Тепловое движение. Внутренняя энергия. Теплопередача

Зачем это нужно

Почему металлическая ложка в горячем чае нагревается, а деревянная — нет? Почему батареи ставят внизу, под окнами, а кондиционеры — вверху? Почему в термосе чай остаётся горячим? Почему зимой мы надеваем шерстяные вещи и что на самом деле «греет» шуба? Ответы связаны с внутренней энергией тел и тремя способами её передачи. Эти знания нужны строителям (утепление домов), инженерам (охлаждение двигателей и процессоров), метеорологам, поварам — и каждому в быту.

Тепловое движение и температура

Мы уже знаем из 7 класса: молекулы непрерывно и беспорядочно движутся. Это движение называют тепловым: чем выше температура тела, тем быстрее в среднем движутся его молекулы.

Температура — величина, характеризующая степень нагретости тела; она связана со средней скоростью движения молекул. Её измеряют термометром. В быту используют шкалу Цельсия (°C): 0 °C — температура таяния льда, 100 °C — кипения воды при нормальном давлении. В науке — шкалу Кельвина: $T = t + 273$.

Термометр показывает свою собственную температуру, поэтому ему нужно время, чтобы прийти в тепловое равновесие с телом.

Внутренняя энергия

Каждая молекула обладает кинетической энергией (она движется) и потенциальной (молекулы взаимодействуют). Внутренняя энергия тела — сумма кинетической энергии теплового движения всех его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.

• Внутренняя энергия растёт с ростом температуры.
• Она зависит от агрегатного состояния: у 1 кг воды при 0 °C внутренняя энергия больше, чем у 1 кг льда при 0 °C.
• Она не зависит от механического движения тела или его высоты над Землёй: летящий мяч обладает кинетической энергией, но от этого его молекулы не движутся быстрее.

Способы изменения внутренней энергии

1. Совершение работы. При трении, ударе, сжатии тело нагревается: ладони при растирании, напильник при работе, воздух в насосе при накачивании шины. При расширении газ совершает работу и охлаждается (струя газа из баллончика холодная).
2. Теплопередача — изменение внутренней энергии без совершения работы: ложку опустили в горячий чай. Энергия при теплопередаче всегда переходит от более нагретого тела к менее нагретому.

Виды теплопередачи

Теплопроводность

Теплопроводность — перенос энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым за счёт теплового движения и взаимодействия частиц. Вещество при этом не перемещается.

• Хорошо проводят тепло металлы (серебро, медь, алюминий).
• Плохо проводят — дерево, стекло, пластмассы, войлок, газы (воздух), пористые материалы. Их называют теплоизоляторами.
• Вакуум теплоту не проводит — частиц нет.

Шуба и пуховик сами по себе не «греют» — они задерживают воздух, который плохо проводит тепло, и наше тело медленнее отдаёт энергию.

Конвекция

Конвекция — перенос энергии струями жидкости или газа. Нагретые слои расширяются, становятся легче и поднимаются (вспомните закон Архимеда), а холодные опускаются. Возникает круговорот.

Примеры: нагрев воды в кастрюле, отопление комнаты батареей, тяга в печной трубе, морские бризы и ветры. В твёрдых телах конвекции нет.

Излучение

Излучение — перенос энергии электромагнитными волнами (в том числе невидимыми инфракрасными лучами). Ему не нужна среда: так энергия Солнца приходит к Земле через космическую пустоту.

Тёмные тела поглощают излучение сильнее светлых и сильнее излучают. Поэтому летом носят светлую одежду, а солнечные коллекторы красят в чёрный цвет.

Разобранный пример 1

Почему в термосе чай долго остаётся горячим?

1. Между двойными стенками колбы откачан воздух — вакуум не проводит тепло и исключает конвекцию.
2. Стенки покрыты зеркальным слоем — он отражает излучение обратно.
3. Плотная пробка из теплоизолятора не даёт уходить горячему пару и препятствует конвекции.

Разобранный пример 2

Почему батареи отопления ставят у пола, а кондиционер — под потолком?

Тёплый воздух поднимается, холодный опускается. Батарея внизу нагревает воздух, он поднимается и прогревает всю комнату. Холодный воздух от кондиционера опускается сверху вниз. В обоих случаях работает конвекция.

Типичные ошибки

• Считать, что при теплопередаче переходит «холод» от холодного тела. Энергия переходит только от горячего к холодному.
• Говорить, что шуба греет. Она лишь уменьшает потери тепла телом.
• Думать, что конвекция бывает в твёрдых телах.
• Путать внутреннюю энергию с механической: быстро летящий холодный мяч не становится горячим.
• Считать, что излучению нужна среда.

Что дальше

• Количество теплоты. Удельная теплоёмкость — как рассчитать количество теплоты.
• Основы молекулярно-кинетической теории — молекулярно-кинетическая теория.
• Климатическая физика и энергетический баланс Земли — энергетический баланс Земли.