Тепловые явления.
Мы привыкли к температуре в Цельсиях. Названа шкала в честь шведского ученого Андерса Цельсия. Но знаете ли вы, что есть и другие шкалы, например, шкала по Кельвину или Фаренгейту? Давайте разберемся, как же была придумана и введена шкала Цельсия.
Сначала можем выдвинуть предположение. Наверное, Цельсий взял первой точкой температуру плавления льда, а второй – температуру кипения воды. Далее решил разбить это на 100 делений, где 0 – плавление льда, а 100 – кипение воды, чтобы это было удобно и назвал своим именем. Всё гениальное – просто. Согласны?
На самом деле нет! Цельсий не называл шкалу своим именем и не использовал её! В 1741 году он был профессором астрономии в местном университете в Швеции. Первая шкала Цельсия была нанесена параллельно другой шкале актуальной в то время. Но у Цельсия в его шкале 0 соответствовал температуре кипения воды, а 100 – плавлению льда. Всё наоборот! Больше Цельсий такую шкалу не менял. 0 соответствовал кипению воды, т.к. в то время больше температуры не знали. А вот ниже 0 С температура в Швеции явно опускалась. Таким образом, было удобно избегать отрицательных температур.
Но если объективно, то нет разницы, где 0, а где 100 градусов. Кто же перевернул шкалу?
Занятие 1.
Цельсий родился (1701) и умер (1744) в городе Уппсала. Спустя год после смерти Цельсия в дневнике города Уппсала появилась шкала, уже перевернутая. Далее было ещё несколько ученых, которые утверждали, что именно они перевернули шкалу.
Независимо от Цельсия в 1743 французский ученый Жан Пьер Кристен создал термометр, где 0 – плавление льда, а 100 – кипение воды. Тогда почему градусы Цельсия, а не Кристена?
Долгое время шкала вообще не имела названия, а была просто стоградусной. Но из-за путаницы в мире в 1948 году все же решили ее назвать именем ученого. Как это было со шкалой Фаренгейта и Кельвина. Но почему Цельсий? В известном учебнике химии того времени было написано, что Цельсий первый придумал привычную, а не перевернутую шкалу. Скорее всего, из-за этого и распространился миф. Заслуживает ли Цельсий того, что назвали именно его именем?
Ведь в то время было более 30 разных термометров, где контрольными точками брали температуру в подвале, температуру таяния масла, температуру тела животных. А Цельсий первый, кто выбрал процессы, которые не меняются с местоположением. Он первым создал универсальную и надежную систему измерения температур.
Независимо от Цельсия в 1743 французский ученый Жан Пьер Кристен создал термометр, где 0 – плавление льда, а 100 – кипение воды. Тогда почему градусы Цельсия, а не Кристена?
Долгое время шкала вообще не имела названия, а была просто стоградусной. Но из-за путаницы в мире в 1948 году все же решили ее назвать именем ученого. Как это было со шкалой Фаренгейта и Кельвина. Но почему Цельсий? В известном учебнике химии того времени было написано, что Цельсий первый придумал привычную, а не перевернутую шкалу. Скорее всего, из-за этого и распространился миф. Заслуживает ли Цельсий того, что назвали именно его именем?
Ведь в то время было более 30 разных термометров, где контрольными точками брали температуру в подвале, температуру таяния масла, температуру тела животных. А Цельсий первый, кто выбрал процессы, которые не меняются с местоположением. Он первым создал универсальную и надежную систему измерения температур.
Строение веществ. Агрегатные состояния.
Все тела состоят из каких-либо веществ: ручка — из пластмассы, карандаш — из древесины и графита.
Например, сахар в чае растворяется настолько, что мы его не видим. Но ведь он не просто пропадает?
Мельчайшие частицы вещества, способные существовать самостоятельно и сохраняющие основные свойства вещества, называются молекулами.
Не только сахар, но и все другие вещества состоят из мельчайших частиц, т. е. имеют дискретное (прерывистое) строение. Разные вещества состоят из различных молекул, поэтому и свойства их отличаются.
Молекулы, в свою очередь состоят из атомов. Некоторые вещества состоят только из атомов.
Например, на картинке вы можете видеть всем известную молекулу воды H2O. Или кристаллическую решетку графита, состоящую только из атомов углерода. Чуть позже мы расскажем больше про кристаллическую решетку.
Например, сахар в чае растворяется настолько, что мы его не видим. Но ведь он не просто пропадает?
Мельчайшие частицы вещества, способные существовать самостоятельно и сохраняющие основные свойства вещества, называются молекулами.
Не только сахар, но и все другие вещества состоят из мельчайших частиц, т. е. имеют дискретное (прерывистое) строение. Разные вещества состоят из различных молекул, поэтому и свойства их отличаются.
Молекулы, в свою очередь состоят из атомов. Некоторые вещества состоят только из атомов.
Например, на картинке вы можете видеть всем известную молекулу воды H2O. Или кристаллическую решетку графита, состоящую только из атомов углерода. Чуть позже мы расскажем больше про кристаллическую решетку.
Алмаз состоит из атомов углерода. Всего в природе встречается 92 вида различных атомов. Кроме того, в научных лабораториях получено более 30 видов атомов. Просто представьте, как много молекул может быть из атомов!
Если бы мы нанизали на воображаемую нить все молекулы, находящиеся в 1 см3 воздуха так, чтобы они касались друг друга, получившейся нитью можно было бы 200 раз обмотать по экватору земной шар. Так велико число молекул в 1 см3 воздуха и так малы их размеры!
При нагревании вода переходит в газ (пар), при охлаждении — в лед. И пар, и вода, и лед состоят из одинаковых молекул.
Если бы мы нанизали на воображаемую нить все молекулы, находящиеся в 1 см3 воздуха так, чтобы они касались друг друга, получившейся нитью можно было бы 200 раз обмотать по экватору земной шар. Так велико число молекул в 1 см3 воздуха и так малы их размеры!
При нагревании вода переходит в газ (пар), при охлаждении — в лед. И пар, и вода, и лед состоят из одинаковых молекул.
Твердое, жидкое и газообразное состояние являются основными агрегатными состояниями веществ. Однако, не все вещества могут иметь все три типа состояния.
Интересным примером жидкости является неньютоновская жидкость. Сделать ее дома легко, нужен всего лишь крахмал и вода.
Интересным примером жидкости является неньютоновская жидкость. Сделать ее дома легко, нужен всего лишь крахмал и вода.
Также интересным фактом является то, что вода, пар и лед могут существовать одновременно. Строго при определенной температуре и давлении. Так называемая тройная точка. Посмотрите на график.
Данная тока соответствует 273,16 Кельвинам или -0,01 С. Приближенно считается, что 273 К = 0 С. А один Кельвин равен одному Цельсию. Шкала Кельвина удобна тем, что здесь 0 соответствует абсолютному нулю. Минимально возможной температуре, когда молекулы совсем не двигаются.
Диффузия. Броуновское движение.
Проведем опыт:
В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом горячая. Опустим одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, чем в холодной.
В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом горячая. Опустим одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, чем в холодной.
Давайте разберемся, что это за процесс и почему такая разница.
Явление взаимного проникновения веществ друг в друга называют диффузией.
Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.
Беспорядочное движение частиц вещества, зависящее от степени нагретости вещества, называют тепловым. Все молекулы всегда движутся при любых температурах, кроме абсолютного нуля!
Явление взаимного проникновения веществ друг в друга называют диффузией.
Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.
Беспорядочное движение частиц вещества, зависящее от степени нагретости вещества, называют тепловым. Все молекулы всегда движутся при любых температурах, кроме абсолютного нуля!
Диффузия может наблюдаться абсолютно для всех состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, распространение запаха – это диффузия. Мы знаем, что она протекает достаточно быстро при комнатной температуре.
Диффузия жидкостей также протекает недолго, но явно медленнее, чем для газов. Попробуйте смешать два напитка разного цвета и посмотрите на результат. Не забудьте, что и температура сильно влияет.
Соль в воде при комнатной температуре будет растворяться минут 20-30, что уже намного дольше, чем ранее рассмотренные случаи.
Но для твердых тел также справедлива диффузия, но на это потребуется несколько лет!
Проведем опыт под названием "Шагающая вода".
Для него понадобятся восемь пластиковых стаканчиков (можно больше или меньше), вода, краска гуашь(пищевой краситель) и бумажные полотенца (или салфетки).
Диффузия жидкостей также протекает недолго, но явно медленнее, чем для газов. Попробуйте смешать два напитка разного цвета и посмотрите на результат. Не забудьте, что и температура сильно влияет.
Соль в воде при комнатной температуре будет растворяться минут 20-30, что уже намного дольше, чем ранее рассмотренные случаи.
Но для твердых тел также справедлива диффузия, но на это потребуется несколько лет!
Проведем опыт под названием "Шагающая вода".
Для него понадобятся восемь пластиковых стаканчиков (можно больше или меньше), вода, краска гуашь(пищевой краситель) и бумажные полотенца (или салфетки).
Расположите стаканы в ряд, налейте немного воды в каждый второй, а затем добавьте в каждый краситель разного цвета. После сделайте несколько полосок из бумажных полотенец и поместите каждую из них в стаканы — одним концом в стакан с водой, другим — в пустой
Что получилось в итоге?
Что получилось в итоге?
Применение диффузии. Минерализация воды.
Диффузия тесно переплетается с другим важным понятием, которое является критерием качества воды, а именно – общей минерализацией воды. Общая минерализация воды – это концентрация всех растворенных в воде веществ минерального и органического происхождения. Также общую минерализацию еще называют общим солесодержанием воды, так как растворенные вещества находятся в воде именно в виде солей.
Минерализация воды протекает в форме диффузии. Так как вода является универсальным растворителем, ее нахождение в чистом состоянии без примесей является практически невозможным.
Минерализация воды протекает в форме диффузии. Так как вода является универсальным растворителем, ее нахождение в чистом состоянии без примесей является практически невозможным.
Вода может минерализоваться природным и техногенным путем. В первом случае протекание диффузии обуславливается окружающей воду средой, местностью, где находится вода, а также глубиной ее залегания. Ввиду того, что минералы, находящие в почве и подземных водах, имеют разную степень растворимости, минерализованная природным способом вода имеет широкий диапазон минерализации. Что касается техногенного пути минерализации, в данном случае протекание диффузии обуславливается выбросом человеческих продуктов деятельности в воду (отхода предприятии, вода из ливневых стоков, унесенные дождем в водоемы удобрения с полей и т.д.).
Наш организм содержит немало минералов, что важно для нашего организма. Поэтому, важно пить минерализованную воду. Чистая вода, наоборот, вымывает минералы. Но постоянно минерализованную воду также пить нельзя.
На каждой воде написан показатель минерализации воды.
Для чего же нужен данный показатель? Он позволяет дать характеристику составу воды, от которого зависят вкусовые качества жидкости и ее физиологическое действие, отражает особенности водных залежей различных регионов и степень эффективности работы очистительных сооружений. На основании данного параметра определяется возможность использования воды в промышленных целях (отопление, системы нагрева воды и т.д.), а также возможность употребления воды данного источника человеком и возможное влияние на человеческий организм.
Наш организм содержит немало минералов, что важно для нашего организма. Поэтому, важно пить минерализованную воду. Чистая вода, наоборот, вымывает минералы. Но постоянно минерализованную воду также пить нельзя.
На каждой воде написан показатель минерализации воды.
Для чего же нужен данный показатель? Он позволяет дать характеристику составу воды, от которого зависят вкусовые качества жидкости и ее физиологическое действие, отражает особенности водных залежей различных регионов и степень эффективности работы очистительных сооружений. На основании данного параметра определяется возможность использования воды в промышленных целях (отопление, системы нагрева воды и т.д.), а также возможность употребления воды данного источника человеком и возможное влияние на человеческий организм.
Диффузия металлов.
Мы не так часто наблюдаем как протекает диффузия твердых тел вживую, но каждый день пользуемся результатами диффузии металлов и сплавов. К примеру, практически в каждой машине существуют стальные детали, в поверхности которых неравномерно распределено содержание углерода. Сталь представляет из себя сплав железа и углерода. Чем больше в данном сплаве содержание углерода, тем сталь становиться прочнее, но также становится более хрупкой. В некоторых механизмах машин важно, чтобы деталь обладала внутренней упругостью и не ломалась при внезапных ударах от наездов на яму, но при этом не была подвержена быстрому износу. Для решения этой проблемы на поверхностях стальных деталей повышают содержание углерода, однако внутри детали содержание остается прежним.
Используется такой механизм: металлическую деталь нагревают и помещают в камеру с газом, содержащим углерод. Благодаря этому начинает протекать процесс диффузии и атомы углерода вкрапливаются в кристаллическую решетку железа. Чем дольше в этом случае держать деталь в камере, тем больше углерода будет проникать в кристаллическую решетку железа и, в тоге, содержание углерода равномерно распространится по всему объему детали. Именно поэтому деталь держат определенное время, чтобы придать именно ее поверхности необходимую прочность, а внутренние свойства оставить прежними.
Следует отметить важность температурного фактора при диффузии металлов. Повышение температуры значительно увеличивает интенсивность протекания диффузии. Так, если положить два металла под пресс и зажать их, между ними также начнется диффузия, однако до полного смешивания этот процесс может занять несколько лет. Под влиянием высокой температуры, которая увеличит скорость движения молекул взаимодействующих тел и ускорит попадание атомов в узлы их кристаллических решеток, этот процесс может сократиться до нескольких часов.
Теплообмен
Определение:
Теплопередача ─ это физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему.
Теплопередача ─ это физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к менее горячему.
Любой процесс передачи тепла происходит от более нагретого к менее нагретому. Механизмов для совершения таких процессов бывает много.
Мы будем рассматривать 3 основных: теплопроводность, конвекция и излучение. Все они относятся к явлению теплопередачи, но отличаются лишь способом переноса внутренней энергии между телами.
Теплопроводность ─ передача тепла при непосредственном контакте тел.
Конвекция ─ перенос тепла в жидкостях и газах потоками вещества.
Излучение ─ механизм этого вида теплопроводности сложен, и нам не обязательно углубляться в его подробности; однако подчеркнем, что при излучении происходит перенос энергии не частицами вещества, а электромагнитными волнами ─ именно поэтому для излучения не нужна среда.
Мы будем рассматривать 3 основных: теплопроводность, конвекция и излучение. Все они относятся к явлению теплопередачи, но отличаются лишь способом переноса внутренней энергии между телами.
Теплопроводность ─ передача тепла при непосредственном контакте тел.
Конвекция ─ перенос тепла в жидкостях и газах потоками вещества.
Излучение ─ механизм этого вида теплопроводности сложен, и нам не обязательно углубляться в его подробности; однако подчеркнем, что при излучении происходит перенос энергии не частицами вещества, а электромагнитными волнами ─ именно поэтому для излучения не нужна среда.
В большинстве случаев виды теплообмена тесно связаны и проходят одновременно. Конвекция всегда дополняется теплопроводностью, так как при движении объема среды всегда имеется взаимодействие частиц с разными температурами. Такой процесс имеет название конвективного теплообмена.
Примером такого типа теплообмена является остывание горячего чая, налитого в холодную металлическую кружку. Отдача тепла может сопровождаться его излучением, тогда в переносе теплоты участвуют все три вида: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.
Примером такого типа теплообмена является остывание горячего чая, налитого в холодную металлическую кружку. Отдача тепла может сопровождаться его излучением, тогда в переносе теплоты участвуют все три вида: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.
Теплопроводность
Теплопроводность присуща твердым телам, но присутствует также в жидкостях и газах. В твердых телах основной вид теплообмена – теплопередача. Она зависит от самого материала вещества (плотность, химический состав), от влажности и температуры.
Разные тела и вещества имеют разную теплопроводность. Количественным показателем теплопроводности служит коэффициент теплопроводности, он обозначается буквой λ (лямбда). Чем выше плотность, влажность и температура тела, тем больше λ.
Передача тепла происходит за счет взаимодействий между частицами. В более нагретой части тела частицы колеблются сильнее, передавая свою энергию слабо колеблющимся. Конечной целью процесса будет выравнивание внутренней температуры по всему телу. Теплопроводность жидкостей меньше, чем у твердых тел, у газов – меньше, чем у жидкостей. Причиной является большое расстояние между молекулами в жидкостях, особенно в газах.
Плохая теплопроводность воздуха используется в качестве теплоизолятора в окнах. Вы наверняка замечали, что все современные окна сделаны из двойного стекла, пространство между которыми заполнено воздухом. Таким образом, процесс теплопередачи очень сильно замедляется и комната не остывает.
Похожий пример: использование перчаток, плохо проводящих тепло, при работе с горячей посудой из духовки.
Плохая теплопроводность воздуха используется в качестве теплоизолятора в окнах. Вы наверняка замечали, что все современные окна сделаны из двойного стекла, пространство между которыми заполнено воздухом. Таким образом, процесс теплопередачи очень сильно замедляется и комната не остывает.
Похожий пример: использование перчаток, плохо проводящих тепло, при работе с горячей посудой из духовки.
Подводя итог: теплопроводность – перенос тепла от одной части тела к другой, без переноса самого вещества.
Вещества делятся на:
- Теплопроводники (металлы)
- Теплоизоляторы (стекло, вода, воздух)
- Теплопроводники (металлы)
- Теплоизоляторы (стекло, вода, воздух)
Проведем опыт:
Возьмем воздушный шар, наполненный водой, и постараемся его поджечь. Вы думаете, он лопнет? Нет. У воды высокая теплопроводность и всё тепло от огня сразу идет на нагревание воды.
Возьмем воздушный шар, наполненный водой, и постараемся его поджечь. Вы думаете, он лопнет? Нет. У воды высокая теплопроводность и всё тепло от огня сразу идет на нагревание воды.
По такому же принципу не подгорает и не загорается чайник на плите, наполненный водой. А если его или кастрюлю поставить пустой? Думаю, хоть раз, но вы видели, что произойдет. Повторять не будем.
Конвекция
Конвекция – процесс передачи внутренней энергии газов и жидкостей в результате циркуляционных потоков (струями) и смешиванию теплых и холодных слоев.
Конвекция бывает:
Конвекция является одним из главных физических принципов построения отопления домов и квартир в нашей жизни. Теплые потоки воздуха от нагревателей устремляются вверх, а холодные вниз, как показано на картинке. Таким образом, получается замкнутый цикл отопления за счет конвективных потоков.
2)Здесь будьте аккуратны и повторяйте этот опыт только в присутствии взрослых.
Все, что вам необходимо для этого опыта: чайный пакетик и зажигалка (или спички).
Для начала отрежьте верхнюю часть пакетика и высыпите из него заварку. Затем аккуратно поставьте пустой пакетик так, чтобы он стоял ровно в форме цилиндра. Подожгите самую верхушку. Поднимающийся теплый воздух и дым сделают за вас все остальное.
Все, что вам необходимо для этого опыта: чайный пакетик и зажигалка (или спички).
Для начала отрежьте верхнюю часть пакетика и высыпите из него заварку. Затем аккуратно поставьте пустой пакетик так, чтобы он стоял ровно в форме цилиндра. Подожгите самую верхушку. Поднимающийся теплый воздух и дым сделают за вас все остальное.
Проведем два опыта.
1) Из бумаги необходимо вырезать спираль, подвесить на нити или штативе и поместить над огнем.
Мы увидим, что спираль начнет вращаться, как раз за счет конвекции. Теплый воздух от пламени поднимается наверх
1) Из бумаги необходимо вырезать спираль, подвесить на нити или штативе и поместить над огнем.
Мы увидим, что спираль начнет вращаться, как раз за счет конвекции. Теплый воздух от пламени поднимается наверх
Вынужденная конвекция зависит от наличия внешних сил. Например, при помешивании ложкой горячий чай остывает именно за счет этого явления.
Естественная конвекция возникает под влиянием естественных сил: неравномерного прогрева, силы тяжести. Процессы естественной конвекции происходят на планете ежеминутно. Появление облаков, формирование атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов в атмосфере возможно благодаря этому процессу. Воды мирового океана также подвержены процессам конвекции, в результате образуются океанические течения. Движение тектонических плит также обусловлено конвективными процессами.
Излучение
Излучение – это вид теплопередачи от более нагретого к менее нагретому, осуществляемый за счет электромагнитных волн.
Если дома зажечь настольную лампу и сесть рядом, то через некоторое время можно ощутить тепло, которое исходит от лампочки.
Между Солнцем и Землей нет вещества (т.е. вакуум), поэтому энергия передается с помощью электромагнитных волн, которые являются одним из видов излучения.
Проект. Термос
Принцип уменьшения теплопередачи каждым из способов положен в основу работы термоса.
Термос устроен таким образом, что теплообмен его содержимого с окружающей средой сведен до минимума. Вакуум между стенками колбы препятствует теплопередаче путем конвекции и теплопроводности, а зеркальный отражающий слой на внутренней поверхности колбы препятствует теплопередаче излучением.
Термос устроен таким образом, что теплообмен его содержимого с окружающей средой сведен до минимума. Вакуум между стенками колбы препятствует теплопередаче путем конвекции и теплопроводности, а зеркальный отражающий слой на внутренней поверхности колбы препятствует теплопередаче излучением.
Есть несколько способов спланировать и сделать свой термос. Добиться вакуума между стенками мы дома не сможем, но можно смастерить термос, который почти не будет уступать.
Посмотрите несколько видео, а также дополнительную информацию в интернете и сделайте свой термос!
Можете продумать его и сделать настолько классным и стильным, что можно было бы брать термос в школу каждый день.
Важная рекомендация от нас. Используйте стеклянную бутылку как внутреннюю колбу термоса. Главное, не пластик. Пластик будет плавиться и менять форму от кипятка. Такой термос долго не прослужит.
Посмотрите несколько видео, а также дополнительную информацию в интернете и сделайте свой термос!
Можете продумать его и сделать настолько классным и стильным, что можно было бы брать термос в школу каждый день.
Важная рекомендация от нас. Используйте стеклянную бутылку как внутреннюю колбу термоса. Главное, не пластик. Пластик будет плавиться и менять форму от кипятка. Такой термос долго не прослужит.
