Методика изучения тепловых явлений на основе строения вещества

Термодинамические термометры — это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. Для получения функции интерполяции они должны быть отградуированы в реперных точках меж

дународной температурной шкалы. Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления. Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам — Цельсия или Фаренгейта.

На практике для измерения температуры также используют

жидкостные и механические термометры,

термопару,

термометр сопротивления,

газовый термометр,

пирометр.

Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения

Таблица №1 - Пересчёт температуры между основными шкалами

Все тела состоят из молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом. Существует два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Чем больше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. Потенциальная энергия определяется взаимным расположением взаимодействующих тел или его отдельных частей.

Кинетическая и потенциальная энергия - это два вида механической энергии, они могут превращаться друг в друга.

Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела. Таким образом, внутренняя энергия – это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Внутренняя энергия тела зависит от температуры, состояния вещества.

Внутренняя энергия тела не зависит от скорости движения и положения тела относительно других тел.

При повышении температуры тела скорость движения молекул возрастает, внутренняя энергия возрастает. Внутренняя энергия тела меняется при изменении скорости движения молекул в теле. Внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершая работу над телом. Если же работу совершает само тело, то его внутренняя энергия уменьшается.

Внутреннюю энергию тела можно изменить другим способом, без совершения работы. Например, вода в чайнике, поставленном на плиту, закипает. Воздух в комнате нагревается от различных предметов.

Итак, внутреннюю энергию тела можно изменить путем теплопередачи. Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы над ним или самим телом называется теплопередачей. Теплопередача всегда происходит в определенном направлении: от более нагретым телам к менее нагретым.

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершая механическую работу или теплопередачей.

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

Тепловое излучение

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.

Теплопроводность - передача тепла в телах, не сопровождаемая перемещением составляющих их частиц. При теплопроводности перенос энергии осуществляется в результате непосредственной передачи энергии от частиц (молекул, атомов, электронов), обладающих большей энергией, частицам с меньшей энергией.

Теплопроводность есть явление передачи энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.

Рисунок 2 – Теплопроводность, которая происходит через нагревание кастрюли на электрической плитке

На рисунке 2 изображено нагревание кастрюли на электрической плитке, которое происходит через теплопроводность.

Проделаем опыт. Две проволоки одинаковой длины и толщины – медную и стальную – укрепим так, чтобы их концы попали в пламя свечи. Кусочками воска приклеим к ним маленькие гвоздики. Мы увидим, что с медной проволоки они начнут падать раньше. Значит, теплота по медной проволоке распространяется быстрее, чем по стальной (рис. 3).

Рисунок 3 – Распространение теплопроводности по медной и стальной проволоке

Слово «конвекция» образовано от греческого слова convectio — доставка. Конвекция - это процесс теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа.

Явление конвекции можно объяснить законом Архимеда и явлением теплового расширения тел. При повышении температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается. Под действием архимедовых сил менее плотная нагретая жидкость поднимается вверх, а более плотная холодная жидкость опускается вниз. Если же жидкость нагревать сверх, то менее плотная теплая жидкость там и останется и конвекция не возникнет.

Так устанавливается круговорот жидкости, сопровождающийся переносом энергии от нагретых участков к более холодным. Совершенно аналогичным образом возникает конвекция в газах.

На рисунке вы видите тень руки с зажженной спичкой. Волнистые тени над пламенем - это струйки поднимающегося теплого воздуха. Такие тени легко получаются на стене темной комнаты при освещении спички фонариком (рис. 4).

Рисунок 4 – Конвекция, возникающая над пламенем зажжённой спички