ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2021
Просмотров: 1096
Скачиваний: 38
2014-2015 уч. год, №2, 8 кл. Физика. Тепловые явления
2014, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич
6
собой отпала необходимость в большом сосуде. Прибор всё чаще стали
называть не термоскопом, а термометром.
Показания разных термометров того времени не согласовывались
друг с другом, не было договорённости о том, как размечать (градуиро-
вать) их шкалы. К концу XVII века всё бόльшую популярность приоб-
ретала идея построения температурной шкалы на основе использования
двух постоянных температурных точек (реперных точек).
В начале XVIII века датский астроном О. Рёмер изготовил термо-
метр, где за постоянные точки своей температурной шкалы он принял
температуры замерзания и кипения воды.
Идеи Рёмера оценил Фаренгейт. Разметка шкалы в его термометре
производилась следующим образом. На трубочке отмечались два по-
ложения верхней границы столбика жидкости: когда шарик термометра
находился в тающем льде (нижняя отметка) и когда шарик находился в
кипящей воде (верхняя отметка). Интервал между отметками делился
на 180 равных частей, причём первой точке было присвоено значение
32 F , а второй 212 F (градусов по шкале Фаренгейта).
Важнейшей заслугой Фаренгейта является также то, что он первым
начал изготавливать ртутные термометры. В 1721 году комплект фа-
ренгейтовских термометров заказал царь Петр I. Конструкция термо-
метра, разработанная Фаренгейтом, применяется и теперь в комнатных
и медицинских термометрах. Фаренгейт занимался не только усовер-
шенствованиями конструкции термометра, но и проводил изучение не-
которых тепловых явлений. Так, например, он обнаружил, что различ-
ные жидкости кипят при различных, но фиксированных температурах.
Использование термометров конструкции Фаренгейта в исследова-
нии тепловых явлений позволило установить и другие постоянные мет-
ки (точки) на температурной шкале. Оказалось, что такими точками
являются температуры перехода вещества из твёрдого состояния в
жидкое и из жидкого состояния в газообразное при одних и тех же
внешних условиях, например, температуры плавления (таяния) льда и
кипения воды.
Андрес Цельсий в качестве нулевой отметки на шкале своего тер-
мометра взял уровень ртути, соответствующий температуре кипения
воды, а через 100 обозначил уровень, отвечающий температуре таяния
льда. Разделив этот интервал на 100 равных частей, Цельсий получил
стоградусную шкалу, называемую теперь его именем
C . Известный
шведский ботаник Карл Линней пользовался термометром с перестав-
ленными значениями реперных точек: «0» означал температуру плав-
ления льда, 100 – температуру кипения воды. Таким образом, совре-
менная шкала Цельсия по существу является шкалой Линнея.
2014-2015 уч. год, №2, 8 кл. Физика. Тепловые явления
2014, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич
7
В современной физике широко используется температурная шкала
по Кельвину (K). Температурный интервал между точками плавления
льда и кипения воды разделен в ней на 100 равных частей, а температу-
ры плавления льда и кипения воды равны 273,15 K и 373,15 K соответ-
ственно,
K
C + 273,15.
T
t
Внутренняя энергия тела. Теплопередача
Существует несколько способов изменить температуру тела. В од-
ном из таких способов температуру тела изменяют, нагревая его в пла-
мени сгорающего топлива. При этом говорят, что тепло, выделяющееся
при сгорании топлива, пошло на нагревание тела.
Такая терминология появилась примерно в восемнадцатом веке, ко-
гда считалось, что в каждом теле содержится некая субстанция, называ-
емая
теплородом.
Считалось, что частицы теплорода отталкиваются
друг от друга, но притягиваются частицами обычных веществ. Если те-
ло увеличивает содержание теплорода (тепла), то температура тела уве-
личивается. Если количество теплорода уменьшается, то температура
тела падает. Хотя предмет может казаться холодным, это не значит, что
он не содержит тепла. Например, кусок льда способен нагреть кусок
сухого льда, причем сам он будет при этом охлаждаться. Теория, опи-
сывающая теплоту в виде материальной субстанции (теплорода), полу-
чила название
материальной теории теплоты или теории теплорода.
Хотя эта теория давно уже оставлена, некоторые её термины сохра-
нились в современной науке о теплоте, особенно в тех её разделах, где
рассматриваются потоки и перенос тепла. Мы по-прежнему говорим,
что тепло течёт, а тело поглощает тепло. Это приводит к некоторой пу-
танице, поскольку мы говорим о теплоте как о какой-то субстанции,
даже если мы знаем, что на самом деле это не так.
Понять физическую природу теплоты в термодинамике невозможно
без привлечения атомно-молекулярных представлений о строении ве-
щества. С молекулярной точки зрения любое тело состоит из гро-
маднейшего числа мельчайших частиц, называемых молекулами и ато-
мами. Эти частицы находятся в беспрерывном тепловом движении.
Процесс нагревания тела в пламени сгорающего топлива выглядит
следующим образом. Горение есть химическая реакция соединения
двух веществ (обычно кислорода и горючего) и образования новых ве-
ществ. Кинетическая энергия молекул продуктов горения при этом во
2014-2015 уч. год, №2, 8 кл. Физика. Тепловые явления
2014, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич
8
много раз превосходит первоначальную кинетическую энергию исход-
ных веществ. Образовавшиеся при горении молекулы бомбардируют
молекулы вещества, помещённого в пламя горелки.
Кинетическая энергия молекул вещества меньше кинетической
энергии «молекул пламени» (молекул веществ, входящих в состав пла-
мени). При столкновении этих молекул часть энергии «молекул пламе-
ни» переходит молекулам вещества, и энергия этих молекул увеличи-
вается, а энергия «молекул пламени» уменьшается.
Процесс нагревания всегда сопровождается повышением темпера-
туры тела. Это позволяет сделать вывод, что увеличение кинетической
энергии молекул нагреваемого тела однозначно связано с увеличением
температуры тела, а переход тепла есть передача молекулами продук-
тов горения части своей кинетической энергии молекулам нагреваемо-
го вещества.
В молекулярно-кинетической теории суммарная кинетическая энер-
гия хаотичного движения всех молекул тела плюс суммарная потенци-
альная энергия взаимодействия этих молекул друг с другом (но не с
другими телами) называется
внутренней энергией тела.
Если два тела с разными температурами привести в контакт друг с
другом, то с течением времени температура этих тел изменится. Одно
тело при этом нагреется, а другое остынет. Нагревание одного тела и
охлаждение другого тела будут происходить до тех пор, пока их темпе-
ратуры не сравняются.
Как показывает опыт, температура каждого из тел в процессе нагре-
вания или охлаждения в различных точках неодинакова и со временем
изменяется. Сначала изменится температура в местах соприкосновения
тел. Затем изменение температуры произойдёт в точках, прилежащих к
месту контакта и, наконец, это изменение температуры захватит самые
дальние точки тел. Такой процесс выравнивания температур сопровож-
дается передачей некоторой доли кинетической энергии молекул одной
части тела молекулам другой его части, т. е. передачей тепла, а сам
процесс перехода тепла от одного конца тела к другому называется
теплопроводностью
. Важно заметить, что при теплопроводности само
вещество не перемещается, а теплопередача всегда идёт в определён-
ном направлении: внутренняя энергия горячего тела уменьшается, а
внутренняя энергия холодного тела увеличивается.
Чем больше разность температур тел, тем интенсивней при прочих
одинаковых условиях протекает процесс передачи тепла от горячего
2014-2015 уч. год, №2, 8 кл. Физика. Тепловые явления
2014, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич
9
тела к холодному. Когда же температуры тел выравниваются, теплопе-
редача прекращается, и наступает тепловое равновесие.
Рассмотрим пример. Когда нагревается холодная вода в кастрюле,
поставленной на горячую плиту, происходит передача теплоты сквозь
металлические стенки кастрюли. От чего зависит количество теплоты,
передаваемой через какую-нибудь стенку? Прежде всего, от разности
температур по обе стороны стенки. Чем больше эта разность, тем
большее количество теплоты передаётся через стенку за определённый
промежуток времени. Это количество теплоты зависит также и от пло-
щади стенки. При равных объёмах вода в кастрюле с большой площа-
дью дна нагревается, как известно, быстрее, чем в кастрюле с дном ма-
лой площади. Далее, легко убедиться на опыте, что количество тепло-
ты, передаваемой за единицу времени через стенку при определённой
разности температур, тем больше, чем тоньше стенка. Наконец, ско-
рость теплопередачи сильно зависит от материала стенки.
Способностью проводить тепло, или теплопроводностью, обладают
все вещества. Однако теплопроводность различных веществ неодина-
кова. Лучшими проводниками тепла являются металлы. Хуже всех
проводят тепло газы. Самым плохим проводником тепла является ваку-
ум. Так называют пространство, в котором отсутствуют атомы или мо-
лекулы.
В жидкостях и в газах, кроме теплопроводности, теплопередача час-
то осуществляется
конвекцией
, т. е. механическим перемещением нагре-
тых частей. Почти всегда при соприкосновении жидкости или газа с
твёрдыми стенками, имеющими более высокую или более низкую тем-
пературу, в жидкости (или газе) возникают течения: нагревшаяся жид-
кость (или газ) поднимается вверх за счёт силы Архимеда, а охладивша-
яся опускается вниз. Этот процесс происходит вследствие уменьшения
плотности жидкости или газа при повышении их температуры.
Кроме теплопередачи посредством теплопроводности и конвекци-
онных течений, огромное значение в природе и технике имеет
тепло-
передача посредством испускания и поглощения излучения
.
Отметим, что при теплопередаче далеко не всегда изменяется тепло-
вое состояние тел, т. е. их температура; например, когда лёд тает, то
передача теплоты изменяет состояние тела (лёд из твёрдого состояния
переходит в жидкое), но температура его остаётся неизменной.
2014-2015 уч. год, №2, 8 кл. Физика. Тепловые явления
2014, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич
10
Теплота и работа
Температуру тела можно изменить не только нагревая его в пламе-
ни, но и совершая над ним работу. Это знали уже древние люди, добы-
вая огонь трением.
Военный инженер Бенджамин Томпсон (граф Румфорд (1753–1814))
заинтересовался вопросом о получении тепла с помощью трения. Он
писал: «... заведуя сверлением пушечных стволов в мастерских военного
арсенала в Мюнхене, я был сильно поражён тем значительным количе-
ством тепла, которое за короткое время получает медный ствол при свер-
лении, и ещё большим количеством тепла (гораздо большим, как я выяс-
нил из эксперимента, чем тепло, требуемое для закипания воды), которое
получают металлические стружки, отделяемые от ствола сверлом».
С помощью теории теплорода было трудно объяснить, откуда берёт-
ся такое большое количество тепла. Запас тепла при сверлении казался
неистощимым. Румфорд приходит к выводу, что теплота, выделявшая-
ся при сверлении, есть результат работы силы трения между сверлом и
металлом. Кроме того, он выдвигает гипотезу об одинаковой природе
теплоты и энергии: «... мне кажется чрезвычайно трудно, если не со-
вершенно невозможным, выдвинуть хоть какую-нибудь разумную
идею, объясняющую то, что возбуждалось и передавалось в этих экспе-
риментах, чем-либо отличным от движения».
Среди тех, кто одним из первых понял важность рассмотрения теп-
лоты как энергии, был доктор Юлиус Роберт фон Майер (1814–1878).
Он выдвинул предположение, ставшее почти банальным к началу два-
дцатого века: «... имеющаяся однажды налицо энергия не может пре-
вратиться в нуль, а только перейти в другую форму, и, следовательно,
спрашивается: какую дальнейшую форму способна принять энергия?».
Развивая свои идеи о связи между энергией и теплом, Майер выска-
зывает свое наиболее проницательное заключение. Если теплота есть
форма кинетической и потенциальной энергий, а полная энергия со-
храняется, то для получения определённого количества тепла необхо-
димо затратить определённое количество механической энергии. Ины-
ми словами, заданная работа приводит к выделению заданного количе-
ства тепла. Из экспериментов, проведённых ранее для газов, Майеру
удалось получить количественное соотношение между механической
работой и теплотой, которое находится в хорошем согласии с результа-
тами современных измерений.