Без світла ми не могли б бачити навколишній світ, без звуку — чути, а без теплих променів сонця ні ми самі, ні рослини, ні тварини не могли б виникнути й, звичайно, існувати.

Явища, пов’язані з нагріванням або охолодженням тіл, зі зміною температури, називають тепловими.

Теплові явища людина навчилася використовувати ще з давніх часів для обігрівання свого житла, готування їжі й т. ін. До теплових явищ належать, наприклад, нагрівання й охолодження повітря, танення льоду, плавлення металів й ін.

Молекули або атоми, з яких складаються тіла, перебувають у безперервному хаотичному русі. При підвищенні температури швидкість руху молекул збільшується, при зниженні — зменшується. Отже, швидкість руху молекул залежить від температури тіла.

Оскільки зі швидкістю руху молекул тіла пов’язана його температура, то хаотичний рух молекул, з яких складаються тіла, називають тепловим рухом.

Тепловий рух відрізняється від механічного тим, що в ньому бере участь дуже багато частинок і кожна рухається безладно

2. Що таке внутрішня енергія?

Ми вже знаємо, що існують два види механічної енергії: кінетична й потенціальна. Кінетичною енергією тіла володіють внаслідок свого руху, потенціальною — внаслідок своєї взаємодії з іншими тілами. Кінетична й потенціальна енергія можуть перетворюватися одна в одну.

Кинемо на підлогу з деякої висоти пластилінову кульку. При падінні кульки її потенціальна енергія зменшується, а кінетична збільшується (повна ж механічна енергія кульки зберігається). Після того як кулька вдариться об підлогу, вона зупиниться. Кінетична й потенціальна енергія кульки відносно підлоги дорівнюватимуть нулю.

Чи означає це, що механічна енергія, якою володіла куля, безвісти зникла? Очевидно, ні.

Механічна енергія перетворилася в іншу форму енергії. Що ж являє собою ця інша форма енергії?

У результаті удару об підлогу пластилінова кулька нагрілася й деформувалася. При цьому швидкість теплового хаотичного руху молекул кульки (а отже, і їхня кінетична енергія) збільшилася.

Таким чином, механічна енергія кульки не «зникла», а перейшла в так звану внутрішню енергію.

Очевидно, ця «внутрішня» енергія пов’язана з рухом і взаємодією частинок, з яких складається тіло.

Суму кінетичної енергії хаотичного руху й потенціальної енергії взаємодії частинок (атомів і молекул), з яких складається тіло, називають внутрішньою енергією.

При підвищенні температури тіла швидкість теплового руху молекул, а значить, і їхня кінетична енергія збільшується. Отже, при підвищенні температури тіла його внутрішня енергія збільшується, а при зниженні — зменшується.

Таким чином,

перша ознака: зміна температури тіла.

Коли вода перетворюється на пару, потенціальна енергія взаємодії молекул збільшується: адже для того, щоб «розтягти» одна від одної молекули води, що притягаються, необхідно виконати роботу.

Тому

друга ознака: зміна агрегатного стану.

При згорянні вугілля атоми Карбону, що входять до складу вугілля, з’єднуються з атомами Оксигену, що входять до складу повітря. При цьому потенціальна енергія взаємодії молекул переходить у кінетичну енергію хаотичного руху молекул, тобто підвищується температура й внутрішня енергія.

Отже,

третя ознака: зміна хімічного складу

4. Перетворення внутрішньої енергії під час стиску й розширення газу й при нагріванні тертям

Якщо ми спробуємо накачати велосипедну камеру насосом, то відчуємо, що насос нагрівся. Головною причиною нагрівання є в цьому випадку не тертя, а стиск повітря: стискаючи повітря, ми виконували роботу, збільшуючи внутрішню енергію газу.

Якщо помістити на дно товстостінного прозорого циліндра суху ватку й різко вставити поршень у циліндр, ватка загориться. Чому?

Це відбулося внаслідок сильного стиску: повітря в циліндрі нагрілося до дуже високої температури.

А чи зміниться внутрішня енергія газу, якщо при розширенні газ сам виконає роботу?

Будемо накачувати повітря в товстостінну скляну посудину, щільно закриту пробкою. Коли тиск повітря в посудині стане досить великим, пробка вискочить, причому в посудині з’явиться туман.

У цьому досліді газ, розширюючись, виконав роботу, передавши пробці механічну енергію. При цьому внутрішня енергія газу зменшилася.

Потріть один брусок об інший — вони нагріваються. Потріть швидко долоні. Ви відчули, що вони нагрілися? Виходить, їхня внутрішня енергія збільшилася. У цьому випадку механічна енергія переходить у внутрішню: ми виконуємо роботу, долаючи силу тертя.

Таким чином,

внутрішню енергію можна змінити, виконавши роботу — за рахунок стиску (розширення) газу або за допомогою тертя.

Практичне застосування.

По-перше, сильне нагрівання газу при стиску використовують у дизельних двигунах, установлених в автомобілях, тракторах, кораблях.
По-друге, у наших дослідах ми змоделювали появу хмар: піднімаючись, водяна пара розширюється й охолоджується, перетворюючись у крапельки води.
По-третє, перехід частини внутрішньої енергії в механічну енергію відбувається в теплових двигунах, наприклад, в автомобільних. Розширюючись у циліндрі під поршнем, газ виконує роботу. При цьому газ охолоджується, тобто його внутрішня енергія зменшується.

Чи засвоїв ти урок?

Наведіть приклади теплових явищ.
Якими видами енергії володіють частинки, з яких складається речовина?
Як внутрішня енергія пов’язана з температурою?
За якими ознаками можна довідатися, що внутрішня енергія змінилася?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Як змінюються внутрішня й механічна енергія хокейної шайби: а) коли її виносять із теплої кімнати на мороз; б) коли літак, на якому перевозять шайбу (разом з хокейною командою), розганяється по злітній смузі; в) коли літак набирає висоту; г) коли по шайбі б’ють ключкою?

2. Шайба ковзає по горизонтальній льодовій площадці. Як при цьому змінюється кінетична енергія шайби? Внутрішня енергія?

2. Поміркуй і відповідай

1. Чи існують у природі тіла, у яких відсутня внутрішня енергія?

2. Чому в газах внутрішня енергія в основному обумовлена тепловим рухом молекул, а у твердих тілах — їх взаємодією?

3. Чи може тіло мати внутрішню енергію, але не мати при цьому механічної енергії?

ЗАНЯТТЯ2. Способи зміни внутрішньої енергії

Ціль заняття: познайомитись із двома способами зміни внутрішньої енергії.

ТЕОРЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ.

1. Кількість теплоти

Ми вже знаємо, що внутрішню енергію тіла можна збільшити, виконавши роботу — за допомогою тертя або стиску газу. А коли газ розширюється, він сам виконує роботу, і його внутрішня енергія зменшується.

А чи можна змінити внутрішню енергію тіла, не виконуючи роботи?

Звичайно, можна: так, гарячий чай у склянці остигає — його температура поступово наближається до кімнатної. А ложка, опущена в гарячий чай, нагрівається, її внутрішня енергія збільшується. Але робота при цьому не відбувається.

Зміну внутрішньої енергії тіла без виконання роботи називають теплообміном.

При теплообміні відбувається зміна енергії.

Енергію, яку одержує або віддає тіло при теплообміні, називають кількістю теплоти.

Кількість теплоти позначають звичайно Q. Якщо в процесі теплообміну внутрішня енергія тіла збільшується, то , а якщо зменшується, то . Кількість теплоти вимірюють у джоулях.

2. Два способи зміни внутрішньої енергії

Потремо долоні дна об одну. Вони нагрілися — отже їх внутрішня енергія збільшилася. Опустимо в гарячий чай холодну ложку. Молекули гарячої води починають передавати частину своєї кінетичної енергії молекулам металу, і ті починають рухатися швидше.

Кінетична енергія молекул води при цьому зменшується, а кінетична енергія частинок ложки — збільшується. Разом з кінетичною енергією змінюється й внутрішня енергія, але ця зміна відбувається без виконання роботи.

Отже,

існують два способи зміни внутрішньої енергії: 1) шляхом виконання механічної роботи; 2) шляхом теплообміну.

Необхідно звернути увагу, що зміна внутрішньої енергії тіла завжди відбувається за рахунок енергії інших тіл: при виконанні роботи — за рахунок механічної енергії; при теплообміні — за рахунок зміни внутрішньої енергії.

3. Види теплообміну

Отже, у процесі теплообміну кількість теплоти може передаватися від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Наприклад, від батареї водяного опалення нагрівається повітря у квартирі. Теплообмін має місце й у природі. Наприклад, теплова течія в океані (Гольфстрим) нагріває повітря біля його поверхні.

Познайомимося з основними видами теплообміну.

Існують три способи теплообміну: теплопровідність, конвекція, випромінювання.

4. Теплопровідність

Познайомимося з першим способом — теплопровідністю.

Пропонуємо поставити два проблемних досліди:

а) на дерев’яний циліндр наколюємо ряд кнопок, обертаємо його одним шаром паперу При короткочасному розміщенні циліндра в полум’ї пальника відбувається нерівномірне обвуглювання паперу. Питання: «Чому папір, що прилягає до кнопок, обвуглюється менше?»

б) Закріпимо в одному штативі кінець мідного стрижня, а в іншому штативі — кінець сталевого стрижня таких самих розмірів. До кожного стрижня приліпимо знизу воском кілька монеток і будемо нагрівати вільні кінці стрижнів. Незабаром віск почне плавитися, й монетки почнуть відпадати від стрижнів.

З’ясовуємо, що при нагріванні відбувається збільшення швидкості руху молекул, з яких складається тіло. Цей рух передається сусіднім молекулам, у результаті швидкість цих молекул й, отже, температура даної частини тіла зростає.

· Вид теплообміну, обумовлений передачею енергії від одного тіла до іншого або від одних частин тіла до інших у результаті теплового руху й взаємодії частинок, називають теплопровідністю.

Найбільш відмітна властивість теплопровідності: при цьому процесі не відбувається переносу речовини.

Виміри показують, що великою теплопровідністю володіють метали, особливо срібло й мідь. Вода, цегла й скло «проводять тепло» у сотні разів гірше, ніж мідь, і в десятки разів гірше, ніж сталь. Теплопровідність дерева в кілька разів менше, ніж цегли.

Дуже мала теплопровідність газів. Цим обумовлена мала теплопровідність пухнастих тканин, наприклад вовни: між їхніми волокнами багато повітря. З тієї ж причини мала й теплопровідність пористих матеріалів (типу пінопласту), а також снігу, особливо який тільки-но випав. «Теплий» сніжний покрив уберігає взимку від вимерзання ґрунт і рослини (озимі).

Речовини з малою теплопровідністю використовують як утеплювачі й теплоізолятори

5. Конвекція.

Теплопровідність рідин і газів дуже мала, але й у газах, і в рідинах існує теплообмін. Це відбувається за рахунок перемішування холодного й теплого повітря або холодної й теплої частин рідини.

Вид теплообміну, обумовлений переносом речовини,— потоками газу або рідини — називають конвекцією.

Великий інтерес викликає спостереження «конвекції в повітрі» у тіньовій проекції.

Конвекцію в рідині можна спостерігати, нагріваючи колбу з водою, на дні якої поміщений кристалик перманганату калію, що забарвлює конвекційні потоки.

Конвекція відбувається тільки в рідинах і газах. Вона може бути природною й вимушеною.

Природна конвекція виникає в полі сили ваги при нерівномірному нагріванні текучих речовин. При природній конвекції перемішування речовини відбувається внаслідок різниці температури окремих місць середовища й зумовленої нею відмінності густин.

Вимушена конвекція відбувається головним чином від зовнішнього впливу (за допомогою насоса, мішалки й т. ін.).

Познайомимося з механізмом конвекції .

Явище конвекції можна пояснити законом Архімеда та явищем теплового розширення тіл. При підвищенні температури об’єм рідини зростає, а густина зменшується. Під дією архімедової сили менш густа нагріта рідина піднімається вгору, а більш густа холодна рідина опускається вниз.

Якщо ж рідину нагрівати зверху, то менш густа тепла рідина там і залишається й конвекція не виникає.

Спостерігаємо конвекцію в природі й використовуємо її в нашому житті

І нагрівання, й охолодження повітря в приміщеннях засновано на конвекції. Охолоджувальні пристрої доцільно розташовувати нагорі, ближче до стелі, щоб здійснювалася природна конвекція.

Обігрівальні прилади розташовують унизу поблизу підлоги під підвіконням. Повітря, що нагрівається ними, піднімаючись угору, змішується з холодним повітрям, що опускається від вікна. У результаті в кімнаті встановлюється майже рівномірна температура.

Цього не відбувалося б, якби батареї розташовувалися біля стелі.

У повітряному зазорі між шибками взимку також відбувається конвекція: уздовж холодного зовнішнього скла повітря, охолоджуючись, «стікає» униз, а уздовж теплого внутрішнього скла, нагріваючись, піднімається. Якщо повітряний зазор досить малий (як у склопакетах), зустрічні повітряні потоки гальмують один одного, тому такі вікна забезпечують кращу теплоізоляцію.

Конвекційні потоки виникають й усередині каструль із рідинами, які нагріваються на кухонній плиті.

Всі вітри в атмосфері являють собою конвекційні потоки величезного масштабу. Конвекцією пояснюються, наприклад вітри бризи (між сушею й морем; між лісом і ріллею, між горами й долиною).

6. Випромінювання.

Нам добре відомо, що основним джерелом тепла на Землі є Сонце. У який же спосіб передається тепло від Сонця? Адже Земля перебуває від нього на відстані 1,5·10⁸ км. Весь цей простір за межами нашої атмосфери містить дуже розріджену речовину.

Як відомо, у вакуумі перенесення енергії шляхом теплопровідності майже неможливе. Не може відбуватися воно і за рахунок конвекції. Отже, існує ще один вид теплообміну.

Теплообмін між Сонцем і Землею відбувається за допомогою випромінювання.

Вид теплообміну, обумовлений перенесенням теплоти шляхом випромінювання, називають випромінюванням.

Випромінюють енергію не тільки світні тіла: піднесіть руку до нагрітої праски знизу, і ви відчуєте таке саме тепло, як від лампи накалювання. І в цьому випадку теплообмін відбувається завдяки випромінюванню.

З’ясуємо деякі особливості випромінювання

При променистому теплообміні передача теплоти обумовлена перетворенням частини внутрішньої енергії тіла в енергію електромагнітного випромінювання, що переноситься в просторі й поглинається іншими тілами. У результаті поглинання тілом енергії випромінювання відбувається її зворотне перетворення у внутрішню енергію.

Характер випромінювання істотно залежить від температури тіла. Так, при температурі до 600 °C випускається невидиме інфрачервоне випромінювання, яке ми добре сприймаємо шкірою.

При температурах порядку 800 °C тіло випускає видиме випромінювання вишнево-червоних кольорів. З підвищенням температури до 1000−2000 °C виникає випромінювання жовтогарячого і жовтого кольору. При температурі близько 6000 °C (температура поверхні Сонця) випромінювання стає блакитнувато-білим. Але це не означає, що в ньому є тільки видиме оком випромінювання.

У ньому міститься й інфрачервоне випромінювання, яке в основному й дає відчуття тепла, а також ультрафіолетове випромінювання, дія якого викликає засмагу, і рентгенівське випромінювання.

У разі ще більш високої температури, близько 1000−2000 °C , колір випромінювання стає блакитним. Саме за кольорами зірок в астрономії визначають їхню температуру.

Чи всі тіла однаково нагріваються за допомогою електромагнітного випромінювання, що вони поглинають?

Виявляється, темні тіла краще нагріваються випромінюванням, ніж блискучі. Це відбувається тому, що темні тіла добре поглинають електромагнітні хвилі, що надходять до них, а тіла із блискучою й світлою поверхнею більшу частину електромагнітних хвиль, що надходять, відбивають.

У XIX столітті німецький фізик Г. Кірхгоф установив закон, з якого випливає, що тіла, які інтенсивно поглинають енергію, також інтенсивно будуть її випромінювати. Розглянемо приклад, що підтверджує цю закономірність.

Виконаємо дослід з металевим кубом: одна грань куба пофарбована чорною фарбою, друга — білою фарбою, а третя — відполірована до дзеркального блиску.

Усередину наливають окріп. Підносячи долоню на рівну відстань до різних граней, неважко помітити, що чорна грань сильно випромінює тепло, а біла й дзеркальна грані — набагато слабше.

Спостерігаємо випромінювання в природі

Здатність тіл по-різному поглинати енергію випромінювання знаходить широке застосування в побуті й техніці. Наприклад, улітку в чорній футболці краще не виходити на вулицю, тому що вона сильно нагрівається під променями сонця; у білій футболці помітно прохолодніше.

Літаки, скафандри космонавтів, призначені для виходу у відкритий космос, пофарбовані в сріблясті кольори.

7. Порівняння різних видів теплообміну

Давайте порівняємо різні види теплообміну:

у випадку теплопровідності — це перенесення енергії частинками тіла, не пов’язане з переміщенням самої речовини;
у випадку конвекції — перенесення енергії струменями самої

речовини, що переміщаються;

у випадку випромінювання — це перенесення енергії електромагнітним полем.

Турист зупинився відпочити. Живлюще тепло багаття зігріває і юшку в казанку, і самого туриста. Інакше кажучи, відбувається теплообмін.

На рисунку представлені три способи теплообміну: теплопровідність, випромінювання й конвекція. Шляхом теплопровідності через дно й стінки казанка внутрішня енергія полум’я переходить у внутрішню енергію туристської юшки. Шляхом випромінювання — у внутрішню енергію долонь туриста і його одягу. А шляхом конвекції — у внутрішню енергію повітря над багаттям.

Чи засвоїв ти урок?

Що таке кількість теплоти? Яка одиниця кількості теплоти?
Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії за допомогою теплообміну.

3. Наведіть приклади, які речовини мають найбільшу й найменшу теплопровідність 4. 4. Поясніть, як і чому відбувається переміщення повітря над нагрітою лампою.

5. У чому полягає явище конвекції?

6. Чим відрізняється конвекція від теплопровідності?

7. Наведіть приклади природної й вимушеної конвекції.

8. Чому рідини й гази нагрівають знизу?

Чому конвекція неможлива у твердих тілах?
Чому енергія від Сонця до Землі не може передаватися ані конвекцією, ані теплопровідністю?
Що таке променистий теплообмін?
Які тіла краще, а які гірше поглинають енергію випромінювання?
Чи добре нагрівається дзеркало?
Наведіть приклади, що показують, що тіла з темною поверхнею більше нагріваються випромінюванням, ніж зі світлою.
Який з видів теплопередачі відіграє основну роль у нагріванні води в чайнику?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

Поміркуй і відповідай

1. Чому вираз «шуба гріє» є неправильним?

2. Чому в спеку жителі пустелі надягають на себе хутряний одяг?

3. Чому сніг має погану теплопровідність?

4. Чому в холодному приміщенні у нас, насамперед, мерзнуть ноги?

5. Чи буде горіти свіча в космічній станції в умовах невагомості?

6. Людина гріється біля багаття. Який із трьох видів теплопередачі відіграє головну роль у передачі тепла від багаття до людини?

7. Земля безупинно випромінює енергію в космічний простір. Чому ж Земля не замерзає?

8. Який сніг скоріше тане навесні: чистий на полях або брудний у містах? Чому?

9. Стінки термоса роблять подвійними, причому між ними створюють вакуум. Внутрішні поверхні стінок — дзеркальні. Поясніть, виходячи із цього, чому термос добре зберігає тепло (і холод).

Перевір себе «Внутрішня енергія. Види теплообміну»

Початковий рівень

1. Виберіть правильне твердження. Метеорит, що влетів у земну атмосферу, розжарився.

А Метеорит нагрівся внаслідок тертя об повітря.

Б Атмосфера передала метеориту деяку кількість теплоти.

В Після падіння на землю внутрішня енергія метеорита не змінилася.

2. Який з видів теплообміну супроводжується перенесенням речовини? Виберіть правильне твердження.

А Теплопровідність;

Б випромінювання;

В конвекція.

3.Установіть відповідність між описаною подією та фізичним процесом, що її супроводжує.

Подія

А скеля нагрівалась у сонячний день

Б холодні руки потирають, щоб їх зігріти

В ложка, частково занурена в гарячу воду, стає гарячою вся

Г кімнату провітрюють, відкривши кватирку вікна

Фізичний процес

1 конвекція

2 теплопровідність

3 випромінювання

4 виконання механічної роботи

	А	Б	В	Г
1
2
3
4
5

5 конденсація

2. Укажіть явище, під час якого відбувається перенесення енергії у вакуумі.

А конвекція

Б випромінювання

В теплопровідність

Г виконання роботи

Середній рівень

1. Одяг яких кольорів варто носити взимку; улітку?

2. Улітку лід зберігають під шаром ошурків і землі. Чому?

Достатній рівень

а) Чому після сильного шторму вода в морі стає теплішо

б) Чи горітиме свіча на борту космічного орбітального комплексу?

2. а) Чим пояснити, що при вбиванні цвяха його капелюшок майже не нагрівається, але, коли цвях убитий, достатньо декількох ударів, щоб капелюшок сильно нагрівся?

б) Чому термоси виготовляють круглого, а не квадратного перерізу?

Високий рівень

1. а) Із дна водойми спливає бульбашка повітря. За рахунок чого збільшується її потенціальна енергія? Чи змінюється при цьому її внутрішня енергія?

б) У чашку налили гарячої кави. Що треба зробити, щоб кава охолола швидше: налити в неї молоко відразу чи через деякий час?

2. а) Чому ковзани легко сковзають по льоду, а по склу, поверхня якого більш гладка, на ковзанах кататися не можна?

б) Земля безупинно випромінює енергію в космічний простір. Чому ж Земля не замерзає?

ЗАНЯТТЯ 3. Теплова рівновага й температура.

Ціль заняття: познайомити учнів з умовою теплової рівноваги; пояснити будову і принцип роботи термометра.

ТЕОРЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ

1. Теплова рівновага

У навколишньому світі відбуваються різні фізичні явища, які пов’язані з нагріванням й охолодженням тел. Такими словами, як «холодний», «теплий» й «гарячий», ми вказуємо на різний ступінь нагрітості тіл.

Ступінь «нагрітості» тіл характеризують уже знайомою нам фізичною величиною — температурою.

Температура визначає напрямок теплообміну — при теплообміні внутрішня енергія переходить від тіла з більшою температурою до тіла з меншою температурою.

Якщо тіла можуть обмінюватися теплом, але теплообміну між ними не відбувається, то температури цих тіл однакові. Говорять, що в цьому випадку тіла перебувають у тепловій рівновазі.

Якщо в процесі теплообміну тіло 1 передає деяку кількість теплоти Q тілу 2, то . Якщо ж ці тіла перебувають у тепловій рівновазі, .

При тепловій рівновазі двох тіл енергія, передана щомиті від першого тіла другому, у середньому дорівнює енергії, переданій від другого тіла першому,— у результаті внутрішня енергія кожного тіла залишається незмінною.

2. Вимірювання температури

Використовуючи поняття про тепловий рух, перейдемо до уточнення поняття температури. З життєвого досвіду відомо, що різні тіла можуть бути нагріті різною мірою. Однак відчуття тепла й холоду є суб’єктивним фактом. У суб’єктивності теплового відчуття учні можуть переконатися на таких дослідах.

Установимо на столі три посудини з водою: одну з гарячою водою, другу — з холодною й третю — з теплою. Можна запропонувати одному з учнів помістити ліву руку в посудину з гарячою водою, а праву — у посудину з холодною. Через якийсь час учневі пропонують обидві руки опустити в посудину з теплою водою. Учень повідомляє, що права рука відчуває тепло, а ліва — холод, хоча обидві руки перебувають в одній і тій самій воді.

Робимо висновок:

за допомогою відчуттів судити про температуру не можна.

Виникає проблема: потрібно знайти таку ознаку або таку властивість тіл, що ясно вказувала б на те, як тіло нагріте. Такою ознакою може бути розширення тіл при нагріванні. Чим більше нагріте тіло, тим більше його об’єм, тим інтенсивніше хаотичний рух молекул й атомів.

Таким чином, для вимірювання температури потрібні спеціальні вимірювальні прилади — термометри.

Перший термометр (тоді його називали термоскопом) сконструював Галілео Галілей.

Винаходу термометра передувало створення термоскопа —

приладу, що відзначав зміну температури. При потеплінні повітря усередині кулі розширювалося й витісняло воду з кулі в трубку.

За зміною рівня води й судили про зміну температури.

Зусиллями А. Цельсія й іншого шведського вченого, К. Ліннея була створена шкала, якою ми користуємося й сьогодні. У ній є дві постійні точки: 0 °С — температура співіснування води й льоду, 100 °С — температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску. Відстань між цими так званими реперними точками шкали, поділена на 100 рівних частин, називається градусом температурної шкали Цельсія (лат. «градус» — крок, щабель).

3. Термометри. Ви повинні знати про :

1) принцип дії термометра;

2) градуювання термометра;

3) шкалу термометра;

4) правила вимірювання температури.

Пам'ятайте , що будь-який термометр завжди показує свою температуру; щоб він показав температуру деякого тіла, необхідно, щоб температура термометра дорівнювала температурі тіла, тобто щоб термометр перебував у тепловій рівновазі з тілом; для встановлення теплової рівноваги необхідний певний час.

Чи засвоїв ти урок?

Що таке теплова рівновага? Що можна сказати про температуру тіл, що перебувають у тепловій рівновазі?
Який фізичний зміст температури?
Як треба користуватися термометром при вимірюванні температури?
Як улаштована шкала Цельсія?
На чому заснована дія газових і рідинних термометрів?

Закріплення вивченого матеріалу

Поміркуй і відповідай.

1. Чим незручний був би термометр із водою замість ртуті?

2. Чому розміри термометра повинні бути невеликими порівняно з розмірами тіла, температуру якого вимірюють цим термометром?

3. Чому показання медичного термометра варто дивитися лише через 5 хв після того, як він був поставлений хворому?

Лабораторна робота «Вимірювання температури за допомогою різних термометрів»

Мета : виміряти температуру тіла за допомогою різних термометрів..

Обладнання: два рідинних спиртових лабораторних термометри, посудина з теплою водою (температура не повинна перевищувати 60 °C ).

РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩО ДО ПРОВЕДЕНЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

1. Визначте ціну поділки кожного із запропонованих вам термометрів і границі вимірювання температури цими термометрами. Заповніть у зошиті для лабораторних робіт таблицю:

Найменування термометра	Нижня межа вимірювання	Верхня межа вимірювання	Ціна поділки

2. Опустіть лабораторні термометри в посудину з теплою водою й почекайте, поки їхні показання перестануть змінюватися. Не виймаючи термометри з води, визначте їхні показання. Результати запишіть у зошит для лабораторних робіт.

ЗАНЯТТЯ 4. Питома теплоємність речовини

Ціль заняття: дати знання про питому теплоємність речовини,

навчити розраховувати кількість теплоти в теплових процесах.

ТЕОРЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ

1. Від чого залежить кількість теплоти, необхідна для нагрівання тіла?

Нам уже відомо, що внутрішня енергія тіла може змінюватися як шляхом виконання роботи, так і шляхом теплопередачі (без виконання роботи).

Енергію, яку одержує або втрачає тіло при теплопередачі, називають кількістю теплоти.

Познайомимося із приладом для кількісного вивчення теплових явищ. Калориметр — прилад для вимірювання кількості теплоти. Найпростіший шкільний калориметр складається із двох склянок: внутрішнього алюмінієвого й зовнішнього пластмасового. Склянки розділені повітряним проміжком.

Як же підрахувати кількість теплоти Q, необхідну для нагрівання тіла?

По-перше, внутрішня енергія визначається швидкістю теплового руху частинок, з яких складається тіло, отже, кількість теплоти як міра зміни внутрішньої енергії пов’язана з температурою тіла.

Якщо температура тіла зросла, то тіло одержало деяку кількість теплоти, якщо понизилася — то віддало. Таким чином, кількість теплоти залежить від зміни температури тіла:

По-друге, кількість теплоти залежить також від маси тіла.

Як показує досвід, чим більше маса тіла, тим більша кількість теплоти буде потрібна для нагрівання тіла до однієї й тієї самої температури. Звідси можна зробити висновок, що кількість теплоти пропорційна масі тіла:

По-третє, маси молекул тіл різних речовин різні, тобто при однаковій зміні температури кількість теплоти, отримана або віддана цими тілами, буде різною. Таким чином, кількість теплоти Q залежить від роду речовини.

Кількість теплоти, передана тілу при нагріванні, залежить від роду речовини, з якої воно складається, від маси цього тіла й від зміни його температури.

2. Питома теплоємність речовини

Нагріємо на однакових пальниках дві посудини. Перша посудина містить воду, а друга — рослинне масло такої ж маси. Спостерігаючи за показаннями термометрів, ми побачимо, що масло нагрівається швидше. З’ясовуючи, чому це відбувається, ми приходимо до поняття питомої теплоємності речовини.

Питома теплоємність речовини показує, яка кількість теплоти необхідна, щоб змінити температуру 1 кг даної речовини на 1 °C.

Питома теплоємність позначається буквою c , її одиницею в СІ є .

У різних речовин питома теплоємність має різні значення.

Так, наприклад, питома теплоємність цинку .

Це означає, що для нагрівання цинку масою 1 кг на 1 °C необхідно затратити кількість теплоти, що дорівнює 400 Дж.

3. Порівняння питомих теплоємностей різних речовин

Питома теплоємність — це характеристика речовини, й вона не залежить від маси тіла й зміни його температури.

Розглянемо таблицю питомих теплоємностей деяких речовин.

Речовина	с, Дж/(кг·°C)	Речовина	с, Дж/(кг·°C)
Золото	130	Алюміній	920
Ртуть	140	Лід	2100
Мідь	400	Спирт	2500
Залізо	460	Вода	4200

Вода, наприклад, має дуже велику питому теплоємність. Тому вода в морях й океанах, нагріваючись повільно, поглинає значну кількість теплоти. Завдяки цьому в тих місцях, які розташовані близько від великих водойм, улітку не буває так спекотно, як у місцях, віддалених від води.

Узимку вода, повільно остигаючи, віддає велику кількість теплоти, тому зима в цих умовах менш сувора. Саме завдяки великій питомій теплоємності вода широко використовується в системі водяного опалення, у побуті й медицині, наприклад у грілках.

Слід пам’ятати, що питома теплоємність речовини, що перебуває в різних агрегатних станах, різна.

Наприклад, ртуть у стані рідини має питому теплоємність , а у твердому стані — .

4. Рівняння теплового балансу.

Для розрахунку кількості теплоти, яку необхідно передати тілу масою m для нагрівання його від початкової температури t_п до кінцевої температури t_к, можна скористатися формулою:

Наведене співвідношення справедливо й тоді, коли тіло не нагрівають, а охолоджують: у такому випадку кінцева температура t_к нижче початкової температури t_п й, отже, , тобто тіло віддає деяку кількість теплоти.

Розглянемо випадок, коли теплообмін відбувається тільки між двома тілами, тобто ні з якими іншими тілами вони теплом не обмінюються. Таку систему тіл називають теплоізольованою.

Щоб зробити систему тіл теплоізольованою, тіла поміщають у калориметр.

Наллємо, наприклад, у калориметр воду й зануримо в неї мідний брусок, вийнятий з окропу. Між бруском і водою почнеться теплообмін, внаслідок якого незабаром установиться теплова рівновага: брусок і вода будуть мати однакову температуру — позначимо її t.

У процесі теплообміну вода одержить кількість теплоти, тому для води . Брусок же віддасть деяку кількість теплоти, тому для бруска . Систему «вода + брусок» ми вважаємо теплоізольованою, тому, відповідно до закону збереження енергії, , звідси одержуємо:

Це рівняння часто називають рівнянням теплового балансу.

Рівняння теплового балансу можна, звичайно, узагальнити на випадок декількох тіл: якщо система цих тіл теплоізольована, . Якщо тіло здобуває енергію при теплопередачі, то . Якщо тіло віддає енергію при теплопередачі, то .

Чи засвоїв ти урок?

Чому не можна тільки за зміною температури тіла судити про отриману ним кількість теплоти?
Від чого залежить кількість теплоти, яку необхідно передати тілу для нагрівання?
Питома теплоємність свинцю дорівнює 130 Дж/ (кг · °С). Що це означає?
Що ефективніше використати як грілку — 2 кг води чи 2 кг піску за тієї ж температурі?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Залізному тягарцеві масою 100 г передали 920 Дж теплоти. На скільки градусів нагрівся тягарець?

2. Яка питома теплоємність речовини, якщо для нагрівання 1 кг цієї речовини на 2 °С потрібна була кількість теплоти 1 кДж?

3. Для нагрівання цегельної печі масою 1,5 т витрачено 26,4 МДж теплоти. До якої температури нагріли піч, якщо початкова температура була 10 °C?

Розв’язок3. Відповідно до визначення, . Звідси знаходимо кінцеву температуру печі:

Перевіряємо одиниці величин:

З таблиці знаходимо, що питома теплоємність цегли дорівнює .

Обчислюємо температуру печі:

Відповідь: піч нагрілася до 30 °C.

2. Поміркуй і відповідай

1. Чим пояснюється, що в пустелях дуже великі добові перепади температур?

2. Які особливості клімату обумовлені великою питомою теплоємністю води?

3. У міських парках установлюють фонтани. Чому спекотного дня поблизу фонтану відчувається прохолода?

4. У якому випадку гаряча вода в склянці остудиться більше: якщо в склянку опустити срібну ложку чи таку саму алюмінієву? Чому?

5. Для охолодження інструментів, що нагріваються при роботі (різців, свердел), часто використовують воду. Чим можна пояснити цей факт?

Лабораторна робота «Вивчення теплового балансу при змішуванні води різної температури»

Мета : перевірити на досліді справедливість рівняння теплового балансу у випадку змішування води різної температури.

Обладнання: калориметр, термометр лабораторний, вимірювальний циліндр (мензурка), склянка, посудини з холодною й теплою водою.

РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩО ДО ПРОВЕДЕНЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

1. Використовуючи мензурку, налийте в склянку воду кімнатної температури масою m₁ й виміряйте її температуру t₁.

2. Використовуючи мензурку, налийте в калориметр гарячу воду масою m₂ й виміряйте її температуру t₂.

3. Додайте в калориметр воду зі склянки й після встановлення теплової рівноваги виміряйте температуру суміші t.

4. Результати вимірів запишіть у таблицю.

m₁ , кг	t₁ , °C	m₂ , кг	t₂ , °C	t , °C

5. Обчисліть кількість теплоти Q₁, яку одержала холодна вода:

6. Обчисліть кількість теплоти Q₂, яку віддала гаряча вода:

Порівняйте Q₁ й Q₂.

Перевір себе «Кількість теплоти. Питома теплоємність»

Початковий рівень

1. Виберіть правильне твердження. Маси льоду й води, що утворилася з нього, рівні. Чи на однакове число градусів вони нагріються, якщо їм передати рівну кількість теплоти?

А На однакове.

Б Лід нагріється на більше число градусів.

В Вода нагріється на більше число градусів.

2. Виберіть правильне твердження. Двом брускам (мідному й сталевому) однакової маси передано одну й ту саму кількість теплоти.

А Температура сталевого бруска буде вищою.

Б Обидва бруски нагріються до однакової температури.

В Температура мідного бруска буде вищою.

Середній рівень

1. Яка маса залізної деталі, якщо на її нагрівання від 20 °C до 200 °C пішло 20,7 кДж теплоти?

2. На скільки градусів охолонув окріп у питному баці ємністю 27 л, якщо він віддав навколишньому середовищу 1500 кДж теплоти?

Достатній рівень

1. а) На що витрачається більше енергії: на нагрівання води чи алюмінієвої каструлі, якщо їхні маси однакові?

б) В алюмінієвий калориметр масою 140 г налили 250 г води при температурі 15 °C. Після того як брусок зі свинцю масою 100 г, нагрітий до 100 °C, помістили в калориметр із водою, там установилася температура 16 °C. Скласти рівняння теплового балансу й визначити питому теплоємність свинцю.

2. а) Чому вода в морі нагрівається сонячними променями повільніше, ніж суша?

б) Сталеву деталь масою 300 г нагріли до високої температури, а потім занурили для загартування в 3 кг машинного масла, що має температуру 10 °C. Визначити початкову температуру деталі, якщо температура при постійній тепловій рівновазі була 30 °C.

Високий рівень

1. а) З однієї й тієї ж висоти на асфальт упали сталева й алюмінієва кулі однакової маси. Яка із цих куль при ударі сильніше нагрівся?

2. а) Чому гальмівні колодки літаків роблять із матеріалів з високою температурою плавлення й великою питомою теплоємністю?

б) У прозорий калориметр, що містить 650 см3 води, занурюють електричну лампочку накалювання потужністю 60 Вт. За три хвилини вода нагрівається на 3,5 °C. Яка частина енергії, що витрачається, пропускається калориметром назовні у вигляді променистої енергії?

ЗАНЯТТЯ 5. Енергія палива

Ціль заняття: дати поняття про енергію палива; пояснити їм фізичну суть питомої теплоти згоряння палива.

ТЕОРЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ

1. Виділення енергії при згорянні палива

Відомо, що джерелом енергії, яке використовується в промисловості, на транспорті, у сільському господарстві, у побуті, є паливо: вугілля, нафта, дрова, торф, природний газ й ін.

При згорянні палива виділяється енергія.

При згорянні палива атоми Карбону, що звичайно містяться в паливі, з’єднуються з атомами Оксигену, що міститься в повітрі, у результаті чого утворюється вуглекислий газ. При утворенні молекул вуглекислого газу вивільнюється певна кількість теплоти:

Горіння, пов’язане з руйнуванням одних молекул й утворенням інших, супроводжується виділенням деякої кількості теплоти. При цьому зміна внутрішньої енергії зумовлена термохімічними явищами, що відбуваються з паливом.

2. Питома теплота згоряння палива

При розрахунку двигунів інженерові необхідно достеменно знати, яку кількість теплоти може виділити спалюване паливо. Для цього треба дослідним шляхом визначити, яка кількість теплоти виділиться при повному згорянні однієї й тієї ж маси палива різних видів.

Тому для енергетичної характеристики того або іншого палива вводиться фізична величина, що називається питомою теплотою згоряння палива.

Питома теплота згоряння палива чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється при повному згорянні 1 кг палива.

Питома теплота згоряння позначається буквою q. Одиницею виміру питомої теплоти згоряння є джоуль на кілограм (Дж/кг).

Для того щоб обчислити кількість теплоти, що виділяється при згорянні довільної кількості палива, можна скористатися формулою:

Далі можна розглянути таблицю питомої теплоти згоряння палива. З таблиці видно, що, наприклад, питома теплота згоряння нафти 44 МДж/кг. Це значить, що при повному згорянні нафти масою 1 кг виділяється 44 МДж енергії.

3. Рівняння теплового балансу при згорянні палива

Обчислимо, наприклад, скільки потрібно спалити сухих дров, щоб довести до кипіння воду в повному трилітровому алюмінієвому казанку, якщо спочатку вода мала кімнатну температуру t_в .

Кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні дров масою m_д , — , а кількість теплоти, необхідна для нагрівання води до температури кипіння t_кип , — . Якщо знехтувати тепловими втратами, то , або , q_д — питома теплота згоряння дров. Із цього рівняння одержуємо:

Якщо враховувати, що енергія палива витрачається ще й на нагрівання казанка, то рівняння теплового балансу матиме вигляд:

, де Q₃ — кількість теплоти, необхідна для нагрівання алюмінієвого казанка.

Чи засвоїв ти урок?

Як можна пояснити виділення теплоти під час горіння за допомогою атомно-молекулярного вчення?
Що означає вираз «питома теплота згоряння палива дорівнює 12 Мдж/кг»?
Визначте за таблицею, яке речовина має найменшу теплотворну здатність.
Визначте за таблицею, яке речовина має найбільшу теплотворну здатність.

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Яка кількість теплоти виділиться при повному згорянні спирту масою 200 г?

2. При повному згорянні палива виділилася кількість теплоти, що дорівнює 50 Мдж. Визначте масу палива, якби як паливо використовувалися: а) природний газ; б) сухі дрова.

3. Яку масу гасу треба спалити, щоб кількості теплоти, яка виділилася, вистачило на нагрівання води масою 22 кг від 20 °C до кипіння? Тепловими втратами знехтувати.

Розв’язок. При згорянні гасу виділяється кількість теплоти . Для нагрівання води до кипіння необхідна кількість теплоти . З рівняння теплового балансу випливає або . Звідси можна знайти масу гасу:

Перевіряємо одиниці величин:

Обчислюємо масу гасу:

Відповідь: 172 г.

2. Поміркуй і відповідай

1. Чому будинок вигідніше опалювати, використовуючи вугілля, природний газ або рідке паливо, ніж дерево й солому?

2. Чому питома теплота згоряння сирих дров менше питомої теплоти згоряння сухих дров тієї ж породи?

3. Чому порох невигідно використовувати як паливо, а в артилерійських знаряддях бензином його замінити не можна?

ЗАНЯТТЯ 6. ККД нагрівача

Ціль заняття : познайомити з поняттям ККД нагрівача; указати шляхи підвищення ККД сучасних нагрівачів.

ТЕОРЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ

1. Коефіцієнт корисної дії нагрівача

Не всю енергію, що виділилася при згорянні палива, ми можемо використати корисно. Частина енергії передається навколишньому середовищу. Тому доцільно ввести поняття ККД нагрівальної установки.

Величина, що показує, яку частину становить корисно використовувана теплота Q_к від усієї, що виділилася при згорянні палива Q_п , називається ККД нагрівача.

Коефіцієнтом корисної дії нагрівача називають виражене у відсотках відношення кількості теплоти, витраченої на нагрівання, до кількості теплоти, виділеної при повному згорянні палива.

Якщо не вживати спеціальних заходів, що запобігають «викиду тепла» у навколишній простір, ККД нагрівача буде дуже низьким. Розглянемо приклад.

Щоб довести до кипіння воду в повному трилітровому казанку, спалили 2 кг сухих дров. Яка частина кількості теплоти, що виділилась при згорянні дров, пішла на нагрівання води, якщо початкова температура води була 20°C .

При згорянні дров масою m_д виділилася кількість теплоти . Для нагрівання води в казанку до кипіння необхідна кількість теплоти , де m_в — маса води (3 кг) у казанку. Шукана величина дорівнює:

Обчислення дають:

Цей розрахунок показує, наскільки великі теплові втрати «біля багаття». Правда, не можна їх уважати зовсім вже «втратами»: адже ми й самі грілися біля багаття, поки на ньому підігрівався казанок з водою.

У техніці для підвищення ККД нагрівача вживають заходи щодо зменшення теплових втрат: нагрівач і тіло, що нагрівають, розміщають у спеціальній оболонці, щоб зменшити викид тепла в навколишнє середовище.

2. Закон збереження й перетворення енергії в теплових і механічних процесах

Проведемо дослід з падінням тенісної кульки на стіл. Дослід ілюструє взаємні перетворення механічної енергії. У деякий момент часу кулька володіє й потенціальною, і кінетичною енергією, а повна механічна енергія не змінюється й дорівнює:

Цей висновок справедливий не тільки для механічних, але й для теплових процесів (наприклад, у калориметричних дослідах). Тобто в теплових процесах при теплообміні енергія не виникає з нічого й нікуди не зникає безвісти, а передається від більш нагрітих тіл менш нагрітим.

Можна навести ряд дослідів (нагрівання монети під час тертя її об стіл, нагрівання дроту при його згинанні тощо). На підставі аналізу дослідів можна зробити висновок, що перехід внутрішньої енергії в механічну й навпаки є одним з поширених перетворень енергії.

Далі можна розповісти про досліди Джоуля, Майєра, Гельмгольца, Деві, Румфорда, про роботи Ломоносова. Роботи вчених багатьох країн світу дозволили звести в ранг науки еквівалентність роботи й кількості теплоти.

У загальному виді закон збереження й перетворення енергії формулюється в такий спосіб:

При всіх явищах, що відбуваються в природі, енергія не виникає й не зникає, вона тільки перетворюється з одного виду в інший, кількісно залишаючись незмінною.

Так, якщо тілу передати деяку кількість теплоти, то воно буде здатне виконати роботу. Наприклад, нагрівання газу в циліндрі під поршнем дозволить підняти вантаж на деяку висоту. Разом з тим частина теплоти, переданої тілу, піде на збільшення його внутрішньої енергії. Це пояснюється тим, що не можна перетворити в механічну роботу всю теплову енергію, передану тілу.

Чи засвоїв ти урок?

Наведіть приклади перетворення механічної енергії у внутрішню й внутрішньої в механічну.
Наведіть приклади переходу енергії від одного тіла до іншого.
Який дослід показує, що при переході внутрішньої енергії від одного тіла до іншого її значення зберігається?
Чому неможливий вічний двигун?

Закріплення вивченого матеріалу

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. З якої висоти повинна падати крапля води, щоб після удару об землю вода виявилася кип’яченою? Початкова температура краплі 0 °С. Передачу енергії навколишньому середовищу не враховуйте.

2. На спиртівці нагріли 200 г води від 15 °C до 75 °С. При цьому згоріло 6 г спирту. Яку частину становить кількість теплоти, використана на нагрівання води, від тієї кількості теплоти, що виділилася при згорянні спирту?

3. Щоб довести до кипіння воду в повному трилітровому казанку, спалили 2 кг сухих дров. Яка частина кількості теплоти, що виділилась при згорянні дров, пішла на нагрівання води, якщо початкова температура води була 20 °C ?

Розв’язок. При згорянні дров масою m_д виділилася кількість теплоти . Для нагрівання води в казанку до кипіння необхідна кількість теплоти , де m_в — маса води (3 кг) у казанку. Шукана величина дорівнює:

Обчислення дають:

Відповідь: 4,2%. Цей розрахунок показує, наскільки великі теплові

втрати.

2. Поміркуй і відповідай

1. Чому розкидані вуглинки багаття гаснуть швидко, а складені в купу довго зберігаються в розпеченому вигляді?

2. Шматок алюмінію й шматок свинцю впали з однакової висоти.

Який з металів при ударі наприкінці падіння матиме більш високу температуру? У скільки разів?

3. Чому при слабкому морозі сніг на дорогах з інтенсивним автомобільним рухом розм’якшується й починає підтавати? Відповідь поясніть.

Лабораторна робота «Визначення ККД нагрівача»

Мета роботи: навчитися експериментально визначати коефіцієнт корисної дії нагрівача.

Обладнання: штатив з лапкою й тримачем, термометр, металева

склянка від калориметра, частина таблетки сухого пального, ваги з набором тягарців, мензурка, посудина з водою, тигель для спалювання палива, сірника.

РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩО ДО ПРОВЕДЕНЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

1. Закріпіть у штативі склянку з водою на такій висоті, щоб воду можна було підігрівати за допомогою сухого пального.

2. Використовуючи мензурку, налийте в склянку воду об’ємом 150–200 мл. Обчисліть масу води й виміряйте її температуру.

3. Виміряйте масу запропонованої вам частини таблетки сухого пального.

4. Під склянку поставте тигель із сухим пальним і підпаліть його.

5. Підігрівайте воду, постійно вимірюючи її температуру, поки температура стане рівною 60 °С. Після цього погасіть сухе пальне.

6. Почекайте кілька хвилин, поки пальне охолоне, і за допомогою зважування визначте масу сухого пального, що залишилося.

7. За отриманими даними визначте ККД нагрівача. Уважайте, що питома теплота згоряння сухого пального дорівнює 18 МДж/кг.

8. Виміри й результати обчислень запишіть у зошит для лабораторних робіт.

q , МДж/кг

m_п ,

кг

Q_п ,

Дж

m_в ,

кг

t_поч ,

°С

t_кін ,

°С

Q_к ,

Дж

η ,

9. Запишіть у зошит для лабораторних робіт ваші припущення про те, чому знайдений дослідним шляхом ККД нагрівача значно менше 100 %.

Перевір себе «Енергія палива. Питома теплота згоряння»

Початковий рівень

1. Виберіть правильне твердження. При спалюванні 1 кг палива виділилося 26 МДж теплоти.

А Спалювали деревне вугілля;

Б спалювали спирт.

В спалювали гас;

2. Виберіть правильне твердження. У печі було спалено 2 кг сухих дров.

А Виділилося 6 МДж теплоти;

Б виділилося 12 МДж теплоти;

В виділилося 24 МДж теплоти.

Середній рівень

1. Скільки теплоти виділиться при повному згорянні сухих соснових дров об’ємом 0,2 м³?

2. Який об’єм гасу був спалений, якщо при цьому виділилося 688 МДж?

Достатній рівень

1. Скільки води можна нагріти від 20 °C до 60 °C, якщо на її нагрівання пішла половина енергії, отриманої в результаті спалювання 40 г кам’яного вугілля?

2. Скільки гасу треба спалити, щоб змінити температуру води масою 1,5 кг від 20 °C до 80 °C, якщо на її нагрівання пішла половина енергії, отриманої в результаті спалювання гасу?

Високий рівень

1. В алюмінієвій каструлі нагріли 2 л води від 20 °C до кипіння за рахунок спалювання 45 г гасу. Визначте масу каструлі, якщо ККД нагрівача прийняти рівним 40 %.

2. У мідній каструлі масою 800 г нагріли 5 л води до кипіння за рахунок спалювання 80 г природного газу. Визначте початкову температуру води. ККД пальника вважайте рівним 52%.

ЗАНЯТТЯ 7. Плавлення й кристалізація твердих тіл

Ціль заняття: навчити розуміти суть теплових процесів — плавлення й кристалізації, переконати їх у сталості температури при плавленні й кристалізації речовини.

ТЕОРЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ

1. Агрегатні стани речовини

Залежно від умов одна й та сама речовина може перебувати в різних станах, наприклад у твердому, рідкому або газоподібному.

Наочним прикладом цього служить лід, вода й водяна пара. Ці стани називають агрегатними станами.

Ми уже знаємо, що молекули однієї й тієї самої речовини у твердому, рідкому й газоподібному стані нічим не відрізняються одна від одної. Той або інший агрегатний стан речовини визначається розташуванням, характером руху й взаємодії молекул.

Тепловий рух молекул характеризується їх середньою кінетичною енергією. Вона, як відомо, визначає температуру тіл.

Взаємодія молекул характеризується потенціальною енергією. Вона залежить від відстані між молекулами.

У твердих кристалічних тілах молекули розташовані в певному порядку й можуть лише здійснювати коливальний рух біля положення рівноваги.

У рідинах молекули розташовані безладно, хоча й близько одна від одної. Рух молекул у рідині — коливально-поступальний.

Молекули рухаються й взаємодіють одночасно, отже, вони володіють і кінетичною й потенціальною енергією. Відтак, те, чи бути тілу твердим, рідким або газоподібним, залежить від співвідношення обох видів енергії. А зміна цього співвідношення й призводить до переходу речовини з одного стану в інший.

2. Процес плавлення й кристалізації твердих тіл

Передаючи тілу енергію, можна перевести його із твердого стану в рідкий (наприклад, розплавити лід).

Перехід речовини із кристалічного стану в рідкий називають плавленням.

Щоб розплавити тіло, потрібно спочатку нагріти його до певної температури.

Температуру, за якої речовина плавиться, називають температурою плавлення.

Після демонстрації дослідів з плавлення й тверднення кристалічних тіл учні повинні твердо засвоїти три такі положення:

існує температура, вище від якої речовина у твердому стані

не може перебувати;

температура під час плавлення залишається постійною;
процес плавлення вимагає припливу енергії до речовини, що плавиться.

Погляньте на рисунок: температура й снігу, і підталої води залишається 0 °С. Так буде доти, поки не залишиться останній кристалик льоду, навіть якщо температура повітря стане +10°С.

Далі необхідно проаналізувати таблицю температур плавлення. З таблиці видно, у яких межах лежать температури плавлення різних речовин. Наприклад, тугоплавкі метали (вольфрам, титан) можуть застосовуватися для створення космічних кораблів, для виготовлення спіралей теплових електричних приладів, а цезій і натрій можна розплавити в гарячій воді.

Досліди показують, що речовини тверднуть за тієї ж температурі, за якої плавляться. Процес кристалізації супроводжується виділенням такої ж кількості теплоти, що поглинається при плавленні.

Перехід речовини з рідкого стану в кристалічний називають кристалізацією, або твердненням.
Кристалізація відбувається за тієї ж температури, що й плавлення.

3. Питома теплота плавлення

Вся енергія, яку одержує кристалічне тіло після того, як воно вже нагріте до температури плавлення, витрачається на руйнування кристалічних решіток. У зв’язку із цим температура тіла перестає підвищуватися. Досліди показують, що для перетворення різних кристалічних речовин однієї й тієї ж маси в рідину при температурі плавлення потрібна різна кількість теплоти.

Питома теплота плавлення дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для перетворення 1 кг речовини із твердого в рідкий стан при температурі плавлення.

Питому теплоту плавлення позначають λ і вимірюють у джоулях на кілограм (Дж/кг).

Необхідно ознайомити учнів з таблицею питомої теплоти плавлення деяких речовин.

Наприклад, питома теплота плавлення міді дорівнює 210 кДж/кг. Це означає, що для того щоб розплавити 1 кг міді, узятої при температурі плавлення (1085 °С), необхідно затратити 210 кДж теплоти.

Щоб визначити кількість теплоти, необхідну для плавлення твердого тіла, треба питому теплоту плавлення λ помножити на масу тіла:

Кількість теплоти, що виділяється при кристалізації тіла, визначається за тією ж формулою:

В аморфних тіл, на відміну від кристалічних, немає певної температури плавлення: при нагріванні такі тіла розм’якшуються поступово.

Чи засвоїв ти урок?

У яких агрегатних станах може перебувати та сама речовина?
Які особливості молекулярної будови газів, рідин і твердих тіл?
Який з металів, наведених у таблиці, найбільш легкоплавкий? найменш тугоплавкий?
Які умови плавлення твердих тіл? Назвіть всі теплові процеси, які відбуваються при плавленні металу в плавильній печі.
Який фізичний зміст питомої теплоти плавлення?
Скільки енергії потрібно затратити, щоб розплавити лід масою 2 кг при температурі 0°C?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Яку енергію необхідно затратити, щоб розплавити шматок свинцю масою m = 2кг, взятий при температурі t₁ =27 °C?

Розв’язок. Процес складається із двох етапів: на першому етапі свинець нагрівається до температури плавлення, на другому етапі плавиться.

;

або інакше:

, .

Звідси остаточно одержуємо:

Перевіряємо одиниці величин:

Обчислюємо необхідну для плавлення енергію:

Відповідь: 126 кДж.

2. Скільки міді, що має температуру 85 °C, можна розплавити, передавши їй кількість теплоти 295 кДж?

3. У калориметрі знаходиться вода масою 2 кг, температура якої 30 °C. У калориметр поміщають лід при температурі 0 °C. Якою могла бути маса льоду, якщо він весь розтанув?

Відповідь: m ≤ 0,76 кг.

2. Поміркуй і відповідай

1. Чи буде плавитися чавунна деталь, кинута в розплавлену мідь?

2. Чи можна в алюмінієвій посудині розплавити цинк? Відповідь обґрунтуйте.

3. Чи може внутрішня енергія тіла змінитися без зміни температури? Наведіть приклади, що підтверджують вашу відповідь.

4. Яке тіло має більшу внутрішню енергію: шматок льоду при температурі 0 °C або вода, яку отримали із цього шматка, що має температуру 0 °C?

5. Узимку на балконі лежить мідна пластинка й крижинка такої ж маси. Питома теплота плавлення в міді значно менше, ніж у льоду. Чи означає це, що для плавлення мідної пластинки в цьому випадку буде потрібно менше енергії, ніж для плавлення крижинки?

Якісні задачі

1. Чому в історії людства бронзове століття передувало залізному?

2. Чи розплавиться невеликий шматочок олова, якщо його кинути в посудину з розплавленим свинцем?

3. Із чайника налили воду в склянку із цукром й у склянку без цукру. У якій склянці чай буде холоднішим?

4. Яке тіло має більшу внутрішню енергію: шматок льоду при температурі 0 °C чи вода, яку отримали із цього шматка, що має температуру 0 °C?

Розрахункові задачі

1. Шматок льоду масою m = 2 кг має температуру t₁ = −20 °C. Яку кількість теплоти Q необхідно йому передати, щоб перетворити лід у воду, що має температуру t₂ =20 °C?

Розв’язок. Перетворення повинне відбуватися в три етапи:

на першому етапі лід нагрівається від температури t₁ до температури t_пл = 0 °C, на другому етапі лід плавиться, а на третьому етапі вода, що утворилася, нагрівається від температури t_пл плавлення до тем ператури t₂. Отже, .

Перевіривши одиниці величин і вконавши обчислення, одержуємо: Q = 912 кДж.

2. У воду масою m_в = 1 кг, що має температуру tв = 30 °C, поклали лід масою m_л = 500 г, температура якого t_л = 0 °C. Яка температура встановиться в посудині?

Розв’язок. Вода, остигаючи до 0 °C, може передати льоду кількість теплоти . Для плавлення всього льоду необхідна кількість теплоти . Оскільки , повного плавлення льоду не відбудеться; у посудині перебуватимуть вода й лід при температурі 0 °C.

3. Полярники одержують необхідну їм воду, розтоплюючи лід. Скільки гасу потрібно буде спалити для одержання 15 л кип’яченої води, якщо температура навколишнього середовища −40 °C? Вважайте, що вода одержує 50 % енергії, що виділяється при згорянні гасу. (Відповідь: 0,58 кг)

4. У сніжний замет, що має температуру 0 °C, кинули розпечену до температури 300 °C мідну кулю масою 2 кг. Яка маса снігу, що розтанув? (Відповідь: 0,7 кг)

5. Яку кількість теплоти необхідно відібрати в 5 кг води, що має температуру 10 °C, щоб перетворити її в лід з температурою −30 °C? (Відповідь: 2,2 МДж)

1.Плавлення й тверднення тіл часто зображують графічно. Розглянемо один з таких графіків.

Нехай, наприклад, шматочок свинцю поклали в ложку й помістили над пальником.

На ділянці AB пальник не був запалений, і свинець мав кімнатну температуру 20 °C. На етапі BC твердий свинець поступово прогрівався, і незабаром його температура досягла температури плавлення,— 327 °C. Потім він почав плавитися, і в ложці одночасно співіснували твердий і рідкий свинець (ділянка CD). Після закінчення етапу температура свинцю знову стала підвищуватися, тому що полум’я усе ще продовжувало горіти (ділянка DE).

У момент часу, що відповідає точці E, пальник погасили, і температура рідкого свинцю почала знижуватися (ділянка EF). Як бачите, остигання відбувалося повільніше, ніж нагрівання (порівняйте нахил ділянок EF і DE). У точці F температура плавлення досягла 327 °C й тривалий час залишалася постійною, тому що відбувалася кристалізація. Отже, на ділянці FG співіснують рідкий і твердий свинець. Нарешті, на ділянці GH остигає (віддає теплоту) уже твердий свинець.

Із графіка випливає, що при температурі плавлення (точка С) кінетична й потенціальна енергії молекул стають приблизно однаковими (Ек ≈ Еп) і зв’язки між ними можуть розриватися.

Для того, щоб свинець почав плавитися, йому необхідно передати певну кількість теплоти. При цьому температура не змінюється, оскільки вся теплова енергія йде на розрив твердих зв’язків молекул між собою. Кристалічна решітка руйнується.

При температурі плавлення внутрішня енергія речовини в рідкому стані більше внутрішньої енергії такої ж маси речовини у твердому стані.

При твердненні речовини все відбувається у зворотному порядку: середня кінетична енергія й швидкість молекул в охолодженій розплавленій речовині зменшуються. Сили притягання тепер можуть утримувати молекули, що рухаються повільно, одна біля одної. Внаслідок цього розташування частинок стає впорядкованим — утворюється кристал. Енергія, що виділяється при кристалізації, витрачається на підтримку постійної температури.

2. Розв’язання задач

1. На рисунку зображений графік зміни температури льоду.

а) Якому стану льоду відповідає відрізок графіка АВ?

б) Скільки тривало нагрівання льоду до точки плавлення?

в) На скільки градусів змінилася температура за час спостереження?

2. Визначте за кресленням:

а) Яким процесам відповідають ділянки графіка ВР і РC?

б) Для якої речовини складений даний графік?

в) У який із точок (В або С) молекули даної речовини мають більший запас кінетичної енергії? Чому?

3. На рисунку зображений графік зміни температури деякого тіла.

а) З якої речовини виготовлене це тіло?

б) Як змінюється температура тіла на ділянках АВ, ВР і СD?

в) Як змінюється внутрішня енергія тіла на цих ділянках? Чому?

г) Якому стану тіла відповідає відрізок графіка ВР?

Закріплення вивченого матеріалу

1. Уважно розгляньте графік плавлення нафталіну й дайте відповідь на такі питання:

а) Яка температура плавлення нафталіну?

б) Чи змінювалася внутрішня енергія нафталіну на ділянці ВР? Як? Чому?

в) Порівняйте внутрішню енергію нафталіну в точках В і С.

2. Як за графіком можна судити про зміну температури речовини при нагріванні й охолодженні?

3. Побудуйте графік плавлення льоду й дайте відповідь на таке запитання: які ділянки графіка відповідають плавленню й твердненню льоду? Чому ці ділянки паралельні осі часу?

Перевір себе «Плавлення й кристалізація»

Початковий рівень

1. Узимку озеро замерзає. При замерзанні води... (виберіть правильне твердження):

А …температура замерзаючої води знижується;

Б …внутрішня енергія води підвищується;

В …утворюється кристалічна решітка льоду.

2. Виберіть правильне твердження. Питома теплота плавлення льоду 330 кДж/кг.

А Для плавлення 1 кг льоду, узятого при температурі плавлення, необхідно затратити 330 кДж енергії.

Б Для плавлення 330 кг льоду, узятого при температурі плавлення, необхідно затратити 1 кДж енергії.

В Для нагрівання й плавлення 1 кг льоду необхідно передати йому 330 кДж енергії.

3. Установіть відповідність між назвою процесу та ділянкою графіка зміни температури речовини із часом.

Процес

А нагрівання рідини

Б плавлення

В випаровування

Г нагрівання твердого тіла

τ, с

t, ⁰C

Ділянка

1 AB

2 BC

3 CD

4 DE

5 EF

Середній рівень

1. а) У якому стані (твердому чи рідкому) перебуває срібло й вольфрам при температурі 1000 °C?

б) С кільки міді, що має температуру 1085 °C, можна розплавити, передавши їй кількість теплоти 126 кДж?

2. а) Назвіть, які речовини будуть плавитися, якщо їх опустити в киплячу воду.

б) За якої температури перебувала крижинка масою 200 г, якщо для її плавлення знадобилося 66 кДж теплоти?

Достатній рівень

1. а) Чому під час снігопаду температура повітря звичайно підвищується?

б) Яка кількість теплоти буде потрібна для плавлення 500 г алюмінію, узятого при температурі 20 °C?

2. а) Тілу передали деяку кількість теплоти. Чи завжди можна стверджувати, що температура тіла при цьому підвищилася?

б) Яка кількість теплоти буде потрібна, щоб розплавити 100 г льоду, узятого при температурі −5 °C, а потім отриману воду нагріти до 20 °C?

Високий рівень

1. а) Навесні уранці на рослинах випадає іній. Як впливає іній на охолодження рослин?

б) У залізній коробці масою 300 г розплавили 100 г олова. Яка початкова температура олова, якщо на нагрівання коробки й плавлення олова пішло 38,5 кДж теплоти?

2. а) У яку погоду утворюються бурульки? Якщо в мороз, то звідки береться вода? Якщо у відлигу, то чому вода замерзає?

б) У заглиблення, зроблене в льоді, вливають свинець, узятий при температурі плавлення. Скільки було улито свинцю, якщо він охолонув до температури 0 °C й при цьому розтопив лід масою 270 г? Початкова температура льоду −5 °C.

ЗАНЯТТЯ 8. Пароутворення й конденсація

Ціль заняття : показати про особливості фізичних процесів переходу речовини з рідкого стану в газоподібний і навпаки.

ТЕОРЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ

1. Знайомимося із процесом випаровування

Перехід речовини з рідкого стану в газоподібний називається пароутворенням.

Існують два види пароутворення: випаровування й кипіння.

Випаровування — це пароутворення, що відбувається з вільної поверхні рідини.

З повсякденного досвіду відомо, що рідини, перебуваючи у відкритих посудинах, улетучуються — випаровуються. Як пояснити це явище?

Молекули будь-якої рідини перебувають у безперервному хаотичному русі. Температура рідини зв’язана із середньою кінетичною енергією руху її частинок. Однак окремі молекули рідини можуть мати таку кінетичну енергію, що виявляться спроможною подолати сили міжмолекулярного притягання й покинути рідину. Вилітаючи назовні, ці молекули утворюють над рідиною пару. Утворення пари і є випаровуванням.

При випаровуванні рідину залишають найбільш швидкі молекули. Середня кінетична енергія молекул, що залишилися, зменшується, а рідина охолоджується.

2. Від чого залежить швидкість випаровування?

Розглянемо кілька дослідів, що пояснюють, від чого залежить швидкість випаровування.

Дослід 1. У дві мензурки наллємо нарівно води. Воду з лівої переллємо в тарілку. Через кілька днів виявиться, що в ній вода випарувалася повністю, а в мензурці — лише частково. Чому?

Випаровуватися можуть тільки ті молекули, які перебувають поблизу поверхні рідини (адже з інших сторін вона оточена стінками посудини). Тому більша площа поверхні води в тарілці сприяє більшій кількості вильотів молекул. Отже, випаровування іде швидше.

Площа вільної поверхні — перша причина, що впливає на швидкість пароутворення.

Дослід 2. Поставимо на ваги дві склянки. У ліву наллємо окропу, а в праву — стільки ж холодної води. Спочатку ваги перебуватимуть у рівновазі. Але через 5–10 хвилин вона порушиться: склянка з гарячою водою полегшає! Виходить, гаряча вода випаровується швидше за холодну.

Вилетіти з рідини можуть тільки ті частинки, кінетична енергія яких більше, ніж потенціальна енергія притягання до інших частинок. При підвищенні температури швидкість руху всіх частинок зростає, отже, зростає і їхня кінетична енергія. Виходить, більша кількість частинок може вилетіти з рідини.

Температура речовини — друга причина, що впливає на швидкість пароутворення.

Дослід 3. Виберемо миску й тарілку однакових діаметрів. У кожну з них наллємо по склянці води й поставимо в спокійне місце. Через кілька днів ми побачимо, що вода з тарілки випарувалася повністю, а з миски — лише частково. Чому ж так відбулося? Адже площі вільних поверхонь води в мисці й води в тарілці однакові...

Гляньте на рисунок: краї миски сильніше піднімаються над поверхнею води, ніж краї тарілки. Тому пара над поверхнею тарілки швидше розсіюється по кімнаті за рахунок дифузії або подувів вітру. Отже, над водою в мисці насиченість (тобто густина) пари помітно більше. Її молекули, рухаючись у всіляких напрямках, будуть часто влітати назад у воду, через що випаровування з миски сповільнюється.

Густина пари над поверхнею, з якої відбувається пароутворення,— третя причина, що впливає на його швидкість.

Дослід 4. Якщо в однакові склянки налити рівну кількість різних рідин: спирту, води, масла й ртуті, то по завершенні приблизно тижня можна виявити, що спирт випарувався повністю, вода — наполовину, а масло й ртуть практично не зменшили свого об’єму.

Рід речовини — четверта причина різної швидкості пароутворення.

Спостереження й досліди показують, що випаровуються й тверді тіла. Випаровується, наприклад лід, тому білизна висихає й на морозі. Випаровується нафталін, тому ми відчуваємо його запах. Цей процес називають сублімацією.

Перехід речовини з рідкого стану в газоподібний широко використовується в техніці. Наприклад, на електростанціях пара, отримана з води, пускає в хід парові турбіни. Випаровування застосовується при очищенні речовин. Воно є основою роботи холодильних установок, а також всіх процесів сушіння матеріалів. Апарат космічного корабля, що спускається, покривають спеціальною речовиною, яка швидко випаровується, щоб усунути його перегрівання від тертя при проходженні через атмосферу.

3. Знайомимося із процесом конденсації

Одночасно з переходом молекул з рідини в пару відбувається й зворотний процес. Безладно рухаючись над поверхнею рідини, частина молекул знову повертається в неї.

Перехід речовини з газоподібного стану в рідкий називають конденсацією.

Випаровування й конденсація завжди відбуваються одночасно, і «підсумковий результат» залежить від того, який із цих процесів триває з більшою швидкістю. Якщо «перемагає» випаровування, то рідина перетворюється в пару: висихають калюжі, мокрі речі й т. ін. Якщо ж «перемагає» конденсація, то пара перетворюється в рідину: випадає роса, сухі речі відволожуються.

Конденсація може відбуватися й тоді, коли пара не стикається з рідиною. Саме конденсацією, наприклад, пояснюється утворення хмар: молекули водяної пари, піднімаючись над поверхнею Землі, у більш холодних шарах атмосфери групуються в дрібні крапельки води, скупчення яких і являють собою хмари.

Процес конденсації води в природі ми спостерігаємо щодня. Чи то це крапельки роси на листах (водяна пара накопичується в повітрі вдень, а вранці, охолоджуючись, конденсується), чи то це туман (удень відбувається інтенсивне випаровування з поверхні водойм, а ввечері насичене водяними парами повітря внаслідок охолодження конденсується).

Чи засвоїв ти урок?

Чому випаровування рідини відбувається за будь-якої температури?
Як можна пояснити, що за тих самих умов одні рідини випаровуються швидше, інші — повільніше.
Чому випаровування відбувається тим швидше, чим вище температура рідини?
Чому випаровування рідини відбувається швидше, якщо над її поверхнею дує вітер?
Які явища природи пояснюються конденсацією пари? Наведіть приклади.
Від чого залежить швидкість випаровування й конденсації?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

Поміркуй і відповідай

1. Одну склянку по вінця заповнили гарячим чаєм, а іншу — таким самим гарячим бульйоном. Яка з рідин остигає швидше? Чому?

2. Чому мокра білизна на вітрі сохне швидше?

3. Якщо закрити банку кришкою, то рівень води в ній не буде знижуватися. Чи означає це, що кришка «зупиняє» випаровування води?

4. На чашки важільних ваг поставили й зрівноважили склянку з холодною водою й склянку з гарячим чаєм. Чому рівновага ваг швидко порушується?

ЗАНЯТТЯ 9. Кипіння. Питома теплота пароутворення.

Ціль заняття : ознайомити з явищем кипіння; навчити пояснювати процес кипіння на підставі молекулярно-кінетичної теорії.

1. Кипіння як різновид пароутворення

Будемо нагрівати воду у відкритій посудині, періодично вимірюючи її температуру. Через певний час ми помітимо появу у воді численних бульбашок. Бульбашки виникають завдяки тому, що у воді міститься розчинене у ній повітря. У ці бульбашки випаровується рідина. Зі збільшенням температури усередині бульбашок пари більшатиме, а отже, її тиск збільшиться. Бульбашки стають крупнішими й під дією виштовхувальної сили піднімаються до поверхні води.

Коли вся вода прогріється до температури 100 °C, бульбашки, що піднялися догори, лопаються, викидаючи пару назовні. Ми говоримо, що вода закипіла.

Кипінням називають процес бурхливого пароутворення, що йде по всьому об’єму рідини.

Розуміння особливостей кипіння буде більше повним при порівнянні його з випаровуванням. Учні повинні чітко представляти, що спільного між кипінням і випаровуванням й у чому полягає істотне розходження між ними. Кипіння, як і випаровування,— це пароутворення. Випаровування відбувається з поверхні рідини за будь-якої температури й будь-якого зовнішнього тиску, а кипіння — це пароутворення по всьому об’єму рідини за певної для кожної речовини температури, що залежить від зовнішнього тиску.

Досліди показують, що під час кипіння температура рідини й пара над її поверхнею однакова й залишається постійною до повного википання рідини.

2. Температура кипіння

Якщо атмосферний тиск не міняється, то поза залежністю від способу й швидкості нагрівання кожна рідина завжди кипить за строго певної температури. Тому температура кипіння — одна з характеристик речовини.

Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.

Кожна речовина має свою температуру кипіння. Деякі речовини, які за звичайних умов є газами, при достатньому охолодженні перетворюються на рідину, що кипить при дуже низькій температурі. Рідкий кисень, наприклад, при атмосферному тиску кипить при температурі −183 °C. Речовини, які за звичайних умов перебувають у твердому стані, перетворюються при плавленні на рідину, що кипить за дуже високої температури. Наприклад, свинець кипить при 1740 °C, а залізо — при 2750 °C.

Зовнішній тиск перешкоджає росту бульбашок пари усередині рідини, тому при підвищеному тиску рідина кипить за більш високої температури, а при зменшенні цього тиску температура кипіння знижується.

Справа в тому, що бульбашки починають рости тільки тоді, коли тиск усередині бульбашки стає набагато більшим, ніж зовнішній тиск. Тобто, чим більший зовнішній тиск, тим за більш високої температури кипить рідина.

Наприклад, у каструлях-скороварках їжу варять під тиском близько 2·10⁵ Па. Температура кипіння води при цьому досягає 120 °C. Процес «варення» їжі у воді такої температури відбувається значно швидше, ніж у звичайному окропі.

Відкачуючи повітря з-під дзвона повітряного насоса, тобто зменшуючи тиск, можна «змусити» воду закипіти навіть за кімнатної температури. А оскільки внаслідок інтенсивного пароутворення вода охолоджується, вона, продовжуючи кипіти, може навіть почати замерзати.

Цим пояснюється той факт, що в горах вода кипить за набагато нижчої температури, ніж за нормальних умов. У високогірних місцевостях, наприклад на висоті 5–6 км (вершина Ельбрусу) атмосферний тиск становить приблизно 4,7·10⁵ Па, тобто половину нормального атмосферного тиску. Вода кипить там при температурі 80 °C. Зварити м’ясо за цих умов неможливо.

3. Питома теплота пароутворення

Щоб температура рідини в процесі випаровування не зменшувалася, необхідно в процесі випаровування увесь час підводити до рідини тепло. На що ж витрачається енергія, що підводиться, якщо температура (а отже, і середня кінетична енергія молекул) не змінюється?

Вона витрачається в основному на розрив зв’язків між молекулами при перетворенні рідини на пару. Оскільки для «відривання» молекул одна від одної необхідно виконати роботу, потенціальна енергія взаємодії молекул збільшується.

Причому різні рідини однієї й тієї ж маси потребують різної кількості теплоти для перетворення їх у пару за температури кипіння. Для характеристики енергетичних витрат на випаровування рідин уводиться поняття питомої теплоти пароутворення.

Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, що чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати 1 кг рідини, щоб повністю перетворити її на пару за постійної температури.

Питома теплота пароутворення позначається буквою L й вимірюється в Дж/кг.

У таблиці зазначено, що питома теплота пароутворення, наприклад, у води 2,3 МДж/кг. Це означає, що для обернення на пару 1 кг води, узятої при постійній температурі, необхідно затратити 2,3 МДж теплоти.

Щоб знайти кількість теплоти, необхідну для перетворення на пару будь-якої маси рідини m, узятої за температури кипіння, можна скористатися формулою:

Кількість теплоти, що виділяється при конденсації пари аналогічної маси, визначається за цією ж формулою.

4. Рівняння теплового балансу для випаровування й конденсації

Якщо рідину спочатку потрібно нагріти до температури кипіння, а потім перетворити на пару, то загальна кількість теплоти дорівнює:

Якщо для того, щоб рідину нагріти до температури кипіння, а потім перетворити на пару, необхідно спалити деяку масу палива ( m_п ), то рівняння теплового балансу має вигляд:

або

Чи засвоїв ти урок?

Які явища спостерігаються в рідині, перш ніж рідина починає кипіти?
Які сили діють на бульбашку повітря, наповнену парою, коли вона перебуває усередині рідини?
Чому в таблицях температура кипіння речовин зазначена за нормального атмосферного тиску?
На що витрачається енергія, що підводиться до рідини при кипінні?
Чи стає рідина «гарячішою» у процесі кипіння?
Що таке питома теплота пароутворення? Який її фізичний зміст?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Скільки гасу потрібно спалити, щоб випарувати 1 л води, що має температуру 20 °C?

2. У калориметрі знаходиться вода масою m_в = 1 кг за температури t_в = 20 °C. Скільки пари, що має температуру t_п =100 °C, потрібно впустити в калориметр, щоб температура в ньому підвищилася до t = 40 °C?

Розв’язок. Відповідно до рівняння теплового балансу де а — віддана парою кількість теплоти. В останній формулі враховано, що вода, яка утворилася в результаті конденсації пари, буде віддавати тепло при остиганні. Звідси

Перевіряємо одиниці величин:

Обчислюємо масу пари:

Відповідь: 33 г.

3. Яка кількість теплоти виділиться при конденсації 50 г водяної пари, що має температуру 100 °C, й охолодженні води, що утворилася, до температури 60 °C?

4. У посудині знаходиться вода, узята за температури 0 °C. Відкачуючи повітря з посудини, воду заморозили за допомогою власного випаровування. Яка частина води випарувалася? Питома теплота пароутворення води при 0 °C дорівнює 2,5·10⁶ Дж/кг.

2. Поміркуй і відповідай

1. Як спричинити кипіння води, не нагріваючи її?

2. Питома теплота пароутворення води значно більша, ніж ефіру. Чому ж ефір, налитий на руку, викликає набагато сильніше відчуття холоду?

3. Посудину з водою виносять із орбітальної станції у відкритий космос. Що відбуватиметься з водою, якщо посудину відкрити?

4. Пароутворення при кипінні відбувається за постійної температури, а пароутворення при випаровуванні — зі зниженням температури. Чим обумовлена така різниця?

Розв’язок. У першому випадку пароутворення відбувається за рахунок енергії нагрівача, у другому — за рахунок внутрішньої енергії рідини.

5. Кружка з водою плаває в каструлі, що стоїть на вогні. Чи закипить вода в кружці?

6. Чи можна скип’ятити воду, підігріваючи її парою при температурі 100 °C? Атмосферний тиск уважати нормальним.

Аналізуємо графіки випаровування, кипіння й конденсації

Розглянемо графік зміни агрегатного стану деякої речовини.

Проаналізуємо, які фізичні процеси зображені на цьому графіку.

Обговорюючи цей графік з учнями, з’ясовуємо, що на графіку зображений процес плавлення льоду й нагрівання води.

Далі пропонуємо відповісти на такі питання:

а) Поясніть, яким процесам відповідають ділянки графіка АВ, ВР, CD, DE й EF.

б) Яка температура була на початку й у кінці спостереження?

в) Через який час після початку спостереження вода закипіла?

г) У яких із точок (В або С, С або D) молекули даної речовини мають більший запас кінетичної енергії? Чому?

Після цього можна розібрати з учнями графіки нагрівання трьох рідин.

За графіком дай відповіді на такі питання:

а) Яка температура кипіння рідин? Що це за рідини?

б) Через скільки хвилин після початку спостереження закипіла перша рідина? Друга рідина? Третя рідина?

в) Яка кількість теплоти передана третій рідині для того, щоб нагріти її й повністю перетворити в пару, якщо маса цієї рідини дорівнює 500 г?

Навчаємося складати рівняння теплового балансу

Для розв’язання задач, у яких за умовою відбувається випаровування, кипіння або конденсація рідини, можна застосовувати рівняння теплового балансу. При цьому існують деякі особливості розв’язання цих завдань, які слід враховувати при складанні рівнянь теплового балансу.

1. Варто пам’ятати, що випаровування рідин, на відміну від плавлення й кристалізації твердих тіл, відбувається за будь-якої температури. Тому в розрахунках кількості теплоти треба брати відповідне значення питомої теплоти пароутворення для даної температури:

Для нагрівання рідини до температури кипіння їй необхідно передати деяку кількість теплоти:

2. Конденсація пари в рідину відбувається за певних фізичних умов, що залежать від значення тиску й температури речовини. Ці значення обов’язково повинні обговорюватися в умові завдання.

Завдання. Суміш, що складається з m_л = 5 кг льоду й m_в = 15 кг води при загальній температурі t₁ = 0 °C, потрібно нагріти до температури Θ = 80 °C, пропускаючи водяну пару з температурою t₂ = 100 °C. Знайдіть необхідну масу пари m_п.

Розв’язок. Рівняння теплового балансу має вигляд:

Інакше:

Звідси знаходимо масу пари:

Перевірка одиниць величин:

Обчислюємо масу пари:

Відповідь: маса пари 3,2 кг.

Закріплення вивченого матеріалу

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. На рисунку графічно зображений тепловий процес конденсації 1 л водяної пари й охолодження води, що утворилася.

а) Як змінювалася температура води в процесі конденсації й у процесі охолодження?

б) На початку чи наприкінці процесу конденсації молекули води мають більший запас кінетичної енергії?

2. Яка кількість теплоти буде потрібна, щоб перетворити 500 г льоду, що має температуру −40 °C, на пару при 100 °C?

3. У калориметр, що містить 1 кг води, впустили 40 г водяної пари, що має температуру 100 °С. Якою була початкова температура води, якщо кінцева температура води в калориметрі виявилася 60 °C?

2. Поміркуй і відповідай

1. Бажаючи прискорити готування борщу, господарка збільшує вогонь під каструлею із уже киплячою водою. Чи досягне вона бажаного результату? Відповідь обґрунтуйте.

2. Пара, що надходить у радіатор парового опалення, має ту саму температуру, що й вода, яка залишає радіатор. Чи відбувається при цьому обігрівання кімнати? Чому?

Перевір себе «Випаровування й конденсація. Кипіння»

Початковий рівень

1. Виберіть правильне твердження. У чайнику закипіла вода за нормального атмосферного тиску.

А Для обернення на пару 1 кг води їй потрібно передати 4,2 кДж теплоти.

Б При кипінні води її температура підвищується.

В Для обернення на пару 1 кг води їй потрібно передати 2,3 МДж теплоти.

2. Виберіть правильне твердження. З холодильника дістали скляну пляшку з молоком і поставили на стіл.

А При «запотіванні» пляшка ще більше остудилася.

Б При конденсації водяної пари поглинається тепло.

В Пляшка «запотіла» — на ній відбулася конденсація водяної пари.

Середній рівень

1. а) Чому навіть у спекотний день, вийшовши з ріки після купання, людина відчуває холод?

б) Для обернення на пару 40 г спирту, узятого при температурі 78 °C, було передано 36 кДж теплоти. Яка питома теплота пароутворення спирту?

2. а) Чому холодне скло покривається тонким шаром вологи, якщо на нього подихати?

б) Яка кількість теплоти необхідна для обернення на пару 8 г ефіру, узятого за температури 35 °C?

Достатній рівень

1. а) У поемі О. С. Пушкіна «Євгеній Онєгін» є такі рядки:

Татьяна пред окном стояла,

На стекла хладные дыша,

Задумавшись, моя душа,

Прелестным пальчиком писала

На отуманенном стекле

Заветный вензель О да Е.

Чому на вікні конденсується водяна пара?

б) Яка кількість теплоти виділиться при конденсації 200 г водяної пари, що має температуру 100 °C, й охолодженні води, що утворилася, до температури 40 °C?

2. а) Поясніть фізичний зміст японського прислів’я: «Дощ пройде — земля висохне».

б) Яка кількість теплоти виділиться при конденсації 50 г водяної пари, що має температуру 100 °C, й охолодженні води, що утворилася, до температури 60 °C?

Високий рівень

1. а) Як відомо, після дощу аромат квітів стає сильнішим. Чому?

б) Скільки необхідно спалити спирту, щоб розплавити 2 кг льоду, узятого при −5 °C, й 1 кг отриманої води перетворити на пару? ККД спиртівки 40 %.

2. а) У Ф. І. Тютчева у вірші «Ранок у горах» є такі рядки:

Лишь высших гор до половины

Туманы покрывают скат,

Как бы воздушные руины

Волшебством созданных палат.

Чому схили високих гір бувають у тумані?

б) У бак, що містить воду масою 10 кг при температурі 20 °C, кинули шматок заліза масою 2 кг, нагрітий до температури 500 °C. При цьому деяка кількість води перетворилося на пару. Кінцева температура, що встановилася в баці, дорівнює 24 °C. Визначте масу води, що перетворилася на пару.

ЗАНЯТТЯ 10 Пояснення зміни агрегатних станів речовини на підставі атомно-молекулярного вчення

Ціль заняття: узагальнити знання про агрегатні стани речовини й пояснити їх на основі атомно-молекулярного вчення.

ТЕОРЕТИЧНИЙ МАТЕРІАЛ

При вивченні агрегатних станів речовини головну увагу приділяємо тій частині внутрішньої енергії, що залежить від енергії взаємодії частинок. Залежно від співвідношення між потенціальною енергією взаємодії й кінетичною енергією руху частинок речовина може перебувати в одному із трьох агрегатних станах — твердому, рідкому або газоподібному. Зміна внутрішньої енергії призводить до зміни стану:

Молекулярно-кінетична теорія будови речовини — одне з найбільших досягнень фізичної науки — заснована на трьох твердженнях:

1) усяка речовина складається із частинок — молекул або атомів;

2) частинки здійснюють безладний тепловий рух;

3) частинки взаємодіють одна з одною.

Ця теорія дозволяє зрозуміти безліч найрізноманітніших явищ, у тому числі факт існування речовини в трьох агрегатних станах. Чому ж сукупності зовсім однакових частинок, наприклад молекул води, можуть утворити такі настільки не схожі одне на одного тіла, як лід, вода, водяна пара? «Винним» у цьому є третє з перерахованих вище тверджень, що лежать в основі МКТ,— твердження про те, що між молекулами діють сили. Однак існування різних агрегатних станів зручніше пояснювати, користуючись не «силовою», а «енергетичною» мовою.

Тепловий рух молекул характеризується їх середньою кінетичною енергією. Вона, як відомо, визначає температуру тіл. Якби молекули мали тільки кінетичну енергію, вони розлетілися б в усіх напрямках (рух молекул хаотичний!) і речовина зайняла б весь доступний їй об’єм.

Єдиним можливим станом речовини був би газоподібний стан.

Взаємодія молекул характеризується потенціальною енергією. Вона залежить від відстані між молекулами. Якби молекули мали тільки потенціальну енергію, вони зайняли б одна відносно одної такі положення, щоби сума сил, які діють на кожну молекулу з боку її сусідів, дорівнювала б нулю. При цьому потенціальна енергія взаємодії молекул була б мінімальною. Єдиним можливим станом речовини був би твердий стан.

Але молекули рухаються й взаємодіють одночасно, отже, вони володіють і кінетичною й потенціальною енергією. Тож чи бути тілу твердим, рідким або газоподібним, залежить від співвідношення обох видів енергії. А зміна цього співвідношення й призводить до переходу речовини з одного стану в інший.

1. Твердий стан — це стан, у якому абсолютне значення потенціальної енергії Е_п взаємодії молекул надзвичайно велике порівняно з кінетичною Е_к:

>> .

Як можна змінити це співвідношення? Наприклад, нагріваючи тверде тіло. При нагріванні збільшується кінетична енергія частинок тіла, а їхня потенціальна енергія при цьому практично не змінюється. Таким чином, можна досягти того, щоб кінетична енергія стала приблизно рівною потенціальній.

2. Рідкий стан. Тоді й відбудеться перехід із твердого стану в рідкий, для якого характерна наведена рівність:

≈ .

У цьому стані абсолютне значення потенціальної енергії ще досить велике, щоб молекули не могли розлетітися одна від одної, а кінетична енергія вже досить велика, щоб молекули набули певної рухливості, тобто можливості переміщатися усередині об’єму. Рідина зберігає свій об’єм, але стає текучою й тому не зберігає своєї форми.

3. Газоподібний стан. Продовжуємо нагрівати рідину. Кінетична енергія молекул буде рости й у якийсь момент перевершить потенціальну енергію їх взаємодії настільки, що нею можна буде знехтувати:

<< .

Речовина перейде в газоподібний стан.

Поміркуй і відповідай

1. Чому дощ охолоджує повітря? Чому фонтани зменшують спеку?

2. Чайник шумить перед закипанням води в ньому. Чому?

3. Поясніть принцип парового приготування їжі.

4. Холодильник час від часу доводиться вимикати й розморожувати. Чому?

ПЕРЕВІР СЕБЕ

1. Улітку після граду крижинки, що лежать на землі, тануть. Виберіть правильне твердження.

А Під час танення порушується порядок у розташуванні молекул.

Б Під час танення температура льоду підвищується.

В Під час танення молекули льоду змінюються, перетворюючись у молекули води.

Г Під час танення крижинки віддають тепло.

2. Відкриту каструлю з водою поставили на плиту. Виберіть правильне твердження.

А З ростом температури швидкість випаровування зменшується.

Б Якщо каструлю накрити кришкою, швидкість випаровування збільшиться.

В Під час кипіння температура води постійно підвищується.

Г Вода випаровується за будь-якої температури.

3. На рисунку наведений графік залежності від часу температури металу після вимикання плавильної печі. Відзначте, які з нижченаведених чотирьох тверджень правильні, а які — неправильні.

А На ділянці 3 у металу існує кристалічна решітка.

Б Метал може бути свинцем.

В Ділянка 2 відповідає остиганню твердого металу.

Г Ділянка 1 відповідає остиганню рідкого металу.

4. У калориметр, що містить 500 г води при температурі 20 ° С, впустили 100 г водяної пари, що має температуру 100 ° С.

Нехтуючи теплоємністю калориметра, відзначте, які з нижченаведених чотирьох тверджень правильні, а які — неправильні.

А У кінцевому стані в калориметрі будуть вода й пара.

Б У кінцевому стані в калориметрі буде тільки вода.

В У калориметрі встановиться температура вище 78 ° С.

Г У кінцевому стані маса води в калориметрі буде більше 550 г.

5. Водяна пара масою 1 кг, узята при температурі 100 °C, перетворилася на воду при температурі 20 °C. Відзначте, які з нижченаведених чотирьох тверджень правильні, а які — неправильні.

А У даному процесі виділилося 2,3 МДж теплоти.

Б У даному процесі пари передано більше 2,5 МДж теплоти.

В Внутрішня енергія води, що вийшла, більше внутрішньої енергії пари.

Г При конденсації пари енергія поглинається.

6. Щоб одержати з льоду масою 50 кг пару при температурі 100 °C, в установці із ККД 25 % спалюють деяку масу вугілля. Температура льоду –5 ° С, питома теплота згоряння вугілля 27 МДж/кг. Відзначте, які з нижченаведених чотирьох тверджень правильні, а які — неправильні.

А При згорянні вугілля в установці виділяється кількість теплоти, більша 8·10⁸ Дж.

Б Щоб нагріти й розплавити лід, треба затратити кількість теплоти, більшу за 16 МДж.

В Щоб всю воду, що утворилася при плавленні льоду, нагріти й перетворити на пару, треба затратити кількість теплоти, яка менше за 1,5·10⁸ Дж.

Г Щоб обернути весь лід на пару, необхідно спалити більше 20 кг вугілля.

Відповіді:

1	2	3	4	5	6
А	Г	А Б Г	А В	—	Б В Г

Вчимося розв'язувати задачі

1. У калориметр, що містить m_в = 1,5 кг води при температурі t_в = 20 °C, поклали m_л = 1 кг льоду, що має температуру t_л = −10 °C. Яка температура Θ встановиться в калориметрі? Теплоємністю калориметра можна знехтувати.

Розв’язок. Цю задачу не дуже зручно розв’язувати в загальному вигляді: адже для складання рівняння теплового балансу необхідно заздалегідь знати, які процеси відбудуться з льодом і з водою, тобто яким буде кінцевий стан (тільки вода, вода й лід або тільки лід).

А це визначається саме числовими значеннями m_в, m_л, t_в, t_л.

Припустимо спочатку, що весь лід розтане, а вода трохи охолоне.

Тоді рівняння теплового балансу має вигляд:

де Q_в < 0 — кількість теплоти, відданої водою; Q_л — кількість теплоти, отриманої льодом. Вода охолоджується від t_в до Θ, отже, Лід нагрівається від t_л до 0 °C, при 0 °C плавиться й далі (уже будучи водою!) нагрівається від 0 °C до Θ. Таким чином,

З рівняння теплового балансу одержуємо:

Однак отримане значення ( Θ < 0 °C ) суперечить зробленому припущенню, що весь лід розтане! Виходить, це припущення було неправильним. Можна тепер припустити, що вся вода змерзне. Але тоді температура Θ виявиться позитивною, що знову буде суперечити зробленому припущенню. Залишається лише один варіант відповіді: Θ = 0 °C, тобто весь лід не розтане й вся вода не змерзне,— у калориметрі буде суміш води з льодом. До цього результату можна прийти набагато швидше, якщо помітити, що вода, навіть охолонувши до 0 °C (а охолонути далі, не замерзаючи, вона не може!), віддасть кількість теплоти m_вс_вt_в. Цієї кількості теплоти вистачить лише на плавлення льоду масою що менше початкової маси льоду m_л (при цьому ми навіть не врахували необхідності нагрівання льоду до 0 °C ). Виходить, весь лід розтанути не може, тобто Θ ≤ 0 °C. Аналогічно доводиться, що Θ ≥ 0 °C. Звідси одержуємо: Θ = 0 °C.

2. У калориметрі знаходиться вода масою 1 кг при температурі 20 °C. Скільки пари при температурі 100 °C потрібно впустити в калориметр, щоб температура в ньому піднялася до 40 °C? (Відповідь: 33 г)

1. Укажіть величину, значення якої лишається сталим під час процесу плавлення речовини.

А температура

Б густина

В внутрішня енергія

Г об’єм

2. Установіть відповідність між назвою процесу та вказаними фізичними явищами.

			Процес А конденсація Б плавлення В кристалізація Г випаровування			Явище 1 після грози іноді виникає райдуга 2 навесні товщина льоду зменшується 3 улітку після дощу калюжі на асфальті швидко висихають 4 у морозні дні на віконному склі утворюються красиві візерунки 5 у людини, яка з морозу зайшла в теплу кімнату, запотівають окуляри
	А	Б		В	Г
1
2
3
4
5

1. Укажіть правильне продовження речення: Плавлення – це процес переходу речовини…

А з твердого стану в рідкий

Б з рідкого стану в твердий

В з газоподібного стану в рідкий

Г з рідкого стану в газоподібний

2. Укажіть правильне продовження речення: Плавлення – це процес переходу речовини…

А з твердого стану в рідкий

Б з рідкого стану в твердий

В з газоподібного стану в рідкий

Г з рідкого стану в газоподібний

3. Установіть відповідність між назвою процесу та змінами у будові речовини під час цього процесу.

			Процес А плавлення Б охолодження В конденсація Г нагрівання			Зміни в будові речовини 1 молекули з речовини, що знаходиться у газоподібному стані, потрапляють у рідину 2 поверхневий шар речовини покидають найшвидші молекули 3 збільшується середня швидкість хаотичного руху молекул 4 зменшується середня швидкість хаотичного руху молекул 5 руйнується кристалічна ґратка
	А	Б		В	Г
1
2
3
4
5

Комунальний заклад "Харківський ліцей № 172 Харківської міської ради"

Дистанційний курс з фізики. 8 клас вчитель Аверіна Л.Г.