Тепловое движение. Температура. Тепловое движение примеры

В данном уроке рассматривается понятие теплового движения и такой физической величины, как температура.

Тепловые явления в жизни человека занимают огромное значение. С ними мы сталкиваемся и во время прогноза погоды, и во время кипячения обычной воды. С тепловыми явлениями связаны такие процессы, как создание новых материалов, плавление металлов, сгорание топлива, создание новых видов топлива для автомобилей и самолетов и т. д.

Температура является одним из важнейших понятий, связанных с тепловыми явлениями, так как зачастую именно температура является важнейшей характеристикой протекания тепловых процессов.

Определение. Тепловые явления - это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, а также с изменением их агрегатного состояния (рис. 1).

Рис. 1. Плавление льда, нагревание и испарение воды

Все тепловые явления связаны с температурой .

Все тела характеризуются состоянием своего теплового равновесия . Главной характеристикой теплового равновесия является температура.

Определение. Температура - это мера «нагретости» тела.

Поскольку температура является физической величиной, то ее можно и нужно измерить. Для измерения температуры используется прибор, который называется термометр (от греч. термо - «тепло», метрео - «измеряю») (рис. 2).

Рис. 2. Термометр

Первый термометр (а точнее, его аналог) изобрел Галилео Галилей (рис. 3).

Рис. 3. Галилео Галилей (1564-1642)

Изобретение Галилея, которое он представил своим студентам на лекциях в университете в конце XVI века (1597 г.), было названо термоскопом . Действие любого термометр основано на следующем принципе: физические свойства вещества изменяются в зависимости от температуры .

Опыт Галилея состоял в следующем: он взял колбу с длинной ножкой и наполнил ее водой. Затем взял стакан с водой и перевернул колбу ножкой вниз, поставив в стакан. Часть воды, естественно, вылилась, однако в результате в ножке остался определенный уровень воды. Если теперь нагревать колбу (в которой находится воздух), то уровень воды будет опускаться, а если охлаждать, то, наоборот, повышаться. Это связано с тем, что при нагревании вещества (в частности, воздух) имеют свойство расширяться, а при охлаждении - сужаться (именно поэтому рельсы делают несплошными, а провода между столбами иногда немного провисают).

Рис. 4. Опыт Галилея

Эта идея и легла в основу первого термоскопа (рис. 5), который позволял оценивать изменение температуры (точно измерить температуру таким термоскопом нельзя, так как его показания будут сильно зависеть от атмосферного давления).

Рис. 5. Копия термоскопа Галилея

В это же время была введена так называемая градусная шкала. Само слово градус в переводе с латинского означает «ступень».

На сегодняшний день сохранились три основные шкалы.

1. Шкала Цельсия

Наибольшее распространение получение шкала, которая с детства известна каждому - шкала Цельсия.

Андерс Цельсий (рис. 6) - шведский астроном, который предложил следующую шкалу температур: - температура кипения воды; - температура замерзания воды. В настоящее время все мы привыкли к перевернутой шкале Цельсия.

Рис. 6 Андрес Цельсий (1701-1744)

Примечание: сам Цельсий говорил, что такой выбор шкалы вызван простым фактом: зато зимой не будет отрицательной температуры.

2. Шкала Фаренгейта

В Англии, США, Франции, Латинской Америке и некоторых других странах популярностью пользуется шкала Фаренгейта.

Габриель Фаренгейт (рис. 7) - немецкий исследователь, инженер, который впервые применил свою собственную шкалу для изготовления стекла. Шкала Фаренгейта более тонкая: по размерности градус шкалы Фаренгейта меньше градуса шкалы по Цельсию.

Рис. 7 Габриель Фаренгейт (1686-1736)

3. Шкала Реомюра

Техническая шкала придумана французским исследователем Р.А. Реомюром (рис. 8). По этой шкале соответствует температуре замерзания воды, а вот в качестве температуры кипения воды Реомюром была выбрана температура в 80 градусов.

Рис. 8. Рене Антуан Реомюр (1683-1757)

В физике в основном используется так называемая абсолютная шкала - шкала Кельвина (рис. 8). 1 градус по Цельсию равен 1 градусу по Кельвину, однако температура в соответствует приблизительно (рис. 9).

Рис. 9. Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824-1907)

Рис. 10. Температурные шкалы

Напомним, что при изменении температуры тела изменяются его линейные размеры (при нагревании тело расширяется, при охлаждении - сужается). Это связано с поведением молекул. При нагревании увеличивается скорость движения частиц, соответственно, они начинают чаще взаимодействовать и объем увеличивается (рис. 11).

Рис. 11. Изменение линейных размеров

Из этого можно сделать вывод, что температура связана с движением частиц, из которых состоят тела (это относится и к твердым, и к жидким, и к газообразным телам).

Движение частиц в газах (рис. 12) является беспорядочным (так как молекулы и атомы в газах практически не взаимодействуют).

Рис. 12. Движение частиц в газах

Движение частиц в жидкостях (рис. 13) является «скачкообразным», то есть молекулы ведут «оседлый образ жизни», но способны «перепрыгивать» с одного места на другое. Этим определяется текучесть жидкостей.

Рис. 13. Движение частиц в жидкостях

Движение частиц в твердых телах (рис. 14) называется колебательным.

Рис. 14. Движение частиц в твердых телах

Таким образом, все частицы находятся в непрерывном движении. Это движение частиц называется тепловым движением (беспорядочное, хаотическое движение). Это движение никогда не останавливается (пока у тела есть температура). Подтвердил наличие теплового движения в 1827 году английский ботаник Роберт Броун (рис. 15), по имени которого данное движение называют броуновским движением .

Рис. 15. Роберт Броун (1773-1858)

На сегодняшний день известно, что самая низкая температура, которая может быть достигнута, составляет приблизительно . Именно при такой температуре замирает движение частиц (однако не замирает движение внутри самих частиц).

Об опыте Галилея было рассказано ранее, а в заключении рассмотрим еще один опыт - опыт французского ученого Гильома Амонтона (рис. 15), который в 1702 году изобрел так называемый газовый термометр . С небольшими изменениями этот термометр дошел и до наших дней.

Рис. 15. Гийом Амонтон (1663-1705)

Опыт Амонтона

Рис. 16. Опыт Амонтона

Возьмем колбу с водой и заткнем ее пробкой с тонкой трубкой. Если теперь нагревать воду, то за счет расширения воды ее уровень в трубке будет повышаться. По уровню поднятия воды в трубке можно сделать вывод об изменении температуры. Преимущество термометра Амонтона состоит в том, что он не зависит от атмосферного давления.

На этом уроке мы рассмотрели такую важную физическую величину, как температура . Изучили способы ее измерения, характеристики и свойства. На дальнейших уроках мы изучим понятие внутренняя энергия .

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

1. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()
2. Интернет-портал «school.xvatit.com» ()
3. Интернет-портал «ponimai.su» ()

Домашнее задание

1. № 1-4 (параграф 1). Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.

2. Почему нельзя проградуировать термоскоп Галилея?

3. Железный гвоздь нагрели на плите:

Как изменилась скорость движения молекул железа?

Как изменится скорость движения молекул, если гвоздь опустить в холодную воду?

Как при этом изменится скорость движения молекул воды?

Как меняется объем гвоздя при этих опытах?

4. Воздушный шарик перенесли из комнаты на мороз:

Как изменится объем шарика?

Как изменится скорость движения молекул воздуха внутри шарика?

Как изменится скорость молекул внутри шарика, если его вернуть в комнату и вдобавок положить к батарее?

 Теория: Атомы и молекулы находятся в непрерывном тепловом движении, движутся хаотически, постоянно из-за соударений меняют направление и модуль скорости.

Чем выше температура, тем выше скорость движения молекул. При понижении температуры уменьшается скорость движения молекул. Существует температура, которую называют "абсолютный ноль" - температура(-273 °С) при которой прекращается тепловое движение молекул. Но "абсолютный ноль" недостижим.
Броуновское движение - беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных в жидкости или газе частиц твёрдого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа. Впервые это явление наблюдал в 1827 году Роберт Броун. Он исследовал пыльцу растений, которая находилась в водной среде. Броун заметил, что пыльца с течением времени все время смещается, и чем выше температура, тем быстрее скорость смещения пыльцы. Он предположил, что движение пыльцы связано с тем, что молекулы воды ударяются о пыльцу и заставляют ее двигаться.

Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещеста.

Примером броуновского движения является
1) беспорядочное движение цветочной пыльцы в капельке воды
2) беспорядочное движение мошек под фонарём
3) растворение твёрдых веществ в жидкостях
4) проникновение питательных веществ из почвы в корни растений
Решение: из определения броуновского движения понятно, что правильный ответ 1. Пыльца беспорядочно движется по причине того, что молекулы воду ударяются об нее. Беспорядочное движение мошек под фонарём не подходит так как мошки сами выбирают направление движения, последние два ответа это примеры диффузии.
Ответ: 1.

Задание огэ по физике (решу егэ): Какое(-ие) из нижеприведённых утверждений являе(-ю)тся правильным(-и)?
А. Молекулы или атомы в веществе находятся в непрерывном тепловом движении, и одним из аргументов в пользу этого служит явление диффузии.
Б. Молекулы или атомы в веществе находятся в непрерывном тепловом движении, и доказательством этому служит явление конвекции.
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Решение: Диффузия - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещеста. Первое утверждение верно, Конвенкция - перенос внутренней энергии со слоями жидкости или газа, получается что второе утверждение не верно.
Ответ: 1.

Задание огэ по физике (фипи): 2) Свинцовый шарик нагревают в пламени свечи. Как в процессе нагревания изменяется объём шарика и средняя скорость движения его молекул?
Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Решение (Спасибо Милене) : 2) 1.Объём шарика увеличится за счёт того, что молекулы начнут двигаться быстрее.
2. Скорость молекул при нагревании увеличится.
Ответ: 11.

Задание демонстрационного варианта ОГЭ 2019: Одно из положений молекулярно-кинетической теории строения вещества заключается в том, что «частицы вещества (молекулы, атомы, ионы) находятся в непрерывном хаотическом движении». Что означают слова «непрерывное движение»?
1) Частицы всё время движутся в определённом направлении.
2) Движение частиц вещества не подчиняется никаким законам.
3) Частицы все вместе движутся то в одном, то в другом направлении.
4) Движение молекул никогда не прекращается.
Решение: Молекулы движутся, из за соударений скорость молекул постоянно меняется, поэтому мы не можем высчитать скорость и направление каждой молекулы, но мы можем высчитать среднюю квадратичную скорость молекул, и она связана с температурой, при понижении температуры скорость молекул уменьшается. Посчитано, что температура при которой прекратится движение молекул равна -273 °С (минимальная возможная температура в природе). Но она не достижима. поэтому молекулы никогда не перестанут двигаться.

Как вы думаете, от чего зависит скорость растворения сахара в воде? Можете провести простой эксперимент. Возьмите два куска сахара и киньте один в стакан с кипятком, другой - в стакан с холодной водой.

Вы увидите, как сахар в кипятке растворится в несколько раз быстрее, чем в холодной воде. Причиной растворения является диффузия . Значит, диффузия происходит быстрее при более высокой температуре. А причина диффузии - это движение молекул. Следовательно, мы делаем вывод, что молекулы при более высокой температуре движутся быстрее. То есть, скорость их движения зависит от температуры. Именно поэтому беспорядочное хаотическое движение молекул, из которых состоят тела, называют тепловым движением.

Тепловое движение молекул

При повышении температуры усиливается тепловое движение молекул, меняются свойства вещества. Твердое тело тает, превращаясь в жидкость, жидкость испаряется, переходя в газообразное состояние. Соответственно, если температуру понижать, то будет уменьшаться и средняя энергия теплового движения молекул, а соответственно, процессы изменения агрегатного состояния тел будут происходить в обратном направлении: вода будет конденсироваться в жидкость, жидкость будет замерзать, переходя в твердое состояние. При этом, мы всегда говорим о средних значениях температуры и скорости молекул, так как всегда присутствуют частицы с большими и меньшими значениями этих величин.

Молекулы в веществах движутся, проходя определенное расстояние, следовательно, совершают некую работу. То есть, мы можем говорить о кинетической энергии частиц. Вследствие их взаимного расположения существует также и потенциальная энергия молекул. Когда идет речь о кинетической и потенциальной энергии тел, то мы говорим о существовании полной механической энергии тел. Если кинетической и потенциальной энергией обладают частицы тела, следовательно, можно говорить о сумме этих энергии, как о самостоятельной величине.

Внутренняя энергия тела

Рассмотрим пример. Если мы кидаем упругий мячик об пол, то кинетическая энергия его движения полностью переходит в потенциальную в момент касания пола, а потом вновь переходит в кинетическую, когда он отскакивает. Если же мы бросим тяжелый железный мячик на твердую неупругую поверхность, то мячик приземлится, не отскакивая. Его кинетическая и потенциальная энергии после приземления будут равны нулю. Куда же подевалась энергия? Она просто исчезла? Если мы изучим шарик и поверхность после столкновения, то увидим, что шарик немного сплющился, на поверхности осталась вмятина, и оба они слегка нагрелись. То есть произошло изменение в расположении молекул тел, а также увеличилась температура. Это означает, что изменились кинетическая и потенциальная энергия частиц тела. Энергия тела никуда не пропала , она перешла во внутреннюю энергию тела. Внутренней энергией называют кинетическую и потенциальную энергию всех частиц тела. Столкновение тел вызвало изменение внутренней энергии, она увеличилась, а механическая энергия уменьшилась. В этом и состоит

Атомы и молекулы, из которых состоят различные вещества, находятся в состоянии непрерывного теплового движения.

Первой особенностью теплового движения является его хаотичность; ни одно направление движения молекул не выделяется среди других направлений. Поясним это: если проследить за движением одной молекулы, то с течением времени вследствие столкновений с другими молекулами величина скорости и направление движения этой молекулы изменяются совершенно беспорядочно; далее, если в какой-нибудь момент времени зафиксировать скорости движения всех молекул, то по направлению эти скорости оказываются равномерно разбросанными в пространстве, а по величине - имеют самые разнообразные значения.

Второй особенностью теплового движения является существование обмена энергией между молекулами, а также между различными видами движения; энергия поступательного движения молекул может переходить в энергию их вращательного или колебательного движения и обратно.

Обмен энергией между молекулами, а также между различными видами их теплового движения происходит благодаря взаимодействию молекул (столкновениям между ними). На больших расстояниях силы взаимодействия между молекулами очень малы и ими можно пренебрегать; на малых расстояниях эти силы оказывают заметное действие. В газах молекулы большую часть времени пребывают на сравнительно больших расстояниях друг от друга; лишь в течение весьма малых промежутков времени, оказавшись достаточно близко друг к другу, они взаимодействуют между собой, изменяя скорости своих движений и обмениваясь энергиями. Такие кратковременные взаимодействия молекул называются столкновениями. Различают два вида столкновений между молекулами:

1) столкновения, или удары, первого рода, в результате которых изменяются только скорости и кинетические энергии соударяющихся частиц; состав или структура самих молекул не испытывают никаких изменений;

2) столкновения, или удары, второго рода, в результате которых происходят изменения внутри молекул, например изменяется их состав или относительное расположение атомов внутри этих молекул. При этих столкновениях часть кинетической энергии молекул затрачивается на совершение работы против сил, действующих внутри молекул. В некоторых случаях, наоборот, может выделиться некоторое количество энергии за счет уменьшения внутренней потенциальной энергии молекул.

В дальнейшем мы будем иметь в виду только столкновения первого рода, происходящие между молекулами газов. Обмен энергиями при тепловых движениях в твердых и жидких телах является более сложным процессом и рассматривается в специальных разделах физики. Столкновения второго рода используются для объяснения электропроводности газов и жидкостей, а также теплового излучения тел.

Для описания каждого вида теплового движения молекул (поступательного, вращательного или колебательного) необходимо задать ряд величин. Например, для поступательного движения молекулы необходимо знать величину и направление ее скорости. Для этой цели достаточно указать три величины: значение скорости и два угла и между направлением скорости и координатными плоскостями или же три проекции скорости на координатные оси: (рис. 11.1, а). Заметим, что эти три величины независимы: при данном углы и могут иметь любые значения и, наоборот, при заданном, например, угле значения и могут быть любыми. Точно так же задание определенного значения не накладывает никаких ограничений на значения наоборот. Таким образом, для описания поступательного движения молекулы в пространстве необходимо задать три независимые друг от друга величины: и или Энергия, поступательного движения молекулы будет состоять из трех независимых компонент:

Для описания вращательного движения молекулы вокруг своей оси необходимо указать величину и направление угловой скорости вращения , т. е. опять-таки три независимые друг от друга величины: и в или (рис. II. 1, б). Энергия вращательного движения молекулы также будет состоять из трех независимых компонент:

где моменты инерции молекулы относительно трех взаимно перпендикулярных координатных осей. У одноатомной молекулы все эти моменты инерции очень малы, поэтому энергией ее вращательного движения пренебрегают. У двухатомной молекулы (рис. II.1, в) пренебрегают энергией вращательного движения относительно оси, проходящей через центры атомов, поэтому, например,

Для описания колебательного движения атомов в молекуле необходимо сначала разделить это движение на простые колебания, происходящие вдоль определенных направлений. Сложное колебание удобно разложить на простые прямолинейные колебания, происходящие по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Эти колебания независимы друг от друга, т. е. частоте и амплитуде колебаний в одном из этих направлений могут соответствовать любая частота и амплитуда колебаний в других направлениях. Если каждое из этих прямолинейных колебаний гармоническое, то его можно описать при помощи формулы

Таким образом, для описания отдельного прямолинейного колебания атомов необходимо задать две величины: частоту колебания со и амплитуду колебания Эти две величины также независимы друг от друга: при данной частоте амплитуда колебания не связывается никакими условиями, и наоборот. Следовательно, для описания сложного колебательного движения молекулы вокруг точки (т. е. своего положения равновесия) необходимо задать шесть независимых друг от друга величин: три частоты и амплитуды колебании по трем взаимно перпендикулярным направлениям.

Независимые друг от друга величины, определяющие состояние данной физической системы, называются степенями свободы этой системы. При изучении теплового движения в телах (для расчета энергии этого движения) определяют число степеней свободы каждой молекулы этого тела. При этом подсчитываются только те степени свободы, между которыми происходит обмен энергиями. Молекула одноатомного газа обладает тремя степенями свободы поступательного движения; двухатомная молекула имеет три степени свободы поступательного и две степени свободы вращательного движения (третья степень свободы, соответствующая вращению вокруг оси, проходящей через центры атомов, не учитывается). Молекулы, содержащие три

атома и больше, обладают тремя поступательными и тремя вращательными степенями свободы. Если в обмене энергиями участвует и колебательное движение, то на каждое независимое прямолинейное колебание добавляют две степени свободы.

Рассматривая раздельно поступательное, вращательное и колебательное движения молекул, можно найти среднюю энергию, которая приходится на каждую степень свободы этих видов движения. Рассмотрим сначала поступательное движение молекул: допустим, молекула обладает кинетической энергией масса молекулы). Сумма есть энергия поступательного движения всех молекул. Разделив на степеней свободы, получим среднюю энергию, приходящуюся на одну степень свободы поступательного движения молекул:

Так же можно рассчитать средние энергии, приходящиеся на одну степень свободы вращательного евращ и колебательного еколеб движений. Если каждая молекула обладает степенями свободы поступательного, степенями свободы вращательного и степенями свободы колебательного движений, то полная энергия теплового движения всех молекул будет равна

§ 1. Тепловое движение. температураВ окружающем нас мире происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел. Мы знаем, что при нагревании холодная вода вначале становится тёплой, а затем горячей.Такими словами, как «холодный», «тёплый» и «горячий», мы указываем на различную степень нагретости тел, или, как говорят в физике, на различную температуру тел. Температура горячей воды выше температуры холодной. Температура воздуха летом выше, чем зимой. Примеры тепловых явлений:
а - таяние льда; б - замерзание водыТемпературу тел измеряют с помощью термометра и выражают в градусах Цельсия(°С). Вам уже известно, что диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Это означает, что скорость движения молекул и температура связаны между собой. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, при понижении - уменьшается.Следовательно, температура тела зависит от скорости движения молекул. Тёплая вода состоит из таких же молекул, как и холодная. Разница между ними заключается лишь в скорости движения молекул.Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры, называются тепловыми. К таким явлениям относятся, например, нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов и др.Плавление металлаМолекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном беспорядочном движении. Их количество в окружающих нас телах очень велико. Так, в объёме, равном 1 см3 воды, содержится около 3,34 1022 молекул. Каждая молекула движется по очень сложной траектории. Это связано с тем, что, например, частицы газа, движущиеся с большими скоростями в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. В результате этого они изменяют свою скорость и снова продолжают движение. На рисунке 1 изображены траектории движения микроскопических частиц краски, растворённой в воде. Рис. 1. Траектория движения микрочастиц краски, растворённой в водеПоскольку со скоростью движения молекул тела связана его температура, беспорядочное движение частиц называют тепловым движением . В жидкостях молекулы могут колебаться, вращаться и перемещаться относительно друг друга. В твёрдых телах молекулы и атомы колеблются около некоторых средних положений.В тепловом движении участвуют все молекулы тела, поэтому с изменением характера теплового движения изменяется и состояние тела, его свойства. Так, при повышении температуры лёд начинает таять, превращаясь в жидкость. Если понижать температуру, например, ртути, то она из жидкости превращается в твёрдое тело.Модель кристаллической решётки льдаТемпература тела находится в тесной связи со средней кинетической энергией молекул. Чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. При понижении температуры тела средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.