Підручник Фізика 8 клас - Т. М. Засєкіна - Оріон 2016 рік

РОЗДІЛ 1.ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

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 процесів люди зуміли створити машини, без яких неможливо уявити побут сучасної людини та стрімкий розвиток виробництва. В історії земної цивілізації навіть виокремлюють період, який називають «століттям 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 «Теплові явища» ви здобудете знання, які дозволять вам не тільки пояснювати теплові явища, а й застосовувати їх у своїй практичній і майбутній професійній діяльності.

§ 1. ТЕПЛОВИЙ РУХ

Ви дізнаєтесь

- Як рухаються і взаємодіють між собою молекули

- Чому рух молекул називають тепловим

Пригадайте

- Положення молекулярно- кінетичного вчення про будову речовини

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.

Питання: що таке теплота, як її можна виміряти, як вона передається від одного тіла до іншого — цікавили 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 входить до складу всіх тіл.

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.

1Хаотично (від старогрец. xаоs;) — безладно, неорганізовано, неконтрольовано.

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 та інші частинки. 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.

Мал. 1. Фотографія органічної молекули пентацена (С22Н14) що складається із 22 атомів Карбону й 14 атомів Гідрогену.

Розмір молекули 1,4 нм. Знизу — модель цієї молекули: сірі кульки — атоми Карбону, білі — Гідрогену Дифузія — явище взаємного проникнення частинок однієї речовини у проміжки між частинками іншої при їх безпосередньому контакті. Явище дифузії зумовлене безладним рухом частинок речовини.

Мал. 2. Дослід зі спостереження дифузії в рідинах

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.

Мал. 3. Дослід зі спостереження дифузії у твердих тілах

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-зіткнень 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 плауна1 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.

1Плаун, або п’ядич, зелениця, — рід багаторічних, трав’янистих, вічнозелених спорових рослин. Спори (від грец. «сім’я, сіяння») — мікроскопічні одноклітинні, рідше багатоклітинні зачатки рослин, що служать для розмноження й поширення, а також збереження виду в несприятливих умовах.

Мал. 4. Спостереження й моделювання броунівського руху

Роберт Броун (1773-1858)Англійський (шотландський) учений (ботанік), який у 1827 р. першим спостерігав хаотичний рух мікрочастинок речовини — явище броунівського руху

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. Смолуховський.

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.

Мар’ян Смолуховський (1872-1917) Видатний польський учений. Професор і ректор Львівського університету. Один з основоположників молекулярної фізики

Альберт Ейнштейн (1879-1955) Видатний німецький та американський фізик-теоретик. Автор унікальних праць з теорії відносності, фотоелектричного ефекту, молекулярно-кінетичної теорії. Лауреат Нобелівської премії з фізики

Тепловим рухом називають безперервний, невпорядкований (хаотичний) рух молекул.

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

Мал. 5. Механічні й теплові рухи

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 умов1 в 1 м3 кисню — 2,7 · 1025 молекул).

1Нормальні умови (скорочено н. у.) — значення тиску (р = 101 кПа) й температури t = 0 °С), за яких проводять фізичні й хімічні експерименти, з метою спрощення порівнянь їх результатів.

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, невпорядкований (хаотичний) рух молекул.

Я знаю, вмію й розумію

1. Які явища вказують на невпорядкованість 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 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?






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.