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.

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.

• 5 теорий мультивселенной