Физика

Введение. Плавление льда

 

Представьте: перед нами кусок льда, его температура . Положим его в кастрюлю и будем греть, сообщать энергию (см. рис. 1).

 

Рис. 1. Нагревание льда

Что будет происходить, мы знаем: его внутренняя энергия будет повышаться, температура – увеличиваться, при этом поглотится количество теплоты , здесь всё понятно. Можете заморозить воду и поставить кастрюлю с полученным льдом на очень медленный огонь (чтобы всё содержимое кастрюли прогревалось равномерно). Возьмите градусник и проследите за температурой льда. Он будет греться до тех пор, пока не достигнет температуры плавления. Что же дальше? Удивительный факт: мы греем вещество, а его температура не меняется. Куда девается энергия? Вода и лед отличаются связями между молекулами, во льду они прочнее. Энергия будет расходоваться на разрыв связей между молекулами, но не на повышение температуры (см. рис. 2).

Рис. 2. Разрыв связей между молекулами льда

 

---

Почему лед только тает, но не тает и греется?

Понятно, что энергия расходуется на плавление. Но почему вся – на плавление, почему часть не расходуется параллельно на нагревание? Если бы часть льда растаяла и нагрелась, пока остальной лед тает, получился бы лед при температуре  и вода при температуре, к примеру, . И вода все равно отдавала бы льду теплоту, пока не установилось бы тепловое равновесие. В этом случае температура не повысится, пока весь лед не растает. Но тепловое равновесие может и не успеть установиться: пока, например, теплая вода передаст теплоту льду, мы можем быстро на печке ее подогревать (см. рис. 3).   Рис. 3. Нагрев воды, которая отдает тепло льду Тогда да, часть воды уже нагреется, а лед еще не растает. Мы же рассматриваем случаи, когда нагревание достаточно медленное, чтобы вещество нагревалось одинаково по всему объему.

---

 

Понятно, что чем больше нужно расплавить льда, тем больше энергии для этого требуется, , а коэффициент пропорциональности для каждого вещества свой.

Теперь вы знаете, почему на улице может потеплеть с +10 градусов до +25 или с –25 до –10 даже за один день, а с –5 до +5 – нет. Весна всегда приходит медленно, температура некоторое время держится около нуля, пока не растает снег и лед.

Чтобы лед растаял, чтобы связи между молекулами разорвались, нужна энергия. Вот поэтому при нуле градусов солнце светит, греет, но температура не повышается: солнечная энергия идет на разрыв связей.

 

Разрыв химических связей

 

 

При горении тоже разрываются связи и образуются новые, только горение – это химическая реакция, там разрываются связи между атомами внутри молекул (см. рис. 4).

 

Рис. 4. Реакция горения

При этом энергия может выделяться, как при горении, или поглощаться. Могут разрываться связи в ядре атома, тогда разрушается ядро (см. рис. 5).

Рис. 5. Распад ядра урана

Это ядерные реакции, и они тоже сопровождаются выделением или поглощением энергии. При изменении агрегатного состояния вещества разрываются и образуются связи между молекулами, сами молекулы остаются неизменными.

 

Агрегатные состояния вещества

 

 

Вещество может быть в твердом, жидком и газообразном состояниях (см. рис. 6).

 

Рис. 6. Агрегатные состояния вещества

О жидкой воде и воде в виде льда мы сказали. Вода в газообразном состоянии – это пар.

Есть еще четвертое состояние: плазма, когда разрушаются молекулы и атомы (см. рис. 7).

Рис. 7. Плазма

Плазма представляет собой совокупность электронов и атомных ядер. Это состояние мы подробно рассматривать в нашем курсе не будем.

 

Кипение воды

 

 

Вернемся к нашему льду: он расплавился, стал водой. Продолжим ее греть. Здесь снова всё знакомо, работает формула , и снова до тех пор, пока не будет изменяться агрегатное состояние.

 

При достижении температуры кипения температура воды больше не повышается. В нормальных условиях при нормальном атмосферном давлении это .

 

---

Температура кипения

Все знают, что температура кипения воды равна . Но требуется уточнение: при атмосферном давлении, которое принято считать нормальным, 760 мм рт. ст. При другом давлении температура кипения будет другой. Воздух оказывает на воду давление, оно передается во все точки воды (см. рис. 8). Рис. 8. Давление воздуха на воду Когда вода начинает закипать, в ней появляются пузырьки, внутрь которых вода испаряется. И вода закипит тогда, когда атмосферное давление не сможет раздавить эти пузырьки. При большем атмосферном давлении давление пара в пузырьках во время кипения будет больше, а это возможно при большей температуре (см. рис. 9). Рис. 9. Зависимость температуры кипения от давления среды Поэтому при повышенном давлении температура кипения воды выше ста градусов, и наоборот.

---

 

Куда уходит энергия, мы же греем воду? Она, как и при плавлении льда, расходуется на разрыв связей между молекулами, и вода переходит в газообразное состояние, превращается в пар (см. рис. 10).

Рис. 10. Переход из жидкости в пар

Это не тот белый пар, который идет изо рта зимой. Мы видим маленькие капельки жидкой воды. А воду именно в газообразном состоянии мы не видим. Мы чувствуем ее, когда нам душно, при высокой влажности воздуха.

В воздухе всегда содержится какое-то количество водяного пара. Как это проверить? Достаньте что-нибудь из холодильника или морозильной камеры, и вы увидите, как оно «вспотеет». Откуда берется эта вода? Из воздуха. Дело в том, что воздух может содержать какое-то количество воды в виде пара, но это количество ограничено. Излишки конденсируются. Причем чем меньше температура воздуха, тем меньше пара он может содержать. Поэтому при понижении температуры выпадает роса (см. рис. 11), поэтому в холодную погоду мы видим пар изо рта: это конденсируется в капельки «лишний» пар, который не может удержать холодный воздух.

Рис. 11. Выпадение росы

На уроках данного раздела мы разберемся с этим подробнее. А сейчас вернемся к нашей кастрюле, в которой кипит вода. Накроем кастрюлю крышкой – она начнет прыгать. Смотрите, как здорово получается: мы сообщаем тепловую энергию (греем воду), а получаем механическую (прыгает крышка) (см. рис. 12).

Рис. 12. Получение механической энергии

Значит, можно создать двигатель!

 

Тепловой двигатель

 

 

Возьмем вместо кастрюли высокий цилиндр. Вместо крышки поместим в цилиндр поршень. Теперь, если греть воду в цилиндре, поршень будет подниматься, и из этого мы можем извлечь пользу: поднимать груз, вращать колесо, турбину (см. рис. 13)…

 

Рис. 13. Полезное приспособление в быту

Поршень поднялся, теперь, чтобы двигатель продолжал работать, нужно вернуть его в исходное состояние. В двигателе внутреннего сгорания поршень двигают продукты сгорания, которые потом просто выбрасываются через выхлопную трубу (см. рис. 14).

Рис. 14. Двигатель внутреннего сгорания

Можно так. А если рабочий газ не выбрасывать, как вернуть его в исходное состояние? Нужно его охладить.

Только что мы определились со всем, что нужно для теплового двигателя: должно быть рабочее тело (газ, который будет двигать поршень), нагреватель, который будет сообщать газу энергию, и охладитель, чтобы возвращать газ в исходное состояние и запускать цикл заново.

Мы вкратце рассмотрели агрегатные состояние вещества и переходы между ними, свойства водяного пара в воздухе и рассмотрели возможность создания теплового двигателя. Подробнее об этом вы узнаете на уроках данного раздела.

 

Список литературы

1. Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
2. А. В. Перышкин. Физика 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2013. – 237 с.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «ido.tsu.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «school-collection.edu.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «school.xvatit.com» (Источник)
4. Интернет-портал «allforchildren.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Чем отличаются агрегатные состояния вещества на молекулярном уровне?
2. Что такое тепловой двигатель? Объясните принцип его работы.
3. При каком условии выпадает роса?
4. Что нужно сделать, чтобы жидкость стала паром?