Что значит тепловые явления в физике
Тепловые явления
Тепловые явления всегда связаны с охлаждением или нагреванием, плавлением или отвердеванием, т. е. с изменением температуры.
Тепловые явления в жизни
С тепловыми явлениями мы сталкиваемся ежедневно и вряд ли каждый раз задумываемся над превращениями, сопровождающих эти процессы. Например, просматривая прогноз погоды, мы думаем лишь о выборе подходящих одежды и обуви. Чтобы выпить горячий чай или кофе, мы нагреваем воду в чайнике.
Кладем мокрые вещи на горячую батарею, зная, что через несколько часов все высохнет, и т.д. И это только дома.
Трудно переоценить значимость тепловых явлений в нашей жизни: это плавление металла, сгорание топлива, изготовление новых материалов, создание тепловых двигателей и многое другое.
Почему железная дорога длиннее летом?
Этот вопрос может показаться тебе довольно странным, но длина железной дороги, точнее, ее рельсового пути, действительно увеличивается летом. Почему так происходит?
Тем не менее говоря о том, что летом железная дорога длиннее, следует понимать, что на самом деле речь идет не об удлинении маршрута между городами, а всего лишь об увеличении общей суммы длин всех рельсов.
Посмотри внимательно на картинку справа. Железнодорожные рельсы специально укладывают так, чтобы между их стыками оставался небольшой зазор. Именно этот промежуток и рассчитан на увеличение длины рельсов при нагревании. Иногда его так и называют — «тепловой зазор».
Теперь понятно, что за счет общей длины всех зазоров и происходит увеличение длин рельсов при нагревании!
Почему между трамвайными рельсами не оставляют зазоры?
Трамвайные рельсы действительно укладывают, не оставляя никаких зазоров. Почему? Сравни картинки.
Трамвайные рельсы почти полностью опускают в землю: на поверхности остается только верхняя часть полотна. Поэтому можно с уверенностью говорить о том, что земля «спасает» рельсы от перегрева даже в самые жаркие дни. А так как трамвайные рельсы не перегреваются, то и их длина, в отличие от железнодорожных, практически не меняется. Поэтому между трамвайными рельсами и не оставляют зазоров.
Почему летом провода линий электропередачи немного провисают?
Действительно, провода линий электропередачи слегка провисают в теплое время года. Это не ошибка монтажников, а преднамеренное действие. Объяснить данное явление довольно просто. Ты уже знаешь, что при нагревании тела расширяются, а при охлаждении — сжимаются. Если сильно натянуть провод, то, охлаждаясь (это может случиться не только зимой, но и во время прохладных ночей в межсезонье и даже летом), он становится короче и может лопнуть.
Почему на трубопроводах делают изгибы?
Скорее всего, ты не раз видел наземные трубопроводы, в которых через определенные промежутки есть специальные изгибы в виде буквы П.
Такие изгибы сделаны не случайно. В связи с резкими перепадами температуры трубопроводы способны удлиняться и расширяться. На прямом участке такие изменения могут привести к серьезным деформациям. Поэтому и делают изгибы, чтобы компенсировать эту нагрузку.
Как правильно охладить продукты при помощи льда?
Представь, что тебе нужно охладить лимонад при помощи кубиков льда, замороженных в специальной форме, но бросать их внутрь нельзя. Как ты поступишь? Поставишь кувшин на форму со льдом? Или наоборот, форму на горлышко кувшина? Более удобным кажется первый вариант, т.е. поставить кувшин на лед. Однако правильным с точки зрения физики является второй. Конечно, это вовсе не означает, что охладить лимонад в кувшине, поставив его на лед, нельзя. Можно, но в данном случае охладится только нижний слой напитка.
Поэтому если нужно охладить всю жидкость, то лед следует положить сверху. Объяснение этому правилу довольно простое: охлажденный льдом воздух опускается вниз, постепенно охлаждая сосуд.
Почему зимой мы носим теплую одежду?
Единственный правильный ответ на этот вопрос только один: потому что зимой холодно, и мы не хотим мерзнуть. А ты уверен, что именно одежда нас греет? Чтобы убедиться, так ли это на самом деле, ты можешь проделать следующий эксперимент.
Тебе понадобятся любая теплая куртка или пальто (желательно пуховик), которые ты носишь зимой, кубики льда и два небольших полиэтиленовых пакета. Итак, в оба пакета положи одинаковое количество кубиков льда и завяжи. Один пакет оставь на столе, а второй тщательно заверни в зимнюю куртку. Когда лед в первом пакете начнет таять, вытащи второй пакет со льдом из куртки. Что произошло со льдом во втором пакете? Лед даже и не начал таять! На этом опыте ты наглядно убедился в том, что зимняя одежда абсолютно не греет. На самом деле она просто сохраняет температуру. Завернутый в куртку лед практически не растаял, и это значит, что его температура осталась прежней. И когда мы надеваем зимнюю одежду, она не греет — она не дает нашему телу охладиться, т. е. сохраняет его температуру.
Почему стаканы из толстого стекла лопаются чаще, чем из тонкого?
Это действительно так: стаканы из тонкого стекла более устойчивы к горячей воде, чем из толстого.
Казалось бы, где логика? Но в данном случае нужно учитывать законы физики. Основная причина того, что стекло лопается, заключается в его неравномерном расширении. Когда мы наливаем кипяток в стакан, то сначала прогреваются его внутренние стенки. А внешние стенки по-прежнему остаются недостаточно нагретыми и не выдерживают давления перегретого внутреннего слоя. В этот момент и происходит лопание стекла.
Теперь ты понял, почему толстое стекло чаще лопается, чем тонкое? Стенки стакана из тонкого стекла успевают прогреться гораздо быстрее. Это означает, что в стакане с тонкими стенками быстрее устанавливается одинаковая температура внутреннего и внешнего слоев стекла. А в стакане из толстого стекла все эти процессы протекают настолько медленнее, что оно не успевает прогреться и лопается.
Лабораторная посуда
Обрати внимание на стеклянную посуду, которую используют в лабораториях: она вся из очень тонкого стекла. Причем воду кипятят именно в таких сосудах, совершенно не опасаясь, что они лопнут прямо во время проведения исследования.
Теплопередача
Тот, кто хоть раз в жизни получал ожог, знает о нем не понаслышке. Способов обжечься довольно много. Например, можно нечаянно дотронуться до раскаленной сковородки, гриля или формы с пирогом, который только что достали из духовки. Можно обжечься паром кипящей воды или очень горячим воздухом из фена. А можно просто лежать под палящим солнцем и получить ожог кожи. Все эти примеры указывают на разные способы передачи тепла от более горячего тела к более холодному.
Способы теплопередачи. Теплопроводность
Существуют различные способы передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.
Главное их отличие заключается в способе передачи тепла.
При теплопроводности передача тепла происходит при непосредственном контакте. Например, во время приготовления пищи нагретая плита передает тепло сковороде или кастрюле.
Конвекция и излучение
Для возникновения конвекции необходимо движение воздуха или воды. Конвекция — это передача тепла потоками жидкости или газа.
Наглядный пример конвекции — обогрев наших домов от батарей. Теплый воздух поднимается к потолку и равномерно распределяется по всей комнате. Охлаждаясь, воздух опускается. Потом процесс повторяется снова. Такая циркуляция воздуха и называется конвекцией.
Тепловое излучение — это передача тепла от одного тела к другому электромагнитными волнами. Именно так попадает на Землю тепло от Солнца. При тепловом излучении нет необходимости в прямом контакте или наличии потоков жидкости или газа.
Почему в окнах двойные стекла?
Ты уже знаешь, что передача тепла происходит от более горячего тела к более холодному. Но у различных материалов разная способность передавать тепло, или разная теплопроводность. У дерева, стекла и воды она очень низкая.
Окна делают из двух и более стекол, скрепленных между собой, с целью увеличения их теплоизоляционных свойств. Пространство между стеклами заполняется воздухом, теплопроводность которого в 40 раз меньше, чем у стекла. Типичная конструкция окон «стекло—воздух—стекло» позволяет лучше сохранить тепло в наших домах.
Почему в снежную зиму деревья не вымерзают?
В снежную зиму земля надежно защищена от промерзания. Как бы странно это ни звучало, но снег очень хорошо греет землю. А происходит это потому, что снег содержит воздух и является очень плохим проводником тепла. Почва не промерзает, и корни деревьев остаются в тепле.
Почему зимой мерзнут ноги в очень тесной обуви?
Это происходит потому, что в тесной обуви воздушная прослойка между ногой и сапогом или ботинком очень мала. Так как воздух — плохой проводник тепла, достаточный слой воздуха между ногой и обувью защитил бы от замерзания. Именно поэтому зимой нужно носить просторную обувь.
Почему мы не обжигаем губы и рот, когда пьем из фарфоровой чашки?
Скорее всего, ты не раз наблюдал такую картину: фарфоровая чашка, в которую только что налили кипяток, не настолько горячая, чтобы ее невозможно было взять в руки. А что произойдет, если налить воду такой же температуры в металлическую чашку? Сможешь ли ты удержать эту чашку в руке, уже не говоря о том, чтобы прикоснуться к ней губами? Металлическая чашка моментально нагревается до такой степени, что в руки ты ее не возьмешь.
Объяснением этому является разная теплопроводность фарфора и металла: у фарфора она существенно ниже.
Общие сведения
В обычной жизни человечество постоянно становится свидетелем тепловых явлений, происходящих в природе. Например, выпадение снега, дождя, образование росы. Все эти процессы связаны с температурой, а именно изменением тепловых движений. Любое вещество состоит из молекул или атомов, взаимодействующих между собой. Эти частицы находятся в постоянном беспорядочном колебании и движении. Характеризуется этот процесс кинетической энергией, которая содержится внутри тела.
Как показали исследования, насколько уменьшается механическая энергия, настолько увеличивается внутренняя. Это правило назвали законом сохранения. То есть значение существующей энергии в природе — всегда постоянная величина. Именно поэтому тепловые колебания никогда не прекращаются. Количество внутренней энергии зависит от многих факторов, но особо значимым из них является температура. Если её значение изменяется без совершения работы, то говорят о прохождении теплопередачи.
Существует несколько типов процессов, сопровождающихся изменением температуры или переходом из одного агрегатного состояния в другое. В зависимости от происходящего действия к тепловым явлениям относятся:
Эти явления могут изучаться не только на уроках физики, но и на химии, металловедении. Они используются при разработке различных устройств, учитываются при проведении строительных работ. Так, при прокладке трубопроводов делается изгиб п-образной формы. Это позволяет избежать деформации и разрушения. Рельсы устанавливаются с зазором, а провода на столбах навешивают так, чтобы они свисали. Все эти мероприятия позволяют бороться с тепловыми явлениями, которые обязательно необходимо знать и учитывать.
Тепловой баланс
Равновесие — это термин, довольно часто используемый в физике. Под ним понимают состояние, в котором тело может находиться сколь угодно долгое время при условии, что на него не воздействуют внешние силы. Чтобы разобраться в тепловом равновесии, нужно рассмотреть пример.
Пусть есть два бруска, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Один из них нагрет, а второй, наоборот — охлаждён. Эти два тела можно привести в соприкосновение. При этом будет происходить одновременно два явления:
Через некоторое время под действием этих явлений установится устойчивое состояние. Горячий и холодный объектыпримут одинаковую температуру, то есть станут тёплым. Это состояние может сохраняться в замкнутой системе продолжительное время. Другими словами, наступит явление теплового равенства. Это один из важнейших законов природы, определение которого звучит так: в состоянии равновесия физическая система имеет одинаковую температуру в любой точке.
Степень нагрева или охлаждения характеризуется температурой. Определить её можно различными способами. Самый простой из них — использовать тактильные ощущения. Но это приблизительный метод — субъективный. При изменении температуры происходит хаотичное движение молекул, которое в конце концов приводит к диффузии.
При взаимном проникновении молекул веществ происходит заполнение ими промежутков в структуре тела. Можно провести простой эксперимент. Например, взять колбу и налить на её дно подкрашенную воду, а сверху — чистую. Через некоторое время граница между средами станет размытой. Это и есть простой пример произошедшей диффузии. Теперь если эту колбу нагреть или охладить, то можно будет заметить, что процесс смешивания происходит с разной скоростью. Так, при низкой температуре скорость движения молекул становится меньше по сравнению с высокой. Другими словами, снижается энергия движения.
Следовательно, чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия (СКЭ) хаотичного перемещения его молекул. Таким образом, чтобы определить нагрев или охлаждение, нужно измерить СКЭ. Сделать это на опыте невозможно. Но как оказалось, от температуры зависят многих характеристики вещества. Одна из них — объём. На этом явлении и основана работа термометра, устройства, способного количественно определить температуру вещества.
Расширение тел, газов, жидкостей
Явление, характеризующее изменение геометрических размеров тела или объёма, получило название тепловое расширение. Большинство веществ при нагревании увеличивают свои размеры, но встречаются и исключения. Например, вода при температуре от 0 до 4 градусов Цельсия уменьшает свой объём. Как оказалось, тепловому расширению подвержены тела, находящиеся в любом агрегатном состоянии:
Твёрдые тела относятся к веществам, у которых явление расширения или сжатия имеет небольшую степень. Для того чтобы зарегистрировать изменения длины, используют специальный прибор. Но наглядно увидеть эффект можно и самостоятельно. Например, пусть имеется медная трубка, закреплённая одним концом в тиски, а второй лежит на подставке. Чтобы наблюдать изменение длины при нагреве, можно положить на подставку стекло, а на него — иголку. Если при нагревании трубка будет удлиняться, то игла начнёт катиться. Это и произойдёт при опыте.
Почему это происходит, объяснить довольно просто. Стержень удлиняется из-за увеличения расстояния между молекулами. То есть сначала частицы колеблются в состоянии равновесия с установившейся амплитудой. Когда происходит нагрев, то размах увеличивается. При этом размеры молекул остаются неизменным. Следовательно, возрастает расстояние между частицами — твёрдое тело удлиняется.
Увидеть, как будет изменяться от температуры жидкость, можно, поместив колбу с водой в кипящий раствор. При этом водяной столб сначала опустится на некоторую величину, а потом будет набирать высоту. Происходит это явление из-за того, что первоначально нагрелась колба, а затем уже вода. В результате сначала объём сосуда увеличился, и вода как бы провалилась. Затем начинает прогреваться жидкость, и водяной столб возрастает. Из эксперимента можно сделать важный вывод — текучие вещества расширяются сильнее, чем твёрдые.
Аналогичный опыт можно провести для колбы, наполненной газом. Внизу неё налита подкрашенная жидкость, в которую вставлена трубочка, выходящая наружу через пробку. Если сосуд начать нагревать, то станет довольно заметно, как под влиянием тепла будет подниматься жидкость. То есть под действием увеличивающего давления газа происходит вытеснение воды из-за расширения.
Количественное описание расширения
Изменение линейных размеров тела с учётом температурной зависимости характеризуется коэффициентом теплового расширения. Это физическая величина, показывающая, как меняется объём при росте температуры на один градус по кельвину. При этом давление должно оставаться неизменным.
Каждое вещество в зависимости от своего строения характеризуется собственным значением коэффициента линейного расширения. Обозначают его с помощью буквы α, а для вычисления его значения используют формулу: α = ΔL / L * ΔT, где: ΔT — увеличение температуры, ΔL — изменение длины вещества, L — первоначальный размер. Это табличная величина.
Таким образом, если необходимо узнать, какое значение примет линейное расширение, нужно воспользоваться выражением: ΔL = α * L * ΔT. Аналогичные формулы используют и для расчёта изменения объёма или площади тела. В простом случае, при котором коэффициент теплового расширения не зависит ни от температуры, ни от направления расширения, материал будет равномерно расширяться во все стороны.
Но, как показывает практика, не все вещества, особенно твёрдые тела, равномерно расширяются по всем направлениям. Причём не все материалы удлиняются одинаково. Самый яркий пример — вода. В интервале от 0 °C до +4 °C коэффициент α принимает отрицательное значение. Из-за этого природного эффекта моря и океаны никогда не промерзают до дна. Ещё одно аномальное свойство воды в том, что при превращении в лёд её удельная плотность уменьшается.
Изучаемые в 8 классе на физике тепловые явления жизненно важны для человечества. Так, любой инженер, составляя проект металлоконструкций, не может не учитывать возможного перепада температур в течение года. Например, при постройке мостов используется секционное строительство со специальными буферными зонами. Иначе зимой его может просто разорвать, а летом — вздыбить.
Тепловые явления
Основополагающим источником энергии для планеты Земля считается Солнце. Активность подобного внушительного генератора тепла хранится в основе многих физических событий, которые происходят в атмосфере и на поверхности нашей планеты. Понижение или повышение температуры, кипение или испарение жидкости, конденсация паров – это только часть свидетельства проявлений действий Солнца происходящих вокруг. Всё в окружающем мире связано между собой, потому что все природные процессы самостоятельно происходить не могут. Например, огонь и его теплоту, вызываемую горением, как одну из четырёх стихий природы, которая наряду с землей, водой и воздухом является точкой отсчёта для всего живого, изучали многие философы древности.
Одновременно с этими изучениями осуществлялись попытки связать тепло с движением неделимых частей материального мира (элементарных частиц), нагревающихся вследствие соударения тел. Какие угодно «тепловые явления» возникают путём получения тепла благодаря внешним источникам, таким, как огонь, вода, Солнце и т.д. В жизни самих людей, каждого животного или растения на земле тепловые явления играют глобальную роль. И для того, чтобы в дальнейшем правильно понимать то, что из себя изображают тепловые явления, необходимо дать объяснение понятию теплоты.
Численно теплота обозначается «коэффициентом температуры»: если она выше, то известное тело обладает большей энергией. Ученые фиксируют тот факт, что передача тепла осуществляться 3-мя способами:
Все три приёма теплопередачи зависят от разности температур. В ходе процесса устойчивого взаимного контакта физических тел осуществляется регулярная отдача тепла: оно переходит от более горячего тела к холодному или менее нагретому компоненту. В науке такой процесс носит название «теплопередача». Помимо того, что тепловые процессы являются обладателями данного показателя, они также наделены таким представлением, как «теплопроводность».
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Тепловые процессы
Перемещения молекул в момент тепла никогда не прекращаются, потому что любое тело является носителем некоторой внутренней энергии. Настоящий коэффициент непосредственно зависит от температуры вещества, которое изучается, агрегатного положения тела и иных физических сторон, выполняющий свои функции самостоятельно с помощью механического перемещения.
Процесс теплопередачи в любой момент происходит по направлению от тела с гораздо более высокой степенью теплоты к телу с невысокой температурой. Тепловые процессы являются разновидностью тепловых проявлений, благодаря которым от начала до конца видоизменяется степень температуры тел или веществ, в том числе может случиться и преобразование их энергоагрегатных состояний. К тепловым процессам можно отнести:
До появления известной сегодня системы явления тепла с позиции физики трактовались с помощью такого понятия, как «теплород». Древние учёные пребывали в уверенности, что всякое вещество на нашей земле является носителем однозначной субстанции, аналогичной по составу с веществом, находящимся в жидкости и исполняющей роль, которую в нашем представлении выполняет теплота. Однако необычную идею теплорода отвергли сразу после того, как прозвучала концепция явления «тепловой процесс».
Количество теплоты
Данный показатель демонстрирует собой гибридную тепловую величину, состоящую из всех материалов конструкций, с учётом промежутков в воздушном пространстве, имеющих значение. Без представления о сущности происхождения тепла и алгоритма его переноса по всем правилам, проработать тепловой режим строений и спроектировать отопление в них на должном уровне невозможно. Свои работы по измерению тепловых процессов исследователи строят на основе двух основных видов:
Из этого следует, что «коэффициент теплоты» квалифицируется количеством тепловых подводов и элементов, способных создать охлаждение либо нагревание воды при наличии определенного атмосферного давления. Благодаря своей простоте и доступности в качестве распространённого источника в работе применяется вода. Важное значение данных условий состоит в том, что выработка тепла нуждается в денежных ресурсах. Цена напрямую состоит в зависимости от расхода тепла и от насыщенности потока утечек тепла из зданий в природу.
Диапазон теплового потока соответствует перепаду температур между сооружением и очагом тепла. Получается, что тепло может исчезнуть из помещения гораздо быстрее в один из ненастных дней, чем в относительно светлые дни. И тем самым допускает, что при строительстве нового объекта обязательно необходимо принимать в расчёт все доступные возможности, средства и условия, чтобы обеспечить стабильную поддержку температуры, согласно нормам.
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
Практическое применение
Рассмотрим более тщательно практическое применение указанных выше определений. В частности: теплопроводность обеспечивает энергетический (тепловой) обмен между телами физическими за счёт энергии внутри самого исследуемого материала. Высокие свойства этого критерия присущи металлам, так как они позволяют произвести требуемую подачу тепла к изготовляемой продукции. Впрочем, и источники с низкой тепловой отдачей обретают своё деловое применение. Например, становясь теплоизолятором, помогают тем самым избежать потери тепла. За счёт применения данных материалов обеспечиваются вполне благоприятные условия для комфортного проживания в обитаемых домах. Вместе с тем, перечисленными методами передача тепла не заканчивается. Имеется ещё допустимость воспроизведения тепловых процессов, минуя прямой контакт тел.
Описанный приём обмена теплом носит называние «конвекция». И с её помощью передача тепла происходит путём движения потоков жидкостей или газов.
По этой причине, можно назвать ещё один способ теплопередачи – тепловое линейное излучение, которое создаётся сильнейшим электромагнитным выделением от горячего материи. Непосредственно таким способом Солнце и обогревает планету Земля. Необходимо подчеркнуть, что такие тепловые явления, несомненно, выполняют важную функцию в жизни животных и растений, в жизни каждого человека. Даже колебаний температуры воздуха на 20-30° С при чередовании времён года будет достаточно, чтобы всё вокруг нас видоизменилось.
Возможность подходящей жизни на Земле находится в зависимости от температурного режима в окружающей среде. За все периоды истории человечества люди могли испытать до некоторой степени приемлемую для них независимость от всевозможных воздействий природных факторов уже вслед за тем, как наловчились добывать огонь и способствовать его сохранению. В те далёкие времена данный навык признавался самым эпохальным открытием, сделанным на заре эволюционирования человечества в современное общество.
История развития пониманий о глубинном смысле сущности тепловых явлений можно считать хорошим примером того, каким многогранным, запутанным и, заключающим в себе противоречия, путём познают научную истину. Упоминание о первых достижениях в данной области науки встречается в начале XVII века. Тогда мир узнал о термометре. Вслед за этим человечеству представился шанс проведения качественных изучений и количественных исследований тепловых процессов, а также особенностей макросистем.