Физика что такое тепло

Глава 2. Что такое тепло?

Ой, ребята, в свое время ученые головы себе сломали, раздумывая над этим вопросом!

Таких вопросов в истории науки было множество. Например, что такое время? Ну, в самом деле? Что такое вещество, мы понимаем, его можно потрогать, об него можно набить шишку. Ясно, что такое пространство. Это место, где вещество помещается. А вот что такое время? Что это за неуловимая субстанция такая. В этой книге мы ответим и на этот вопрос. А сейчас вернемся к теплу.

Вот лежит холодное тело. Мертвый мужик. Нет, лучше кирпич. Да, холодный кирпич. А рядом другой такой же кирпич, но теплый. Или даже горячий. Чем они отличаются?

Температурой, говорите вы?

Состав вещества у кирпичей один. Свойства одинаковые – цвет, хрупкость, пористость, плотность, шершавость и т. д. Но один кирпич теплый, а другой холодный. Что такого есть в теплом кирпиче, что отличает его от холодного?

По простоте душевной ученые прежних времен предположили, будто теплота – это такая невидимая и невесомая жидкость, которая притекает в физическое тело. И чем ее больше притекло, тем горячее стало тело. Этой жидкости даже название дали – теплород, то есть рождающий тепло.

Вот какие фантазеры!

Но вы-то уже знаете, что такое тепло. Точнее, того, что вы уже знаете, вполне достаточно для ответа. Нужно только сделать одно маленькое усилие, чтобы догадаться.

Я вам помогу. Подтолкну, так сказать, на скользкую дорожку знаний.

Смотрите, мы нагреваем тело, то есть накачиваем в него тепло, и что же с ним происходит? Сначала тело расширяется. Почему? А все тела при нагревании расширяются, так как амплитуда, то есть размах колебаний, молекул этого тела увеличивается.

Потом тело постепенно нагревается до температуры плавления, тает, становится жидкостью, а затем, достигнув температуры кипения, и вовсе быстренько испаряется, превращаясь в газ. При этом мы уже знаем, что происходит с молекулами этого тела.

С повышением температуры они начинают двигаться все быстрее и быстрее и быстрее.

Если раньше в твердом теле они чуть шевелились, шлепая синими губами от холода, то потом ускорились настолько, что разломали всю кристаллическую структуру, в которой состояли. Как солдаты, отпущенные из строя, ломают строй, разбредаясь в разные стороны.

Вот почему тело при нагревании расширяется

Затем, по мере дальнейшего нагрева, молекулы становятся еще более активными и быстрыми. Им тесно в сумасшедшей толчее! Расстояние между молекулами растет. И в конце концов их скорости становятся такими большими, что пересиливают взаимное притяжение, самые шустрые улетают прочь, испаряясь. И в конце концов вся жидкость превращается в газ – ее молекулы разлетаются в разные стороны к чертовой матери.

Отсюда, кстати, понятно, почему летают воздушные шары, наполненные горячим воздухом. Потому что теплый воздух легче холодного! Что это значит? Это значит, что один объем теплого воздуха весит меньше, чем тот же объем воздуха холодного. Почему? А потому что в теплом воздухе скорости молекул и расстояния между молекулами больше, чем в холодном. При нагревании предметы расширяются, и газ – не исключение. Значит, в одном и том же объеме теплого воздуха помещается меньше молекул. Оттого и вес меньше.

Вот почему горячий воздух легче холодного – там вещества меньше! Или, иначе говоря, теплый воздух разряженнее.

А что происходит, когда мы даем телу тепло?

Что мы делаем? Мы разгоняем его молекулы, сообщая им все большую и большую скорость.

То есть что такое тепло? Тепло – это и есть скорость молекул, составляющих тело!

Еще раз: тепло – это средняя скорость движения частичек тела. Чем выше температура, тем выше скорость молекул.

В холодном кирпиче молекулы еле шевелятся. В горячем уже энергично пихаются и активно толкаются локтями. Вот именно эти толчки мы, приложив руку к кирпичу, ощущаем, как тепло. Поняли? Молекулы активно барабанят по нашей ладони, а мы думает, что это «тепло». Никакого отдельного от физического тела «тепла» нет. Оно всего лишь – наши ощущения от скорости движения его молекул.

Чем больше скорость колебания молекул, тем горячее нам кажется. А чем меньше – тем холоднее. Но тогда получается, что должна быть предельно низкая температура, ниже которой уже и быть не может – когда молекулы тела уже практически не дрожат, а замерли в оцепенении.

Именно так! Это для высокой температуры пределов практически нет – внутри Солнца, например, температура достигает 20 миллионов градусов – вот как быстро там носятся частицы. А для низкой температуры предел есть, он называется Абсолютным нулем температуры. Существует даже температурная шкала, названная по имени британского ученого шкалой Кельвина, которая начинает свой отсчет от абсолютного нуля. Абсолютный нуль Кельвина по привычной нам шкале Цельсия составляет минус 273 градуса. Ниже температур не бывает.

Ладно. А как передается тепло?

Ну, как мы нагреваем тело, то есть разгоняем его молекулы? Как мы сообщаем им дополнительную скорость? С помощью чего? С помощью другого нагретого тела, а как же иначе! То есть с помощью других энергичных молекул! Например, мы можем нагреть сковородку, поставив ее на горячую печку или раскаленную плиту. Мы можем нагреть холодный камень, положив его в горячую воду. Вода нагреет камень, а сама остынет. Их температуры сравняются. Это значит, что очень энергичные, то есть быстрые молекулы воды начинают барабанить по лежащему в воде камню. Точнее, по его еле шевелящимся холодным молекулам. И расталкивают их! При этом молекулы камня начинают двигаться быстрее (то есть камень нагревается), а молекулы воды «стынут», то есть начинают двигаться медленнее, поделившись с молекулами камня своим движением.

Другими словами, вода поделится с камнем своей энергией. И вскоре, как уже было сказано, температуры воды и камня выравняются. Это просто.

Но вы заметили, что я постепенно и незаметно ввел в оборот новое слово – «энергия»?

Это весьма смутная категория в физике. И вместе с тем очень простая для понимания.

Думаю, интуитивно, что такое энергия, ясно каждому ребенку и в особых объяснениях не нуждается.

Мальчик бежит быстро, он весь красный и взъерошенный. Это очень энергичный мальчик! А вялый мальчик, который лежит на диване бледный, обладает низкой энергией. Ему нужно побольше каши есть, то есть подзарядиться слегка.

Если батарейка села, мы говорим, что энергия в ней кончилась.

Если мы разогнали тело до большой скорости – например, пулю, – то она стала высокоэнергичной и может пробить толстую доску. А пуля низкой энергии, то есть брошенная рукой, доску не пробьет. И газету может не пробить, если скорость низкая. Видите, энергия может быть связана со скоростью. Такая энергия называется кинетической (от греческого слова kinetikos – движение).

Автомобиль накапливает энергию для движения путем заполнения бака горючим. А почему оно называется «горючим»? Да потому что горит (окисляется, то есть химически реагирует с кислородом) и при этом выделяется много энергии. В бензине уйма энергии – если бензин сжечь, она высвободится в виде тепла и света. Это внутренняя, химическая энергия, запасенная внутри самого вещества. Вещество нужно разрушить, чтобы она высвободилась.

А еще энергия может быть связана с положением тела в пространстве. Часы с кукушкой видели? Они работают от гири с цепочкой. У вас есть такие часы? Если нет, это совершенно недопустимо, нужно непременно приобрести! Велите маме. Потому что это очень хорошие часы. Гирю поднимаешь, и она начинает постепенно опускаться. А цепочка, на которой висит гиря, медленно крутит шестерни часов. И они идут себе. Настоящее механическое чудо. Кукушка кукует. Плохо ли?

Когда гиря коснулась пола и опускаться ей больше некуда, часы, естественно, останавливаются. Но горевать не надо. Нужно просто потянуть за цепочку и поднять гирю снова. Что мы таким образом сделали с точки зрения энергетики? Запасли в гире энергию, изменив ее высоту. Если тело на высоте, оно в принципе может падать к земле. Значит обладает энергией. Какой? Такая энергия называется потенциальной, то есть возможной. Отпустим тело с высоты, чтобы оно падало, и этот потенциал реализуется – тело начнет набирать скорость и его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую, то есть в скорость.

Выводы? Они прекрасны! И их два.

Первый. Энергия одних видов может переходить в другие, например, потенциальная в кинетическую, химическая в тепловую.

Второй. Энергию можно запасать. Поднял гирю – запас энергию.

Сжал пружину – запас энергию.

Зарядил аккумулятор – запас энергию.

Покушал – запас энергию в виде жира на боках.

Разогнал тело – придал ему энергию.

Значит, что такое энергия? Это некое свойство, способность тела совершить полезное действие, какую-то работу. Запустить ход часов, если это гиря. Вытолкнуть присоску на палочке из ствола детского пистолета, если это сжатая пружина. Зажечь лампочку, если это батарея или аккумулятор. Разогнать машину, если речь о бензине. Насытить хилого мальчика, придав ему скорость, если речь о пище.

Вот что такое энергия.

Ну, а если нужно что-то сделать, а энергии нету?

Идите ищите! Не будет энергии – не будет работы. Чудес не бывает. Сходите в магазин, купите аккумулятор. Постройте электростанцию. Разверните солнечную батарею. Поднимите гирю. Покушайте.

Но помните – за все за это придется заплатить. И за батарейку, и за еду из магазина. И за электричество в розетке. Даже на поднятие гири часов вы потратите свою личную энергию, которую получили из пищи. Совсем немножечко, но потратите.

Так уж устроен этот мир, что за все хорошее в нем приходится платить – за любое строительство, за любое созидание. Только за разрушение платить ничего не нужно: если опустить ручки и ничего не делать, все рано или поздно разрушится или испортится. Отчего это так, мы поймем позже. А пока нам нужно запомнить то, что все и так знают: энергия из ниоткуда не берется. Сколько позаимствовал, столько и потратишь, и ни капелькой больше.

А где позаимствовать? Где взять энергию? Откуда она вообще в природе берется?

Ну, за всю природу говорить пока рано, а вот откуда энергия на нашей планете, я скажу вам по секрету. В конечном счете от Солнца! Почти вся энергия, которой мы пользуемся – солнечная. Исключение – энергия земных недр, которую мы выковыриваем в виде полезных ископаемых. Например, топливо для атомных электростанций – ископаемый дар планеты. А вот энергия гидроэлектростанций имеет солнечную природу. Если б не было Солнца, все на планете вымерзло бы, не текли бы реки, а, значит, их течение не вращало бы турбины электростанций.

Энергия ветра, который крутит лопасти ветряков, – тоже солнечная в конечном итоге. Ведь Солнце нагревает атмосферу, отчего и случаются ветры, дожди, ураганы…

И пища, которую мы едим, – тоже дар звезды по имени Солнце. Потому как без света не могут расти растения, которые мы кушаем. Растениями питаются также животные, которых мы едим. Кушать было бы нечего без Солнца!

В Солнце энергии много, ее хватит еще на сотни миллионов лет, а там что-нибудь придумаем…

Про энергию мы еще поговорим. А сейчас я озвучу один хитрый вопрос, который должен был прийти вам в голову еще в прошлой главке.

Вот мы говорили о делимости вещества. Узнали, что все сложные вещества состоят из простых (элементарных). Простых веществ, которые еще называют химическими элементами, около сотни, и все они занесены в табличку Менделеева.

Самая маленькая частичка сложного (то есть сложенного из простых) вещества называется молекулой. И если молекулу разделить, получатся атомы уже совсем других веществ – те самые детальки мирового конструктора. У них уже совсем другие свойства: поваренная соль белая и полезная, а натрий и хлор, из которых сделана соль, очень даже агрессивные и ведут себя совершенно по-другому. Это понятно.

Но что будет, если попробовать разделить атом химического элемента, то есть детальку конструктора? Атом вообще делим?

Вот какой вопрос должен был прийти вам в голову. Приходил?

Источник

Вспоминаем физику: теплота

Дата публикации: 6 февраля 2020

Когда мы будем обсуждать способы отоплении дома, варианты снижения утечек тепла, мы должны понимать, что такое тепло, в каких единицах оно измеряется, как передается и как теряется. На этой странице будут приведены основные сведения из курса физики, необходимые для рассмотрения всех перечисленных вопросов.

Теплота — один из способов передачи энергии

Энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется коли́чеством теплоты́ или просто теплотой.

В строгом смысле теплота представляет собой один из способов передачи энергии, и физический смысл имеет лишь количество энергии, переданное системе, но слово «тепло-» входит в такие устоявшиеся научные понятия, как поток тепла, теплоёмкость, теплота фазового перехода, теплота химической реакции, теплопроводность и пр. Поэтому там, где такое словоупотребление не вводит в заблуждение, понятия «теплота» и «количество теплоты» синонимичны. Однако этими терминами можно пользоваться только при условии, что им дано точное определение, и ни в коем случае «количество теплоты» нельзя относить к числу первоначальных понятий, не требующих определения. Во избежание ошибок под понятием «теплота» следует понимать именно способ передачи энергии, а количество переданной этим способом энергии обозначают понятием «количество теплоты». Рекомендуется избегать такого термина, как «тепловая энергия».

Теплота — это кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).

Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемной единицы количества теплоты — калории: международная калория равна 4,1868 Дж.

Теплообмен и теплопередача

Теплопередача — это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда). Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

Теплопроводность

Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью. Теплопроводность стержня оценивается величиной теплового потока, который зависит от коэффициента теплопроводности, площади поперечного сечения, через которое передается теплота и градиента температуры (отношения разности температур на концах стержня к расстоянию между ними). Единицей теплового потока является ватт.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ
Вещества и материалы Теплопроводность, Вт/(м^2*К)
Металлы
Алюминий ___________________205
Бронза _____________________105
Вольфрам ___________________159
Железо ______________________67
Медь _______________________389
Никель ______________________58
Свинец ______________________35
Цинк _______________________113
Другие материалы
Асбест _______________________0,08
Бетон ________________________0,59
Воздух _______________________0,024
Гагачий пух (неплотный) ______0,008
Дерево (орех) ________________0,209
Опилки _______________________0,059
Резина (губчатая) ____________0,038
Стекло _______________________0,75

Конвекция

Конвекция — это теплообмен за счет перемещения масс воздуха или жидкости. При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент конвективного теплопереноса можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается.

Тепловое излучение

Третий вид теплопередачи — лучистый теплообмен — отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение — это один из видов электромагнитного излучения.

Мощным излучателем тепловой энергии является Солнце; оно нагревает Землю даже на расстоянии 150 млн. км. Интенсивность солнечного излучения составляет примерно 1,37 Вт/м2.

Интенсивность теплопередачи путем теплопроводности и конвекции пропорциональна температуре, а лучистый тепловой поток пропорционален четвертой степени температуры.

Теплоёмкость

Различные вещества обладают разной способностью накапливать тепло; это зависит от их молекулярной структуры и плотности. Количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус (1 °С или 1 К), называется его удельной теплоемкостью. Теплоемкость измеряется в Дж/(кг•К).

Обычно различают теплоемкость при постоянном объёме (C_V) и теплоемкость при постоянном давлении (С_P), если в процессе нагревания поддерживаются постоянными соответственно объём тела или давление. Например, чтобы нагреть на 1 К один грамм воздуха в воздушном шаре, требуется больше теплоты, чем для такого же его нагрева в герметичном сосуде с жесткими стенками, поскольку часть энергии, сообщаемой воздушному шару, расходуется на расширение воздуха, а не на его нагревание. При нагревании при постоянном давлении часть теплоты идёт на производство работы расширения тела, а часть — на увеличение его внутренней энергии, тогда как при нагревании при постоянном объёме вся теплота расходуется на увеличение внутренней энергии; в связи с этим С_Р всегда больше, чем C_V. У жидкостей и твёрдых тел разница между С_Р и C_V сравнительно мала.

Тепловые машины

Тепловые машины — это устройства, преобразующие теплоту в полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры, турбины, паровые, бензиновые и реактивные двигатели. Одной из наиболее известных тепловых машин является паровая турбина, использующаяся на современных тепловых электростанциях. Упрощенная схема такой электростанции на рисунке 1.

Рис. 1. Упрощенная схема паротурбинной электростанции, работающей на ископаемом топливе.

Рабочую жидкость — воду — превращают в перегретый пар в паровом котле, нагреваемом за счет сжигания ископаемого топлива (угля, нефти или природного газа). Пар высокого давления вращает вал паровой турбины, которая приводит в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию. Отработанный пар конденсируется при охлаждении проточной водой, которая поглощает часть теплоты. Далее вода подается в охлаждающую башню (градирню), откуда часть тепла уходит в атмосферу. Конденсат с помощью насоса возвращают в паровой котел, и весь цикл повторяется.

Другим примером тепловой машины может служить бытовой холодильник, схема которого представлена на рис. 2.

Рис.2. Схема работы холодильника.

В холодильниках и бытовых кондиционерах энергия для его обеспечения подводится извне. Компрессор повышает температуру и давление рабочего вещества холодильника — фреона, аммиака или углекислого газа. Перегретый газ подается в конденсатор, где охлаждается и конденсируется, отдавая тепло окружающей среде. Жидкость, выходящая из патрубков конденсатора, проходит через дросселирующий клапан в испаритель, и часть ее испаряется, что сопровождается резким понижением температуры. Испаритель отбирает у камеры холодильника тепло, которое нагревает рабочую жидкость в патрубках; эта жидкость подается компрессором в конденсатор, и цикл снова повторяется.

Источник

ТЕПЛОТА

ТЕПЛОТА, кинетическая часть внутренней энергии вещества, определяемая интенсивным хаотическим движением молекул и атомов, из которых это вещество состоит. Мерой интенсивности движения молекул является температура. Количество теплоты, которым обладает тело при данной температуре, зависит от его массы; например, при одной и той же температуре в большой чашке с водой заключается больше теплоты, чем в маленькой, а в ведре с холодной водой его может быть больше, чем в чашке с горячей водой (хотя температура воды в ведре и ниже).

Теплота играет важную роль в жизни человека, в том числе и в функционировании его организма. Часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в теплоту, благодаря чему температура тела поддерживается вблизи 37 ° С. Тепловой баланс тела человека зависит также от температуры окружающей среды, и люди вынуждены расходовать много энергии на обогрев жилых и производственных помещений зимой и на охлаждение их летом. Большую часть этой энергии поставляют тепловые машины, например котельные установки и паровые турбины электростанций, работающих на ископаемом топливе (угле, нефти) и вырабатывающих электроэнергию.

До конца 18 в. теплоту считали материальной субстанцией, полагая, что температура тела определяется количеством содержащейся в нем «калорической жидкости», или «теплорода». Позднее Б.Румфорд, Дж.Джоуль и другие физики того времени путем остроумных опытов и рассуждений опровергли «калорическую» теорию, доказав, что теплота невесома и ее можно получать в любых количествах просто за счет механического движения. Теплота сама по себе не является веществом – это всего лишь энергия движения его атомов или молекул. Именно такого понимания теплоты придерживается современная физика.

В этой статье мы рассмотрим, как связаны между собой теплота и температура и каким образом измеряют эти величины. Предметом нашего обсуждения будут также следующие вопросы: передача теплоты от одной части тела к другой; перенос теплоты в вакууме (пространстве, не содержащем вещества); роль теплоты в современном мире.

ТЕПЛОТА И ТЕМПЕРАТУРА

Количество тепловой энергии в веществе нельзя определить, наблюдая за движением каждой его молекулы по отдельности. Напротив, только изучая макроскопические свойства вещества, можно найти усредненные за некий период времени характеристики микроскопического движения многих молекул. Температура вещества – это средний показатель интенсивности движения молекул, энергия которого и есть тепловая энергия вещества.

Один из самых привычных, но и наименее точных способов оценки температуры – на ощупь. Трогая предмет, мы судим о том, горячий он или холодный, ориентируясь на свои ощущения. Конечно, эти ощущения зависят от температуры нашего тела, что подводит нас к понятию теплового равновесия – одному из важнейших при измерении температуры.

Тепловое равновесие.

Очевидно, что если два тела A и B (рис. 1) плотно прижать друг к другу, то, потрогав их спустя достаточно долгое время, мы заметим, что температура их одинакова. В этом случае говорят, что тела A и B находятся в тепловом равновесии друг с другом. Однако тела, вообще говоря, не обязательно должны соприкасаться, чтобы между ними существовало тепловое равновесие, – достаточно, чтобы их температуры были одинаковыми. В этом можно убедиться с помощью третьего тела C, приведя его сначала в тепловое равновесие с телом A, а затем сравнив температуры тел C и B. Тело C здесь играет роль термометра. В строгой формулировке этот принцип называется нулевым началом термодинамики: если тела A и B находятся в тепловом равновесии с третьим телом C, то эти тела находятся также в тепловом равновесии друг с другом. Этот закон лежит в основе всех способов измерения температуры.

Измерение температуры.

Обе шкалы – как Фаренгейта, так и Цельсия, – весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю – точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая – абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина ( ° R) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 491,7 ° R и 273,16 K. Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = ° C + 273,16, а градусы Фаренгейта – в градусы Ранкина по формуле ° R = ° F + 459,7.

В основе действия приборов, предназначенных для измерения температуры, лежат разные физические явления, связанные с изменением тепловой энергии вещества, – изменения электрического сопротивления, объема, давления, излучательных характеристик, термоэлектрических свойств. Один из наиболее простых и знакомых инструментов для измерения температуры – ртутный стеклянный термометр, изображенный на рис. 3,а. Шарик с ртутью в нижней части термометра располагают в среде или прижимают к предмету, температуру которого хотят измерить, и в зависимости от того, получает шарик тепло или отдает, ртуть расширяется или сжимается и ее столбик поднимается или опускается в капилляре. Если термометр заранее проградуирован и снабжен шкалой, то можно прямо узнать температуру тела.

Другой прибор, действие которого основано на тепловом расширении, – биметаллический термометр, изображенный на рис. 3,б. Основной его элемент – спиральная пластинка из двух спаянных металлов с разными коэффициентами теплового расширения. При нагревании один из металлов расширяется сильнее другого, спираль закручивается и поворачивает стрелку относительно шкалы. Такие устройства часто используют для измерения температуры воздуха в помещениях и на улице, однако они не подходят для определения локальной температуры.

Локальную температуру измеряют обычно с помощью термопары, представляющей собой две проволочки из разнородных металлов, спаянные с одного конца (рис. 4,а). При нагревании такого спая на свободных концах проволочек возникает ЭДС, обычно составляющая несколько милливольт. Термопары делают из разных металлических пар: железа и константана, меди и константана, хромеля и алюмеля. Их термо-ЭДС практически линейно меняется с температурой в широком температурном диапазоне.

Известен и другой термоэлектрический эффект – зависимость сопротивления проводящего материала от температуры. Он лежит в основе работы электрических термометров сопротивления, один из которых изображен на рис. 4,б. Сопротивление небольшого термочувствительного элемента (термопреобразователя) – обычно катушки из тонкой проволоки – сравнивают с сопротивлением проградуированного переменного резистора, используя мост Уитстона. Выходной прибор может быть проградуирован непосредственно в градусах.

Для измерения температуры раскаленных тел, испускающих видимый свет, используют оптические пирометры. В одном из вариантов этого устройства свет, излучаемый телом, сравнивают с излучением нити лампы накаливания, помещенной в фокальную плоскость бинокля, через который смотрят на излучающее тело. Электрический ток, нагревающий нить лампы, изменяют до тех пор, пока при визуальном сравнении свечения нити и тела не обнаружится, что между ними установилось тепловое равновесие. Шкала прибора может быть проградуирована непосредственно в единицах температуры.

Технические достижения последних лет позволили создать новые датчики температуры. Например, в тех случаях, когда нужна особенно высокая чувствительность, вместо термопары или обычного термометра сопротивления используют полупроводниковое устройство – термистор. В качестве термопреобразователей применяют также изменяющие свое фазовое состояние красители и жидкие кристаллы, особенно в тех случаях, когда температура поверхности тела изменяется в широком диапазоне. Наконец, используется инфракрасная термография, в которой получают ИК-изображение объекта в условных цветах, где каждый цвет отвечает определенной температуре. Этот способ измерения температуры находит самое широкое применение – от медицинской диагностики до проверки теплоизоляции помещений. См. также ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА; ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ.

Измерение количества теплоты.

Тепловую энергию (количество теплоты) тела можно измерить непосредственно с помощью так называемого калориметра; простой вариант такого прибора изображен на рис. 5. Это тщательно теплоизолированный закрытый сосуд, снабженный устройствами для измерения температуры внутри него и иногда заполняемый рабочей жидкостью с известными свойствами, например водой. Чтобы измерить количество теплоты в небольшом нагретом теле, его помещают в калориметр и ждут, когда система придет в тепловое равновесие. Количество теплоты, переданное калориметру (точнее, наполняющей его воде), определяют по повышению температуры воды.

Количество теплоты, выделяющейся в ходе химической реакции, например горения, можно измерить, поместив в калориметр небольшую «бомбу». В «бомбе» находятся образец, к которому подведены электрические провода для поджига, и соответствующее количество кислорода. После того как образец полностью сгорает и устанавливается тепловое равновесие, определяют, насколько повысилась температура воды в калориметре, а отсюда – количество выделившейся теплоты. См. также КАЛОРИМЕТРИЯ.

Единицы измерения теплоты.

Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемных единиц количества теплоты – калорий: международная калория равна 4,1868 Дж, термохимическая калория – 4,1840 Дж. В зарубежных лабораториях результаты исследований часто выражают с помощью т.н. 15-градусной калории, равной 4,1855 Дж. Выходит из употребления внесистемная британская тепловая единица (БТЕ): БТЕ_средн = 1,055 Дж.

Источники теплоты.

Основными источниками теплоты являются химические и ядерные реакции, а также различные процессы преобразования энергии. Примерами химических реакций с выделением теплоты являются горение и расщепление компонентов пищи. Почти вся теплота, получаемая Землей, обеспечивается ядерными реакциями, протекающими в недрах Солнца. Человечество научилось получать теплоту с помощью управляемых процессов деления ядер, а теперь пытается использовать с той же целью реакции термоядерного синтеза. В теплоту можно превращать и другие виды энергии, например механическую работу и электрическую энергию. Важно помнить, что тепловую энергию (как и любую другую) можно лишь преобразовать в другую форму, но нельзя ни получить «из ничего», ни уничтожить. Это один из основных принципов науки, называемой термодинамикой.

ТЕРМОДИНАМИКА

Термодинамика – это наука о связи между теплотой, работой и веществом. Современные представления об этих взаимосвязях сформировались на основе трудов таких великих ученых прошлого, как Карно, Клаузиус, Гиббс, Джоуль, Кельвин и др. Термодинамика объясняет смысл теплоемкости и теплопроводности вещества, теплового расширения тел, теплоты фазовых переходов. Эта наука базируется на нескольких экспериментально установленных законах – началах.

Начала термодинамики.

Сформулированное выше нулевое начало термодинамики вводит понятия теплового равновесия, температуры и термометрии. Первое начало термодинамики представляет собой утверждение, имеющее ключевое значение для всей науки в целом: энергию нельзя ни уничтожить, ни получить «из ничего», так что полная энергия Вселенной есть величина постоянная. В простейшей форме первое начало термодинамики можно сформулировать так: энергия, которую получает система, минус энергия, которую она отдает, равна энергии, остающейся в системе. На первый взгляд это утверждение кажется очевидным, но не в такой, например, ситуации, как сгорание бензина в цилиндрах автомобильного двигателя: здесь получаемая энергия является химической, отдаваемая –механической (работой), а энергия, остающаяся в системе, – тепловой.

Итак, ясно, что энергия может переходить из одной формы в другую и что такие преобразования постоянно происходят в природе и технике. Более ста лет назад Дж.Джоуль доказал это для случая превращения механической энергии в тепловую с помощью устройства, показанного на рис. 6,а. В этом устройстве опускающиеся и поднимающиеся грузы вращали вал с лопастями в заполненном водой калориметре, в результате чего вода нагревалась. Точные измерения позволили Джоулю определить, что одна калория теплоты эквивалентна 4,186 Дж механической работы. Устройство, изображенное на рис. 6,б, использовалось для определения теплового эквивалента электрической энергии.

Первое начало термодинамики объясняет многие обыденные явления. Например, становится ясно, почему нельзя охладить кухню с помощью открытого холодильника. Предположим, что мы теплоизолировали кухню от окружающей среды. По проводу питания холодильника в систему непрерывно подводится энергия, но при этом никакой энергии система не отдает. Таким образом, ее полная энергия возрастает, и в кухне становится все теплее: достаточно потрогать трубки теплообменника (конденсатора) на задней стенке холодильника, и вы поймете бесполезность его как «охлаждающего» устройства. Но если бы эти трубки были выведены за пределы системы (например, за окно), то кухня отдавала бы больше энергии, чем получала, т.е. охлаждалась бы, а холодильник работал как оконный кондиционер.

Первое начало термодинамики – закон природы, исключающий создавание заново или уничтожение энергии. Однако оно ничего не говорит о том, как протекают в природе процессы передачи энергии. Так, мы знаем, что горячее тело нагреет холодное, если эти тела привести в соприкосновение. Но сможет ли холодное тело само по себе передать запас своей теплоты горячему? Последняя возможность категорически отвергается вторым началом термодинамики.

Первое начало исключает также возможность создания двигателя с коэффициентом полезного действия (КПД) более 100% (подобный «вечный» двигатель мог бы сколь угодно долго отдавать больше энергии, чем сам потребляет). Нельзя построить двигатель даже с КПД, равным 100%, так как некоторая часть подводимой к нему энергии обязательно должна быть потеряна им в виде менее полезной тепловой энергии. Так, колесо не будет крутиться сколь угодно долго без подвода энергии, поскольку вследствие трения в подшипниках энергия механического движения будет постепенно переходить в теплоту, пока колесо не остановится.

Тенденцию к превращению «полезной» работы в менее полезную энергию – теплоту – можно сопоставить с другим процессом, который происходит, если соединить два сосуда, содержащие разные газы. Подождав достаточно долго, мы обнаруживаем в обоих сосудах однородную смесь газов – природа действует так, что упорядоченность системы уменьшается. Термодинамическая мера этой неупорядоченности называется энтропией, и второе начало термодинамики можно сформулировать иначе: процессы в природе всегда протекают так, что энтропия системы и ее окружения увеличивается. Таким образом, энергия Вселенной остается постоянной, а ее энтропия непрерывно растет.

Теплота и свойства веществ.

Различные вещества обладают разной способностью накапливать тепловую энергию; это зависит от их молекулярной структуры и плотности. Количество теплоты, необходимое для повышения температуры единицы массы вещества на один градус, называется его удельной теплоемкостью. Теплоемкость зависит от условий, в которых находится вещество. Например, чтобы нагреть на 1 К один грамм воздуха в воздушном шаре, требуется больше теплоты, чем для такого же его нагрева в герметичном сосуде с жесткими стенками, поскольку часть энергии, сообщаемой воздушному шару, расходуется на расширение воздуха, а не на его нагревание. Поэтому, в частности, теплоемкость газов измеряют раздельно при постоянном давлении и при постоянном объеме.

При повышении температуры интенсивность хаотического движения молекул возрастает – большинство веществ при нагревании расширяется. Степень расширения вещества при повышении температуры на 1 К называется коэффициентом теплового расширения.

Чтобы вещество перешло из одного фазового состояния в другое, например из твердого в жидкое (а иногда сразу в газообразное), оно должно получить определенное количество тепла. Если нагревать твердое тело, то его температура будет повышаться до тех пор, пока оно не начнет плавиться; до завершения плавления температура тела будет оставаться постоянной, несмотря на подвод тепла. Количество теплоты, необходимое для плавления единицы массы вещества, называется теплотой плавления. Если подводить тепло и дальше, то расплавленное вещество нагреется до кипения. Количество теплоты, необходимое для испарения единицы массы жидкости при данной температуре, называется теплотой парообразования.

Молекулярно-кинетическая теория.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет макроскопические свойства вещества, рассматривая на микроскопическом уровне поведение атомов и молекул, составляющих это вещество. При этом используется статистический подход и делаются некоторые предположения относительно самих частиц и характера их движения. Так, молекулы считаются твердыми шариками, которые в газовых средах находятся в непрерывном хаотическом движении и пробегают значительные расстояния от одного столкновения до другого. Столкновения считаются упругими и происходят между частицами, размер которых мал, а число очень велико. Ни один из реальных газов не соответствует в точности этой модели, однако большинство газов достаточно близки к ней, чем и обусловлена практическая ценность молекулярно-кинетической теории.

Исходя из этих представлений и используя статистический подход, Максвелл вывел распределение скоростей молекул газа в ограниченном объеме, названное впоследствии его именем. Это распределение представлено графически на рис. 7 для некой заданной массы водорода при температурах 100 и 1000 ° C. По оси ординат откладывается число молекул, движущихся со скоростью, указанной на оси абсцисс. Полное число частиц равно площади под каждой кривой и в обоих случаях одинаково. Из графика видно, что большинство частиц имеет скорости, близкие к некоторому среднему значению, и лишь малое их число обладает весьма высокими или низкими скоростями. Средние скорости при указанных температурах лежат в интервале 2000–3000 м/с, т.е. очень велики.

Большое число столь быстро движущихся молекул газа действует со вполне измеримой силой на окружающие тела. Микроскопические силы, с которыми многочисленные молекулы газа ударяют о стенки сосуда, складываются в макроскопическую величину, называемую давлением. При подводе энергии к газу (повышении температуры) средняя кинетическая энергия его молекул возрастает, частицы газа чаще и сильнее ударяют о стенки, давление повышается, и если стенки не вполне жесткие, то они растягиваются и объем газа увеличивается. Так микроскопический статистический подход, лежащий в основе молекулярно-кинетической теории, позволяет объяснить явление теплового расширения, о котором мы говорили.

Еще один результат молекулярно-кинетической теории – закон, описывающий свойства газа, который удовлетворяет перечисленным выше требованиям. Это так называемое уравнение состояния идеального газа связывает давление, объем и температуру одного моля газа и имеет вид равенства

где P – давление, V – объем, T – температура, а R – универсальная газовая постоянная, равная (8,31441 ± 0,00026) Дж/(моль Ч К). См. также МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ; ТЕРМОДИНАМИКА.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Теплопередача – это процесс переноса теплоты внутри тела или от одного тела к другому, обусловленный разностью температур. Интенсивность переноса теплоты зависит от свойств вещества, разности температур и подчиняется экспериментально установленным законам природы. Чтобы создавать эффективно работающие системы нагрева или охлаждения, разнообразные двигатели, энергоустановки, системы теплоизоляции, нужно знать принципы теплопередачи. В одних случаях теплообмен нежелателен (теплоизоляция плавильных печей, космических кораблей и т.п.), а в других он должен быть как можно больше (паровые котлы, теплообменники, кухонная посуда).

Существуют три основных вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и лучистый теплообмен.

Теплопроводность.

Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное).

Интенсивность теплопередачи за счет теплопроводности зависит от градиента температуры, т.е. отношения D Т/ D x разности температур на концах стержня к расстоянию между ними. Она зависит также от площади поперечного сечения стержня (в м 2 ) и коэффициента теплопроводности материала [в соответствующих единицах Вт/(м Ч К)]. Соотношение между этими величинами было выведено французским математиком Ж.Фурье и имеет следующий вид:

где q – тепловой поток, k – коэффициент теплопроводности, а A – площадь поперечного сечения. Это соотношение называется законом теплопроводности Фурье; знак «минус» в нем указывает на то, что теплота передается в направлении, обратном градиенту температуры.

Из закона Фурье следует, что тепловой поток можно понизить, уменьшив одну из величин – коэффициент теплопроводности, площадь или градиент температуры. Для здания в зимних условиях последние величины практически постоянны, а поэтому для поддержания в помещении нужной температуры остается уменьшать теплопроводность стен, т.е. улучшать их теплоизоляцию.

В таблице представлены коэффициенты теплопроводности некоторых веществ и материалов. Из таблицы видно, что одни металлы проводят тепло гораздо лучше других, но все они являются значительно лучшими проводниками тепла, чем воздух и пористые материалы.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НЕКОТОРЫХ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ

Источник