Тепловые явления в природе и в жизни человека - ABCD42.RU

Тепловые явления в природе и в жизни человека

Доклад: Тепловые явления в природе и в жизни человека

«Тепловые явления в природе

и в жизни человека»

ученица 8 «А» класса

Карибова А.В.

Армавир, 2010

Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с механическим движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температуры тел или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие явления называются тепловыми. Тепловые явления играют огромную роль в жизни людей, животных и растений. Изменение температуры на 20—30° С при смене времени года меняет все вокруг нас. От температуры окружающей среды зависит возможность жизни на Земле. Люди добились относительной независимости от окружающей среды после того как научились добывать и поддерживать огонь. Это было одним из величайших открытий, сделанных на заре развития человечества.

История развития представлений о природе тепловых явлений — пример того, каким сложным и противоречивым путем постигают научную истину.

Многие философы древности рассматривали огонь и связанную с ним теплоту как одну из стихий, которая наряду с землей, водой и воздухом образует все тела. Одновременно предпринимались попытки связать теплоту с движением, так как было замечено, что при соударении тел или трении друг о друга они нагреваются.

Первые успехи на пути построения научной теории теплоты относятся к началу XVII в., когда был изобретен термометр, и появилась возможность количественного исследования тепловых процессов и свойств макросистем.

Вновь был поставлен вопрос о том, что же такое теплота. Наметились две противоположные точки зрения. Согласно одной из них — вещественной теории тепла, теплота рассматривалась как особого рода невесомая «жидкость», способная перетекать из одного тела к другому. Эта жидкость была названа теплородом. Чем больше теплорода в теле, тем выше температура тела.

Согласно другой точке зрения, теплота — это вид внутреннего движения частиц тела. Чем быстрее движутся частицы тела, тем выше его температура.

Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связывалось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. В рамках таких представлений теорию тепла первоначально называли корпускулярной, от слова «корпускула» (частица). Ее придерживались ученые: Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли.

Большой вклад в развитие корпускулярной теории тепла сделал великий русский ученый М.В. Ломоносов. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц вещества. С помощью своей теории он объяснил в общем процессы плавления, испарения и теплопроводности, а также пришел к выводу о существовании «наибольшей или последней степени холода», когда движение частичек вещества прекращается. Благодаря работам Ломоносова среди русских ученых было очень мало сторонников вещественной теории теплоты.

Но все же, несмотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. Отсюда был сделан вывод о сохранении (неуничтожении) тепловой жидкости — теплорода. В вещественной теории было введено понятие теплоемкости тел и построена количественная теория теплопроводности. Многие термины, введенные в то время, сохранились и сейчас.

В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Нагревание тела связано не с увеличением в нем количества особой невесомой «жидкости», а с увеличением его энергии. Принцип теплорода был заменен гораздо более глубоким законом сохранения энергии. Было установлено, что теплота представляет собой форму энергии.

Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений и свойств макросистем внесли немецкий физик Р. Клаузиус (1822—1888), английский физик-теоретик Дж. Максвелл, австрийский физик Л. Больцман (1844—1906) и другие ученые.

Сложилось так, что природа тепловых явлений объясняется в физике двумя способами: термодинамический подход и молекулярно-кинетическая теория вещества.

Термодинамический подход рассматривает теплоту с позиции макроскопических свойств вещества(давление, температура, объём, плотность и т.д.).

Молекулярно-кинетическая теория связывает протекание тепловых яввлений и процессов с особенностями внутреннего строения вещества и изучает причины, которые обуславливают тепловое движение.

Итак, рассмотрим тепловые явления в жизни человека.

Нагревание и охлаждение, испарение и кипение, плавление и отвердевание, конденсация — все это примеры тепловых явлений.

Основной источник тепла на Земле — Солнце. Но, кроме того, люди используют много искусственных источников тепла: костер, печку, водяное отопление, газовые и электрические нагреватели и т.д.

Вы знаете, что если в горячий чай опустить холодную ложку, через некоторое время она нагреется. При этом чай отдаст часть своего тепла не только ложке, но и окружающему воздуху. Из примера ясно, что тепло может передаваться от тела, более нагретого к телу менее нагретому. Существует три способа передачи теплоты — теплопроводность, конвекция, излучение .

Нагревание ложки в горячем чае — пример теплопроводности . Все металлы обладают хорошей теплопроводностью.

Конвекцией передается тепло в жидкостях и газах. Когда мы нагреваем воду в кастрюле или чайнике, сначала прогреваются нижние слои воды, они становятся легче и устремляются вверх, уступая место холодной воде. Конвекция происходит в комнате, когда включено отопление. Горячий воздух от батареи поднимается, а холодный опускается.

Но ни теплопроводностью, ни конвекцией невозможно объяснить, как, например, далекое от нас Солнце нагревает Землю. В этом случае тепло передается через безвоздушное пространство излучением (тепловыми лучами).

Для измерения температуры используется термометр. В обычной жизни пользуются комнатными или медицинскими термометрами.

Когда говорят о температуре по Цельсию, то имеют в виду шкалу температур, в которой 0°С соответствует температуре замерзания воды, а 100°С — точка ее кипения.

В некоторых странах (США, Великобритания) используют шкалу Фаренгейта. В ней 212°F соответствуют 100°С. Перевод температуры из одной шкалы в другую не очень простой, но в случае необходимости каждый из вас сможет его выполнить самостоятельно. Чтобы перевести температуру по шкале Цельсия в температуру по шкале Фаренгейта, необходимо умножить температуру по Цельсию на 9, разделить на 5 и прибавить 32. Чтобы сделать обратный переход, из температуры по Фаренгейту необходимо вычесть 32, умножить остаток на 5 и разделить на 9.

В физике и астрофизике часто используют еще одну шкалу — шкалу Кельвина. В ней за 0 принята самая низкая температура в природе (абсолютный нуль). Она соответствует −273°С. Единица измерения в этой шкале — Кельвин (К). Чтобы перевести температуру по Цельсию в температуру по Кельвину, к градусам по Цельсию надо прибавить 273. Например, по Цельсию 100°, а по Кельвину 373 К. Для обратного перевода надо вычесть 273. Например, 0 К это −273°С.

Полезно знать, что температура на поверхности Солнца — 6000 К, а внутри — 15 000 000 К. Температура в космическом пространстве вдали от звезд близка к абсолютному нулю.

В природе мы являемся свидетелями тепловых явлений, но порой, не обращаем внимания на их сущность. Например, летом идёт дождь а зимой снег. Образуется роса на листьях. Появляется туман.

Знания о тепловых явлениях помогают людям конструировать обогреватели для домов, тепловые двигатели (двигатели внутреннего сгорания, паровые турбины, реактивные двигатели и т. д.), предсказывать погоду, плавить металл, создавать теплоизоляционные и термостойкие материалы, которые используются всюду — от постройки домов до космических кораблей.

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?

Все дело в тепловых явлениях: летом, под воздействием солнечных лучей, температура рельса может достигать и +40° С, а в зимние холода рельс остывает до -20—25°С. Известно, что при нагревании тела увеличиваются. Это происходит и с рельсами: летом они становятся длиннее.

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.

Читайте также  История развития автотранспорта

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.

Тепловые явления — виды, признаки и примеры в физике

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:

  1. Нагревание. Процесс повышения температуры.
  2. Охлаждение. Явление, при котором температура тела уменьшается.
  3. Парообразование. Переход вещества из текучего состояния в газообразное.
  4. Кипение. Частный случай парообразования, происходящий с высокой интенсивностью.
  5. Испарение. Фазовый переход из жидкого состояния в газообразное.
  6. Кристаллизация. Процесс образования твёрдого вещества из газов или расплавов.
  7. Плавление. Явление перехода материала из твёрдого состояния в текучее.
  8. Конденсация. Переход жидкого или твёрдого вещества в газообразное.
  9. Сгорание. Химический процесс превращения веществ в газ.
  10. Сублимация. Переход материала из твёрдого состояния в газообразное без стадии плавления.

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:

  • нагрев холодного тела;
  • остывание горячего бруска.

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:

  • твёрдом;
  • жидком;
  • газообразном.

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.

Читайте также  История Румынии 2

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.

Какие физические явления называют тепловыми

  • Понятие теплового явления в физике — что это такое
    • Какую роль играет в природе
  • Признаки теплового явления, чем характеризуется
  • Формулы тепловых процессов
  • Области применения теплового явления на практике

Понятие теплового явления в физике — что это такое

В 1620 году философ Фрэнсис Бэкон первым предположил, что теплота связана с движением. Тем не менее почти до конца XVIII века все тепловые явления объясняли теорией теплорода, основателем которой называют Платона. Теплород считался рассеянным по всей материи, способным проникать в тела, «сочетаться» с ними и превращать твердые тела в жидкости, а жидкости — в газы.

В середине XVIII века возникла механическая теория тепла, какое-то время сочетавшаяся с материальной, или теорией теплорода. На первый взгляд кажется, что если рассматривать теплоту как материальную субстанцию (теплород), получаются одни законы, а если как род движения — совсем другие. Но в обоих случаях, при всей их несхожести, присутствует пара: закон сохранения плюс закон направленности процесса.

И все же с конца XVIII века механическая теория стала постепенно укореняться в физике и химии. А в начале ХХ века Альберт Эйнштейн закрыл вопрос о природе тепла, представив теорию броуновского движения молекул.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Какую роль играет в природе

Тепловые явления — это физические процессы, которые происходят с материальными телами при изменении температуры.

Жизнь на Земле напрямую зависит от главного природного источника тепла в нашей звездной системе — Солнца. Любое изменение температуры влияет на жизнь человека и окружающую его среду. Нагревание и замерзание воды, воздуха, смена агрегатных состояний любых веществ — все эти процессы связаны с температурой.

Признаки теплового явления, чем характеризуется

Признаки тепловых явлений:

  1. Изменение температуры.
  2. Изменение агрегатного состояния вещества.

При нагревании молекулы начинают быстрее обмениваться местами, при охлаждении — наоборот.
Среди самых распространенных тепловых явлений:

  • нагревание;
  • охлаждение;
  • кипение;
  • испарение;
  • конденсация;
  • плавление;
  • отвердевание.

Формулы тепловых процессов

Обычно для решения учебных задач хватает формул, описывающих сам процесс изменения температуры, а также процессы смены агрегатного состояния.

Формула, связывающая массу, теплоемкость и температуру, дает описание любого процесса нагревания или охлаждения:

(Q = C times m times triangle t)

Q — обозначение количества теплоты, С — теплоемкости, m — массы вещества, (triangle) t — разность температур.

Теплоемкость — количество теплоты, которое нужно затратить, чтобы нагреть тело на один градус. Теплоемкость — характеристика вещества, а не теплоты.

Для процессов со сменой агрегатного состояния вещества нужны специализированные формулы.

(Q = lambda times m)

описывает процессы плавления и отвердевания. lambda здесь — удельная теплота плавления.

описывает процессы парообразования и конденсации. L здесь — удельная теплота парообразования.

Любые тепловые процессы подчиняются законам термодинамики. Закон сохранения энергии, или Первое начало термодинамики:
(triangle) U = Q + W

Внутренняя энергия U определяется разностью между количеством теплоты Q, получаемой телом, и работой W, которую оно само совершает:
U = Q -W

Также U определяется суммой получаемого количества теплоты Q и совершенной над телом работы W’:
U = Q + W’

Второе начало термодинамики: для любого сколь угодно сложного циклического обратимого процесса сумма величин Q/T с учетом знака теплоты (получаемой — с плюсом, отдаваемой — с минусом) равняется нулю.

Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус предложил все превращения описать единым образом, с помощью одной величины — универсальной функции Q/T. Ее он назвал эквивалентом превращений, а Второе начало сформулировал как принцип эквивалентности превращений.

В любом тепловом процессе происходит двойное превращение теплоты и работы: сначала теплота преобразуется в работу, а потом наоборот — работа в теплоту. Причем механическая энергия может переходить в теплоту полностью, а тепловая в механическую — только частично.

Клаузиус ввел понятие энтропии (triangle S) — величины, описывающей взаимные превращения теплоты и механической работы.

Оставаясь в рамках термодинамики, т. е. глядя на систему снаружи, это самое большее, что можно сказать о взаимоотношениях разных видов энергии — тепловой и механической.

Если же перейти к внутреннему устройству системы и рассматривать теплоту как беспорядочное движение составляющих систему частиц, то превращение теплоты в работу окажется преобразованием энергии хаотического движения молекул в работу системы в целом и наоборот. Тогда энтропию следует понимать как степень хаотичности, или неупорядоченности, такого движения.

Окончательно законы термодинамики, связанные с энтропией, можно сформулировать так: в любом необратимом процессе энтропия всегда возрастает, а в обратимом — остается постоянной.

(triangle S geq 0. )

При стремлении абсолютной температуры к нулю энтропия также стремится к нулю:

(S rightarrow 0) при (Т rightarrow 0)

Это Второе и Третье начала термодинамики.

Области применения теплового явления на практике

Тепловые процессы крайне важны в таких отраслях промышленности, как химическая, металлургическая, пищевая, деревообрабатывающая, машиностроительная и т. д. Наука метеорология занимается почти исключительно изучением тепловых процессов в атмосфере.

12 примеров тепловой энергии в повседневной жизни

Тепловая энергия относится к энергии, которой обладает объект в результате движения частиц внутри объекта. Это внутренняя кинетическая энергия объекта, которая исходит от случайных движений молекул и атомов объекта.

В то время как молекулы и атомы, составляющие материю, постоянно движутся, когда объект нагревается, повышение температуры заставляет эти частицы двигаться быстрее и сталкиваться друг с другом. Чем быстрее движутся эти частицы, тем выше тепловая энергия объекта.

Она может быть записана математически как произведение постоянной Больцмана (k B) и абсолютной температуры (T).

Тепловая энергия = k B T

Термин «тепловая энергия» может также применяться к количеству передаваемого тепла или энергии, переносимой тепловым потоком.

Тепловая энергия (или термическая энергия) может передаваться от одного тела другому через три процесса —

  • Проводимость: это наиболее распространенная форма теплопередачи, которая происходит через физический контакт: передача внутренней энергии за счет микроскопических столкновений частиц и движения электронов внутри тела.
  • Конвекция: представляет собой передачу тепла из одной области в другую в результате движения жидкостей, например, жидкостей и газов.
  • Излучение — это передача энергии в виде частиц или волн через пространство или среду. Чем горячее объект, тем больше он будет излучать тепловой энергии.

Чтобы лучше объяснить это явление, мы собрали некоторые из лучших примеров тепловой энергии, которые вы видите в повседневной жизни.

12. Солнечная энергия

Тип теплопередачи: Излучение

Солнце — это почти идеальная сфера горячей плазмы, которая преобразует водород в гелий посредством миллиардов химических реакций, которые в конечном итоге производят интенсивное количество тепла.

Вместо того, чтобы находиться рядом с Солнцем, тепло излучается вдаль от звезды и в космос. Небольшая часть этой энергии (тепла) достигает Земли в виде света. В основном она содержит инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет. Передача тепловой энергии таким образом называется тепловым излучением.

В то время как часть тепловой энергии проникает в атмосферу Земли и достигает земли, часть ее блокируется облаками или отражается от других объектов. Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, нагревает ее.

По данным Университета Орегона, вся Земля получает в среднем 164 Ватта на квадратный метр в течение суток. Это означает, что вся планета получает 84 тераватта энергии.

11. Тающий лед

Тип теплопередачи: Конвекция

Тепловая энергия всегда течет из регионов с более высокой температурой в регионы с более низкой температурой. Например, когда вы добавляете к напитку кубики льда, тепло переходит из жидкости в кубики льда.

Температура жидкости падает по мере того, как тепло переходит от напитка к льду. Тепло продолжает перемещаться в самую холодную область напитка до тех пор, пока не достигнет равновесия. Потеря тепла приводит к падению температуры напитка.

10. Топливные элементы

Топливный элемент, который принимает водород и кислород в качестве входных данных

Теплопередача: зависит от типа топливного элемента

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию топлива и окислителя в электрическую энергию. При работе топливного элемента значительная часть входной энергии используется для выработки электрической энергии, а оставшаяся часть преобразуется в тепловую энергию в зависимости от типа топливного элемента.

Тепло, получаемое в ходе этого процесса, используется для повышения энергоэффективности. Теоретически топливные элементы являются гораздо более энергоэффективными, чем обычные процессы: если отработанное тепло улавливается в когенерационной схеме, эффективность может достигать 90%.

9. Геотермальная энергия

Тип теплопередачи: мантийная конвекция

Геотермальная энергия — это тепло, получаемое в недрах Земли. Оно содержится в жидкостях и породах под земной корой и может быть найдено глубоко в горячей расплавленной породе Земли — магме.

Она образуется в результате радиоактивного распада материалов и непрерывной потери тепла от формирования планеты. Температура и давление на границе ядра и мантии могут достигать более 4000°C и 139 ГПа, в результате чего некоторые породы расплавляются, а твердая мантия ведет себя пластически.

Это приводит к тому, что части мантии конвектируются вверх (так как расплавленная порода легче, чем окружающие твердые породы). Пар и/или вода переносят геотермальную энергию на поверхность планеты, откуда она может быть использована для охлаждения и обогрева, или может быть использована для производства чистого электричества.

8. Тепловая энергия в океане

Тип теплопередачи: Конвекция и Проводимость

На протяжении десятилетий океаны поглощали более 9/10 избыточного тепла атмосферы от выбросов парниковых газов. Согласно исследованию, океан нагревается со скоростью 0,5-1 ватт энергии на квадратный метр в течение последних десяти лет.

Читайте также  Эволюция личности Пьера Безухова

Океаны обладают невероятным потенциалом для хранения тепловой энергии. Поскольку их поверхности подвергаются воздействию прямых солнечных лучей в течение длительных периодов времени, существует огромная разница между температурами мелководных и глубоководных морских районов.

Эта разница температур может быть использована для запуска теплового двигателя и выработки электроэнергии. Этот тип преобразования энергии, известный как преобразование тепловой энергии океана, может работать непрерывно и может поддерживать различные побочные отрасли.

7. Солнечная плита

Тип теплопередачи: излучение и проводимость

Солнечная плита — это низкотехнологичное, недорогое устройство, использующее энергию прямых солнечных лучей для нагрева, приготовления или пастеризации напитков и других пищевых материалов. В солнечный день она может достигать температуры до 400°C.

Все солнечные плиты работают по трем основным принципам:

  • Концентрат солнечного света : устройство имеет зеркальную поверхность для концентрации солнечного света в небольшой зоне для приготовления пищи.
  • Преобразование световой энергии в тепловую энергию. Когда свет падает на материал приемника (кастрюлю), он преобразует свет в тепло, и это мы называем проводимостью.
  • Ловушка тепловой энергии : стеклянная крышка изолирует воздух внутри плиты от наружного воздуха, сводя к минимуму конвекцию (потери тепла).

6. Потирая руку

Тип теплопередачи: Проводимость

Когда вы потираете руки, трение превращает механическую энергию в тепловую. Механическая энергия относится к движению ваших рук.

Поскольку трение происходит за счет электромагнитного притяжения между заряженными частицами на двух соприкасающихся поверхностях, трение рук друг о друга приводит к обмену электромагнитной энергией между молекулами наших рук. Это приводит к тепловому возбуждению молекул наших рук, которые в конечном итоге вырабатывают энергию в виде тепла.

5. Тепловой двигатель

Тип теплопередачи: Конвекция

Тепловой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию, которую затем можно использовать для выполнения механической работы. Двигатель забирает энергию из тепла (по сравнению с окружающей средой) и превращает ее в движение.

В зависимости от типа двигателя применяются разные процессы, такие как использование энергии ядерных процессов для выработки тепла (уран) или воспламенение топлива в результате сгорания (уголь или бензин). Во всех процессах цель одна и та же: преобразовать тепло в работу.

Ежедневные примеры тепловых двигателей включают паровоз, двигатель внутреннего сгорания и тепловую электростанцию. Все они приводятся в действие расширением нагретых газов.

4. Горящая свеча

Тип теплопередачи: Проводимость, Конвекция, Излучение

Свечи делают свет, производя тепло. Они преобразуют химическую энергию в тепло. Химическая реакция называется сгоранием, при котором воск свечи вступает в реакцию с кислородом на воздухе и образует бесцветный газ, называемый углекислым газом, вместе с небольшим количеством пара.

Пар образуется в синей части пламени, где воск горит чисто с большим количеством кислорода. Но поскольку ни один воск не горит идеально, они также производят немного дыма (аэрозоль) в яркой, желтой части пламени.

На протяжении всего процесса фитиль поглощает воск и горит, чтобы произвести свет и тепловую энергию.

3. Электрические тостеры

Тип теплопередачи: тепловое излучение

Электрический тостер забирает электрическую энергию и очень эффективно преобразует ее в тепло. Он состоит из рядов тонких проволок (нитей), которые расположены достаточно широко друг от друга, чтобы поджарить всю поверхность хлеба.

Когда электричество течет по проводу, энергия передается от одного конца к другому. Эта энергия переносится электронами. На протяжении всего процесса электроны сталкиваются друг с другом и с атомами в металлической проволоке, выделяя тепло. Чем больше электрический ток и чем тоньше провод, тем больше происходит столкновений и выделяется больше тепла.

2. Современные системы отопления дома

Тип теплопередачи: Конвекция

Два распространенных типа отопительных систем, установленных в зданиях, — это системы отопления теплым воздухом и горячей водой. Первая использует тепловую энергию для нагрева воздуха, а затем циркулирует по системе воздуховодов и регистров. Теплый воздух выдувается из воздуховодов и циркулирует по помещениям, вытесняя холодный воздух.

Второй использует тепловую энергию для нагрева воды, а затем прокачивает ее по всему зданию в системе труб и радиаторов. Горячий радиатор излучает тепловую энергию в окружающий воздух. Затем теплый воздух движется по помещениям конвекционными потоками.

1. Процессоры и другие электрические компоненты

Тип теплопередачи: Конвекция и Проводимость

Процессор, графический процессор и система на чипе рассеивают энергию в виде тепла за счет сопротивления в электронных схемах. Графические процессоры в ноутбуках/настольных компьютерах потребляют и рассеивают значительно больше энергии, чем мобильные процессоры из-за их более высокой сложности и скорости.

Для поддержания оптимальной температуры микропроцессоров используются различные типы систем охлаждения. Например, обычная настольная система охлаждения ЦП предназначена для рассеивания до 90 Вт тепла без превышения максимальной температуры соединения для ЦП настольного компьютера.

Тепловые явления в природе ,жизни человека

  • Физика изучает вещество (материю) и энергию, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи, физических тел и полей. Изменения, происходящие с физическими телами, называются физическими явлениями. В физике различают механические, тепловые, электромагнитные, оптические явления. Сущность физического явления – это то постоянное, что сохраняется в явлении при различных его вариациях, в том числе и временных.

Но как все это происходит. Ты только с физикой поймешь. Все, что свершается в природе, ты сам в уме переживешь.

Просмотр содержимого презентации
«Тепловые явления в природе, жизни человека НПК»

МБОУ Лесоперевалочная СОШ№1

  • Автор: Судочакова Елена
  • ученица 8 класса
  • Руководитель:
  • Лалетина Наталья Петровна
  • учитель физики

ЦЕЛЬ : систематизировать знания по теме “Тепловые явления”,расширить кругозор.

  • Задачи : распознавать физические явления в природе и художественных описаниях. показать, что физические процессы, протекающие в природе, могут быть объяснены не только научным методом, но и переложены на язык художественной речи.

Физика – это наука о природе в самом общем смысле.

  • Она изучает вещество (материю) и энергию, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи, физических тел и полей. Изменения, происходящие с физическими телами, называются физическими явлениями. В физике различают механические, тепловые, электромагнитные, оптические явления. Сущность физического явления – это то постоянное, что сохраняется в явлении при различных его вариациях, в том числе и временных.

Все в этом мире интересно,

Таинственно и неизвестно.

Не всякий? разобраться сможет.

Какая мысль тебя тревожит

Кыштымов Анатолий Петрович (10 февраля 1953г.-7 сентября 1982г.)

« Уже пятый день болит сердце…И каждый день по-новому. В первый день кололо толстой тупой иглой с большими интервалами, три раза в день. Как зов на завтрак, обед, ужин. Во второй день- тонкие острые иголочки, неглубокие, но частые. На третий день не чувствовал его, но не хватало воздуха как под водой. Нырнешь, вынырнешь. Вчера давило, что-то давило на него.. Что? С чего бы? Как шофер чувствует , что мотор барахлит, но не знает истинной причины поломки. Едет и слушает, и соображает: Свечи? Карбюратор? Насос? Так и я Иду думаю : Смена погоды к дождю? Курение? Думы о доме? Может, все вместе?

есть жизнь? Ручьистая и звонкая…

Исток из детства наша жизнь берет:

Блестит рекой, чешуйчатыми бликами

И помнит самый дальний поворот..

  • Лирика Анатолия Кыштымова – это искусство всеобъемлющего описания, искусство, рожденное уникальностью поэтического видения мира, особого восприятия мира природы .В его стихах передается динамика чувств через поэтическую имитацию движения природы. Вода – один из самых насыщенных, «загруженных » образов кыштымовской лирики.

М.В. Ломоносов «Случились вместе два Астронома в пиру…»

  • Случились вместе два Астронома в пиру И спорили весьма между собой в жару. Один твердил: «Земля, вертясь, вкруг солнца ходит». Другой, что солнце все с собой планеты водит.
  • Один Коперник был, другой был Птолемей. Тут повар спор решил усмешкою своей. Хозяин спрашивал: «Ты звезд теченье знаешь? Скажи, как ты о сем сомненьи рассуждаешь?»

А.С. Пушкин «Движение»

  • Но, господа, забавный случай сей Другой пример на память мне приводит: Ведь каждый день пред нами Солнце ходит, Однако ж прав упрямый Галилей!
  • Движенья нет, сказал мудрец брадатый. Другой молчал и стал пред ним ходить. Сильнее бы не мог он возразить; Хвалили все ответ замысловатый.

  • Уж небо осенью дышало
  • Уж реже солнышко блистало,
  • Короче становился день,
  • Лесов таинственная сень
  • С печальным шумом обнажалась,

Ложился на поля туман.

По зеркальной воде, по кудрям лозняка

  • От зари алый свет разливается
  • Дремлет чуткий камыш. Тишь-безлюдье вокруг.
  • Чуть приметна тропинка росистая. Куст заденешь плечом,–На лицо тебе вдруг с листьев брызнет роса серебристая.”

Облака английского поэта Перси Шелли

  • “ Я землёй рождено, я водой вспоено,
  • Взращено средь небесной равнины,
  • Отдыхаю в горах, исчезаю в морях,
  • Я меняюсь, но нет мне кончины.”

Н.В. Гоголь «Сорочинская ярмарка»

  • «…пар от варившихся галушек разносился по утихающим улицам» — это явление диффузии, которое состоит во взаимном проникновении частиц одного вещества между частицами другого вещества.
  • Молекулы воздуха и благовонного пара от варившихся галушек, двигаясь беспорядочно, сталкиваясь друг с другом, попадают в промежутки между соседними молекулами, что приводит к проникновению одного газа в другой. Постепенно возникает смесь двух газов с одинаковой концентрацией обоих видов молекул.

Фрагмент рассказа М. М. Пришвина «Кладовая солнца»:

  • «Большой черный пень собирает в себя лучи солнца и сильно нагревается. Вот уже начинает вечереть, и воздух и все кругом охлаждается. Но пень, черный и большой, еще сохраняет тепло. На него выползли из болота и припали к теплу шесть маленьких ящериц; четыре бабочки-лимонницы, сложив крылышки, припали усиками; большие черные мухи прилетели ночевать».
  • Свети, свети, Звезда моя,
  • Звени в ночной тиши..
  • Единственнвя самая ,
  • В глаза мои дыши
  • ( Анатолий Кыштымов «Утренняя звезда»)

М.Ю. Лермонтов «Герой нашего времени», ч. 2 «Княжна Мери»

  • «Тянется серебряная цепь снеговых вершин, начинаясь Казбеком и оканчиваясь двуглавым Эльбрусом…»

  • Вот морозы затрещали И сковали все пруды. И мальчишки закричали Ей «Спасибо» за труды.

А.Кыштымов «Зимняя ночь»)

  • Замерзшие кресты узоров на окне,
  • И холод, да такой. Что жутко мне!
  • И ветер за окном, ревним и зол,
  • Высокий шевелит ночи подол.
  • Рубашкою под ним белеет снег…
  • И писем нет твоих, и правды нет.

  • Но как все это происходит
  • Ты только с физикой поймешь.
  • Все, что свершается в природе,
  • Ты сам в уме переживешь.

Я беру снежинку, как ромашку..

«Любит ли не любит»…-ворожу…

Ты к окошку подбежишь в рубашке,

Крикнешь: «Мама! Снег!»

И. А. Бунин «Холодная весна»

  • Среди кривых столов, среди ветвей корявых Ползет молочный дым: окуривает сад. Все яблони в цвету – и вот, в зеленых травах Огни, как языки, краснеют и дрожат.

Наука без литературы бездушна А.Франс

  • Да, физика – вот кладезь знаний!
  • В чудесный мир она ведет!
  • Она твоей опорой станет:
  • Поддержит, объяснит, спасет!

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: