Что такое тепло на самом деле? Если рассмотреть достаточно близко, все состоит из крошечных частиц, которые постоянно движутся. Нагрейте что-нибудь, и его частицы начнут двигаться быстрее. Охладите, и…
Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)
2.1
Агрегатные состояния вещества
Программа
2.1.1 Агрегатные состояния вещества
Базовый
Дополнительно
1 Знать отличительные свойства твердых тел, жидкостей и газов
2 Знать термины для переходов между твердыми телами, жидкостями и газами (переходы газ-твердое тело и твердое тело-газ не требуются)
2.1.2 Молекулярная модель
Базовый
Дополнительно
1 Описывать структуру частиц твердых тел, жидкостей и газов с учетом их расположения, расстояния между ними и движения, а также представлять эти состояния с помощью простых схем частиц
6 Знать, что силы и расстояния между частицами (атомами, молекулами, ионами и электронами), а также движение частиц влияют на свойства твердых тел, жидкостей и газов
2 Описывать связь между движением частиц и температурой, включая идею о том, что существует минимально возможная температура ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), известная как абсолютный ноль, при которой частицы имеют наименьшую кинетическую энергию
3 Описывать давление и изменения давления газа с точки зрения движения его частиц и их столкновений со стенками сосуда
7 Описывать давление и изменения давления газа с точки зрения сил, создаваемых частицами при ударах о стенки, формируя силу на единицу площади
4 Знать, что хаотичное движение микроскопических частиц в суспензии является доказательством кинетической молекулярной теории вещества
8 Знать, что микроскопические частицы могут перемещаться под воздействием ударов быстрых молекул, и правильно использовать термины «атомы» или «молекулы» в отличие от термина «микроскопические частицы»
5 Описывать и объяснять это движение (иногда называемое броуновским движением) с точки зрения случайных столкновений между микроскопическими частицами в суспензии и частицами газа или жидкости
2.1.3 Газы и абсолютная шкала температуры
Базовый
Дополнительно
1 Качественно описывать с точки зрения частиц влияние на давление фиксированной массы газа: (a) изменения температуры при постоянном объеме (b) изменения объема при постоянной температуре
3 Вспомнить и использовать уравнение $pV = \text{constant}$ для фиксированной массы газа при постоянной температуре, включая графическое представление этой зависимости
2 Переводить температуры между кельвинами и градусами Цельсия; вспомнить и использовать уравнение $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$
Источник: Программа Cambridge International
Кинетическая теория: давление газа
Вещество существует в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.
Состояние
Форма
Объем
Частицы
Твердое
постоянная
постоянный
расположены близко друг к другу, в регулярном порядке, колеблются
Жидкое
принимает форму сосуда
постоянный
расположены близко друг к другу, без порядка, могут перемещаться относительно друг друга
Газ
занимает весь сосуд
изменяется
расположены далеко друг от друга, быстрые, хаотичное движение
Изменения агрегатных состояний: плавление (твердое → жидкое), кипение/испарение (жидкое → газ), конденсация (газ → жидкое) и кристаллизация (жидкое → твердое). При конденсации частицы газа замедляются и сближаются, образуя жидкость. При кристаллизации частицы жидкости теряют энергию и занимают фиксированные позиции.
Все вещества состоят из крошечных частиц, которые постоянно движутся. Это кинетическая модель частиц.
В твердом теле частицы только колеблются около фиксированных позиций.
В жидкости они все еще расположены близко друг к другу, но могут скользить друг относительно друга.
В газе они находятся далеко друг от друга и быстро движутся в случайных направлениях.
Одни и те же частицы в трех состояниях: зафиксированы и упорядочены в твердом теле, расположены близко, но беспорядочно в жидкости, далеко друг от друга и быстро движутся в газе
Температура и энергия частиц
При нагревании вещества его частицы движутся быстрее, поэтому их кинетическая энергия увеличивается. Температура — это мера средней кинетической энергии частиц.
Наименьшая возможная температура — абсолютный ноль, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. В этот момент частицы имеют наименьшую возможную энергию.
Цифровой термометр измеряет температуру, регистрируя кинетическую энергию частиц, с которыми он соприкасается
Давление газа
Частицы газа ударяются о стенки своего сосуда. Каждый удар — это крошечное толчок. Давление газа — это суммарная сила этих ударов на единицу площади.
Давление газа — это суммарная сила бесчисленных ударов частиц на каждую единицу площади стенки
Нагревание газа (при постоянном объеме) заставляет частицы двигаться быстрее, ударяться сильнее и чаще, поэтому давление возрастает.
Сжатие газа до меньшего объема (при постоянной температуре) означает больше ударов в секунду на каждую единицу площади, поэтому давление возрастает.
Для фиксированной массы газа при постоянной температуре:
$$pV = \text{constant}$$
Поэтому, если объем уменьшается вдвое, давление удваивается.
При постоянной температуре график зависимости давления от объема представляет собой кривую: уменьшите объем вдвое, и давление удвоится, так что $pV$ остается постоянным
Разобранный пример. Газ занимает объем $200\ \text{cm}^3$ при давлении $100\ \text{kPa}$. Его сжимают до $50\ \text{cm}^3$ при постоянной температуре. Найдите новое давление.
Поскольку $pV$ остается постоянным, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:
Если посмотреть на дым в воздухе под микроскопом, вы увидите крошечные крупинки, движущиеся неровными, хаотичными рывками. Это броуновское движение. Крупинки толкаются быстрыми невидимыми частицами воздуха, ударяющимися о них. Это сильное доказательство кинетической модели частиц.
Случайные удары быстрых частиц воздуха толкают частицу дыма по неровному, хаотичному пути
Шкала Кельвина
Ученые часто используют шкалу температур кельвины (K), которая начинается с абсолютного нуля. Для перевода:
$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$
Вдвиньте поршень, чтобы уменьшить объем. Те же самые частицы упаковываются в меньшем пространстве, поэтому они чаще ударяются о стенки, и давление растет — пока произведение давления на объем остается постоянным.
transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/
передача тепловой энергии
2.2
Тепловое расширение
Программа
2.2.1 Тепловое расширение твердых тел, жидкостей и газов
Базовый
Дополнительно
1 Описывать качественно тепловое расширение твердых тел, жидкостей и газов при постоянном давлении
3 Объяснять, исходя из движения и расположения частиц, относительный порядок величин расширения твердых тел, жидкостей и газов при повышении их температуры
2 Описывать некоторые бытовые применения и последствия теплового расширения
2.2.2 Удельная теплоемкость
Базовый
Дополнительно
1 Знать, что повышение температуры тела увеличивает его внутреннюю энергию
2 Описывать повышение температуры тела с точки зрения увеличения средней кинетической энергии всех частиц в этом теле
3 Давать определение удельной теплоемкости как количества энергии, необходимого на единицу массы на единицу повышения температуры; знать и использовать уравнение
$$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
4 Описывать опыты по измерению удельной теплоемкости твердого тела и жидкости
2.2.3 Плавление, кипение и испарение
Базовый
Дополнительно
1 Описывать плавление и кипение с точки зрения подвода энергии без изменения температуры
6 Описывать различия между кипением и испарением
2 Знать температуру плавления и кипения воды при стандартном атмосферном давлении
3 Описывать конденсацию и затвердевание с точки зрения частиц
4 Описывать испарение с точки зрения выхода более энергичных частиц с поверхности жидкости
7 Описывать, как температура, площадь поверхности и движение воздуха над поверхностью влияют на испарение
5 Знать, что испарение вызывает охлаждение жидкости
8 Объяснять охлаждение тела, находящегося в контакте с испаряющейся жидкостью
Источник: Программа Cambridge International
При нагревании вещества его частицы начинают двигаться активнее и занимают больше места, поэтому материал расширяется. Газы расширяются больше всего, затем жидкости, затем твердые тела. Этот порядок обусловлен силами между частицами: в твердом теле частицы удерживаются плотно в кристаллической решетке (фиксированном узоре), поэтому они могут лишь немного больше колебаться; в жидкости они удерживаются слабее; в газе силы очень слабы, поэтому частицы рассеиваются гораздо сильнее.
Примеры из повседневной жизни: оставлены зазоры между рельсами; мосты стоят на роликах; тугая металлическая крышка ослабевает при нагревании.
Небольшой зазор оставляется между рельсами в холодном состоянии, чтобы при расширении от жары зазор закрылся, а не деформировался путь
Исследовать
Нагревание и удельная теплоемкость
Q = mcΔT
Необходимая тепловая энергия пропорциональна повышению температуры для данного количества вещества.
Внутренняя энергия объекта — это полная энергия всех его частиц. Нагревание объекта повышает его внутреннюю энергию и обычно его температуру.
Удельная теплоемкость — это энергия, необходимая для повышения температуры 1 кг материала на 1 °C.
$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$
Материал с высокой удельной теплоемкостью (например, вода) требует много энергии для нагрева и медленно остывает.
Разобранный пример. Сколько энергии нужно, чтобы нагреть $2.0\ \text{kg}$ воды от $20\,{}^{\circ}\text{C}$ до $70\,{}^{\circ}\text{C}$? Удельная теплоемкость воды составляет $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.
Выразив $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$, получаем $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, где $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:
Измерение удельной теплоемкости. Для твердого тела используйте металлический блок с двумя отверстиями: одно для электрического нагревателя, другое для термометра. Измерьте массу $m$ блока. Включите нагреватель на измеренное время $t$ и запишите силу тока $I$ и напряжение $V$, так что подведенная энергия равна $E = IVt$ (или прочитайте энергию с джоулеметра). Запишите повышение температуры $\Delta\theta$. Затем рассчитайте $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Для жидкости нагрейте измеренную массу жидкости в контейнере и перемешивайте ее, чтобы температура была одинаковой по всему объему. Оберните блок или контейнер теплоизоляционным материалом, чтобы меньше энергии выходило в воздух.
Кипячение воды: внутренняя энергия растет вместе с температурой; удельная теплоемкость — это энергия на кг на °C
Плавление и кипение требуют энергии, но температура остается неизменной во время изменения агрегатного состояния. Эта энергия разрывает связи между частицами. Для воды при нормальном атмосферном давлении плавление происходит при $0\,{}^{\circ}\text{C}$, а кипение — при $100\,{}^{\circ}\text{C}$.
Во время плавления и кипения температура остается постоянной, хотя энергия продолжает поступать
Испарение — это переход жидкости в газ с ее поверхности ниже температуры кипения. Наиболее быстрые частицы вылетают с поверхности. Поскольку уходят самые быстрые (самые энергичные) частицы, средняя энергия оставшихся снижается, поэтому жидкость охлаждается. Предмет, соприкасающийся с испаряющейся жидкостью, также охлаждается, так как жидкость забирает энергию у него: именно поэтому пот охлаждает кожу.
Испарение происходит быстрее при более высокой температуре, большей площади поверхности и большем движении воздуха над поверхностью.
Исследовать
График нагрева — обратите внимание на паузу температуры
Пока вещество плавится или кипит, температура остается неизменной, хотя тепло все еще подводится — энергия расходуется на разрыв связей, а не на нагрев.
2.3
Передача тепловой энергии
Программа
2.3.1 Теплопроводность
Базовый
Дополнительно
1 Описывать опыты для демонстрации свойств хороших теплопроводников и плохих теплопроводников (теплоизоляторов)
2 Описывать тепловую проводимость во всех твердых телах с точки зрения колебаний атомной или молекулярной решетки, а также с точки зрения движения свободных (делокализованных) электронов в металлических проводниках
3 Описывать с точки зрения частиц, почему теплопроводность плоха в газах и большинстве жидкостей
4 Знать, что существуют многие твердые тела, которые проводят тепловую энергию лучше, чем теплоизоляторы, но хуже, чем хорошие теплопроводники
2.3.2 Конвекция
Базовый
Дополнительно
1 Знать, что конвекция является важным методом передачи тепловой энергии в жидкостях и газах
2 Объяснять конвекцию в жидкостях и газах с точки зрения изменений плотности и описывать опыты для иллюстрации конвекции
2.3.3 Излучение
Базовый
Дополнительно
1 Знать, что тепловое излучение — это инфракрасное излучение, и что все тела испускают это излучение
2 Знать, что передача тепловой энергии путем теплового излучения не требует среды
4 Знать, что для поддержания постоянной температуры тело должно отдавать энергию с той же скоростью, с которой оно её получает
3 Описывать влияние цвета поверхности (черный или белый) и текстуры (матовая или блестящая) на испускание, поглощение и отражение инфракрасного излучения
5 Знать, что происходит с телом, если скорость поступления в него энергии меньше или больше скорости отвода энергии
6 Знать, как температура Земли зависит от факторов, регулирующих баланс между incoming radiation и излучением, испускаемым поверхностью Земли
7 Описывать опыты для различения хороших и плохих излучателей инфракрасного излучения
8 Описывать опыты для различения хороших и плохих поглотителей инфракрасного излучения
9 Описывать, как скорость излучения зависит от температуры поверхности и площади поверхности тела
2.3.4 Последствия передачи тепловой энергии
Базовый
Дополнительно
1 Объяснять некоторые базовые бытовые применения и последствия теплопроводности, конвекции и излучения, включая: (a) нагрев предметов, таких как кухонные сковороды (b) обогрев помещения конвекцией
2 Объяснять некоторые сложные применения и последствия теплопроводности, конвекции и излучения, где значимо более одного типа передачи тепловой энергии, включая: (a) горение дров или угля в огне (b) радиатор в автомобиле
Источник: Программа Cambridge International
Тепловая энергия передается из горячих мест в холодные тремя способами.
Теплопроводность
Теплопроводность — это передача тепловой энергии через тело без движения самого тела. Частицы в твердом теле образуют кристаллическую решетку. Нагретые частицы начинают колебаться сильнее и передают энергию соседним частицам. В металлах свободные электроны (делокализованные электроны) быстро переносят энергию, поэтому металлы являются хорошими теплопроводниками.
Материалы, которые плохо проводят тепло (например, воздух, дерево и пластик), называются теплоизоляторами.
Проверка проводников. Прикрепите булавку с помощью небольшого количества воска к одному концу стержней из меди, железа, стекла и дерева, а другие концы нагревайте одинаково. Булавка падает первой с медного стержня, затем с железного, и последней (или вовсе не падает) со стеклянного и деревянного: металлы — лучшие проводники. Металлический стержень, удерживаемый в пламени, быстро становится горячим; деревянный — нет.
Газы и большинство жидкостей являются плохими проводниками, потому что их частицы находятся далеко друг от друга и передают энергию только при столкновении. В них отсутствует кристаллическая решетка и нет свободных электронов.
При теплопроводности колеблющиеся частицы передают энергию соседям, поэтому энергия течет от горячего конца к холодному
Конвекция
Конвекция происходит в жидкостях и газах. Когда жидкость нагревается, она расширяется, становится менее плотной и поднимается вверх. Более холодная и плотная жидкость опускается вниз, занимая освободившееся место. Этот поток движущейся жидкости называется конвекционным током.
Нагретая жидкость поднимается, а холодная опускается, создавая конвекционный ток
Демонстрация конвекции. Опустите кристалл фиолетового перманганата калия в стакан с водой и осторожно нагревайте стакан под кристаллом. Цветная струя поднимается над источником тепла, распространяется по верхней поверхности и опускается по бокам. В воздухе зажженная свеча под одной трубкой дымовой коробки затягивает дым через другую трубку и поднимается вверх над пламенем.
Конвекция не может происходить в твердых телах, поскольку частицы не могут перемещаться из места в место.
Излучение
Тепловое излучение — это энергия, переносимая инфракрасными волнами. Все тела испускают его, и оно не требует среды для распространения — может穿过 пустоту (таким образом энергия достигает нас от Солнца).
Поверхность, которая матовая и черная, является хорошим излучателем и хорошим поглотителем инфракрасного излучения. Поверхность, которая блестящая и белая, является плохим излучателем и хорошим отражателем.
Матовая черная поверхность излучает (и поглощает) инфракрасное излучение гораздо лучше, чем блестящая белая
Сравнение поверхностей. Налейте горячую воду одинаковой температуры в две банки: одну матово-черную, другую блестящую серебряную, и поместите в каждую термометр. Черная банка остывает быстрее, значит, она лучший излучатель. Затем поместите те же две банки, наполненные холодной водой, на равном расстоянии от нагревателя. Черная банка нагревается быстрее, значит, она лучший поглотитель. Кубик Лесли (металлический куб с гранями разной обработки) демонстрирует то же самое.
Тепловизионная (инфракрасная) камера преобразует инфракрасное излучение, исходящее от теплой руки, в изображение; яркость означает высокую температуру
Объект сохраняет постоянную температуру, когда испускает энергию с той же скоростью, какой он ее поглощает. Скорость испускания больше, если поверхность горячее и больше. Если объект поглощает энергию быстрее, чем испускает, его температура повышается; если испускает быстрее, чем поглощает, — понижается.
Температура Земли. Земля поглощает излучение Солнца и испускает инфракрасное излучение обратно в космос. Ее средняя температура остается постоянной только тогда, когда эти два процесса уравновешены. Любое нарушение этого баланса меняет температуру. Газы в атмосфере, такие как углекислый газ, поглощают часть испускаемого инфракрасного излучения и возвращают его часть обратно, поэтому увеличение содержания этих газов приводит к потеплению Земли. Облака и лед отражаютincoming солнечный свет, поэтому уменьшение ледяного покрова означает большее поглощение энергии и дальнейшее потепление Земли.
Повседневные примеры
У кухонной сковороды металлическое дно быстро проводит тепло к еде, а ручка сделана из пластика или дерева, что является теплоизолятором, поэтому ее можно держать в руке.
Радиатор нагревает комнату за счет конвекции: воздух рядом с ним прогревается, поднимается вверх, а на его место поступает более холодный воздух, благодаря чему прогревается вся комната.
Сидя у костра, вы чувствуете его излучение на лице мгновенно; воздух между вами и огнем является плохим проводником.
Термос сохраняет напиток горячим, предотвращая все три вида теплопередачи: вакуум между двойными стенками исключает теплопроводность и конвекцию, а блестящие серебристые поверхности отражают излучение.
В кинетической модели частиц нагревание газа заставляет его частицы двигаться быстрее, ударяться о стенки сильнее и чаще, поэтому давление возрастает. Сами частицы при этом не увеличиваются в размерах.
Испарение происходит только на поверхности и при любой температуре; кипение происходит по всему объёму жидкости при одной фиксированной температуре. Испарение охлаждает оставшуюся жидкость, так как улетают самые быстрые частицы.
Во время плавления и кипения температура остаётся постоянной, хотя энергия всё ещё подводится — эта энергия разрывает связи между частицами.
Для расчёта удельной теплоёмкости используйте $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, где $\Delta\theta$ — это изменение температуры, а не конечная температура.
Матовые чёрные поверхности являются лучшими излучателями и поглотителями инфракрасного излучения; блестящие светлые поверхности лучше всего отражают. Конвекция требует движения жидкости или газа, поэтому она не может происходить в твёрдых телах.
Интерактивные уроки по этой теме
Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.
