Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

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 у 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». Із часом парові машини вдосконалювались, 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. Теплові машини та механізми», 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. Теплові машини та механізми» ви здобудете знання, які дозволять вам не тільки пояснювати теплові явища, а й застосовувати їх у своїй практичній і майбутній професійній діяльності.

§ 1 Основні положення молекулярно-кінетичної теорії

Ви дізнаєтесь

- Чому тіла не розпадаються самі собою на окремі молекули

- Як рухаються і взаємодіють між собою молекули

Пригадайте

- Що вам відомо про будову речовини

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії. Ваші знання про речовину та її будову формувалися на уроках природознавства, хімії, фізики. Однак це лише початкові знання, які потрібно уточнити та розвинути. Адже завжди цікаво знати, що саме відбувається всередині тіла, коли воно нагрівається, плавиться або випаровується. Якщо молекули рухаються, то з якою швидкістю? Чому тіла при нагріванні розширюються?

Пригадаймо, що нам відомо про будову речовини (мал. 1).

Речовини складаються із дрібненьких частинок: молекул, атомів або йонів.

Молекула — частинка речовини, що складається з однакових (проста речовина) або різних (складна речовина) атомів, об’єднаних хімічними зв’язками.

Атом — найменша, електронейтральна, хімічно неподільна частинка хімічного елемента.

У той же час атом має складну внутрішню структуру: в основному, атом порожнистий: у його центрі міститься дуже маленьке й дуже щільне ядро, а навколо нього — електрони. Електрони дуже швидко обертаються, і здається, що вони ніби «розмазані» в просторі на деякій відстані від ядра, у так званих електронних хмарах. У свою чергу, ядро атома також подільне — воно складається із частинок двох типів: протонів і нейтронів.

Електрони й протони мають унікальні природні властивості — вони є носіями елементарного електричного заряду.

Мал. 1. Схематичне зображення структурних частинок речовини

Йон — електрично заряджена частинка речовини, що утворилася з атома або атомної групи внаслідок втрати або приєднання електронів.

Фізичні та хімічні властивості речовини зумовлюються взаємодією між її складовими частинками. Від особливостей розташування молекул і характеристик їх руху залежить агрегатний стан речовини, тобто вона може перебувати у твердому, рідкому й газоподібному1 станах.

Під час фізичних процесів склад речовини залишається незмінним, хоча сама речовина може змінювати свій агрегатний стан. Це головна відмінність фізичних явищ від хімічних, що пов’язані зі змінами речовин. Під час хімічних процесів руйнуються зв’язки між атомами, які з’єднують їх у молекули. Самі атоми при цьому залишаються незмінними й об’єднуються в нові молекули. У результаті цього утворюються нові речовини.

Усе багатство навколишнього світу викликано тим, що окремі атоми здатні міцно зв’язуватись один з одним (хімічними зв’язками) й утворювати прості та складні речовини. Сучасним науковцям відомо понад двадцять мільйонів речовин. Усі вони вивчаються, класифікуються та мають власну назву. Речовини досліджують такі науки, як фізика, хімія, географія, біологія та ін. Кожна із цих наук досліджує певні властивості речовини. Так, у фізиці речовину досліджують як вид матерії, що має власну масу та складається із частинок.

На основі досліджень багатьох учених у ХІХ ст. було створено теорію будови речовини, так звану молекулярно-кінетичну теорію, в основу якої покладено такі положення:

- усі речовини складаються з дрібних частинок (атомів, молекул або йонів), між якими є проміжки;

- ці частинки неперервно й безладно (хаотично) рухаються і взаємодіють між собою (притягуються і відштовхуються).

Явища, що підтверджують рух молекул. Безпосереднім експериментальним підтвердженням руху молекул у газах, рідинах і твердих тілах є явища дифузії (від латин. diffusion — поширення) та броунівського руху.

Явище дифузії зумовлене тим, що внаслідок свого руху молекули однієї речовини можуть проникати між молекули іншої без жодного зовнішнього втручання.

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. Щоб аромат парфумів поширився кімнатою, потрібно кілька хвилин. Якщо налити в посудину томатного соку, а потім акуратно, щоб не відбувалося змішування, долити води, то лише через 2-3 дні молекули однієї рідини проникнуть між молекули іншої (мал. 2).

1 У навчальній літературі ще застосовують термін «газуватий».

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 (≈ 20 °С) за 5 років золото і свинець взаємно проникли одне в одного на відстань близько 1 мм (мал. 3).

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

Броунівський рух названо так на честь англійського ботаніка Роберта Броуна, який у 1827 р. першим його спостерігав. Досліджуючи за допомогою мікроскопа спори плауна у воді, він помітив, що спори рухаються. Сам Броун спочатку вважав, що спори рухаються тому, що вони 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.

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

Явище броунівського руху пояснюється тим, що молекули рідини або газу зіштовхуються з мікрочастинкою (наприклад, спорою), яка перебуває в завислому стані в рідині або газі. Молекули штовхають мікрочастинку 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).

Мікрочастинки рухаються завдяки хаотичному руху молекул і не можуть зупинитись. Дослідами доведено, що інтенсивність броунівського руху зростає з підвищенням температури.

Явища, що підтверджують взаємодію молекул. Згідно з положеннями молекулярно-кінетичної теорії, молекули взаємодіють одна з одною завдяки силам притягання та відштовхування. Ці сили мають електромагнітну природу, хоча молекула або атом є електрично нейтральною (незарядженою) частинкою речовини. Взаємодія молекул або атомів зумовлена взаємодією їхніх складових частинок: електронів, що мають від’ємний електричний заряд, та ядер атомів, що мають позитивний електричний заряд.

Мал. 2. Дослід зі спостереження дифузії в рідинах

Мал. 3. Дослід зі спостереження дифузії у твердих тілах

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

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 із теорії відносності, фотоелектричного ефекту, молекулярно-кінетичної теорії. Лауреат Нобелівської премії з фізики

Із проявом сил міжмолекулярної взаємодії ви дещо ознайомились у сьомому класі, вивчаючи механічні явища. Саме міжмолекулярна взаємодія зумовлює виникнення сил пружності та сил тертя.

У твердих тілах міжмолекулярні сили проявляють себе як сили пружності при різноманітних деформаціях і зумовлюють міцність тіла.

Сили тертя між поверхнями, що контактують, залежать від матеріалу, з якого виготовлено поверхні, та від якості їх обробки. При збільшенні якості обробки поверхні тертя зменшується. Однак зменшувати шорсткість поверхонь можна лише до певної межі, оскільки якщо поверхні дуже гладенькі (наприклад, поліровані), то проявляються сили міжмолекулярного притягання, що перешкоджають ковзанню.

Саме сили притягання між молекулами використовують під час склеювання та зварювання. Головним у цих процесах є зближення молекул, що взаємодіють, на достатньо малу відстань, щоб сили міжмолекулярного притягання могли проявити себе. Так, притискаючи один до одного уламки розбитої порцелянової чашки, не можна її відновити, бо відстань між сусідніми молекулами в щілині настільки значна, що сили міжмолекулярної взаємодії між ними не виникають. Щоб досягти з’єднання, використовують клей (речовину в рідкому стані), після тверднення якого виріб набуває міцності й попередньої форми.

Вам, мабуть, доводилось бачити, як краплина води може розтікатися по поверхні, а може набувати форми кульки (мал. 5). Це зумовлено співвідношенням між силами притягання молекул рідини між собою та з молекулами твердого тіла, з яким контактує рідина.

Мол. 5. Явища змочування (а) і незмочування (б)

Якщо молекули рідини притягуються одна до одної слабше, ніж до молекул твердого тіла, — то рідина розтікається (змочує поверхню).

А якщо сили притягання між молекулами самої рідини більші, ніж сили притягання цих молекул до молекул твердого тіла, — то рідина набуває форми кулі (не змочує поверхню).

Властивості речовини залежать від інтенсивності руху її молекул і сил взаємодії між ними. Сили міжмолекулярної взаємодії (притягання й відштовхування) утримують молекули на певних відстанях одна від одної, а хаотичний рух молекул сприяє зміні цих відстаней. Спільна дія обох цих чинників і визначає агрегатний стан кожної речовини, про що детальніше дізнаєтесь у наступних параграфах.

Підбиваємо підсумки

- Явище дифузії та броунівський рух підтверджують положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини про те, що молекули хаотично й безперервно рухаються.

- Пружні властивості тіл, тертя, змочування — підтверджують, що між молекулами діють сили притягання й відштовхування.

Я знаю, вмію й розумію

1. Сформулюйте положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини.

2. Наведіть приклади явищ, що підтверджують хаотичність руху частинок речовини.

3. За яких умов притягання між молекулами помітне?

4. Які явища свідчать про те, що молекули не тільки притягуються одна до одної, а й відштовхуються?

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

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

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?

3. Поширення аромату ми відчуваємо не відразу, а через деякий час. Але ми знаємо, що середня швидкість руху молекул газу є досить високою (близько 500 м/с). Чому швидкість дифузії в багато разів менша від швидкості руху молекул?

4. Як відомо, між молекулами речовини на малих відстанях діють сили відштовхування. Чому ж речовина не розпадається на окремі молекули?

Експериментальні й дослідницькі завдання

1. Уявіть, що ви випадково розбили порцелянову чашку й намагаєтесь її склеїти. Поясніть процес склеювання з фізичної точки зору. Який клей ви будете для цього використовувати? Що потрібно зробити з частинами розбитої чашки перед склеюванням? Як довго прослужить така чашка?

2. На скільки зменшиться об’єм води в заповненій доверху посудині, якщо обережно опустити в неї брусок з парафіну масою 180 г, а потім витягнути його? Що зміниться, якщо замість бруска з парафіну використати брусок із корку такого самого розміру?

Вправа

1. Для надання міцності сталевим виробам їх поверхневий шар насичують азотом (азотують). На якому фізичному явищі ґрунтується цей процес? Чому азотування здійснюється за високих температур?

2. Для вивчення броунівського руху французький фізик Ж. Б. Перен використовував частинки діаметром близько 0,1-1 мкм. У скільки разів діаметр цих частинок більший за діаметр молекул води? Вважайте, що середній діаметр молекули води приблизно дорівнює 0,25 нм. Чи вдасться спостерігати броунівський рух частинки розміром 0,1 мм?

3. Лінійний розмір молекули білка складає 40 ∙ 10-8 см. Якою була б кількість таких молекул у ряду завдовжки 1 см, за умови, що розміри проміжків між молекулами дорівнюють розмірам самих молекул?

4. Маса молекули води 3 ∙ 10-26 кг Визначте кількість молекул у 60 см3 води.

ДОМАШНІ ДОСЛІДИ ТА СПОСТЕРЕЖЕННЯ

1. Розбризкайте (або налийте) трохи пахучої речовини в одному з кутків кімнати. Дочекайтесь появи запаху цієї речовини в іншому кутку кімнати (якщо працюєте вдвох, то можна стати на різних відстанях від пахучої речовини та порівняти час поширення запаху). Як можна прискорити процес дифузії в цьому досліді? Чи є дифузія основною причиною розповсюдження запаху в цьому випадку?

2. Налийте у дві склянки однакову кількість води (приблизно до половини). Акуратно опустіть на дно склянок з водою крупинки «марганцівки». Обережно, щоб не збовтати, поставте одну склянку в холодильник, а другу — в тепле місце (можна неподалік від батареї опалення). Здійснюйте спостереження протягом тижня, щодня записуйте їх результати. Зробіть висновок за результатами спостережень.





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