Народна Освіта » Фізика » § 1. Тепловий рух

НАРОДНА ОСВІТА

§ 1. Тепловий рух

Серед планет Сонячної системи тільки на Землі сформувалися всі умови, необхідні для існування життя. Це наявність води, повітря, достатньої кількості світла й тепла. Теплові явища відіграють величезну роль в житті людини, тварин та рослин. Вони лежать в основі кругообігу речовин й енергії в природі, зміни кліматичних умов, забезпечують розмаїття природи.

Завдяки дослідженням теплових властивостей люди зуміли створити машини, без яких неможливо уявити побут сучасної людини та стрімкий розвиток виробництва. В історії земної цивілізації навіть виокремлюють період, який називають «віком пари». З часом парові машини удосконалювались, на заміну деяким із них прийшли електричні машини, але й до сьогодні уявити сучасний світ без двигунів внутрішнього згорання, реактивних двигунів, теплових установок — неможливо! І неможливо при цьому оминути питання, пов’язані з наслідками використання теплових машин: забруднення, глобальне потепління, енергетичні й економічні проблеми та кризи.

Вивчаючи розділ «Теплові явища», ви дізнаєтеся, що таке тепловий рух, температура, кількість теплоти, внутрішня енергія. З’ясуєте, що відбувається всередині тіла, коли воно нагрівається, плавиться або випаровується. Ознайомитесь із різноманіттям речовин у природі й дізнаєтесь, які речовини люди навчилися створювати штучно. Попереду вас чекають цікаві досліди і спостереження, які ви зможете виконати самостійно. Ви дослідите особливості теплових процесів, зрозумієте, чому речовини можуть змінювати свої агрегатні стани. Навчитесь обчислювати кількість теплоти під час теплообміну між тілами й у разі зміни агрегатного стану речовини.

Після вивчення розділу «Тепловіявища» ви здобудете знання, які дозволять вам не тільки пояснювати теплові явища, а й застосовувати їх у своїй практичній і майбутній професійній діяльності.

 

Тепловий рух

Ви дізнаєтесь

і Як рухаються і взаємодіють між собою молекули Чому рух молекул називають тепловим

 

Теплові явища У природі відбуваються явища, які ми пов’язуємо з теплом і холодом: нагрівання й охолодження, плавлення й тверднення, випаровування й конденсація. Такі явища називають тепловими. Теплові явища можуть супроводжуватися зміною агрегатного стану речовини.

Пригадайте

Положення молекулярно-кінетичного вчення про будову речовини

 

Питання: що таке теплота, як її можна виміряти, як вона передається від одного тіла до іншого — цікавило багатьох дослідників ще з давніх часів. Те, що теплові явища пов’язані із внутрішнім рухом і взаємодією частинок тіла, учені довели завдяки тривалим спостереженням, дослідженням і дискусіям.

Перші спроби пояснити теплові явища належать філософам давнини, які розглядали вогонь і пов’язану з ним теплоту як одну зі стихій, що разом із землею, водою й повітрям утворюють усі тіла.

У той самий час деякі дослідники робили спроби пов’язати теплоту з рухом. Що могло бути підставою для таких спроб? Відповідь може видатись очевидною, адже всім відомо, що внаслідок удару або тертя тіла нагріваються. Проте процес узгодження наукових пояснень теплових явищ на основі внутрішнього руху та взаємодії частинок речовини був складним і тривалим. Адже людина неспроможна безпосередньо бачити частинки речовини й спостерігати особливості їхнього руху.

Як саме фізикам вдалося пояснити тепловий стан тіла — головна проблема, яку ми будемо досліджувати в цьому розділі.

Почнемо з дослідів, що переконливо доводять: речовина складається із мікрочастинок (молекул, атомів), які постійно й хаотично1 рухаються та взаємодіють між собою.

Наші дослідження будуть пов’язані з мікрочастинками, яких ми не можемо побачити неозброєним оком. Тому для опису цих частинок, зображення їх на малюнках ми будемо користуватися фізичним моделюванням. Пригадуєте, досліджуючи механічний рух, ми використовували фізичну модель — матеріальну точку, тобто в певних умовах нехтували розмірами тіла.

Досліджуючи теплові явища, також будемо вдаватися до моделювання, зокрема, до схематичного та графічного зображення структурних часток речовини у вигляді кульок. Хоча насправді внутрішня будова речовини є іншою. Як відомо, структурними частками різних речовин можуть бути атоми, йони, молекули. Для пояснення деяких процесів, коли не важливо, яка саме частинка є структурною, вживається узагальнений термін «молекула».

 

Одним із найсучасніших досягнень людства є нанотехнології, які дозволили вченим «зазирнути» в таємниці мікросвіту. Сучасні нанотехнології дають змогу не лише отримати зображення молекул й атомів (мал. 1), а й створити нові їхні комбінації для отримання матеріалів із наперед заданими властивостями.

Явища, що підтверджують рух молекул. Поспостерігайте, що відбуватиметься, якщо налити в посудину томатного соку, а потім акуратно, щоб не відбувалося змішування, долити води й залишити розчин на 2-3 дні. Ви помітите, що з часом почне змінюватися колір рідини: спершу на межі двох рідин, а згодом — і в усьому об’ємі (мал. 2).

Як це можна пояснити? Очевидно, що молекули однієї речовини (наприклад, томатного соку) внаслідок руху можуть проникати між молекули іншої (наприклад, води) без жодного зовнішнього втручання. У цей же час молекули води також проникають між молекули томатного соку.

Це явище має назву дифузія.

-А    і

Дифузія — явище взаємного проникнення частинок однієї речовини у проміжки між частинками іншої при їх безпосередньому контакті. Явище дифузії зумовлене безладним рухом частинок речовини.

Дифузія спостерігається в газах, рідинах і твердих тілах. Відмінність у характері руху й взаємодії молекул у твердому, рідкому та газоподібному станах зумовлює різну швидкість дифузії. Наприклад, щоб аромат парфумів поширився кімнатою, потрібно декілька секунд, а щоб цукор повністю розчинився у воді — кілька хвилин.

Спостерігати явище дифузії у твердих тілах складніше, але можливо. В одному з дослідів добре відшліфовані свинцеву та золоту пластинки поклали одна на одну і притиснули тягарем. За кімнатної температури впродовж 5 років золото і свинець взаємно проникли одне в одне на відстань близько 1 мм (мал. 3).

 

Швидкість дифузії залежить не лише від агрегатного стану речовин, що взаємодіють. Якщо б дослід із дифузією рідин ви проводили в теплому місці та прохолодному, чи однаковим був би результат? Життєвий досвід і спостережливість підкажуть вам, що в теплому місці дифузія відбувається швидше.

Переконатись у тому, що молекули речовини постійно й хаотично рухаються, можна й за допомогою такого досліду. Розчинимо у воді невелику кількість фарби (сажі або молока). Візьмемо краплину цього слабкого розчину, нанесемо її на скельце та помістимо на предметний столик мікроскопа. Спостерігаємо дивну картину: часточка фарби ніби оживає, вона рухається безладно в різних напрямах. Що змушує її рухатись?

Причина руху полягає в тому, що молекули води зіштовхуються з мікрочастинкою фарби (або жиру молока чи крупинкою сажі), штовхають її з різних боків, і ці удари не компенсуються, оскільки кількість ударів-зі-ткнень у кожний момент часу з кожного боку різна. У результаті мікрочастинка рухається. Траєкторія її руху — ламана лінія (мал. 4).

Першим таке явище в 1827 р. спостерігав англійський ботанік Роберт Броун. За допомогою мікроскопа він розглядав спори плауна2 у воді. Учений помітив, що спори рухаються. Сам Броун спочатку вважав, що це відбувається тому, що спори живі. Однак частинки продовжували хаотично рухатися навіть після кип’ятіння суміші. Причому при збільшенні температури суміші

рух спор ставав інтенсивнішим. Згодом Броун спостерігав такий самий хаотичний рух дрібних частинок інших речовин (органічних і неорганічних). Однак він не зміг пояснити цього явища. Проте ім’я дослідника ввійшло в історію фізики: рух завислих у рідині мікрочастинок названо на його честь — броунівським рухом.

 

Броунівський рух вивчали багато вчених. Пояснення цьому явищу дали в 1905-1906 рр. видатний німецький фізик А. Ейнштейн та польський учений М. Смолу-ховський.

Особливості теплового руху. Усі теплові явища зумовлені рухом і взаємодією частинок речовини (молекул). Таким чином, явище дифузії та броунівський рух є наочним підтвердженням хаотичного й безперервного руху мікрочастинок речовини. Причому швидкість руху молекул збільшується зі збільшенням температури речовини. Тому хаотичний рух молекул і називають тепловим.

Тепловим рухом називають безперервний, невпоряд-кований (хаотичний) рух молекул.

Рух яблука або залізної кульки — це приклад механічного руху, а рух молекул яблука або молекул заліза — це тепловий рух (мал. 5).

Чому виникла необхідність називати рух молекул тепловим? Адже кожна молекула здійснює механічний рух, має певну швидкість руху, кінетичну енергію. Головна відмінність теплового руху від механічного пояснюється тим, що речовина містить величезну кількість молекул (наприклад, за нормальних умов3 в 1 м3 кисню —

2,7·1025 молекул). При цьому кожна молекула зазнає зіткнень, внаслідок чого постійно змінюються її швидкість і напрям руху. Навіть якщо нам вдасться дослідити закономірності руху однієї молекули, стверджувати, що вони властиві всім іншим частинкам речовини, не можна! Тепловий рух великої кількості молекул має якісно інші характеристики порівняно з рухом окремої молекули. У цьому випадку, описуючи рух молекул, використовують середні значення: середня швидкість руху молекул, середня кінетична енергія молекул, середня потенціальна енергія молекул.

Від значень цих величин (тобто від особливостей теплового руху та взаємодії молекул) залежить тепловий стан тіла: нагрівання й охолодження тіла, розширення тіл під час нагрівання, а також агрегатний стан речовини.

Підбиваємо підсумки

Явище дифузії, броунівський рух підтверджують, що молекули хаотично й безперервно рухаються.

Усі теплові явища зумовлені рухом і взаємодією частинок речовини (молекул).

Тепловим рухом називають безперервний, невпо-рядкований (хаотичний) рух молекул.

Я знаю, вмію та можу пояснити

1.    Які явища вказують на невпорядкованість та хаотичність руху частинок речовини?

2.    У чому полягає суть явища дифузії? Броунівського руху?

3.    Наведіть приклади дифузії . Які особливості протікання цього явища у твердих тілах, рідинах і газах?

4.    Чому хаотичний безладний рух молекул називають тепловим?

5.    Що відрізняє тепловий рух від механічного?

ПОЯСНІТЬ

1.    Чи можна вважати безладний рух порошинок у повітрі броунівським?

2.    Чому плями від розлитої кави легше видалити відразу і значно важче зробити це згодом?

 

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Засєкіна

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 7-08-2016, 16:23, посмотрело: 2390