Тепловые явления.
Занятие 1.
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?
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.
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 H 2O. 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 см 3 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.
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.
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!
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?
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).
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.
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.
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.
Особая проблема температурного расширения метала ощущается на железнодорожных путях. Но вместо устройства стыков примерно через 25 м применяют в местах соединений рельсов длиной 1000 и более метров конструктивное решение - температурный компенсатор.
Несущие детали мостов ставят на катки, способные передвигаться при изменениях длины моста зимой и летом.
Мост Веррацано-Нарроус
Тепловое расширение. Примеры из жизни.
Мы уже поняли, что частицы движутся непрерывно и хаотично. И чем выше температура, тем быстрее будет их движение. Но при увеличении скорости движения частиц увеличивается и расстояние между ними, что и приводит к увеличению размеров тела.

Изменение размеров тела при его нагревании называется тепловым расширением.
В жизни тепловое расширение встречается довольно часто. Каждый раз, когда вы наливаете горячий чай в стакан, он подвергается тепловому расширению. Именно поэтому посуда комнатной температуры может лопнуть, когда в нее налили кипяток. Это объясняется тем, что, при неравномерном нагревании тел, они подвергаются напряжениям, вызванным резким увеличением амплитуд движения атомов. Именно из-за этого посуда может лопнуть из-за кипятка, так как ее внутренняя часть прогреется и начнет расширяться раньше внешней, тем самым растягивая внешнюю поверхность посуды. Если бы в таком случае нагревание происходило равномерно, то и тело расширялось бы по всей поверхности не теряя формы.
Тепловое расширение является очень важным фактором в инженерном деле. Если лопающийся стакан не такая большая проблема, то вот обвал моста или разрыв сети электроснабжения – это уже серьезный вопрос. Дело в том, что напряжение, появляющееся в твердых телах, может быть очень большим, что может привести к разрушению даже массивных металлических конструкций. Если вы когда-нибудь обратите внимание на сети электроснабжения, то заметите, что они слегка провисают. Их вешают именно таким образом, чтоб провод мог свободно сжиматься зимой, так как после теплого времени года проходит эффект теплового расширения. Если бы провод вешали летом и максимально натянули его, то зимой или просто холодной ночью он просто порвался бы.
То же самое касается и такой тяжелой инженерной конструкции как мост. При строительстве мостов и иных навесных тяжелых конструкции часто используются металлические заклепки. Если такая конструкция будет построена и туго склепана в теплое время года или жарким днем без учета теплового расширения, то с наступлением зимы или ночью в заклепках могут возникнуть напряжения, которые приведут к их разрушению и краху конструкции. И такие случаи происходят в наши дни, например, в июле 2018 года в городе Сиракьюс (США) произошел обвал железнодорожного моста. Причиной обвала инженеры назвали тепловое расширение бетона и стали, вызванное самым жарким за 107 лет июлем в городе. В ходе этого происшествия обвалились две бетонные плиты, каждая из которых была 14 метров в длину и 2 метра в высоту, а также каждая весила около 30 тонн.
Отсюда наглядно видно, что тепловое расширение может разрушительно влиять не только на маленькие предметы, но и на огромные конструкции. Еще одним интересным фактом, демонстрирующим масштабы теплового расширения, можно указать провисание моста Веррацано-Нарроус. Этот мост находится в США и является одним из крупнейших висячих мостов в мире, длина центрального висячего пролета моста составляет 1298 метров, а общая длина – 4176 метров. Из-за теплового расширения, которое влияет на удерживающие висячий мост тросы, высота расположенного на мосту шоссе становится на 3,66 метра ниже летом, чем зимой.
Обвалившиеся в Сиракьюсе плиты
Ещё одним интересным фактом про воду является то, что вода начинает расширяться начиная с температуры 4 С. От нуля до 4 С вода уменьшается в объеме. Таким образом, у воды максимальная плотность при температуре 4 С. Соленая вода имеет максимальную плотность при температуре 3 С.

Это приводит к тому, что в холодное время года в водоемах, морях и океанах вода равномерно нагревается до температуры 3-4 С. Далее уже вода начинает расширяться и наблюдаются определенные слои температур.
Температура. Термометр.
Мы уже много говорили о температуре и о единицах измерения. Мы прекрасно понимаем, что температура характеризует степень нагретости тела. И чем выше температура, тем больше скорость движения частиц. Как мы узнали, это влияет ещё и на размеры тел.

Скорость молекул непосредственно связана с внутренней энергией всего тела. Получается, чем выше температура, тем больше внутренняя энергия. И наоборот, если температура невысока, то и частицы двигаются медленно, что соответствует низкой энергии.

Температура характеризует внутреннюю энергию тел.
А как измеряется температура?

Устройство и действие самого простого термометра было основано на тепловом расширении вещества. Термометр представлял собой стеклянный баллончик, соединенный с тонкой трубкой (капилляром). Баллончик заполнялся ртутью или подкрашенным спиртом. Конечно, контрольными точками брались температура кипения воды и таяния льда. Но точность такого термометра не очень хороша. Особенно если использовать воду. Нам хорошо знакомы медицинские более точные термометры, которые являются либо ртутными, либо электронными.
Проект. Термометр своими руками.
Посмотрите видео и статью о том, как можно сделать термометр своими руками. Используйте интернет и свою фантазию и придумайте самый надежный термометр. Все необходимое оборудование у вас есть.

Несколько рекомендаций от нас. Жидкости расширяются нелинейно при большой разнице температур. Если вы возьмете две точки, 0 С и 100 С, то точность у вашего термометра будет невысока. Мы же предлагаем вам сделать домашний, но точный термометр.

Вы можете взять за первую контрольную точку температуру в вашем помещении. А второй точкой температуру, которую можно измерить медицинским термометром, например 35 градусов. Контрольные точки можете брать любые свои, главное, чтобы вы были уверены в точности температуры, а разница температур была не очень велика.
Статья
Теплообмен
Определение:
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.



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.
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.
Подводя итог: теплопроводность – перенос тепла от одной части тела к другой, без переноса самого вещества.
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.
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.
Вещества делятся на:

- Теплопроводники (металлы)

- Теплоизоляторы (стекло, вода, воздух)
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.
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.
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
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.
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.
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.
Излучение
Излучение – это вид теплопередачи от более нагретого к менее нагретому, осуществляемый за счет электромагнитных волн.
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.
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.