия.

Важно: Внутренняя энергия не зависит от механического движения самого тела и его положения относительно Земли. Мяч, лежащий на столе, и мяч, лежащий на полу (при одинаковой температуре), имеют одинаковую внутреннюю энергию, хотя их механическая потенциальная энергия разная.

Способы изменения внутренней энергии

Внутреннюю энергию тела можно изменить. Если внутренняя энергия увеличивается, тело обычно нагревается (или плавится/испаряется). Если уменьшается — тело остывает (или кристаллизуется/конденсируется).

Существует всего два способа изменить внутреннюю энергию:

1. Совершение механической работы

Попробуйте быстро потереть ладони друг о друга. Вы почувствуете тепло. Что произошло?

* Вы совершили механическую работу против силы трения. * Эта работа превратилась во внутреннюю энергию ваших ладоней. * Скорость молекул кожи увеличилась температура поднялась.

Другой пример: если сгибать и разгибать проволоку в одном месте, она сильно нагреется. Работа деформации переходит во внутреннюю энергию.

Правило: * Если над телом совершают работу (трут, сжимают, бьют), его внутренняя энергия увеличивается. * Если тело само совершает работу (например, расширяющийся газ толкает поршень), его внутренняя энергия уменьшается (газ остывает).

2. Теплопередача

Второй способ не требует движений или трения. Если вы опустите холодную ложку в горячий чай, ложка нагреется.

> Теплопередача — это процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

В этом случае энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым непосредственно через столкновения молекул или излучение. О видах теплопередачи (теплопроводность, конвекция, излучение) мы подробно поговорим в следующих статьях.

!Два способа изменения внутренней энергии: работа и теплопередача

Итоги

Давайте подведем итоги первой статьи курса:

Молекулы всех тел находятся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении.

Температура — это мера средней кинетической энергии молекул. Быстрее молекулы — выше температура.

Внутренняя энергия () состоит из кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

Изменить внутреннюю энергию можно двумя путями: совершая механическую работу или путем теплопередачи.

В следующем уроке мы детально разберем виды теплопередачи и узнаем, почему шуба греет, а металл на морозе кажется холоднее дерева.

Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение

В предыдущей статье мы выяснили, что внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами: совершением механической работы или теплопередачей. Сегодня мы подробно остановимся на втором способе.

Представьте, что вы сидите у костра. Ваше лицо чувствует жар пламени. Если вы сунете в огонь металлический прут, через некоторое время его конец в вашей руке станет горячим. А дым от костра поднимается высоко в небо. Во всех этих случаях происходит передача тепла, но механизмы этой передачи совершенно разные.

Существует три вида теплопередачи:

Теплопроводность

Конвекция

Излучение

Разберем каждый из них детально.

Теплопроводность

Вспомним опыт с горячей ложкой в чае. Почему ручка ложки нагревается, хотя она не касается кипятка напрямую? Энергия передается от горячей части ложки к холодной.

> Теплопроводность — это явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте.

Как это работает на молекулярном уровне?

В горячем конце стержня молекулы движутся очень быстро (имеют большую кинетическую энергию). Они сталкиваются с соседними, более медленными молекулами и передают им часть своей энергии. Те, в свою очередь, раскачивают следующих соседей. Так энергия «путешествует» по цепочке, хотя само вещество никуда не перемещается.

!Передача энергии от молекулы к молекуле при теплопроводности

Проводники и изоляторы

Разные вещества проводят тепло по-разному:

* Металлы — лучшие проводники тепла (серебро и медь — чемпионы). Именно поэтому кастрюли и батареи делают из металла. * Жидкости — проводят тепло хуже металлов. * Газы — очень плохие проводники тепла, так как расстояние между молекулами в них огромное, и столкновения происходят реже. * Вакуум — теплопроводность невозможна, так как там нет частиц для передачи энергии.

Материалы с плохой теплопроводностью называют теплоизоляторами. К ним относятся дерево, стекло, пластмассы, кирпич. Но самый лучший и доступный изолятор — это воздух (если он неподвижен). Именно поэтому:

Шерстяной свитер греет нас не сам по себе, а удерживая слой воздуха между ворсинками.

Оконные рамы делают двойными или тройными, чтобы между стеклами был слой воздуха.

Снег (рыхлый, содержащий много воздуха) защищает озимые посевы от вымерзания.

Конвекция

Жидкости и газы плохо проводят тепло, если их нагревать сверху (вода внизу пробирки может оставаться холодной, даже если сверху она кипит). Но почему же вода в чайнике нагревается целиком, хотя огонь только снизу?

Здесь работает другой механизм — конвекция.

> Конвекция — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится самими струями газа или жидкости.

Механизм конвекции

Слои жидкости или газа снизу нагреваются.

При нагревании они расширяются, их плотность уменьшается.

Под действием выталкивающей силы (силы Архимеда) более легкие теплые слои поднимаются вверх.

На их место опускаются тяжелые холодные слои.

Процесс повторяется, образуя круговорот.

!Циркуляция воздуха в помещении за счет естественной конвекции

Важно: Конвекция невозможна в твердых телах (там частицы жестко связаны) и в вакууме (там нечему перемещаться).

Виды конвекции

* Естественная: возникает сама по себе из-за разницы температур (например, ветер, тяга в печной трубе, обогрев комнаты батареей). * Вынужденная: происходит под действием внешних сил (например, перемешивание чая ложкой, работа вентилятора или насоса).

Излучение

Мы знаем, что между Солнцем и Землей — миллионы километров космического вакуума. Там нет ни твердых тел, ни воздуха. Значит, ни теплопроводность, ни конвекция работать не могут. Как же тепло доходит до нас?

Оно передается с помощью излучения.

> Излучение (лучистый теплообмен) — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится электромагнитными волнами.

Это единственный вид теплопередачи, который может происходить в вакууме.

Особенности излучения

Все тела излучают энергию: и Солнце, и батарея, и человек, и даже кусок льда (просто лед излучает меньше, чем кипяток). Чем выше температура тела, тем сильнее оно излучает.

Когда излучение падает на другое тело, часть энергии отражается, а часть поглощается. Поглощенная энергия превращается во внутреннюю энергию тела (оно нагревается).

От чего зависит поглощение?

От цвета и состояния поверхности:

* Темные и шероховатые поверхности хорошо поглощают излучение (и быстро нагреваются), но и сами хорошо излучают (быстро остывают). * Светлые и блестящие (зеркальные) поверхности хорошо отражают излучение (плохо нагреваются), но и сами плохо излучают (медленно остывают).

!Сравнение нагрева темных и зеркальных поверхностей

Примеры в жизни

Одежда: Летом в жарких странах носят светлую одежду, чтобы отражать солнечные лучи. Зимой темная одежда помогает «ловить» слабое солнечное тепло.

Самолеты и спутники: Красят в серебристый или белый цвет, чтобы они не перегревались на солнце.

Термос: Внутренняя колба термоса делается зеркальной, чтобы тепловое излучение не выходило наружу (отражалось обратно внутрь) или не проникало внутрь извне.

Сводная таблица

Чтобы систематизировать знания, давайте сравним три вида теплопередачи:

| Характеристика | Теплопроводность | Конвекция | Излучение | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Что переносит энергию? | Колебания частиц (без переноса вещества) | Потоки вещества (струи газа или жидкости) | Электромагнитные волны | | Где происходит? | В основном в твердых телах (в жидкостях и газах — слабо) | Только в жидкостях и газах | В любой прозрачной среде и в вакууме | | Пример | Нагрев ложки в чае | Кипение воды, ветер | Тепло от костра, солнечный свет |

Заключение

В природе и технике эти виды теплопередачи часто встречаются вместе. Например, в обычной кастрюле на плите: * Огонь передает тепло дну кастрюли излучением и конвекцией горячих газов. * Сквозь металлическое дно тепло проходит теплопроводностью. * Сама вода нагревается благодаря конвекции.

Понимание этих процессов позволяет инженерам создавать теплые дома, эффективные двигатели и защитную одежду для экстремальных условий.

В следующей статье мы перейдем от качественного описания к количественному и узнаем, как рассчитать, сколько именно энергии нужно для нагревания тела.

Количество теплоты, удельная теплоемкость и уравнение теплового баланса

Мы продолжаем изучать тепловые явления. В предыдущих статьях мы выяснили, что внутренняя энергия тела может меняться при теплопередаче. Если вы оставите чашку горячего чая на столе, она остынет — отдаст энергию окружающему воздуху. Если поставите чайник на плиту, вода нагреется — получит энергию от горелки.

Но физика — это точная наука. Нам недостаточно сказать «вода нагрелась». Нам нужно знать: сколько именно энергии она получила? Хватит ли этой энергии, чтобы вскипятить воду? Сколько дров нужно сжечь, чтобы обогреть дом?

Сегодня мы научимся измерять тепло в цифрах.

Количество теплоты

Энергию, которую тело получает или теряет в процессе теплопередачи, называют количеством теплоты.

Обозначается эта величина буквой . Так как это энергия, измеряется она в Джоулях ().

Иногда используются внесистемные единицы, например, калории, но в физике мы будем работать строго с Джоулями. Чтобы понять, от чего зависит количество теплоты, проведем мысленный эксперимент.

От чего зависит ?

От массы тела ().

Представьте, что вам нужно вскипятить воду в маленькой кружке и в огромном ведре. Очевидно, что для ведра потребуется гораздо больше времени и энергии, хотя температура кипения одинаковая. Значит, чем больше масса, тем больше теплоты нужно затратить.

От изменения температуры ().

Что требует больше энергии: нагреть воду на (чуть-чуть подогреть) или на (довести до кипения)? Конечно, второе. Чем сильнее мы хотим изменить температуру, тем больше теплоты нужно передать.

От рода вещества.

Если на две одинаковые горелки поставить кастрюлю с водой и сковороду с маслом (при равной массе), масло нагреется гораздо быстрее. Разные вещества по-разному «воспринимают» тепло.

!Иллюстрация зависимости количества теплоты от массы, разницы температур и рода вещества

Удельная теплоемкость

Чтобы учесть зависимость от рода вещества, физики ввели специальную величину — удельную теплоемкость.

Попробуем нагреть 1 кг воды на . Для этого нам потребуется ровно 4200 Джоулей энергии. А чтобы нагреть 1 кг меди на тот же , нужно всего 400 Джоулей.

> Удельная теплоемкость вещества () — это физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо передать телу массой 1 кг, чтобы нагреть его на .

Единица измерения удельной теплоемкости:

Где: * — Джоуль (энергия); * — килограмм (масса); * — градус Цельсия (температура).

Примеры значений

У разных веществ теплоемкость сильно отличается. Вот несколько примеров:

| Вещество | Удельная теплоемкость, | | :--- | :--- | | Вода | 4200 | | Лед | 2100 | | Алюминий | 920 | | Железо | 460 | | Медь | 400 | | Золото | 130 |

Что это значит на практике? Вода имеет огромную теплоемкость (4200). Это значит, что вода очень медленно нагревается, но и очень медленно остывает. Она является отличным аккумулятором тепла.

Именно поэтому: * В морях и океанах вода летом накапливает тепло, а зимой отдает его, смягчая климат на побережье. * Воду используют в системах отопления домов (в батареях), так как она может перенести много энергии от котла в комнату. * Металлы нагреваются очень быстро (у них маленькая теплоемкость), поэтому ручки сковородок делают из пластика или дерева, а не из металла.

Формула расчета количества теплоты

Теперь мы можем собрать все факторы в одну формулу. Чтобы рассчитать количество теплоты, необходимое для нагревания тела (или выделяемое при его охлаждении), нужно удельную теплоемкость умножить на массу тела и на разность температур.

Где: * — количество теплоты (Дж); * — удельная теплоемкость вещества (); * — масса тела (кг); * — начальная температура тела (); * — конечная температура тела ().

Часто разность температур обозначают как (дельта т).

Знаки

Если тело нагревается, то , значит . Тело получает* энергию. Если тело остывает, то , значит . Тело отдает* энергию.

!Графическое представление процесса нагревания и охлаждения с формулой

Уравнение теплового баланса

Представьте, что вы смешиваете горячую воду с холодной в термосе. Горячая вода остывает, холодная нагревается. В итоге устанавливается общая теплая температура.

Куда делась энергия горячей воды? Она перешла к холодной воде. Если пренебречь потерями тепла в окружающую среду (для этого и нужен термос), то работает закон сохранения энергии.

> Сколько энергии отдало горячее тело, ровно столько же энергии получило холодное тело.

Это утверждение записывается в виде уравнения теплового баланса:

Где: * — количество теплоты, полученное холодным телом (оно нагревается); * — количество теплоты, отданное горячим телом (оно остывает).

Или в более строгом алгебраическом виде, где сумма всех теплот в изолированной системе равна нулю:

Где: * — количество теплоты для каждого тела. Те, кто получает тепло, имеют знак «плюс», те, кто отдает — знак «минус».

Алгоритм решения задач на тепловой баланс

Чтобы решить задачу, где смешиваются тела разной температуры, следуйте этому плану:

Выясните, какие тела участвуют в теплообмене. (Например: вода, стакан, ложка).

Определите начальные температуры. Кто горячий, кто холодный?

Запишите формулу для каждого тела.

* Для холодного тела: . * Для горячего тела: . Обратите внимание: чтобы получить положительное число для удобства равенства, мы часто вычитаем из большей температуры меньшую: .

Составьте уравнение: Энергия, которую отдали горячие тела = Энергия, которую приняли холодные тела.

Решите полученное уравнение относительно неизвестной величины (обычно это конечная температура смеси или масса одного из веществ).

Пример задачи

В стакан с холодной водой массой 200 г ( кг) при температуре налили 100 г ( кг) кипятка (). Какая температура установится, если потерями тепла пренебречь?

Решение:

Пусть — конечная температура смеси.

Холодная вода нагревается от до . Она получает тепло:

Где — удельная теплоемкость воды, — масса холодной воды, — изменение температуры.

Кипяток остывает от до . Он отдает тепло:

Где — удельная теплоемкость воды, — масса кипятка, — изменение температуры (из большего вычитаем меньшее).

Баланс:

Удельная теплоемкость (4200) сокращается, так как вода одинаковая с обеих сторон.

Умножим все на 10, чтобы убрать дроби:

Ответ: Температура смеси станет примерно .

Заключение

Сегодня мы превратили наши ощущения «тепло/холодно» в строгие формулы. Теперь вы знаете:

Количество теплоты зависит от массы, изменения температуры и рода вещества.

Удельная теплоемкость показывает, как быстро вещество нагревается. Вода — рекордсмен по теплоемкости.

В замкнутой системе энергия никуда не исчезает: сколько тепла ушло от горячего, столько пришло к холодному.

Эти знания — основа для понимания того, как работают двигатели, холодильники и даже погода на нашей планете.

Изменение агрегатных состояний вещества: плавление, отвердевание, испарение и конденсация

Мы продолжаем наше путешествие в мир тепловых явлений. В прошлых статьях мы научились рассчитывать количество теплоты, необходимое для нагревания тел. Мы использовали формулу , где ключевую роль играло изменение температуры.

Но что происходит, когда лед превращается в воду? Или когда вода выкипает из чайника? В эти моменты с веществом происходят удивительные превращения, которые физики называют фазовыми переходами или изменениями агрегатных состояний.

Сегодня мы разберем, почему температура льда не меняется, пока он плавится, почему пар обжигает сильнее кипятка и как работает потоотделение.

Агрегатные состояния: краткое напоминание

Любое вещество может находиться в трех основных состояниях:

Твердое: Молекулы расположены в строгом порядке (кристаллическая решетка), сильно притягиваются и лишь колеблются. Тело сохраняет форму и объем.

Жидкое: Молекулы расположены плотно, но порядка нет. Они могут перескакивать с места на место. Жидкость сохраняет объем, но не форму (течет).

Газообразное: Молекулы летают свободно на больших расстояниях друг от друга. Газ не сохраняет ни формы, ни объема, занимая все доступное пространство.

Переход из одного состояния в другое всегда сопровождается поглощением или выделением энергии.

Плавление и отвердевание

Представьте, что мы взяли кусок льда при температуре и начали его нагревать.

Сначала лед просто нагревается. Его молекулы колеблются все быстрее. Но когда температура достигает , происходит нечто интересное: мы продолжаем греть, а температура не растет.

> Плавление — это процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое.

Температуру, при которой вещество плавится, называют температурой плавления.

Что происходит внутри?

Когда твердое тело нагревается до температуры плавления, энергия колебания молекул становится настолько большой, что порядок в их расположении начинает разрушаться. Кристаллическая решетка ломается.

Вся энергия, которую мы подводим к телу в этот момент, идет не на увеличение скорости молекул (то есть не на повышение температуры), а на разрыв связей между ними. Именно поэтому, пока весь кусок льда не превратится в воду, термометр будет показывать ровно .

!График процесса плавления: наклонные участки показывают нагрев, горизонтальный участок — процесс плавления при постоянной температуре.

Отвердевание (Кристаллизация)

Обратный процесс называется отвердеванием или кристаллизацией.

> Отвердевание — это переход вещества из жидкого состояния в твердое.

Чтобы вода превратилась в лед, ее нужно охладить до . При замерзании молекулы замедляются, силы притяжения снова выстраивают их в строгий порядок. При этом выделяется энергия, которая была затрачена на разрушение решетки.

Важно: Температура плавления и температура отвердевания для одного и того же вещества совпадают.

Удельная теплота плавления

Чтобы расплавить 1 кг льда, нужно затратить определенное количество энергии. Для разных веществ эта энергия разная. Свинец расплавить легко, а лед — удивительно трудно.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо для превращения 1 кг кристаллического вещества в жидкость при температуре плавления, называется удельной теплотой плавления.

Обозначается греческой буквой (лямбда). Единица измерения: (Джоуль на килограмм).

Формула для расчета количества теплоты при плавлении:

Где: * — количество теплоты (Дж); * — удельная теплота плавления (); * — масса тела (кг).

Если тело отвердевает, оно выделяет точно такое же количество теплоты: .

Пример: льда равна . Это очень много! Чтобы расплавить ведро льда, нужно столько же энергии, сколько чтобы нагреть ведро воды до кипения.

Парообразование: Испарение и Кипение

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Этот процесс может происходить двумя способами:

Испарение.

Кипение.

Сегодня мы подробно остановимся на испарении, а кипение затронем как частный случай.

Испарение

Вы замечали, что лужи после дождя высыхают даже в прохладную погоду? Вода исчезает, превращаясь в пар.

> Испарение — это парообразование, происходящее с поверхности жидкости.

Как это работает? Молекулы в жидкости движутся с разными скоростями. Есть «медленные», а есть «быстрые». Если быстрая молекула окажется у поверхности и будет двигаться наружу, она может преодолеть притяжение соседей и вылететь в воздух. Она становится молекулой пара.

!Механизм испарения: наиболее быстрые молекулы покидают жидкость с её поверхности.

Почему при испарении жидкость охлаждается?

Это ключевой момент. Из жидкости улетают самые быстрые молекулы (самые энергичные). Значит, в жидкости остаются те, что помедленнее. Средняя скорость молекул уменьшается температура жидкости падает.

Именно поэтому: * Нам холодно, когда мы выходим из воды, даже если воздух теплый (вода испаряется с кожи и забирает тепло). * Собаки высовывают язык в жару (испарение слюны охлаждает кровь). * В жару мы потеем (организм включает систему охлаждения).

От чего зависит скорость испарения?

От температуры: Чем теплее, тем больше быстрых молекул, тем быстрее идет испарение.

От площади поверхности: Из широкой тарелки суп остынет (испарится) быстрее, чем из узкой кружки.

От движения воздуха (ветра): Ветер сдувает вылетевшие молекулы, не давая им вернуться обратно в жидкость. Поэтому на ветру белье сохнет быстрее.

От рода жидкости: Спирт испаряется быстрее воды, а масло — медленнее.

Конденсация

Обратный процесс превращения пара в жидкость называется конденсацией.

> Конденсация — это переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

Когда молекулы пара хаотично летают, они могут удариться о поверхность жидкости и быть захваченными силами притяжения. Возвращаясь в жидкость, они приносят с собой энергию.

Поэтому конденсация всегда сопровождается выделением энергии (нагреванием).

Примеры: * Роса на траве утром (водяной пар из воздуха конденсируется на холодных листьях). * Запотевшие очки, когда вы входите с мороза в тепло. * Облака (это скопление мельчайших капелек воды, сконденсировавшихся из пара).

Интересный факт: Ожог паром при гораздо опаснее ожога водой той же температуры. Почему? Потому что при контакте с кожей пар сначала конденсируется, выделяя огромную энергию (скрытую теплоту парообразования), и только потом получившаяся горячая вода начинает остывать.

Удельная теплота парообразования

Чтобы превратить жидкость в пар, нужно затратить энергию на разрыв связей между молекулами (чтобы они разлетелись). При кипении (интенсивном парообразовании по всему объему) температура жидкости не меняется, пока она вся не выкипит.

Величина, показывающая, сколько энергии нужно для превращения 1 кг жидкости в пар при температуре кипения, называется удельной теплотой парообразования.

Обозначается буквой (иногда ). Единица измерения: .

Формула:

Где: * — количество теплоты (Дж); * — удельная теплота парообразования (); * — масса жидкости (кг).

При конденсации выделяется то же количество теплоты: .

Энергетический баланс в природе

Круговорот воды в природе — это гигантская тепловая машина, работающая на фазовых переходах.

Солнце нагревает океан вода испаряется (поглощает энергию, охлаждая океан).

Пар поднимается вверх и переносится ветрами.

В верхних слоях пар конденсируется в облака энергия выделяется, нагревая атмосферу.

Вода падает дождем.

Таким образом, вода переносит энергию от экватора к полюсам, смягчая климат Земли.

Итоги

Давайте соберем главные мысли этой статьи:

Плавление и отвердевание происходят при одной и той же температуре. Во время этих процессов температура тела не меняется.

Испарение происходит при любой температуре с поверхности жидкости и приводит к ее охлаждению.

Конденсация — процесс, обратный испарению, сопровождается выделением тепла.

Для расчетов энергии фазовых переходов используются формулы:

* Для плавления/кристаллизации: * Для парообразования/конденсации:

Теперь вы знаете, как рассчитать энергию для любых тепловых процессов. В следующий раз мы научимся решать сложные комбинированные задачи, где лед сначала плавится, потом вода нагревается, а затем выкипает.

Тепловые двигатели, КПД и закон сохранения энергии в тепловых процессах

Мы подошли к завершающей и, пожалуй, самой важной с практической точки зрения теме раздела «Тепловые явления». В предыдущих статьях мы узнали, что внутренняя энергия тела может меняться, что при сгорании топлива выделяется огромное количество теплоты, и что вода при кипении превращается в пар, занимая объем в сотни раз больше исходного.

Но как заставить эту энергию работать на нас? Как превратить хаотичное движение молекул в упорядоченное движение колес автомобиля, винтов самолета или турбин электростанции? Ответ кроется в устройстве, которое изменило ход истории человечества — тепловом двигателе.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Прежде чем строить двигатель, вспомним фундаментальный закон природы. Энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда. Она лишь переходит из одной формы в другую.

В механике мы говорили о переходе потенциальной энергии в кинетическую. В тепловых явлениях закон сохранения энергии формулируется так:

> Изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе.

Это утверждение также называют Первым законом термодинамики. Запишем его в виде формулы:

Где: * — изменение внутренней энергии системы (Дж); * — количество теплоты, переданное системе (Дж); * — работа, совершенная внешними силами над системой (Дж).

Однако для работы двигателей нам интереснее другая формулировка. Если не мы совершаем работу над газом (сжимая его), а сам газ совершает работу (расширяясь и толкая поршень), то формула меняет вид:

Где: * — количество теплоты, переданное газу; * — изменение его внутренней энергии (нагревание); * — работа, совершенная самим газом (например, перемещение поршня).

Суть проста: если вы нагреваете газ в цилиндре под поршнем, то энергия топлива идет на две вещи: газ нагревается (увеличивается ) и газ расширяется, поднимая поршень (совершает работу ).

Принцип действия тепловых двигателей

Именно способность расширяющегося газа совершать работу лежит в основе всех тепловых машин.

> Тепловой двигатель — это устройство, которое превращает внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Чтобы двигатель работал не один раз (как выстрел из пушки), а постоянно (циклично), ему необходимы три обязательных элемента:

Нагреватель: Источник энергии (сгорающее топливо), который передает тепло рабочему телу. Он имеет высокую температуру.

Рабочее тело: Обычно это газ или пар, который расширяется при нагревании и толкает поршень или вращает турбину.

Холодильник: Тело с более низкой температурой (обычно это окружающая атмосфера или вода в конденсаторе), которому рабочее тело отдает неиспользованное тепло, чтобы сжаться обратно и начать цикл заново.

!Принципиальная схема любого теплового двигателя: энергия перетекает от горячего к холодному, совершая по пути полезную работу.

Без холодильника двигатель работать циклично не сможет. Нельзя превратить всю теплоту в работу, часть энергии обязательно должна быть отдана в окружающую среду.

Виды тепловых двигателей

Существует множество видов тепловых двигателей: * Паровые машины и турбины; * Двигатели внутреннего сгорания (ДВС); * Реактивные двигатели; * Газовые турбины.

Рассмотрим самый распространенный тип, который стоит в большинстве автомобилей — четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

В этом двигателе топливо (бензин или дизель) сгорает прямо внутри цилиндра, а не в отдельной топке. Цикл его работы состоит из четырех тактов (ходов поршня):

Впуск: Поршень идет вниз, впускной клапан открывается, в цилиндр засасывается смесь бензина и воздуха.

Сжатие: Поршень идет вверх, оба клапана закрыты. Смесь сильно сжимается и нагревается.

Рабочий ход: В верхней точке проскакивает искра (в бензиновых двигателях). Смесь взрывается. Раскаленные газы с огромной силой толкают поршень вниз. Именно в этот момент совершается полезная работа. Внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Выпуск: Поршень по инерции идет вверх, открывается выпускной клапан, и отработанные газы выбрасываются в атмосферу (в «холодильник»).

!Четыре такта ДВС: впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание) и выпуск.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Мы уже выяснили, что часть энергии от нагревателя () идет на совершение полезной работы (), а часть неизбежно уходит холодильнику () вместе с выхлопными газами или через нагрев корпуса двигателя.

Это значит, что мы никогда не можем использовать 100% энергии сгоревшего топлива. Чтобы оценить эффективность двигателя, используют понятие Коэффициента Полезного Действия (КПД).

> КПД теплового двигателя — это отношение совершенной полезной работы к энергии, полученной от нагревателя.

Обозначается греческой буквой (читается «эта»).

Формула для расчета:

Где: * — коэффициент полезного действия (%); * — полезная работа, совершенная двигателем (Дж); * — количество теплоты, полученное от нагревателя (Дж).

Так как полезная работа равна разнице между полученным и отданным теплом (), формулу можно записать иначе:

Где: * — количество теплоты от нагревателя (энергия сгоревшего топлива); * — количество теплоты, отданное холодильнику (потери).

Почему КПД всегда меньше 100%?

Из формулы видно, что всегда меньше 100%, так как не может быть равно нулю. В реальности КПД современных двигателей таков: * Паровоз: 5–8% (очень низкий, поэтому они исчезли); * Бензиновый двигатель: 25–30%; * Дизельный двигатель: 35–40%; * Электродвигатель (не тепловой): до 90–95%.

Куда уходит остальная энергия в автомобиле? Она греет атмосферу через радиатор и выхлопную трубу, а также тратится на преодоление трения внутри механизмов.

Тепловые двигатели и экология

Широкое использование тепловых двигателей имеет обратную сторону. Миллиарды автомобилей, самолетов и тепловых электростанций ежесекундно выбрасывают в атмосферу продукты сгорания.

Парниковый эффект: Углекислый газ () повышает среднюю температуру на планете, вызывая глобальное потепление.

Загрязнение воздуха: Оксиды азота, серы и сажа вредят здоровью людей и вызывают кислотные дожди.

Потребление кислорода: Двигатели сжигают огромное количество кислорода, необходимого для жизни.

Поэтому инженеры всего мира работают над повышением КПД двигателей (чтобы сжигать меньше топлива для той же работы) и созданием альтернативных источников энергии (электромобили, водородные двигатели).

Итоги курса

Мы завершаем раздел «Тепловые явления». Давайте вспомним путь, который мы прошли:

Мы начали с движения молекул и поняли, что температура — это мера их скорости.

Мы изучили внутреннюю энергию и способы ее изменения (теплопередача и работа).

Мы научились считать количество теплоты () и узнали о фазовых переходах (плавление, кипение).

И, наконец, мы выяснили, как тепловые двигатели превращают эту энергию в полезную работу, двигая наш мир вперед.

Физика тепловых явлений окружает нас повсюду: от кипящего чайника на кухне до мощных ракет, улетающих в космос. Понимание этих законов — ключ к пониманию природы и технологий.