Фізика. 8 клас. Головко

Розділ 1. Теплові явища

Явища природи, з якими ви ознайомитеся в цьому розділі, є визначальними для підтримання життя на нашій планеті. Їх прояви створюють унікальні кліматичні умови, забезпечують розмаїття рослинного й тваринного світу. Використання знань про теплові явища з давніх часів давало людині можливість облаштовувати комфортні умови проживання в різноманітних куточках Землі, вберігатися від арктичного холоду та пустельної спеки. Дослідження теплових явищ і встановлення фізичних законів, на яких вони ґрунтуються, забезпечило створення різноманітних машин і механізмів, що є основою сучасного транспорту та виробництва.

Принцип дії двигунів автомобілів і кораблів, літаків і ракет, турбін електростанцій, кліматичних систем житлових будинків і супермаркетів ґрунтується на теплових явищах. Упродовж багатьох століть видатні дослідники природи створювати вчення про теплоту, основи якого викладені в цьому розділі. Ви ознайомитеся з такими поняттями, як тепловий

рух, температура, внутрішня енергія тощо, з’ясуєте їхній фізичний зміст, особливості перебігу теплових явищ та їх використання в науці й техніці, перспективи подальших досліджень цієї важливої галузі сучасної фізики.

§ 1. Теплові явища та їх природа

• Теплові явища в природі та житті людини
• Тепловий рух, його прояви та природа

ТЕПЛОВІ ЯВИЩА В ПРИРОДІ ТА ЖИТТІ ЛЮДИНИ. Теплові явища є невід’ємною складовою природи. Вони виявляються у виверженні вулканів, утворенні льодовиків, забезпечують безперервний кругообіг води, підтримуючи життя на Землі. Зміни пір року та розмаїття рослинного і тваринного світу теж пов’язані з перебігом теплових явищ. Проте вони можуть спричиняти і потужні тайфуни, надмірні опади, повені, різке підвищення або зниження температури (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Теплові явища визначають розмаїття природи

Людина навчилася використовувати теплові явища для своїх потреб у побуті та на виробництві. Катання на лижах, приготування їжі, обігрів приміщень, використання автотранспорту, виплавлення металу — все це пов’язане з тепловими явищами. Принцип дії двигунів автомобілів і пароплавів, літаків та ракет, тепловозів, холодильників, кондиціонерів ґрунтується на теплових явищах. Вони стали також основою виробничих технологій (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Використання теплових явищ у побуті, виробництві, науці та техніці

Вивчати теплові явища людина почала ще з того часу, коли навчилася використовувати вогонь для приготування їжі та обігріву житла. Хоча зусиллями видатних фізиків досягнуто визначних успіхів у формуванні вчення про теплоту та його використанні в науці й техніці, цей напрям залишається одним із пріоритетних у сучасній фізиці. Над розробленням цієї проблематики у світі працюють потужні наукові колективи, до яких належать і науково-дослідні установи України: Інститут технічної теплофізики в Києві та Фізико-технічний інститут низьких температур імені Б. І. Вєркіна у Харкові.

ТЕПЛОВИЙ РУХ, ЙОГО ПРОЯВИ ТА ПРИРОДА. Досліджуючи теплові явища, вчені встановили, що вони зумовлені тепловим рухом частинок речовини (молекул). Під час нагрівання тіла інтенсивність теплового руху молекул речовини зростає, а у разі охолодження зменшується.

Тепловим рухом називають безперервний хаотичний рух частинок речовини.

Щоб спостерігати прояв теплового руху мікрочастинок речовини, виконаємо дослід. У склянку з чистою водою додамо декілька крапель забарвленої рідини, наприклад, чорнил. За деякий час помітимо, що вода в склянці поступово забарвлюється — відбувається явище дифузії (від лат. diffusion — поширення) (рис. 1.3, а). Дифузію можна спостерігати, зануривши в склянку з водою пакетик чаю (рис. 1.3, б).

Дифузія — це явище взаємного проникнення молекул однієї речовини у проміжки між молекулами іншої в результаті теплового руху.

Дифузія може відбуватися в газах, рідинах та твердих тілах. Явище дифузії поширене в природі, а також використовується під час виробництва різноманітних розчинів, барвників, клеїв, пластичних мас, сплавів. Сучасні технології дифузійного зварювання забезпечують отримання міцних і надійних з’єднань.

З досвіду ви знаєте, що чай заварюють у гарячій воді, а цукор у ній розчиняється значно швидше, ніж у холодній. Тобто швидкість дифузії зростає з підвищенням температури.

Найвищою є швидкість дифузії в газах. Наприклад, пахощі парфумів, бензину тощо досить швидко поширюються у повітрі кімнати. Ця особливість може спричиняти й шкідливі наслідки. Зокрема, на хімічних виробництвах унаслідок дифузії в атмосфері поширюються шкідливі речовини. Тому для їх поглинання встановлюють спеціальні фільтри.

Рис. 1.3. Дифузія є експериментальним підтвердженням теплового руху

Рис. 1.4. Спостереження хаотичного теплового руху мікрочастинки

Досліди підтверджують, що внаслідок дифузії частинки речовини поширюються в усі боки однаково. Тобто тепловий рух молекул речовини відбувається однаково в усіх напрямах. При цьому він є невпорядкованим, або хаотичним (від грец. chaos — невпорядкована суміш). Хаотичність теплового руху мікрочастинки смоли можна спостерігати в мікроскоп. Унаслідок бомбардування частинки молекулами води вона починає рухатися (рис. 1.4, а). Оскільки тепловий рух молекул є хаотичним, то і напрям руху частинки смоли постійно змінюється і теж є хаотичним. Якщо зафіксувати початкове положення частинки смоли й позначати її переміщення через рівні проміжки часу, то отримаємо ламану лінію, що відповідає хаотичному тепловому руху мікрочастинки (рис. 1.4, б).

Тепловий рух завислих у рідині частинок уперше спостерігав та описав англійський ботанік Р. Броун.

Роберт Броун (1773—1858)

Шотландський учений, який у 1827 р. відкрив тепловий хаотичний рух мікрочастинок речовини — явище броунівського руху

Альберт Ейнштейн (1879—1955)

Видатний німецький та американський фізик-теоретик. Автор унікальних праць із теорії відносності, фотоелектричного ефекту, молекулярно-кінетичної теорії. Лауреат Нобелівської премії з фізики

Мар’ян Смолуховський (1872—1917)

Видатний український та польський учений. Професор і ректор Львівського університету. Основоположник статистичної фізики

Жан Батист Перрен (1870—1942)

Французький учений, який експериментально довів, що броунівський рух є наслідком теплового руху молекул середовища

Тому тепловий рух мікрочастинок, завислих у рідині або газі, називають броунівським. Під час броунівського руху молекули рідини або повітря зіштовхуються з мікрочастинкою, яка перебуває в завислому стані у рідині або газі. Молекули “штовхають” мікрочастинку з різних боків, і ці зіткнення не компенсуються, позаяк їх кількість у кожний момент часу з кожного боку різна. У результаті частинка рухається в певному напрямі. Цей напрям постійно змінюється, оскільки молекули рухаються хаотично, а їх зіткнення з мікрочастинкою речовини мають випадковий характер. Мікрочастинки рухаються за рахунок теплового хаотичного руху молекул і не можуть бути зупинені. Інтенсивність броунівського руху зростає з підвищенням температури. Він є наочним підтвердження основних положень молекулярно-кінетичної теорії: всі речовини складаються з частинок; частинки речовини перебувають у безперервному хаотичному русі; частинки речовини взаємодіють одна з одною.

Наукові основи вчення про будову речовини та тепловий рух її частинок розвивали в своїх працях видатні учені: А. Авогадро, А. Лавуазье, М. В. Ломоносов, Б. Румфорд, П. Деві. У 1905—1906 рр. великий німецький фізик А. Ейнштейн та український і польський учений М. Смолуховський розробили теорію руху броунівської частинки. Вони довели, що ці частинки рухаються як гігантські молекули, середня кінетична енергія яких дорівнює середній кінетичній енергії молекул, що їх оточують.

Французький учений Ж. Б. Перрен у 1908 р. виконав низку експериментальних досліджень броунівського руху і підтвердив молекулярно-кінетичну теорію Ейнштейна — Смолуховського.

Головне в цьому параграфі

Тепловим рухом називають безперервний хаотичний рух частинок речовини.

Явище дифузії та броунівський рух є експериментальним підтвердженням теплового руху.

Дифузія відбувається внаслідок взаємного проникнення речовин у результаті теплового руху їх частинок.

Броунівський рух — тепловий рух мікрочастинок, завислих у рідині або газі.

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини: всі речовини складаються з частинок; частинки речовини перебувають у безперервному хаотичному русі; частинки речовини взаємодіють одна з одною.

Запитання для самоперевірки

• 1. Наведіть приклади теплових явищ у природі.
• 2. Наведіть приклади нагрівання та охолодження тіл.
• 3. У чому полягає явище дифузії речовин? Наведіть приклади.
• 4. Як впливають зміни температури на дифузію речовин?
• 5. Які явища вказують на невпорядкованість та хаотичність руху частинок речовини?
• 6. Поясніть причину броунівського руху.
• 7. Які основні положення молекулярно-кінетичної теорії речовини підтверджуються броунівським рухом?

Домашній експеримент

У чайну чашку налийте воду й обережно покладіть грудочку цукру. Залиште чашку на певний час, не перемішуючи рідину. Через 2—3 години візьміть воду з поверхні ложечкою й покуштуйте. Опишіть смак води. Поясніть, яке явище відбулося.

Готуємося до виконання навчального проекту

Використовуючи науково-популярні джерела та інформаційно-пошукові системи, підготуйте інформацію на тему: “Видатні українські та зарубіжні вчені-фізики, які зробили вагомий внесок у розвиток учення про теплоту”.

Вправа до § 1

• 1(п). Чи є невпорядкований рух порошинок у повітрі броунівським?
• 2(п). Чому пил може надовго зависати у повітрі?
• 3(c). Поясніть, чому використовувати фарбу дозволяється лише в добре провітрюваних приміщеннях.
• 4(c). Порівняйте швидкість руху молекул повітря та швидкість дифузії в повітрі. Поясніть відповідь.
• 5(д). Лінійний розмір молекули білка становить 40 • 10^-8 см. Визначте, яка кількість таких молекул може розміститися на відрізку в 1 см за умови, що відстані між ними дорівнюють їхнім розмірам?
• 6(д). Маса молекули води 3 • 10^-26 кг. Визначте кількість молекул у 60 см³ води.