За короткое время мы смогли наблюдать воду в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Но можно ли обратить процесс вспять и снова получить кубик льда?
Тепловые явления
Он плавит лед, жжет дрова, растапливает шоколад, согревает чашку горячего чая… Все эти явления имеют нечто общее. Вы можете себе это представить? Верно, все эти явления имеют тепловую природу, то есть вызваны теплом. Но что такое тепло? Какие явления в физике можно назвать тепловыми? Можно ли рассчитать их влияние с помощью формул и законов? Об этом и многом другом мы поговорим в этой статье.
— Обновлено 25 октября 2022 года
Что такое тепло?
Начнем с вопроса, который настолько же прост, насколько и сложен: что такое тепло?
Тепло — это физическая энергия, образующаяся в результате неупорядоченного движения частиц тела (атомов, молекул и т.д.) и проявляющаяся в нагревании тела.
Такое определение не сразу стало известно людям. Например, предполагалось, что тепло — это невидимая, неощутимая жидкость, которая течет через физические тела. И чем больше объем этой жидкости, тем горячее тело. Конечно, эта гипотеза не подтвердилась.
Позже ученые изучили поведение молекул при нагревании или охлаждении тела. При повышении температуры скорость молекул увеличивается, и они чаще сталкиваются друг с другом. Это увеличивает потенциальную и кинетическую энергию, а значит и внутреннюю энергию, что выражается в буквальном нагревании тела. Это хаотичное движение молекул называется тепловым движением.
Тепловое движение — это процесс хаотического движения частиц, составляющих материю.
Если скорость молекул увеличивается при повышении температуры, то можно предположить, что скорость уменьшается при понижении температуры. Но можно ли полностью остановить движение? До какой температуры должно быть охлаждено тело в таком случае?
Для этого тело должно быть охлаждено до абсолютного нуля по шкале Кельвина, что соответствуе т-273,15 °C ил и-459,67 °F. В этих условиях молекулы перестают двигаться и застывают в узлах кристаллической решетки. Но достичь такого температурного режима невозможно ни на планете Земля, ни во всей Вселенной, ни даже в лаборатории.
Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Зарегистрируйтесь и примите участие в розыгрыше 8 курсов.
Каким образом можно нагреть вещество?
На самом деле, существует более одного способа. Вы можете передать тепло непосредственно телу или изменить его внутреннюю энергию, совершив над ним работу.
Теплопередача
Виды теплопередачи включают в себя проводимость, конвекцию и излучение. Чтобы лучше понять, чем каждый тип отличается от другого, давайте рассмотрим несколько примеров.
- Теплопроводность. Представьте, что ваши руки замерзли и вы держите в руках кружку кофе, чтобы их согреть. В таком случае тепло от более нагретого тела (кружки) передается менее нагретому (вашим рукам), до тех пор пока температура двух объектов не станет одинаковой. Так, горячая вода отдает свое тепло холодной при смешивании, а суп нагревает холодную ложку, если ее оставить в тарелке. Только аккуратно, не обожгитесь!
- Конвекция — вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками самого вещества. Проще говоря, это процесс, который происходит в жидкостях и газах, когда слои вещества разной температуры перемешиваются. На этом принципе основано отопление помещения и проветривание комнаты. Кстати, ветры, дующие над поверхностью земного шара, — это тоже пример конвекции.
- Излучение. Догадывались ли вы, что мы сталкиваемся с этим типом теплопередачи каждый день? Именно день, ведь солнечный свет излучает тепло с помощью электромагнитных волн, что делает жизнь на планете Земля возможной. По правде говоря, любое нагретое тело может стать источником тепла (человек, животные, свеча, костер, звезды). Это можно увидеть с помощью особого прибора — тепловизора.
Совершение работы над веществом
И здесь нам не хватает наглядного примера. Давайте посмотрим
Тот факт, что молекулы находятся в постоянном движении, впервые был открыт в 1827 году английским ботаником Робертом Брауном. Он наблюдал споры (грибковые и растительные клетки) под микроскопом, поместив их в жидкость. Оказалось, что споры постоянно колеблются и двигаются вперед-назад. Движение мелких частиц сильнее, чем движение крупных. Это явление было названо в честь его открытия — броуновское движение, хотя сам Браун не мог объяснить его природу. Причина этого явления долгое время оставалась неясной, пока не было обнаружено, что это движение частиц вызывается столкновениями (ударами) молекул окружающей жидкости или газа.
- Тепло — это энергия, которая создается тепловым движением молекул.
- Тепловое движение — процесс хаотичного движения частиц, образующих вещество.
- С ростом температуры растет и скорость движения молекул, а полностью остановить это движение практически невозможно.
- Изменить температуру тела можно двумя способами: с помощью теплопередачи или изменения внутренней энергии тела при совершении над ним работы.
Броуновское движение
Хотя молекулы жидкости (или газа) ударяются о частицы со всех сторон, их столкновения не полностью гасят друг друга. Случайно (с определенной вероятностью) воздействие на частицу с одной стороны сильнее, чем с других сторон, так что частица движется в определенном направлении. Затем преобладает воздействие с другой стороны, и частица движется в новом направлении. Результатом является неупорядоченное движение частицы. Таким образом, открытие броуновского движения оказалось одним из самых прямых доказательств существования молекул.
Математическая модель для описания броуновского движения была разработана Альбертом Эйнштейном в 1905 году. Уравнение Эйнштейна позволяет рассчитать коэффициент диффузии сферических броуновских частиц, что дает возможность определить перемещение частиц за определенное время.
Еще одним впечатляющим доказательством существования молекул в состоянии непрерывного теплового движения является диффузия. Термин «диффузия» происходит от латинского слова diffusio — распространение, распространение.
Многие явления можно легко объяснить диффузией молекул или атомов одного вещества в другое. Диффузия может происходить в газах, жидкостях и твердых телах. Проникновение молекул одного вещества в другое приводит к спонтанному уравнению концентрации, т.е. диффузия по своей природе является направленной (не хаотичной) из области высокой концентрации в область более низкой концентрации. Вот несколько примеров, которые можно объяснить диффузией молекул:
Что такое диффузия
Известный классический эксперимент заключается в том, что золотую пластину плотно прижимают к свинцовой пластине, и через пять лет свинец и золото диффундируют на глубину 1 мм.
С повышением температуры скорость диффузии увеличивается, что является дополнительным подтверждением теплового движения молекул.
- Распространения аромата духов или иных запахов (бензина, краски, дыма и т.д.);
- Растворение сахара, соли, кофе в воде;
- Взаимное проникновение атомов металлов, соприкасающихся друг с другом.
Молекулы в веществе могут иметь разную скорость при любой температуре. Всегда будет существовать определенное количество молекул с малыми (почти нулевыми) и очень большими скоростями. Большинство молекул имеют среднюю скорость, которая определяет температуру всего вещества. Функция (формула) для расчета того, сколько молекул из общего числа имеют σ
Скорость молекул
