Что такое тепловые явления и примеры
Тепловые явления — это явления, связанные с изменением температуры тел и с передачей энергии от одного тела к другому. Они происходят, когда чайник нагревается на плите, лёд тает в стакане, а пар поднимает крышку кастрюли.
В школьной физике явления делят на группы. Так проще понять, чем тепловые отличаются от остальных:
- механические: движение машины, падение мяча, колебания маятника;
- звуковые: звон колокольчика, эхо, гром;
- тепловые: нагревание воды, остывание чая, таяние снега, кипение, испарение, замерзание лужи;
- световые: радуга, тень, отражение в зеркале;
- электрические: молния, работа лампочки, притяжение расчёски к волосам.
Часто одно событие включает сразу несколько явлений. Когда ты трёшь ладони, это механическое движение, а ладони при этом нагреваются, это уже тепловое явление.
По молекулам тепловые явления объясняют так: температура тела зависит от скорости беспорядочного движения его частиц. Это тепловое движение, подробнее о нём в теме строение вещества.
Внутренняя энергия и способы теплопередачи
Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической энергии движения его частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Чем выше температура, тем она больше.
Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами:
- совершить работу: потереть, ударить, сжать (стальная деталь на станке нагревается);
- передать тепло: поставить на огонь, опустить в горячую воду.
Передача тепла без работы называется теплопередачей, и она бывает трёх видов:
- теплопроводность: тепло переходит по самому телу, например ложка в горячем чае нагревается до самой ручки;
- конвекция: тепло переносят потоки жидкости или газа, так нагревается воздух в комнате от батареи;
- излучение: тепло передаётся лучами, так мы чувствуем тепло от Солнца или костра.
Материалы проводят тепло по-разному. Металлы проводят хорошо, дерево и воздух плохо, поэтому при одинаковой толщине стен деревянный дом теплее кирпичного.
Главные формулы: количество теплоты
Количество теплоты измеряют в джоулях (Дж) и килоджоулях (кДж). Для задач 8 класса нужны три формулы.
- Нагревание и охлаждение: Q = cmΔt, где c — удельная теплоёмкость вещества, m — масса в килограммах, Δt — изменение температуры (из большей вычитают меньшую). У воды c = 4200 Дж/(кг × °C).
- Сгорание топлива: Q = qm, где q — удельная теплота сгорания. У бензина она 44 МДж/кг, то есть при сгорании 1 кг выделяется 44 МДж. У каменного угля около 27 МДж/кг, поэтому 54 МДж выделится при сжигании 2 кг.
- Тепловой баланс: если тела обмениваются теплом только друг с другом, Q отданное = Q полученное.
Формула Q = cmΔt опирается на понятие массы, о котором есть тема масса и плотность. Воду, данную в литрах, переводят в массу: 1 л воды имеет массу 1 кг.
Связь тепла с работой и общие законы превращения энергии изучают дальше, в теме термодинамика.
Разбор задачи: нагревание кастрюли с водой
Задача. Сколько теплоты нужно, чтобы нагреть алюминиевую кастрюлю массой 300 г с 2 л воды от 20 °C до 70 °C? Удельная теплоёмкость алюминия 920 Дж/(кг × °C), воды 4200 Дж/(кг × °C).
Шаг 1. Переводим в СИ. Масса кастрюли 300 г = 0,3 кг. Масса воды 2 л = 2 кг.
Шаг 2. Находим изменение температуры. Δt = 70 − 20 = 50 °C. Оно одинаково у кастрюли и воды, потому что они нагреваются вместе.
Шаг 3. Считаем тепло для кастрюли. Q₁ = 920 × 0,3 × 50 = 13 800 Дж.
Шаг 4. Считаем тепло для воды. Q₂ = 4200 × 2 × 50 = 420 000 Дж.
Шаг 5. Складываем. Q = Q₁ + Q₂ = 13 800 + 420 000 = 433 800 Дж ≈ 434 кДж.
Если в задаче нагреваются два тела, считай тепло для каждого отдельно и складывай. Если тела смешивают, приравнивай отданное тепло полученному: горячая вода отдаёт Q, холодная получает столько же.
Где ошибаются чаще всего
- Не переводят единицы. Граммы нужно превратить в килограммы, иначе ответ получится в 1000 раз больше. Лучше записать перевод отдельной строкой до расчёта.
- Забывают про сосуд. Если в условии есть масса кастрюли, стакана или калориметра, их нагревание тоже считают. Но если сказано, что потерями можно пренебречь и сосуд не упомянут, считают только вещество.
- Неправильно находят Δt. Это разность температур, а не одна из них. Вода остыла с 95 до 25 °C, значит Δt = 70 °C.
- Путают Q = cmΔt и Q = qm. Первая формула для нагревания и остывания, вторая только для сгорания топлива. В ней разность температур не нужна.
- Путают температуру и количество теплоты. Температура показывает, насколько тело нагрето, а теплота — сколько энергии передано. Литр кипятка и ванна тёплой воды: температура выше у первого, а энергии больше у второй.
Какие задания присылают ученики
По теме чаще всего присылают расчёты количества теплоты при нагревании и остывании воды, льда, кирпичной печи, задачи на теплоту сгорания дров, угля и бензина, смешивание воды и уравнение теплового баланса. Есть задания на определение удельной теплоёмкости по опыту и по графику, вопросы про внутреннюю энергию и теплопроводность, а также таблицы для заполнения.
Найди в списке заданий выше похожее: у каждого есть полный ход решения, и можно сверить свои шаги. Если такого нет, сфотографируй своё задание и получи решение с подробным ходом. Сначала попробуй написать формулу и перевести единицы, а потом сравни с решением. Тема связана с работой и энергией, поэтому полезно повторить и её.