Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики

Анализируя опыт, объясняют ученикам, что при испарении жидкости отдельные наиболее быстро движущиеся молекулы могут вылетать с поверхности слоя наружу. Эти молекулы обладают кинетической энергией, большей или равной работе, которую необходимо совершить против сил сцепления, удерживающих их внутри жидкости. При этом температура жидкости, определяемая средней скоростью беспорядочного движения мол

екул, понижается. Понижение температуры жидкости свидетельствует о том, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Часть этой энергии расходуется на преодоление сил сцепления и на совершение расширяющимся паром работы против внешнего давления. С другой стороны, происходит увеличение внутренней энергии той части вещества, которая превратилась в пар вследствие увеличения расстояния между молекулами пара по сравнению с расстоянием между молекулами жидкости. Поэтому внутренняя энергия единицы массы пара больше, чем внутренняя энергия единицы массы жидкости при той же температуре.

Далее выясняют, от чего зависит испарение. Увеличение испарения в связи с повышением температуры можно показать на следующем опыте. На чашки технических весов ставят по кристаллизатору: один — с горячей водой, другой — с холодной. Весы уравновешивают. Пока учащиеся зарисовывают схему опыта, становится заметным нарушение равновесия весов. Масса горячей воды уменьшается быстрее, чем холодной.

Зависимость испарения от размера свободной поверхности жидкости можно показать так. На весах уравновешивают пробирку и кристаллизатор с легко испаряющейся жидкостью, например с эфиром. Наблюдают, как постепенно поднимается та чашка весов, на которой установлен сосуд с большей свободной поверхностью жидкости.

На примерах и опытах нужно также показать зависимость испарения от скорости удаления паров с поверхности жидкости. Учащиеся хорошо знают, что в ветреную погоду белье, вывешенное для просушки, высыхает быстрее, чем в тихую; быстрее просыхает пол после влажной уборки, если открыть окна в квартире. Продемонстрировать зависимость испарения от скорости удаления паров с поверхности жидкости можно с помощью следующего опыта. На колбы, соединенные с манометром, кладут одинаковые фланелевые тряпочки, смоченные спиртом. На одну из колб направляют воздушный поток от вентилятора и по показаниям манометра сразу обнаруживают, что испарение резко возрастает.

Зависимость скорости испарения от рода вещества испаряющейся жидкости можно показать так. Заготавливают лист чистой бумаги с названиями исследуемых жидкостей (эфир, спирт, вода, масло). На лист с помощью кисточек, смоченных различными жидкостями, наносят несколько полосок. Затем края листа смачивают водой (как клеем) и накладывают на оконное стекло в физическом кабинете. При дневном освещении места, смоченные жидкостями, хорошо видны в проходящем свете. В вечернее время лист бумаги укрепляют в штативе и используют подсвет. Сначала исчезает пятно от эфира, затем от спирта, воды и, наконец, останется одна масляная полоска.

При изучении данных вопросов возможна и иная последовательность: сначала предлагают учащимся на основе молекулярно-кине-тических представлений предсказать, как будет зависеть скорость испарения жидкости от температуры, размера свободной поверхности жидкости и ветра, а затем проверить предположения опытом. Таким путем целесообразно изучать материал в более подготовленных классах.

Испарение твердого тела лучше показать, пользуясь искусственным льдом, если предоставляется такая возможность. Медленно и не так наглядно идет испарение нафталина и снега. Поэтому наблюдение за их испарением можно дать в качестве домашнего задания всему классу.

Полезно давать учащимся на дом творческие задачи по физике, например:

На раскаленную пластинку, плиту или сковородку пустите капли воды и пронаблюдайте за скоростью испарения этих капель. Объясните, почему при очень высокой температуре пластинки капля на ее поверхности держится неожиданно долго не испарясь.

Объясняют это тем, что «пары поддерживают каплю в воздухе.

Слой пара, поддерживающий каплю во взвешенном состоянии, изолирует ее от металла, и она долго не испаряется».

В качестве примеров использования законов испарения можно указать на разбрызгивание воды в горячих цехах для охлаждения воздуха, на использование сушильных камер, где ускорения процесса испарения жидкостей (из овощей, семян, древесных пород) достигают повышением температуры и вентиляцией нагретого воздуха.

Дают некоторые сведения о роли испарения в природе.

Всего с поверхности Земли за год испаряется в среднем 518 600 км3 воды. Этого количества воды достаточно, чтобы покрыть всю поверхность земного шара слоем большим, чем 1 м. Столько же в течение года выпадает осадков.

10. КИПЕНИЕ

Кипение — это особый вид парообразования, отличный от испарения. Поэтому при изучении кипения обращают внимание на внешние признаки явления, на постоянство температуры кипения.

Демонстрируют кипение воды в колбе и объясняют его. Описание внешней картины явления связывают с выявлением следующего: на стенках сосуда образуется много мелких пузырьков; объем пузырьков увеличивается, и начинает сказываться подъемная сила; внутри жидкости происходят более или менее бурные и неправильные движения пузырьков. На поверхности пузырьки лопаются. Процесс всплывания и разрушения на поверхности жидкости пузырьков, заполненных воздухом с паром, и характеризует кипение. Вводят понятие температуры кипения.

С целью увеличения наглядности образования пузырьков пара внутри жидкости можно кипятить жидкость, предварительно долго кипевшую. В этом случае можно наблюдать образование крупных пузырей пара с воздухом.

При выполнении лабораторной работы по теме учащиеся продолжают наблюдение кипения. После проведения работы полезно сравнить полученный график с графиком плавления и кристаллизации нафталина или льда.

Понимание особенностей кипения будет более полным при сравнении его с испарением. Учащиеся должны ясно представлять, что общего между кипением и испарением и в чем состоит существенное различие между ними. Кипение, как и испарение,— это парообразование. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре и любом внешнем давлении, а кипение — это парообразование во всем объеме жидкости при определенной для каждого вещества температуре, зависящей от внешнего давления.

В качестве домашнего задания всему классу предлагают внимательно пронаблюдать и запомнить, как начинает закипать и как кипит вода в открытом сосуде.

В учебнике и в программе не рассматривается вопрос о зависимости температуры кипения от внешнего давления, но дать его в осведомительном порядке весьма полезно.

Зависимость точки кипения от давления целесообразно показать на следующей установке. Берут пробирку, заполненную на одну треть водой. Нагревают воду в пробирке до кипения и, вставив в пробирку резиновую грушу, быстро сжимают ее. Кипение прекращается, хотя вода продолжает нагреваться. Убирают нагреватель. Быстро разжимают руку с резиновой грушей и вновь наблюдают кипение жидкости. Известный опыт с кипением воды под колоколом насоса более трудоемкий и показывает только понижение точки кипения при уменьшении давления. Опыт с кипением воды в перевернутой колбе, поливаемой холодной водой, требует дополнительных пояснений относительно уменьшения давления при охлаждении и конденсации пара. Его лучше показать в завершение темы для закрепления материала. При этом следует брать круглодонную, а не плоскодонную колбу, во избежание ее разрушения атмосферным давлением.

 Скачать реферат