Тепловые явления

В отличие от многих тем в физике, тепловые явления – совсем не такая абстрактная вещь, как, например, скорость света. Понять их довольно просто, а наблюдать их мы можем каждый день. Как ни странно, к тепловым явлениям, с которыми мы сталкиваемся всю свою жизнь, можно отнести, к примеру, заморозку теста для печенья и последующее его выпекание. Почему процесс замораживания тоже относится к тепловым явлениям и как так получается, что шарики печенья меняют при запекании форму, разберем далее. 

Что такое тепловые явления в физике

Тепловыми явлениями в физике называются все действия в природе, которые связаны с теплотой. Под это понятие попадает очень большое количество явлений. Чтобы не запутаться, немного сузим наше определение.

Мы можем отнести к тепловым явлениям все действия, в процессе которых меняется температура чего-либо. Солнце ли нагревает снег, отчего тот весной тает, или стакан с водой превращается в стакан со льдом в морозилке – все это тепловые явления.

Таким образом, мы можем выделить тепловые явления в две группы: те, из-за которых повышается температура предмета, и те, из-за которых она понижается. Но из-за чего на самом деле это происходит? Почему лед превращается в воду, а если воду вскипятить, то она и вовсе станет паром?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно понять, что такое тепло само по себе, а также запомнить, что в физике нет такого понятия, как «холодное» – есть только вещи, лишенные тепла. Само же тепло – это просто энергия, которую вырабатывают молекулы вещества в процессе беспорядочного движения. Чем быстрее двигаются молекулы, тем горячее будет предмет. Мы можем представить это себе на примере простого стакана с водой – если его заморозить, молекулы в нем будут двигаться настолько медленно, что вода станет твердой и примет состояние льда. В теплом помещении лед растает, и молекулы воды будут двигаться уже быстрее. Вылив воду из стакана в кастрюлю и поставив ее на плиту, мы еще сильнее разгоним молекулы, и вода превратится в пар.

Движение молекул в веществе в процессе нагревания или остужения (лишения тепла) называется тепловым движением, а то, что его вызывает, теплопередачей.

Полезная информация о тепловых явлениях

Немного углубимся в историю и рассмотрим в таблице, кто и в каком году открыл явления, совокупность которых мы сегодня называем «тепловыми явлениями».

Виды тепловых явлений

Способов, как можно дать тепло одному веществу или забрать его у другого, очень много, и в физике их делят на три большие группы.

Теплопроводность – процесс, при котором тепло от одной, более горячей части вещества, передается в другую, более холодную. Вещество само проводит внутри себя тепло, поэтому этот вид так и называется. Теплопроводность зависит от агрегатного состояния вещества и того, в каком соотношении пребывают его нагретая и лишенная тепла части: чем больше в веществе быстро двигающихся, нагревающих молекул, тем быстрее нагреется его холодная часть, и наоборот.

Конвекция – процесс смешивания слоев вещества посредством струй или потоков. В отличие от теплопроводности, конвекция наиболее характерна для жидкостей и газов. Вокруг костра в лесу всегда будет таять снег, так как огонь выделяет тепло, которое нагревает воздух вокруг, а тот, в свою очередь, нагревает снег, заставляя его таять. Но весь снег в лесу от одного костра не растает, потому что в процессе конвекции нагреваемое вещество в какой-то момент достигает состояния равновесия – это происходит, когда его горячая и холодная части смешиваются и оказываются равной температуры. То же самое свойственно и для других видов тепловых явлений, хоть на примере конвекции увидеть это проще всего.

Излучение – процесс нагревания каким-либо веществом другого вещества вокруг себя. Каждый предмет вокруг нас имеет какую-то температуру и излучает в мир вокруг тепло. Это можно проследить с помощью тепловизора, но можно найти пример и попроще – Солнце. Звезда нашей системы излучает электромагнитные волны, которые нагревают Землю до комфортной для человека температуры.

Таким образом, мы можем сделать несколько выводов о видах тепловых явлений. Во-первых, теплопроводность свойственна твердым веществам (металлам, например), а конвекция – газу и жидкости. А вот излучать тепло могут абсолютно любые вещества в любом агрегатном состоянии, как и изменять свою температуру посредством облучения.

Формулы тепловых явлений

Как таковой общей формулы тепловых явлений не существует. Отдельные же явления принято обозначать в физике определенным образом:

Q – энергия, количество теплоты (измеряется в джоулях);
c – удельная теплоемкость вещества;
Δt (дельта «тэ») – изменение температуры тела (измеряется в градусах);
λ (лямбда) – удельная теплота плавления вещества;
L – удельная теплота парообразования жидкости;
q – удельная теплота сгорания топлива.

это интересно

Агрегатные состояния вещества

Какое агрегатное состояние чаще встречается в природе и можно ли гелий сделать твердым

Подробнее

Каждое из этих обозначений применяется в отдельной формуле, но прежде чем мы их разберем, давайте посмотрим на их логику. Энергия (количество теплоты, которое необходимо передать веществу для нагрева) складывается из массы вещества (куда же без нее) и из его удельной величины. Удельная величина здесь – это просто некий коэффициент, обозначающий, сколько энергии нужно, чтобы нагреть одну весовую единицу вещества (моль, грамм, килограмм).

Зная этот принцип, мы легко можем составить формулы, нужные нам для поиска энергии для нагрева разных веществ.

Энергия, необходимая для нагрева или охлаждения тела:

Q = cm Δt

Где «m» – это масса тела в килограммах.

Энергия, необходимая для плавления или выделяемая при кристаллизации:

Q = m λ 

Энергия, необходимая для того, чтобы довести вещество до кипения, или выделяемая при образовании конденсата:

Q = Lm

Энергия, выделяемая при сгорании топлива:

Q = qm

Примеры тепловых явлений

Выше мы уже рассмотрели разные виды тепловых явлений и привели простые примеры. Но мы можем разобрать их подробнее и каждый рассмотреть по отдельности.

Для теплопередачи мы можем представить себе слиток золота. Предположим, что по какой-то причине мы довольно долгое время держали его в холодильнике, где он порядком охладился. Теперь мы вынем его из холодильника и приложим к одному его боку горячую лампу. Относительно скоро бок слитка, который мы нагреваем, станет намного теплее, а когда мы уберем лампу, тепло с этого бока постепенно распространится по всему слитку.

Чтобы более подробно рассмотреть конвекцию, можно просто открыть в комнате окно (при условии, что на улице довольно холодно). Стоя совсем возле окна, мы будем ощущать порывы холодного ветра с улицы, а если отойдем в дальний угол комнаты, там еще какое-то время будет ощущаться нормальная температура в помещении. Со временем, впрочем, если окно после эксперимента так и не будет закрыто, во всей комнате воцарится средняя между уличной и обычной комнатной температура. Процесс смешения теплого и холодного воздуха в комнате – это пример конвекции.

Чтобы найти пример излучения, заберем из примера с теплопередачей лампу накаливания, установим ее на столе и положим под нее шоколадку. Излучение от лампы постепенно нагреет шоколадку, и она растает внутри упаковки, подтверждая тот факт, что с помощью излучения так же можно передавать тепло.

Тепловые явления – вещь на редкость занимательная, и чтобы исследовать их, можно провести множество экспериментов. Главное в конце вернуть шоколадку в холодильник, чтобы она приняла относительно первозданный вид, а окно в комнате все же закрыть, чтобы не простудиться. Сохраняйте лаборатории в чистоте.

Задачи по теме «Тепловые явления»

Рассмотрим несколько несложных задач для закрепления материала.

Задача 1

Сколько энергии будет выделено, если сгорит литр 95-го бензина?

Задача 2

Сколько энергии нужно потратить, чтобы довести до кипения два литра воды?

Ответы к задачам

Разберем решения каждой задачи и найдем ответы.

Задача 1

Чтобы решить эту задачу, нужно вспомнить формулу количества энергии, выделяемой при сгорании топлива: Q = qm. Теперь подставим в эту формулу необходимые значения: массу бензина и удельную теплоту его сгорания. Чтобы рассчитать массу литра бензина, используйте формулу, по которой масса вещества равняется его плотности, умноженной на объем. Таким образом получим, что масса одного литра 95-го бензина будет 750 г.

Теперь вспомним удельную теплоту сгорания такого бензина – 44 МДж/кг. Подставим полученные значения в формулу и получим простой ответ:

44×0,750=33

Таким образом, правильный ответ будет 33 МДж.

Ответ: 33 МДж 

Задача 2

Чтобы решить эту задачу, вспомним другую формулу: Q = Lm. С ее помощью мы найдем все необходимое. Масса двух литров воды будет равняться двум килограммам, а ее удельная теплота парообразования будет равна 2260 кДж, или 2,3 МДж/кг.

Теперь подставим эти значения в формулу:

2×2,3=4,6 МДж.

Правильный ответ будет 4,6 МДж.

Ответ: 4,6 МДж 

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Павел Крылов, репетитор по физике и математике: