4/2015 Дария Бида «Что такое теплота? Часть 1.
advertisement
ЛОТЫ Би да r o r r r o r ри я Да r ЧТ О r r ТЕ ПЛ О ТА ? ТЕП ДА 3 ОД o o 2 Т ЕО Л, ИЛ ЧИТА ТО Л А Г ЙС –Э Е ИЛ ОТА ОЕ Л А Г ТЕПЛ РАЗН О Б ЧТО ВОЕО ЕСТВ С ЕЩ В ТЫ ПРИР Нам кажется, что нет ничего проще, чем масса и время, ибо эти категории мы часто используем в быту. Мы их так „заговорили”, что рядовому гражданину даже не приходит мысль интересоваться физическим содержанием этих понятий. Но если бы до этого дошло, то он бы очень удивился. Соотношение Эйнштейна, которое часто называют „самой красивой формулой физики”, устанавливает связь между массой тела и количеством энергии, которая содержится в нём. Знаменитая формула E = mc² даёт возможность глубже понять окружающий мир, а последствия этого простенького соотношения грандиозны по своей значимости и даже трагичны. Не так уж проста масса, раз попала в формулу, которую считают символом науки XX столетия. Природу теплоты объясняли неоспоримым и весьма очевидным фактом: при нагревании температура тела возрастает, значит, оно что-то получает. Охлаждаясь, тело что-то отдаёт. Это „что-то” и есть теплотой. Существовало две гипотезы относительно природы теплоты. Первая из них принадлежит выдающемуся итальянскому физику и астроному, одному из основоположников точного природоведения, Галилео Галилею. Он считал, что теплота – это своего рода вещество. Не только Галилей, но и многие другие учёные в прошлом думали так же. Они считали теплоту жидкостью, которая перетекает от одного тела к другому, и называли её теплород. Количество теплорода является неизменной величиной: он не исчезает никуда и не появляется из ниоткуда, а только перераспределяется между телами. Чем меньше теплорода в теле, тем ПРИРОДА ЛО ОЧЕВИДНО – НИЧЕГО НЕ ВИДНО? ПРИРОДА ТЕПЛОТЫ А ЕП Часть 1 ВН ИВ r r Я – УСЛО Е ОБЪЕК Т А Н r Е КО ТА 1 o r 5r 4 ЕМ Я, r 2 ВР РО 10 ТЫ ПР И r r r o o 11 ПЛО r o o 3 r ТЕ 8 r А 7 Спроси любого, понимает ли он, что такое время. Получишь много утвердительных ответов! Ты тоже так думаешь? Попробуй дать определение и почувствуешь трудности. Время принадлежит к фундаментальным категориям, определить которые всегда трудно, а иногда и невозможно. Каждый человек знает день своего рождения и то, что ему отведён определённый промежуток времени, который измеряется годами, месяцами, днями, часами, минутами и секундами. В природе происходят разные процессы, но процесса, который отображает содержание нашего термина „время” не существует! Время люди придумали для удобства организации собственной жизни. Поэтому время – условная, а не объективная величина. Не такой простой, как кажется на первый взгляд, является и теплота. Сотни лет люди знают огонь, научились его добывать сами. Каждый из нас грелся у костра или возле печи и мёрз зимой на улице. Но объяснить, что такое теплота, не просто. Наука нашла ответ на этот вопрос совсем недавно. ВЕЛИЧИНА r 9 АЯ 6 12 Н o r ТЕПЛОВЫЕ ЭТЮДЫ ДА А РО ОД ТЕ ПЛОТЫ ПР И ПРИ РО Д И ОМ ПР СК УХА УРЕ И М Е Д Т О ИЧ УБ ВОЗ ЕРА РН В К ЕТРЕ ЕМП ОСФЕ СЯ 27 В Т М Т О М ТИ НОЙ М АТ РЖИ АРД САН НАТ ЬНО СОДЕ ИЛЛИ М КО РМАЛ НИИ ОВ М УЛ К НО АВЛЕ ИАРД ОЛЕ М Д ЛЛ МИ ЕП ТЕПЛО ТЫ ЛОТЫ А Итак, суть теплоты не что другое, как движение: чем быстрее движутся молекулы или атомы, из которых состоит тело, тем выше температура тела. Взгляни на любое тело. Представляешь, какая „жизнь” бурлит у него внутри? Как в это поверить? Скептики могут возразить: рассуждения красивые, но почему они более доказательные, нежели теория теплорода? Кто видел эти частицы и их движение? Попробуй возразить скептикам. Приходилось ли тебе когда-нибудь наблюдать за роем мошкары? В безветренную погоду рой будто висит в воздухе. А в средине роя продолжается интенсивная возня. Сотни насекомых мечутся вправо и влево, а весь рой остаётся на месте и не меняет своей формы. Тепловое движение частиц можно увидеть даже в самый скромный микроскоп. Впервые это явление наблюдал более 100 лет назад английский ботаник Броун. Рассматривая под микроскопом споры растений, он заметил, что они непрерывно движутся в соке расте- Самым лучшим изолятором тепла является вакуум – пустота. В пустоте нет переносчиков тепла, и теплопроводность наименьшая. На применении вакуума и базируется строение термосов. Термосы популярны не только в походах и дома, но и в науке и технике. Учёные их называют по имени изобретателя сосудами Дьюара (а иногда просто дьюарами). РОЙ М ОШ РЫ ИРОДА ПР Т 4 ПОЧЕМУ МЫ НЕ ВИДИМ ДВИЖЕНИЯ ЧАСТИЦ ТЕЛА? Как ты думаешь, должны ли все предметы при одинаковой температуре создавать у нас одинаковые ощущения тепла или холода? Ощущение, которое вызывает у нас предмет, зависит не только от его температуры, но и от теплопроводности. Металлические предметы быстрее отводят тепло от нашего тела, поэтому зимой они кажутся холоднее, нежели деревянные или кирпичные. КА Сверление пушек во времена Бенджамина Томпсона происходило с использованием работы лошадей Бенджамина Томпсона. Наблюдая за сверлением пушечных стволов, он заметил, что значительные массы металла сильно нагреваются, особенно если свёрла тупые. Что же было источником теплоты? Откуда взялся теплород? Ведь в начале эксперимента металл, сверло и вода были холодными, а поэтому тепло ниоткуда не „перетекало”. Ни металл, ни окружающий воздух не могли быть источником теплорода. Томпсон пришёл к выводу, что теплота возникла вследствие сверления. То есть теплота – это энергия. колосок зернятко ТЫ ПРИР ТЕПЛО ЛО ТЫ П РОДА ПРИ ТЕ А К Т У О Т Г ПЛ Е БЕР „ТЕ О … РО АЛ: РЫВН ТЕЛА Ы Д Е Ц ИЦ ЕРЖ ЕПР СТИ АСТ Ь УТВ СТЬ Н Е ЧА ЛА, Ч ИЛИС Е ЕНИ ТЕ ОД О АХ Е” ИЖ ОГ ДВ Т ТАК ОГО Н ПОКО НЕ ОТОР БЫ В К оно холоднее. Будто соль в супе: чем больше соли, тем солёнее суп, хотя соль не видна. Если в теле теплорода нет, то его температура самая низкая – абсолютный ноль температуры. Суп без соли J. Ты поверишь в такую теорию, если вспомнишь опыты по тепловому расширению тел. Кажется, всё просто: если теплород вливается в тело, то его объём, естественно, увеличивается. Но вспомни, что существует несколько веществ, которые при нагревании сжимаются. Что тогда происходит с теплородом? К тому же, если теплота – это вещество, то горячее тело должно иметь большую массу, чем холодное, а опыт этого не подтверждал. Нет, теплород не выдерживает критики! Не удивительно, что наряду с теорией теплорода уже давно существовал другой взгляд на природу теплоты. Его блестяще отстаивали многие учёные на протяжение XVI–XVIII столетий. Вот что писали известные учёные о природе тепла Фрэнсис Бэкон в своей книге „Новый органон” писал: „Сама теплота по своей сути является ничем иным, как движением… Суть теплоты в переменном движении мельчайших частиц тела”. Роберт Гук в книге „Микрография” утверждал: „Теплота есть непрерывное движение частиц тела… Нет такого тела, частицы которого были бы в покое”. Вот такие особенно чёткие высказывания мы находим у Ломоносова в его работе „Рассуждения о причинах тепла и холода”. В этом произведении он отрицает существование теплорода и говорит, что „теплота заключается во внутреннем движении частиц материи”. Очень образно говорил Бенджамин Томпсон в конце XVIII столетия: „Чем горячее тело, тем интенсивнее движутся частицы, из которых оно состоит. Так же, как колокол: чем сильнее колеблется, те громче звучит”. Думаю, что ты критически воспринимаешь эти высказывания. Потому что даже умные люди часто ошибаются, не так ли? Важнее слов наблюдения и опыты. Теория теплорода впервые ощутимо пошатнулась после наблюдений американского учёного 5 КА » ОС А И Д РО ТЫ ПРИРО ЛАБОРАТОРИЯ ОЛ Ы ЛО ДА ТЕПЛОТ П ВОДОСКОП ИНСТРУКЦИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОДОСКОПА (СПОСОБ 1) ТЕБЕ ПОНАДОБИТСЯ: шпилька, карандаш, кусочек картона, пластинка прозрачного пластика, пластилин, скотч. ЧТО НУЖНО ДЕЛАТЬ: 1. Положи картон на пластилин, шпилькой сделай в нём отверстие и расширь его кончиком карандаша. 2. Убери пластилин. Положи прозрачную пластинку над отверстием и закрепи её скотчем. 3. Смочи карандаш в стакане с водой и нанеси маленькую капельку воды на отверстие. 4. Рассмотри сквозь капельку текст в журнале. Буквы будут выглядеть значительно большими. СХЕМА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОДОСКОПА (СПОСОБ 2) Капля 2 колосок зернятко ТЕ ПЛОТЫ П Р 6 ний. Движение не прекращалось ни днём, ни ночью. Представляешь, как удивился учёный? Казалось, что частицы живые. Но так же двигались мелкие частицы глины, заиленные в воде! Чем меньше частицы, тем быстрее они двигались. Теперь мы называем это движение броуновским. Броуновское движение частиц – тепловое движение, точно так же, как движение молекул. И даже школьники 7-го класса не путают его с движением молекул, а понимают, что это движение под воздействием молекул. Тепловое движение характерно для больших и малых частиц, совокупностей молекул, отдельных молекул и атомов. Частицы во всех телах двигаются непрерывно и хаотично. Однако характер этого движения зависит от агрегатного состояния вещества. Термин „газ” в греческом языке означает „хаос”, „беспорядок”. Газообразное состояние вещества является примером существующего в природе полного беспорядка в расположении и движении частиц. Ни в один микроскоп ты этого не увидишь. Проще – представить. В кубическом сантиметре воздуха при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении содержится 27 миллиардов миллиардов молекул, которые беспорядочно движутся, сталкиваются между собой, отскакивают, будто бильярдные шары, изменяя направление движения. Среднее расстояние между молекулами в 10 раз больше, чем размеры молекул. Если ты бросишь на каждую страницу журнала две монетки, то получишь представление о расположении молекул воздуха. В жидкостях молекулы находятся достаточно плотно, будто картофелины в мешке. Тесно! Поэтому представь: они топчутся почти на одном месте, изредка выскакивая из окружения своих соседей. В твёрдых телах молекулы практически всё время находятся в неизменном положении. Тепловое движение проявляется в том, что молекулы непрерывно колеблются возле положения равновесия. «К ИРОДА ТЕ Н МИ ИЛ: А Р , Ж НД ВО ЛО БЕ Н ГО ЕЕ ТЕ ЕЕ З О ПС РЯЧ СИВН Ы, И ” ТОМ М ГО ТЕН СТИЦ ТОИТ „ЧЕ М ИН Я ЧА СОС ТЕ УТС ОНО ИЖ Х ДВ ТОРЫ КО ПР Известно, что наиболее комфортно человек чувствует себя при температуре воздуха 21– 24 °С и относительной влажности 60–80 %. В странах с жарким климатом одежда защищает человека от прямых солнечных лучей. Тёмная одежда поглощает инфракрасное излучение сильнее, чем белая, поэтому в условиях жары стоит носить белую одежду. Если климат достаточно влажный, то одежда должна быть пористой, чтобы пот испарялся и охлаждал кожу. Если климат сухой, то пористая одежда может вызвать быстрое обезвоживание организма. В научно-фантастическом романе Френка Герберта „Дюна” жители пустыни носили костюмы, которые удерживали на поверхности тела всю драгоценную влагу. Жестяная пластинка с небольшим отверстием 1 7
