Доклад на тему «Примеры тепловых явлений в физике» (8 класс)

Введение

Утром на траве появляется роса, к полудню она исчезает, вечером над рекой поднимается туман, а зимой на окнах вырастают ледяные узоры. Чайник закипает на плите, мороженое тает в руке, ложка в горячем чае быстро нагревается. Все эти привычные картины объединяет одно: в них меняется температура тел или их состояние, и происходит это благодаря передаче энергии. Такие явления физика называет тепловыми.

Тепловые явления изучают в начале курса физики 8 класса, и они служат основой для многих последующих тем, от двигателей внутреннего сгорания до холодильников и климатических систем. Понимание тепловых явлений нужно и в повседневной жизни: оно объясняет, почему зимой надевают шерстяные вещи, зачем в домах ставят двойные рамы, почему батареи размещают под окнами, а провода летом провисают сильнее, чем зимой.

Цель доклада — рассказать, какие явления относят к тепловым, и привести их примеры из природы, быта и техники. В первой главе рассматриваются понятие теплового движения и внутренней энергии и способы теплопередачи, во второй главе изменение агрегатных состояний вещества и тепловое расширение. Материал основан на учебнике физики А. В. Перышкина для 8 класса и научно-популярной литературе.

Глава 1. Тепловые явления и теплопередача

1.1 Что такое тепловые явления

Все тела состоят из молекул и атомов, которые непрерывно и беспорядочно движутся. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся его частицы. Такое движение называют тепловым, а энергию движения и взаимодействия всех частиц тела называют его внутренней энергией. Тепловыми явлениями называют явления, связанные с изменением внутренней энергии тел: нагревание и охлаждение, плавление и отвердевание, испарение и конденсацию, кипение, горение.

Изменить внутреннюю энергию тела можно двумя способами. Первый способ — совершить над телом работу. Если быстро потереть ладони друг о друга, они нагреются, а если несколько раз согнуть и разогнуть проволоку, место сгиба станет горячим. Второй способ — теплопередача, при которой энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы. Именно так нагревается ложка в горячем чае и остывает суп на столе.

Сколько энергии тело получило или отдало, физики называют количеством теплоты и измеряют в джоулях. Зависит оно от массы, от того, на сколько градусов изменилась температура, и от вещества. Чтобы нагреть на один градус килограмм воды, нужно 4200 джоулей, а килограмм меди — всего 400, и эту характеристику называют удельной теплоёмкостью. Как сильно она различается у разных веществ, видно на рисунке 1.

По рисунку видно, что у воды удельная теплоёмкость самая большая из распространённых веществ: она вдвое больше, чем у льда, почти в пять раз больше, чем у алюминия, и в десять раз больше, чем у меди. Это значит, что вода медленно нагревается и медленно остывает, запасая много энергии. Поэтому моря и океаны смягчают климат прибрежных районов, летом там не так жарко, а зимой не так холодно, как в глубине материка. По той же причине в системах отопления и в грелках используют именно воду.

1.2 Теплопроводность

Почему ручка металлической ложки в горячем чае обжигает пальцы, а деревянной — нет? Дело в теплопроводности, то есть в передаче энергии от горячих частей тела к холодным через столкновения частиц. Сами частицы при этом остаются на своих местах и лишь «передают толчок» соседям, как люди в очереди, передающие из рук в руки ведро с водой. У металлов эта цепочка работает быстро, у дерева — медленно.

Хорошими проводниками тепла являются металлы, особенно серебро и медь. Плохо проводят тепло дерево, пластмассы, шерсть, мех, снег и особенно воздух. На этом основано множество примеров из жизни. Ручки кастрюль и сковородок делают из пластмассы или дерева, чтобы не обжечься. Шерстяная одежда и мех греют потому, что между волокнами много воздуха, который плохо проводит тепло. Озимые хлеба под толстым слоем снега не вымерзают даже в сильные морозы.

Примеры теплопроводности можно найти и в природе. Птицы зимой нахохливаются, распушая перья, чтобы между ними было больше воздуха. Животные северных районов имеют густой мех, а у морских млекопитающих, например тюленей, под кожей есть толстый слой жира. Двойные рамы в окнах и стеклопакеты сохраняют тепло в доме благодаря прослойке воздуха между стёклами.

1.3 Конвекция и излучение

В жидкостях и газах тепло переносится иначе — вместе с самим веществом. Нагретая у дна кастрюли вода расширяется, становится легче и всплывает, а на её место опускается холодная, и так, пока не прогреется вся кастрюля. Это и есть конвекция. Ради неё батареи вешают внизу, под окнами: тёплый воздух поднимается вверх и разгоняет по комнате холод, идущий от стекла, а кондиционер, наоборот, крепят под потолком, потому что охлаждённый воздух сам опустится вниз.

Конвекция определяет многие природные явления. Ветры возникают из-за неодинакового нагревания разных участков земной поверхности. Днём суша прогревается быстрее моря, воздух над ней поднимается, и с моря дует прохладный ветер, а ночью всё происходит наоборот. Такой ветер называют бризом. Конвекция в атмосфере образует кучевые облака и грозы, а в океане порождает течения, которые переносят тепло на тысячи километров.

Солнце греет Землю через 150 миллионов километров пустоты, и ни теплопроводность, ни конвекция здесь ни при чём. Это третий способ теплопередачи, излучение: всякое нагретое тело испускает невидимые инфракрасные лучи, и чем оно горячее, тем сильнее. Так греет руки костёр, так греет спину печь. Тёмные поверхности поглощают лучи охотнее светлых, поэтому в июльскую жару в белой футболке прохладнее, чем в чёрной, а снег, присыпанный золой, тает раньше чистого. Все рассмотренные явления собраны в таблице 1.

Таблица 1 — Тепловые явления и их примеры

Нередко все три способа работают одновременно, и тогда, чтобы сохранить тепло, приходится бороться сразу с тремя. Именно это сделал шотландский физик Джеймс Дьюар, придумавший в 1892 году сосуд с двойными стенками. Воздух между стенками откачан, так что ни теплопроводности, ни конвекции почти нет, а посеребрённое стекло отражает излучение обратно. Бытовой термос устроен точно так же, и чай в нём остаётся горячим до вечера.

1.4 Простые опыты с тепловыми явлениями

Многие тепловые явления легко увидеть дома, никаких приборов для этого не нужно. Поставьте в стакан с горячей водой металлическую, пластмассовую и деревянную ложки и через минуту осторожно потрогайте ручки: металлическая окажется заметно теплее остальных. Так проверяется разница между хорошими и плохими проводниками тепла.

Конвекцию можно увидеть, если капнуть в стакан с горячей водой немного холодной воды, подкрашенной пищевым красителем или крепкой заваркой. Холодная окрашенная вода опустится на дно, а затем начнёт медленно перемешиваться с тёплой. Другой известный опыт — бумажная спираль, подвешенная на нитке над тёплой батареей: восходящий поток нагретого воздуха заставляет её вращаться.

Влияние цвета на поглощение излучения проверяют с помощью двух одинаковых банок с водой, одна из которых обёрнута чёрной бумагой, а другая белой. Если поставить их на солнце и через полчаса измерить температуру воды термометром, в банке с чёрной обёрткой она окажется выше. Похожие опыты встречаются в книгах Я. И. Перельмана по занимательной физике, и они хорошо подходят для того, чтобы сопроводить доклад демонстрацией перед классом.