Тепловое движение. Температура

В жизни мы постоянно сталкиваемся с тепловыми явлениями. Например, перемена времен года, ежедневная смена погоды. Чтобы заварить утром чай, мы кипятим чайник — здесь тоже присутствует тепловое явление.

В промышленности и технике с тепловыми явлениями связаны создание новых материалов, сгорание топлива, плавление металлов и др. На данном уроке мы рассмотрим, как физика описывает такие явления, дадим определения новым понятиям, установим зависимости и закономерности одних величин от других.

Температура и тепловые явления

Мы постоянно используем такие слова как “теплый”, “горячий”, “прохладный”, “холодный”. Так мы говорим о температуре физических тел.

Температура — это физическая величина, определяющая степень нагретости газа, жидкости или твердого тела.

Используя это определение, мы можем заявлять, что температура холодной воды ниже температуры горячей. Или говорить о том, что температуры воздуха этой зимой ниже, чем предыдущей.

Единица измерения температуры — градус Цельсия ($\degree C$). Измеряют температуру с помощью термометра (рисунок 1).

Вы уже знаете, что процесс диффузии напрямую зависит от температуры. При более высокой температуре диффузия происходит быстрее. Значит, температура и скорость движения молекул связаны между собой:

• с увеличением температуры увеличивается скорость движения молекул
• при понижении температуры уменьшается скорость движения молекул

Значит,

Температура тела зависит от скорости движения молекул.

Теперь мы можем дать определение тепловым явлениям:

Тепловые явления — это явления, связанные с изменением температуры (нагреванием или охлаждением тел).

Интерактив

Изменяйте значение температуры, чтобы увидеть, как при этом изменяется скорость движения молекул.

{"questions":[{"content":"Опишите зависимость скорости движения молекул от температуры:[[matcher-1]]","widgets":{"matcher-1":{"type":"matcher","labels":["При увеличении температуры","При понижении температуры"],"items":["увеличивается скорость движения молекул","уменьшается скорость движения молекул"]}}}]}

Тепловое движение

Тела состоят из вещества, а вещество — из молекул и атомов, которые находятся в непрерывном и беспорядочном движении. Скорость их движения связана с температурой, поэтому такое движение называют тепловым.

Тепловое движение — это процесс беспорядочного движения частиц, образующих вещество.

Если мы возьмем отдельную молекулу какого-либо вещества, то ее движение будет являться механическим. Мы можем сказать про выбранную молекулу, что у нее есть определенная скорость движения, направление и пройденный путь.

{"questions":[{"content":"Составьте схему строения вещества:[[sorter-1]]","widgets":{"sorter-1":{"type":"sorter","items":["Тело","Вещество","Молекулы","Атомы"]}}}]}

Но в окружающих нас телах количество молекул очень велико. Например, в $1 \space см^3$ воды содержится около $3.34 \cdot 10^22$ молекул. И каждая из этих молекул движется по очень сложной траектории. Например, в газах молекулы перемещаются с большими скоростями, сталкиваются друг с другом и стенками сосуда.

Это делает наблюдение со стороны механики сложным, а зачастую просто невозможным. Поэтому мы используем понятие теплового движения молекул.

Вещество может находиться в разных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Рассмотрим тепловое движение молекул в каждом из них.

Тепловое движение молекул в твердых телах, жидкостях и газах

1. Твердое тело
   В этом состоянии молекулы и атомы колеблются около некоторых определенных позиций (рисунок 2, 3) — своих положениях в узлах кристаллической решетки (рисунок 3).

2. Жидкость
   Молекулы могут колебаться, вращаться и перемещаться относительно друг друга (рисунок 2, 2).

3. Газ
   Молекулы двигаются хаотично, имеют очень сложные траектории (рисунок 2, 1). Это является следствием больших скоростей и постоянных столкновений с другими молекулами или стенками сосуда.

Тепловое движение молекул и переход из одного агрегатного состояния в другое

Все эти движения молекул в разных состояниях вещества являются тепловым движением. Характер этого движения изменяется при изменении температуры. При этом вещество переходит из одного агрегатного состояния в другое.

{"questions":[{"content":"Соедини агрегатное состояние с характеристикой движения молекул:[[matcher-12]]","widgets":{"matcher-12":{"type":"matcher","labels":["Твердое","Жидкое","Газообразное"],"items":["молекулы и атомы колеблются около некоторых определенных позиций","молекулы могут колебаться, вращаться и перемещаться относительно друг друга","молекулы двигаются хаотично, имеют очень сложные траектории"]}}}]}

Например, если понижать температуру воды, то она превратится в лед (рисунок 4). То есть, перейдет из жидкого состояния в твердое. Если же мы будем повышать температуру, то вода станет водяным паром. Так она превратится из жидкости в газ.

Так как молекулы движутся, они обладают кинетической энергией. А скорость их движения связана с температурой. Поэтому температура тела тесно связана со средней кинетической энергией молекул. При повышении температуры увеличивается средняя кинетическая энергия, а при понижении — средняя кинетическая энергия уменьшается.