Главная >> Физика 10 класс. Мякишев

Молекулярная физика. тепловые явления

Почему тепловые явления изучаются в молекулярной физик

Дадим ряд определений и понятий, которые в дальнейшем будем использовать и уточнять. Сформулируем основные задачи молекулярной физики.

Макроскопические тела. Мы живём в мире макроскопических тел. Наше тело — это тоже макроскопическое тело.

Запомни В физике макроскопическими телами называются тела, состоящие из огромного числа молекул.

В механике Ньютона имеют дело с механическим движением макроскопических тел — перемещением одних тел относительно других в пространстве с течением времени.

Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень, земной шар — всё это примеры макроскопических тел.

Механика и механическое движение

Механика изучает движение тел, но она не в состоянии объяснить, почему существуют твёрдые, жидкие и газообразные тела и почему эти тела могут переходить из одного состояния в другое. Исследование внутренних свойств тел не входит в задачу механики.

В механике говорят о силах как причинах изменения скоростей тел, но природа этих сил, их происхождение не выясняются. Остаётся непонятным, почему при сжатии тел появляются силы упругости, почему возникает трение. На многие, очень многие вопросы механика Ньютона ответов не даёт. Это хорошо понимал и сам Ньютон.

«Я не знаю, чем я кажусь миру; мне самому кажется, что я был только мапьчиком, играющим на берегу моря и развлекающимся тем, что от времени до времени находил более гладкие камушки или более красивую раковину, чем обыкновенно, в то время как Великий океан истины лежал передо мной совершенно неразгаданным». И. Ньютон.

Тепловые явления

Запомни Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением их температуры, называются тепловыми.

Механическое движение не вызывает в теле каких-либо существенных изменений, если не происходит катастрофических столкновений. Но нагревание или охлаждение тела способно изменить его до неузнаваемости. Сильно нагрев прозрачную, но всё же видимую воду, мы превратим её в невидимый пар. Сильное охлаждение превратит воду в кусок льда. Если вдуматься, то эти явления загадочны и удивительны, они не вызывают нашего изумления лишь потому, что мы привыкли к ним с детства.

Важно Надо найти законы, которые могли бы объяснить изменения в телах, когда сами тела неподвижны и когда с точки зрения механики с ними не происходит ничего. Эти законы описывают особый вид движения материи — тепловое движение, присущее всем макроскопическим телам независимо от того, перемещаются они в пространстве или нет.

Тепловое движение молекул. Все тела состоят из атомов и молекул. Тепловые явления происходят внутри тел и всецело определяются движением этих частиц. Движение атомов и молекул мало напоминает движение собаки или автомобиля. Атомы и молекулы вещества совершают беспорядочное движение, в котором трудно усмотреть следы какого-либо порядка и регулярности.

Запомни Беспорядочное движение молекул называют тепловым движением.

Движение молекул беспорядочно из-за того, что число их в телах, которые нас окружают, необозримо велико. Каждая молекула беспрестанно меняет свою скорость при столкновениях с другими молекулами. В результате траектория её движения оказывается чрезвычайно запутанной, само движение — хаотичным, несравненно более хаотичным, чем движение муравьёв в разорённом муравейнике.

Беспорядочное движение огромного числа молекул качественно отличается от упорядоченного механического перемещения тел. Оно представляет собой особый вид движения материи со своими особыми свойствами. Об этих свойствах и пойдёт речь в дальнейшем.

Значение тепловых явлений. Привычный облик нашей планеты существует и может существовать только в довольно узком интервале температур. Если бы температура превысила 100 °С, то на Земле при обычном атмосферном давлении не было бы рек, морей и океанов, не было бы воды вообще. Вся вода превратилась бы в пар. А при понижении температуры на несколько десятков градусов океаны превратились бы в громадные ледники.

Даже изменение температуры лишь на 20—30 °С при смене времён года меняет на средних широтах облик этого участка Земли.

С наступлением весны начинается пробуждение природы. Леса одеваются листвой, начинают зеленеть луга. Зимой же жизнь растений замирает. Толстый слой снега покрывает поверхность Земли.

Температура животных и человека поддерживается внутренними механизмами терморегуляции на строго определённом уровне. При этом интервал возможных значений температуры в данном случае очень мал. Достаточно температуре повыситься на несколько десятых градуса, как мы уже чувствуем себя нездоровыми. Изменение же температуры на несколько градусов ведёт к гибели организмов. Поэтому неудивительно, что тепловые явления привлекали внимание людей с древнейших времён. Умение добывать и поддерживать огонь сделало человека относительно независимым от колебаний температуры окружающей среды. Это было одним из величайших изобретений человечества.

Изменение температуры оказывает влияние на все свойства тел. Так, при нагревании или охлаждении изменяются размеры твёрдых тел и объёмы жидкостей. Значительно меняются механические свойства тел, например упругость. Кусок резиновой трубки уцелеет, если ударить по нему молотком. Но при охлаждении до температуры ниже -100 °С резина становится хрупкой, как стекло, и от лёгкого удара резиновая трубка разбивается на мелкие кусочки. Лишь после нагревания резина вновь обретает свои упругие свойства.

Кроме механических свойств, при изменении температуры меняются и другие свойства тел, например сопротивление проводника, магнитные свойства, цвет тела и др. Так, если сильно нагреть постоянный магнит, то он перестанет притягивать железные предметы, остывающие угли изменяют цвет от голубого до жёлтого, постепенно становясь красными.

Все перечисленные выше и многие другие тепловые явления подчиняются определённым законам. Открытие законов, определяющих тепловые явления, позволяет эффективно применять эти явления на практике и использовать в технике. Современные тепловые двигатели, установки для сжижения газов, холодильные аппараты и многие другие устройства конструируют на основе этих законов.

Молекулярно-кинетическая теория. Ещё философы древности догадывались о том, что теплота — это вид внутреннего движения. Но только в XVIII в. начала развиваться последовательная молекулярно-кинетическая теория.

Важно Молекулярно-кинетическая теория даёт объяснение свойств макроскопических тел и тепловых процессов, происходящих в них, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных беспорядочно движущихся частиц.

Большой вклад в развитие молекулярно-кинетической теории был сделан М. В. Ломоносовым. Он рассматривал теплоту как вращательное движение частиц тела.

Важность этой теории для объяснения многих явлений природы трудно переоценить.