§ 1. Теплові явища. Тепловий рух. Внутрішня енергія

Думки вголос

Я продовжую вивчати теплові явища у природі, пригадаю відомі мені приклади таких явищ і зможу пояснити їх на основі молекулярно-кінетичної теорії будови речовини (МКТ).

Розглянемо звичайну життєву ситуацію, із якою ми маємо справу щодня. Поставимо на вогонь каструлю з водою і почнемо її нагрівати, спостерігаючи за температурою води. Полум’я віддає тепло каструлі з водою, і їх температура підвищується. Ми розуміємо: якщо каструля з водою маленька, то тепла потрібно менше, а якщо велика, то більше.

Чому так відбувається? Спробуй дати відповіді на запитання:

•    Що таке тепло?

•    Коли ми відчуваємо тепло і холод?

•    Як реагуємо на щось гаряче?

Кожна людина на поверхні шкіри та слизових оболонок має спеціальні нервові закінчення — терморецепторы, завдяки яким вона має відчуття холоду та теплоти. Вже змалку дитина добре відчуває і розуміє, холодно їй чи жарко, холодний, теплий чи гарячий предмет, до якого вона доторкнулася. Дитина знає, що ставати босою ногою на лід неприємно, бо він дуже холодний, що не можна торкатися полум’я, бо воно дуже гаряче. Поступово в людини формується поняття теплоти. Вона уявляє, що холодне — це нестача теплоти, а гаряче — її надлишок, що тіла можуть охолоджуватись, віддаючи теплоту холоднішим тілам, або нагріватися, беручи теплоту від гарячих тіл. Саме завдяки такому розумінню ще прадавні люди почали використовувати одяг як засіб збереження теплоти та вогонь як джерело теплоти (мал. 1, а), а сучасні люди використовують його і досі (мал. 1, б).

Ми живемо у світі, де відбуваються різні фізичні явища, багато з яких пов’язані з нагріванням і охолодженням тіл.

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

Саме теплові явища лежать в основі існування різних кліматичних зон на Землі, змін пір року. Від них залежить багато природ-

них явищ, зокрема й виникнення і розвиток життя. Люди широко використовують теплові явища в побуті, у виробничій діяльності. Багато приладів (обігрівачі, холодильники, кондиціонери), а також транспортних засобів (тепловози, кораблі, літаки, автомобілі, ракети) працюють па основі теплових явищ.

На малюнку 2 наведено приклади деяких теплових явищ у природі і техніці.

Люди, здавна використовуючи теплові явища, шукали пояснення їх природи, що приховано у понятті теплота, звідки вона виникає, від чого залежить ступінь нагрітості того чи іншого тіла, за рахунок чого тіла охо-лоджуться або нагріваються.

Пояснення теплових явищ дала молекулярно-кінетична теорія будови речовини (MKT).

Із курсу фізики 7 класу і природознавства δ класу вам відомі основні положення MKT: усі тіла складаються із мікрочастинок (молекули, атоми, іони), які знаходяться в неперервному хаотичному русі, взаємодіючи одне з одним шляхом пружних зіткнень подібно до більярдних куль (мал. 3).

Кількість мікрочастинок у кожному тілі надзвичайно велика. Так, в 1 см³ води міститься 3,34 · IO²⁸ мікрочастинок, кожна з яких рухається дуже складною траєкторією. Складність такого руху пояснюється тим, що мікрочастинки, зіштовхуючись одна з одною та зі стінками посудини, постійно змінюють свою траєкторію руху.

Експериментальні докази положень MKT:

• відоме явище дифузії (взаємопроникнення мікрочастинок контактуючих тіл);

явище броунівського руху, названого так на честь ботаніка Роберта Броуна (1773-1858), який за допомогою мікроскопа спостерігав хаотичний рух частинок квіткового пилку під дією численних зіткнень молекул рідини (мал. 4); зміни агрегатного стану речовини, про що ти дізнаєшся У § 4.

А ти знаєш?

У 1932 р. було винайдено електронний мікроскоп (мал. 5), який дозволив побачити атоми кристалічних тіл. Тепер поглянути на дискретність структури кристалів можеш і ти (мал. 6).

Р. Броун, спостерігаючи броунівський рух, помітив, що швидкість пересувань частинок квіткового пилку залежить від нагрі-тості рідини: коли вода холодніша, то рух броунівських частинок повільніший, а коли тепліша — більш швидкий. Оскільки швидкість броуиівської частинки залежить від швидкостей молекул, що її штовхають, то можна зробити висновок, що нагрітість тіла пов’язана зі швидкостями мікрочастинок, із яких воно складається.

Цей висновок підтверджує молекулярно-кінетична теорія будови речовини: теплові властивості тіла визначаються інтенсивністю хаотичного руху складових мікрочастинок, тому його й було названо тепловим рухом. Інколи саме його коротко називають теплотою.

Хаотичний рух мікрочастинок тіла, пов’язаний із тепловими процесами у природі, називають тепловим рухом.

Мікрочастинки, із яких складаються тіла, перебувають у безперервному русі, а також взаємодіють між собою, отже, кожна з них у будь-який момент має певну швидкість і кінетичну енергію, а також потенціальну енергію.

Сума кінетичних і потенціальних енергій всіх мікрочастинок тіла складає внутрішню енергію тіла Е_ви.

Оскільки маса окремої частинки (атома, молекули) дуже мала, то її кінетична енергія також мала (близько IO^-21 Дж), але макроскопічне тіло складається з величезної кількості молекул, тому внутрішня енергія тіла може сягати мільярдів джоулів.

Зі сказаного випливає, що енергія теплового руху тіла є складовою його внутрішньої енергії. Коли тілу передається тепло (наприклад, під час нагрівання води в каструлі), то його внутрішня енергія збільшується, а під час охолодження — зменшується.

Продовжимо міркування. Доповнимо закон збереження повної механічної енергії, знайомий із фізики 7 класу, враховуючи поняття внутрішньої енергії тіла.

Пригадай

•    Які види механічної енергії ти знаєш?

•    У чому полягає закон збереження і перетворення механічної енергії?

•    Наведи приклади перетворення одного виду механічної енергії в інший.

Приклад. Розглянемо рух сталевої кульки, підкинутої вгору з певною початковою швидкістю (мал. 7).

У будь-якій точці траєкторії кулька має    потенціальну    енергію

(E_u<yr = mgh) і кінетичну енергію (E_tda = ті?

= —-—), при цьому' виконується закон

2і

збереження і перетворення повної механічної енергії. Відомо, що повна енергія тіла — це сума його механічної енергії і внутрішньої енергії тіла (E_ua):

E — E і -l·- E 4“ E

"кін "йог    HH

Зауважимо, що значения механічної кінетичної і потенціальної енергії тіла залежить від системи відліку, у якій вони визначаються, а значення внутрішньої енергії тіла залежить тільки від його теплового стану.

За результатами багатьох експериментальних досліджень було сформульовано закон збереження енергії, справедливий і для теплових явищ:

Енергія у природі не виникає з нічого і не зникає. Вона лише переходить з одного виду в інший або переходить від одного тіла до іншого.

Підсумки

•    Теплові явища — це явища, пов’язані з нагріванням або охолодженням тіл у природі.

•    Внутрішня енергія тіла — це сума кінетичної і потенціальної енергії всіх мікрочастинок тіла.

•    Хаотичний рух мікрочастинок тіла — це тепловий рух.

•    Повна енергія тіла — це сума його механічної і внутрішньої енергії.

Перевір свої знання

1*. Які види механічної енергії мають мікрочастинки тіла?

2*. Що таке внутрішня енергія тіла?

З*. Як тепловий стан тіла залежить від його внутрішньої енергії? 4**. Поклади м’ячик на край столу. Зіштовхни його. Подумай і поясни, чому м’ячик не зміг піднятися до рівня столу (мал. 8).

5**. Пригадай з історії, як первісна людина добувала вогонь. Які способи зміни теплового стану тіл при цьому вона використовувала?

6***. Дай розгорнуту відповідь, якими перетвореннями енергії зумовлено нагрівання морської води після шторму.

7***. Коли забиваємо цвях, його голівка нагрівається слабко, а коли цвях вже забитий, навіть декілька ударів по ньому сильно нагрівають голівку цвяха. Поясни цей ефект.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Сердюченко