Теплові явища - малюнок

Теплові явища — види, ознаки, приклади у фізиці



Розділ, що досліджує теплові явища у фізиці, називається термодинамікою. При вивченні цього розділу не враховують молекулярну будову тіла, розглядаються тільки оптимальні умови.

Дослідженням же процесу хаотичного переміщення атомів і молекул речовини займається молекулярна фізика. Саме вона визначає:

  • природу руху;
  • залежність від температури;
  • закономірності переміщення.

Теплові явища - визначення

Загальні відомості

У звичайному житті людство постійно стає свідком теплових явищ, що відбуваються в природі. Наприклад, випадання снігу, дощу, утворення роси. Всі ці процеси пов’язані з температурою, а саме зміною теплових рухів.

Будь-яка речовина складається з молекул або атомів, що взаємодіють між собою. Ці частинки знаходяться в постійному безладному коливанні і русі. Характеризується цей процес кінетичною енергією, яка міститься всередині тіла.

Як показали дослідження, наскільки зменшується механічна енергія, настільки ж збільшується внутрішня. Це правило назвали законом збереження. Тобто значення існуючої енергії в природі — це завжди постійна величина.

Саме тому теплові коливання ніколи не припиняються. Кількість внутрішньої енергії залежить від багатьох факторів, але особливо значущим з них є температура. Якщо її значення змінюється без здійснення роботи, то говорять про проходження теплопередачі.

Існує кілька типів процесів, що супроводжуються зміною температури або переходом з одного агрегатного стану в інший.

Залежно від того, що відбувається, до теплових явищ відносяться:

  • Нагрівання. Процес підвищення температури.
  • Охолодження. Явище, при якому температура тіла зменшується.
  • Пароутворення. Перехід речовини з текучого стану в газоподібний.
  • Кипіння. Окремий випадок пароутворення, що відбувається з високою інтенсивністю.
  • Випаровування. Фазовий перехід з рідкого стану в газоподібний.
  • Кристалізація. Процес утворення твердої речовини з газів або розплавів.
  • Плавлення. Явище переходу матеріалу з твердого стану в текучий.
  • Конденсація. Перехід рідкої або твердої речовини в газоподібну.
  • Згоряння. Хімічний процес перетворення речовин в газ.
  • Сублімація. Перехід матеріалу з твердого стану в газоподібний без стадії плавлення.
Кипіння води
Кипіння води

Ці явища можуть вивчатися не тільки на уроках фізики, а й на хімії та металознавстві. Вони використовуються при розробці різних пристроїв, враховуються при проведенні будівельних робіт.

Так, при прокладці трубопроводів робиться вигин n-подібної форми. Це дозволяє уникнути деформації і руйнування. Рейки встановлюються з зазором, а дроти на стовпах навішують так, щоб вони звисали. Всі ці заходи дозволяють боротися з тепловими явищами, які вкрай обов’язково необхідно знати і враховувати.

Розширення рідин

Тепловий баланс

Рівновага – це термін, який досить часто використовуваний у фізиці. Під ним розуміють стан, в якому тіло може перебувати довгий час за умови, що на нього не впливають зовнішні сили. Щоб розібратися в тепловій рівновазі, потрібно розглянути приклад.

Нехай є два бруски, що знаходяться на деякій відстані один від одного. Один з них нагрітий, а другий, навпаки — охолоджений. Ці два тіла можна зіткнути. При цьому буде відбуватися одночасно два явища:

  • нагрівання холодного тіла;
  • охолодження гарячого бруска.

Через деякий час під дією цих явищ встановиться стійкий стан. Гарячий і холодний об’єкти приймуть однакову температуру, тобто стануть теплими. Цей стан може зберігатися в замкнутій системі тривалий час. Іншими словами, настане явище теплової рівноваги.

Це один з найважливіших законів природи, визначення якого звучить так: в стані рівноваги фізична система має однакову температуру в будь-якій точці.

Ступінь нагріву або охолодження характеризується температурою. Визначити її можна різними способами. Найпростіший з них – використовувати тактильні відчуття. Але це приблизний метод і він є суб’єктивним. При зміні температури відбувається хаотичний рух молекул, що, врешті-решт, призводить до дифузії.

Розширення твердих тіл

При взаємному проникненні молекул речовин відбувається заповнення ними проміжків в структурі тіла. Можна провести простий експеримент. Наприклад, взяти колбу і налити на її дно підфарбовану воду, а зверху — чисту. Через деякий час межа між середовищами стане розмитою.

Це і є простий приклад дифузії, що утворилася. Тепер якщо цю колбу нагріти або охолодити, то можна буде помітити, що процес змішування відбувається з різною швидкістю. Так, при низькій температурі швидкість руху молекул стає менше в порівнянні з високою. Іншими словами, знижується енергія руху.

Отже, чим вище температура тіла, тим більше середня кінетична енергія (СКЕ) хаотичного переміщення його молекул. Таким чином, щоб визначити нагрів або охолодження, потрібно виміряти СКЕ. Зробити це на досліді неможливо.

Але як виявилося, від температури залежить багато характеристик речовини. Одна з них — об’єм. На цьому явищі і заснована робота термометра – пристрою, здатного кількісно визначити температуру речовини.

Чому тіла розширюються при нагріванні

Розширення тіл, газів, рідин

Явище, що характеризує зміну геометричних розмірів тіла або об’єму, отримало назву теплове розширення. Більшість речовин при нагріванні збільшують свої розміри, але зустрічаються і винятки.

Наприклад, вода при температурі від 0 до 4 градусів Цельсія зменшує свій об’єм. Як виявилося, до теплового розширення схильні тіла, що знаходяться в будь-якому агрегатному стані:

  • твердий;
  • рідкий;
  • газоподібний.

Тверді тіла належать до речовин, у яких явище розширення або стиснення має невеликий ступінь.

Для того, щоб зареєструвати зміну довжини, використовують спеціальний прилад. Але наочно побачити ефект можна і самостійно. Наприклад, нехай є мідна трубка, закріплена одним кінцем в лещата, а другий лежить на підставці. Щоб спостерігати зміну довжини при нагріванні, можна покласти на підставку скло, а на нього — голку. Якщо при нагріванні трубка буде подовжуватися, то голка почне котитися. Це і станеться при даному досліді.

Чому це відбувається, пояснити досить просто. Стрижень подовжується через збільшення відстані між молекулами. Тобто спочатку частинки коливаються в стані рівноваги зі сталою амплітудою. Коли відбувається нагрів, то розмах збільшується. При цьому розміри молекул залишаються незмінним. Отже, зростає відстань між частинками – тверде тіло подовжується.

Допустимість розширення

Побачити, як буде змінюватися від температури рідина, можна, помістивши колбу з водою в киплячий розчин. При цьому водяний стовп спочатку опуститься на деяку величину, а потім буде набирати висоту.

Відбувається це явище через те, що спочатку нагрілася колба, а вже потім вода. В результаті спочатку об’єм колби збільшився і вода, як би, провалилася. Потім починає прогріватися рідина, і водяний стовп зростає.

З експерименту можна зробити важливий висновок – текучі речовини розширюються сильніше, ніж тверді.

Аналогічний дослід можна провести для колби, наповненої газом. Внизу неї налита підфарбована рідина, в яку вставлена трубочка, що виходить назовні через пробку. Якщо посудину почати нагрівати, то стане досить помітно, як під впливом тепла буде підійматися рідина. Тобто під дією наростаючого тиску газу відбувається витіснення води через розширення.

Розширення рідини та густина

Кількісний опис розширення

Зміна лінійних розмірів тіла з урахуванням температурної залежності характеризується коефіцієнтом теплового розширення. Це фізична величина, що показує, як змінюється об’єм при зростанні температури на один градус за Кельвіном. При цьому тиск повинен залишатися незмінним.

Кожна речовина, в залежності від своєї будови, характеризується власним значенням коефіцієнта лінійного розширення. Позначають його за допомогою букви α, а для обчислення його значення використовують формулу:

α = ΔL/L * ΔT

де:

  • ΔT — збільшення температури;
  • ΔL — зміна довжини речовини;
  • L — Початковий розмір. Це таблична величина.

Таким чином, якщо необхідно дізнатися, яке значення прийме лінійне розширення, потрібно скористатися формулою:

ΔL = α * L * ΔT

Аналогічні формули використовують і для розрахунку зміни об’єму або площі тіла. У простому випадку, при якому коефіцієнт теплового розширення не залежить ні від температури, ні від напрямку розширення, матеріал буде рівномірно розширюватися на всі боки.

Чому мокрі речі висихають

Але, як показує практика, не всі речовини, особливо тверді тіла, рівномірно розширюються в усіх напрямках. Причому не всі матеріали подовжуються однаково.

Найяскравіший приклад – це вода. В інтервалі від 0 °C до +4 °C коефіцієнт α приймає від’ємне значення. Через цей природний ефект моря і океани ніколи не промерзають до дна.

Ще одна аномальна властивість води полягає в тому, що при перетворенні в лід її питома густина зменшується.

Досліджувані в 8 класі на фізиці теплові явища життєво важливі для людства. Так, будь-який інженер, створюючи проєкт металоконструкцій, не може не враховувати можливого перепаду температур протягом року. Наприклад, при будівництві мостів використовується секційне будівництво зі спеціальними буферними зонами. Інакше взимку його може просто розірвати, а влітку — здибити (підняти).

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *