При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается. В 8 кл. говорится, что чем выше скорость молекул, тем выше температура. Т. е. причинно-следственная связь совсем обратная. Как быть?

Повышение температуры — это проявление в нашем макромире изменения скорости молекул в их микромире. Это одно и то же на разных уровнях.

Температура — это свойство системы, а движение частиц — свойство отдельных частей системы каждой в отдельности, тогда как система — все они вместе взятые.

Вот мы нагреваем воду в кастрюле: тепло течёт от плиты к кастрюле и от кастрюли к воде, но тепло — это не температура, а энергия, которая сообщается телами друг другу, а точнее не телами, а их частицами. Вот ионизированная частица пламени коснулась дна кастрюли, чуть замедлилась и чуть разогнала толщу металла, вот другая, вот третья, вот сотая, вот тысячная — и это за мгновения — и то же самое делают частицы кастрюли с водой с той лишь разницей, что у материалов кастрюли и воды разная склонность к ускорению движения частиц. Частицы воды будут разгоняться всё быстрее и быстрее пока не достигнут той скорости, при которой смогут покинуть толщу воды — вода закипит и её частицы испарятся.

Вот мы разгоняем толпу: полицейские стеной медленно движутся на людей, а те медленно движутся от них, полиция расступается и из-за них выезжает быстроходный броневик, от которого толпа начинает двигаться значительно быстрее. В целом каждый отдельно взятый член толпы может стоять, идти или бежать, но чем больше будет бегущих, тем больше в целом толпа будет двигаться, тем больше она будет бежать, и тем больше это её движение будет хаотично, пока она не распадётся на отдельных разбегающихся людей. Толпа «кипит», люди «испаряются».

Активность толпы — это то, как система выглядит в целом со стороны. Движение отдельных людей — то, что формирует эту видимость изнутри.

Разгоняя толпу, мы не передаём ей некую «активность», а лишь передаём движение собственными движущимися элементами — полицейскими, броневиками.

Температура — это то, как система в целом выглядит со стороны. Движение частиц — то, что формирует эту видимость изнутри.

Нагревая воду, мы не передаём ей некую «температуру», а лишь передаём движение иными движущимися элементами — ионизированными частицами огня, например.

Аналогия ясна?

Урок 19. температура. энергия теплового движения молекул — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок №19. Температура. Энергия теплового движения молекул

На уроке рассматриваются понятия: температура и тепловое равновесие; шкалы Цельсия и Кельвина; абсолютная температура как мера средней кинетической энергии теплового движения частиц вещества, зависимость давления от концентрации молекул и температуры.

Глоссарий по теме:

Макроскопические параметры — величины объём V, давление p и температура t, характеризующие состояние макроскопических тел без учёта их молекулярного строения.

Температура характеризует степень нагретости тела (холодное, тёплое, горячее).

Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние) — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Тепловым равновесием называют – такое состояние тел, при котором температура во всех точках системы одинакова.

Тепловым или термодинамическим равновесием, изолированной системы тел, называют состояние, при котором все макроскопические параметры в системе остаются неизменными.

Термометр — это прибор для измерения температуры путём контакта с исследуемым телом. Различают жидкостные, газовые термометры, термопары, термометры сопротивления.

Абсолютная температура Т прямо пропорциональна температуре Θ (тета), выражаемой в энергетических единицах (Дж).

Абсолютный нуль — предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении.

Абсолютный нуль – температура, при которой прекращается тепловое движение молекул.

Абсолютная шкала температур (Шкала Кельвина) – здесь нулевая температура соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры равна градусу по шкале Цельсия.

Кельвин — единица абсолютной температуры в Международной системе измерений (СИ).

Постоянная Больцмана – коэффициент, связывает температуру Θ энергетических единицах (Дж) с абсолютной температурой Т (К).

Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии молекул.

Давление газа прямо пропорционально концентрации его молекул и абсолютной температуре Т.

Закон Авогадро – в равных объёмах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул

Обязательная литература:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 195 – 203.

Дополнительная литература:

1. Смородинский Я.А. Температура. — 3-е издание. — М.: Бюро Квантум, 2007. (Библиотечка «Квант». Вып. 103. Приложение к журналу «Квант» № 5/2007.) С. 5— 25.
2. Кирик Л.А., Генденштейн Л.Э., Гельфгат И.М.. Задачи по физике. 10-11 классы для профильной школы. – М.: Илекса, 2010. – С. 111-115.
3. Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 классы. – М.: Дрофа, 2013. — С. 65 – 67.
4. Орлов В.А., Сауров Ю.А. Практика решения физических задач. 10-11классы. – М.: Вентана-Граф, 2014. – С. 98-99.
5. http://kvant.mccme.ru/1991/09/idealnyj_gaz_-_universalnaya_f.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Измеряя расположение звёзд на небе, расстояния на земле, время, люди знали, для чего они это делают и изобретали, телескопы, часы, прототипы современных линеек. О температуре такого же сказать было нельзя. О том, что такое тепловое равновесие и что означает степень нагрева тела (температура), существовали разные мнения. Но человек с незапамятных времен точно знал, что, когда два тела плотно соприкасаются, между ними устанавливается, выражаясь современным языком, тепловое равновесие.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходят в состояние теплового равновесия.

Тепловым равновесием называют такое состояние тел, при котором температура во всех точках системы одинакова.

Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние) — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

К числу характеристик состояния макроскопических тел (твёрдых тел, жидкостей, газов) и процессов изменения их состояний, относят объём, давление и температуру. Эти величины описывают в целом тела, состоящие из большого числа молекул, а не отдельные молекулы. При этом микроскопические процессы внутри тела не прекращаются при тепловом равновесии: расположения молекул всё время меняются и меняются их скорости при столкновениях.

Величины объём, давление и температуру, характеризующие состояние макроскопических тел без учёта их молекулярного строения, называют

макроскопическими параметрами.

Тепловым или термодинамическим равновесием, изолированной системы тел, называют состояние, при котором все макроскопические параметры в системе остаются неизменными.

Для точной характеристики нагретости тела, необходим прибор, способный измерить температуры тел и дать возможности их сравнения.

Термометр — это прибор для измерения температуры путём контакта с исследуемым телом. Различают жидкостные, газовые термометры, термопары, термометры сопротивления.

В 1597 году Галилей создал термоскоп, в собственных сочинениях учёного нет описания этого прибора, но его ученики засвидетельствовали этот факт. Аппарат представлял собой устройство для поднятия воды при помощи нагревания.

Изобретение термометра, данные которого не зависели бы от перепадов атмосферного давления, произошли благодаря экспериментам физика Э. Торричелли, ученика Галилея.

Во всех приборах, изобретённых в XVIII веке, измерение температуры было относительно расширению столбика воды, спирта или ртути и произвольности выбора начала отсчёта, т.е. нулевой температуры. Наполняющие их вещества замерзали или кипели и этими термометрами нельзя было измерять очень низкие или очень высокие температуры. Необходимо было изобрести такую шкалу, чтобы избавиться от зависимости выбранного вещества, на основе которого формировалось градуирование.

Шкала, предложенная шведским учёным Андерсом Цельсием в 1742 г., точно устанавливала положение двух точек: 0 и 100 градусов. По шкале Цельсия температура обозначается буквой t, измеряется в градусах Цельсия (ºС).

На территории Англии и США используется шкала Фаренгейта. Такая шкала была предложена немецким учёным Даниелем Габриелем Фаренгейтом в 1724 г.: 0 °F — температура смеси снега с нашатырём или поваренною солью, 96 °F —температура здорового человеческого тела, во рту или под мышкой.

Рене Антуан де Реомюр не одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента расширения ртути. В 1730 году изобрёл водно-спиртовой термометр и предложил шкалу от 0 до 80°.

Шкала Реомюра очень долго использовалась на родине учёного во Франции вплоть до настоящего времени.

Различные жидкости при нагревании расширяются не одинаково. Поэтому расстояния на шкале между нулевой отметкой 0 °C и 100 °C будут разными.

Однако существует способ создать тело, которое приближенно обладает нужными качествами. Это идеальный газ. Было замечено, что в отличие от жидкостей все разряжённые газы – водород, гелий, кислород – расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют своё давление при изменении температуры. Это свойство газов позволяет избавиться в термометрах от одного существенного недостатка шкалы Цельсия – произвольности выбора начала отсчёта, то есть нулевой температуры.

При тепловом равновесии, если давление и объём газа массой m постоянны, то средняя кинетическая энергия молекул газа должна иметь строго определённое значение, как и температура.

Практически такую проверку произвести непосредственно невозможно, но с помощью основного уравнения молекулярно-кинетической теории её можно выразить через макроскопические параметры:

; ; ; ;

Если кинетическая энергия действительно одинакова для всех газов в состоянии теплового равновесия, то и значение давления р должно быть тоже одинаково для всех газов при постоянном значении отношения объёма к числу молекул. Подтвердить или опровергнуть данное предположение может только опыт.

Возьмём несколько сосудов, заполненных различными газами, например, водородом, гелием и кислородом. Сосуды имеют определённые объёмы и снабжены манометрами, для измерения давления газов в сосудах. Массы газов известны, тем самым известно число молекул в каждом сосуде. Приведём газы в состояние теплового равновесия. Для этого поместим их в тающий лёд и подождём, пока не установится тепловое равновесие и давление газов перестанет меняться.

Здесь устанавливается тепловое равновесие и все газы имеют одинаковую температуру 0 °С. При этом показания манометра показывают разное давление р, объёмы сосудов V изначально были разными и число молекул N различно, так как газы, закаченные в баллоны разные. Найдём отношение для водорода всех параметров для одного моля вещества:

Такое значение отношения произведения давления газа на его объём к числу молекул получается для всех газов при температуре тающего льда. Обозначим это отношение через Θ₀ (тета нулевое):

Таким образом, предположение, что средняя кинетическая энергия, а также давление р в состоянии теплового равновесия одинаковы для всех газов, если их объёмы и количества вещества одинаковы или если отношение

Если же сосуды с газами поместить в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, то согласно эксперименту, отношение макроскопических параметров будет также одинаковым для всех газов, но значение будет больше предыдущего

Отсюда следует, что величина Θ растёт с повышением температуры и не зависит от других параметром, кроме температуры. Этот опытный факт позволяет рассматривать величину Θ тета как естественную меру температуры и измерять в энергетических единицах — джоулях.

А теперь вместо энергетической температуры введём температуру, которая будет измеряться в градусах. Будем считать величину тета Θ прямо пропорциональной температуре Т, где k- коэффициент пропорциональности

Так как , то тогда

По этой формуле вводится температура, которая даже теоретически не может быть отрицательной, так как все величины левой части этого равенства больше или равны нулю. Следовательно, наименьшим значением этой температуры является нуль, при любом другом параметре p, V, N равным нулю.

Предельную температуру, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или при которой объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении, называют

абсолютным нулём температуры.

Тепловое движение молекул непрерывно и бесконечно, а при абсолютном нуле молекулы поступательно не двигаются. Следовательно, абсолютный нуль температур при наличии молекул вещества не может быть достигнут. Абсолютный нуль температур — это самая низкая температурная граница, верхней не существует, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказывал М.В. Ломоносов.

В 1848 г. английскому физику Вильяму Томсону (лорд Кельвин) удалось построить абсолютную температурную шкалу (её в настоящее время называют шкалой Кельвина), которая имеет две основные точки 0 К (или абсолютный нуль) и 273К, точка в которой вода существует в трёх состояниях (в твёрдом, жидком и газообразном).

Абсолютная температурная шкала — шкала температур, в которой за начало отсчёта принят абсолютный нуль. Температура здесь обозначается буквой T и измеряется в кельвинах (К).

На шкале Цельсия, есть две основные точки: 0°С (точка, в которой тает лёд) и 100°С (кипение воды). Температура, которую определяют по шкале Цельсия, обозначается t. Шкала Цельсия имеет как положительные, так и отрицательные значения.

Из опыта мы определили значения величины Θ (тета) при 0 °С и 100 °С. Обозначим абсолютную температуру при 0 °С через Т₁, а при 100 °С через Т₂. Тогда согласно формуле:

Отсюда можно вычислить коэффициент k, который связывает температуру в Θ энергетических единицах (Дж) с абсолютной температурой Т (К)

k = 1,38 • 10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана.

Зная постоянную Больцмана, можно найти значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Для этого найдём сначала значение абсолютной температуры, соответствующее 0°С:

значение абсолютной температуры.

Один кельвин и один градус шкалы Цельсия совпадают. Поэтому любое значение абсолютной температуры Т будет на 273 градуса выше соответствующей температуры t по Цельсию:

Теперь выведем ещё одну зависимость температуры от средней кинетической энергии молекул. Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории и уравнения для определения абсолютной температуры

Здесь видно, что левые части этих уравнений равны, значит правые равны тоже.

Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.

Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.

Из выведенных формул мы можем получить выражение, которое показывает зависимость давления газа от концентрации молекул и температуры

Из этой зависимости вытекает, что при одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул у всех газов одна и та же. Отсюда следует закон Авогадро, известный нам из курса химии.

Закон Авогадро: в равных объёмах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.

Рассмотрим задачи тренировочного блока урока.

1. При температуре _______ (37⁰C; 283⁰C; 27⁰C) средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул равна 6,21·10^-21Дж.

Дано:

k = 1,38 • 10-23 Дж/К — постоянная Больцмана

t -?

Решение:

Запишем значение средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул с зависимостью от абсолютной температуры:

Отсюда выразим Т:

Соотношение между абсолютной температурой и температурой в градусах Цельсия:

Подставим значение абсолютной температуры:

Правильный вариант ответа:

2. При температуре 290 К и давлении 0,8 МПа, средняя кинетическая энергия молекул равна __________ Дж, а концентрация составляет молекул ___________ м^-3.

Дано:

Т = 290К

р = 0,8 МПа =0,8·10⁶ Па

k = 1,38 • 10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана

Е_к -? n — ?

Решение:

Значение средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул:

Подставив значение абсолютной температуры, найдём ответ:

Определим концентрацию газа из соотношения:

Правильный вариант ответа: 6·10^-21; 2·10²⁶ м^-3.

Температура | Физика

При изучении механики нас интересовало движение тел. Теперь мы рассмотрим явления, связанные с изменением свойств покоящихся тел. Мы будем изучать нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов, кипение воды и т. д. Подобные явления называют тепловыми явлениями.

Мы знаем, что при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей. Вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается. Воздух, окружающий батареи с горячей водой, нагревается и т. д.

Словами «холодный», «теплый», «горячий» мы обозначаем тепловое состояние тел. Величиной, характеризующей тепловое состояние тел, является температура.

Всем известно, что температура горячей воды выше температуры холодной. Зимой температура воздуха на улице ниже, чем летом.

Приборы, служащие для измерения температуры, называются термометрами. Один из них изображен на рисунке 58. Действие такого термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении уменьшается Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С).

А. Цельсий (1701 —1744) —шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за 100 градусов — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Некоторые из температур, встречающиеся в при-Рис. 58 роде и технике, можно найти в таблице 7.

Следует помнить, что любой термометр всегда показывает свою собственную температуру. Для определения температуры среды термометр следует поместить в эту среду и подождать до тех пор, пока температура прибора не перестанет изменяться, приняв значение, равное температуре окружающей среды. При изменении температуры среды будет изменяться и температура термометра.

Несколько иначе действует медицинский термометр, предназначенный для измерения температуры тела человека. Он относится к так называемым максимальным термометрам, фиксирующим наибольшую температуру, до которой они были нагреты. Измерив свою собственную температуру, вы можете заметить, что, оказавшись в более холодной (по сравнению с человеческим телом) среде, медицинский термометр продолжает показывать прежнее значение. Чтобы вернуть столбик ртути в исходное состояние, этот термометр необходимо встряхнуть.

С лабораторным термометром, используемым для измерения температуры среды, этого делать не нужно.

Первый жидкостный термометр был изобретен в 1631 г. французским физиком Ж. Реем. Однако, научившись измерять температуру, люди не понимали, что же именно они измеряют. Вопрос о том, что такое температура, оказался очень сложным. Чем, например, горячая вода отличается от холодной? В течение долгого времени на этот вопрос не было ясного ответа.
Сегодня мы знаем, что при любой температуре вода состоит из одних и тех же молекул. Тогда что именно изменяется в воде при увеличении ее температуры?

Обратимся к опыту. Возьмем два куска сахара и один из них бросим в холодную воду, а другой — в кипяток. Мы увидим, что в горячей воде сахар растворится значительно быстрее. Растворение происходит из-за диффузии. Таким образом, диффузия при более высокой температуре происходит быстрее, чем при низкой.

Но причиной диффузии является движение молекул. Значит, между скоростью движения молекул и температурой тела есть связь: в теле с большей температурой молекулы движутся быстрее.

Например, средняя скорость молекул кислорода при 0 °С составляет 425 м/с, а при 20 °С она равна 440 м/с. Подчеркнем, что температура определяется именно средней скоростью молекул. Скорости движения отдельных молекул тела отличаются друг от друга и при заданной температуре могут быть как больше средней, так и меньше ее.

Но температура зависит не только от средней скорости молекул. Так, например, кислород, средняя скорость движения молекул которого составляет 440 м/с, имеет температуру 20 °С, а азот при той же средней скорости молекул имеет температуру 16 °С. Меньшая температура азота обусловлена тем, что молекулы азота легче молекул кислорода. Таким образом, температура вещества определяется не только средней скоростью движения его молекул, но и их массой.

Мы знаем величины, которые зависят как от скорости, так и от массы частицы. Это — импульс и кинетическая энергия. Учеными установлено, что именно кинетическая энергия молекул определяет температуру тела:

температура является мерой средней кинетической энергии частиц тела; чем больше эта энергия, тем выше температура тела.

Итак, при нагревании тел средняя кинетическая энергия молекул увеличивается, и они начинают двигаться быстрее; при охлаждении энергия молекул уменьшается, и они начинают двигаться медленнее.

Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением. Тепловое движение отличается от обычного механического движения тем, что его интенсивность зависит от температуры тела и в нем всегда участвует очень много частиц, движущихся по очень сложным и запутанным траекториям.

1. Какие тепловые явления вы знаете? 2. Как протекает диффузия при разных температурах? 3. Как температура вещества зависит от средней скорости молекул и их массы? 4. Мерой чего является температура тела? 5. Чем отличается горячая вода от холодной? 6. В каком растворе — горячем или голодном — быстрее просаливаются огурцы? Почему? 7. Что такое тепловое движение? Почему оно так называется? Чем оно отличается от механического движения тел? 8. На чем основано действие термометров? 9. Когда и кем был изобретен первый жидкостный термометр?

Тепловое движение. Температура

Тепловое движение и температура. Постоянная Больцмана

В тепловом движении участвуют все молекулы вещества, поэтому с изменением характера теплового движения изменяется и состояние вещества, его свойства. Так, при повышении температуры вода закипает, превращаясь в пар. Если понижать температуру, вода замерзает и из жидкости превращается в твёрдое тело.

Температура является мерой интенсивности теплового движения молекул и характеризует состояние теплового равновесия системы макроскопических тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Температуру измеряют термометром. В любом термометре используется изменение какого-либо макроскопического параметра в зависимости от изменения температуры.

Единицей измерения температуры в системе единиц СИ является градус Кельвина (К). Формула перехода от шкалы Цельсия к шкале температур Кельвина (абсолютной шкале) имеет вид:

   

где температура по шкале Цельсия.

Минимальной температуре соответствует нуль по абсолютной шкале. При абсолютном нуле тепловое движение молекул прекращается.

Чем выше температура тела, тем больше скорости теплового движения молекул, а, следовательно, тем большей энергией обладают молекулы тела. Таким образом, температура служит мерой кинетической энергии теплового движения молекул.

Средняя квадратичная скорость движения молекул

Средняя квадратичная скорость движения молекул вычисляется по формуле:

   

где постоянная Больцмана, Дж/К.

Средняя кинетическая энергия движения одной молекулы

Средняя кинетическая энергия движения одной молекулы:

   

Физический смысл постоянной Больцмана заключается в том, что эта постоянная определяет связь между температурой вещества и энергией теплового движения молекул этого вещества.

Важно отметить, что средняя энергия теплового движения молекул зависит только от температуры газа. При данной температуре средняя кинетическая энергия поступательного хаотического движения молекул не зависит ни от химического состава газа, ни от массы молекул, ни от давления газа, ни от объема, занимаемого газом.

Примеры решения задач

Конспект урока на тему» Связь температуры тела со скоростью движения его молекул»

Урок 2 (8класс)

Тема урока: Связь температуры тела со скоростью движения его молекул.

Цели урока:

Образовательные:

Обучающиеся должны усвоить, что:

Обучающиеся должны научиться;

• определять агрегатное строение вещества по его характеристикам;

• устанавливать характерные свойства для различных веществ

Воспитательные:

• показать, что источник возникновения физики – реальный мир, что наука возникла из практических потребностей человека;

• формирование информационных компетенций: работы с различными источниками информации (включая учебные пособия, специальные описания), эстетических навыков при оформлении записей, выполнении чертежей;

• формирование самостоятельности, культуры общения, умения работать в парах.

Развития мышления:

• Развитие мыслительной деятельности: умения анализировать, обобщать, классифицировать, логического мышления.

Ход урока

“В одном мгновенье видеть вечность,

Огромный мир – в зерне песка,

В единой горсти – бесконечность

И небо – чашечке цветка”.

В.Блейк.

I. Организационный момент. Приветствие обучающихся.

II. Этап актуализации знаний.

1. Закончите фразу.

– Молекула – это…

– Молекулы состоят из …

– У одного и того же вещества

молекулы…

– У разных веществ молекулы…

2. Подчеркните неверное утверждение.

– При нагревании молекулы вещества увеличиваются в размерах.

– При нагревании вещества увеличиваются промежутки между молекулами.

Все пары осуществляют взаимопроверку.

Взаимопроверка по ключам.

III. Самостоятельная работа

1. вариант

1 Выберите верное утверждение.

1 Только твердые вещества, состоят из молекул. 2 Только жидкости состоят из молекул.

3 Все тела состоят из молекул.

2. Отличается ли чем – нибудь молекулы твердое йода и молекулы газообразного вида

1 Не отличаются. 2 Отличаются формой. 3 Отличаются числом атомов.

3 Промежутки между молекулами жидкости и молекулами твёрдого тела при одной и той же температуре…

1 Одинаковы. 2 Промежутки между молекулами жидкости больше чем между молекулами твердого тела. 3 Промежутки между молекулами жидкости меньше, чем между молекулами твёрдого тела

4 Можно ли утверждать, что объём водорода в воздушном шаре равен сумме объёмов отдельных молекул водорода

1 Да. 2 Нет, т.к. есть промежутки между молекулами.

2 вариант

1 Мельчайшей частицей является….

1 Элементарная частица. 2 Атом. 3 Молекула.

2 Отличаются ли чем-нибудь молекулы водяного пара от молекул воды?

1 Отличается формой. 2 Молекулы пара больше молекул жидкости. 3 Молекулы пара меньше молекул жидкости. 4 Не отличается

3 В стакан, наполненный до краев чаем, всыпали ложку сахарного песка, чай не пролился. Почему?

1 Сахар испарился. 2 Молекулы сахара заняли промежутки между молекулами воды.

3 Молекулы воды стали меньше размером и освободившееся пространство заполнили молекулы сахара.

4 Есть отличия между молекулам серебра горячий и холодный ложки?

1 Нет. 2 Молекулы серебра холодной ложки меньше, чем молекулы горячей.

IV. Этап «создания» нового знания

Диффузия – процесс взаимного проникновения молекул веществ в результате их беспорядочного движения.

Диффузия может происходить в газах, жидкостях и твёрдых телах.(Распространение запахов, окрашивание жидкостей и тканей)

Английский металлург Вильям Робертс-Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца, поместил цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200 С, и держал его в печи 10 дней. Затем разрезал цилиндр на тонкие диски и измерил массу золота, которое проникло в каждый срез свинца.

Одинаково ли быстро диффузия протекает в газах, жидкостях и твёрдых телах?

Скорость диффузии зависит от расстояния между молекулами. Чем больше расстояние между частицами, тем быстрее протекает диффузия.

А теперь давайте решим, почему диффузия протекает по разному в газах, жидкостях и твёрдых телах при разной температуре?

Какую гипотезу можно выдвинуть?

Если вещество однородное, что произойдёт с его молекулами при нагревании?

А как можно проверить эту гипотезу?

V. Решение задач

Объясните следующие ситуации на основе связи температуры тела и скорости движения молекул

1.Лужи быстрее высыхают на солнце, чем в тени.

2.Бельё быстрее сохнет на ветру.

3.На поверхности молока, налитого в сосуд, через некоторое время образуются сливки. Это жир, входящий в состав молока, собирается капельками и всплывает на поверхность. Сливки в холодильнике отстаиваются быстрее, чем в тёплом помещении.

4.Запах берёзового веника в жаркой бане распространяется быстрее, чем в прохладной комнате.

5.Огурцы быстрее просаливаются в горячей воде , чем в холодной.

6.Грибы около плиты высыхают, а забытые в корзине гниют.

VI. Закрепление изученного

Физический диктант (да, нет)

1.Вещество состоит из мельчайших частиц. (да)

2.Объём газа при нагревании увеличивается, т. к. каждая молекула становится больше по размеру. (нет)

3.Плёнка масла, растекаясь по поверхности воды, может занять любую площадь. (нет)

4.Молекулы воды точно такие же, как молекулы льда. (да)

5.Атомы состоят из молекул. (да)

6.Объём жидкости при нагревании уменьшается. (нет)

7.При сжатии газа уменьшается размер молекул. (нет)

8.Газом из двухлитрового сосуда можно заполнить четырёхлитровый сосуд. (да)

VII. Итоги урока

Процесс диффузии имеет большое значение в природе. Дыхание животных и растений, проникновение кислорода из крови в ткани – всё это диффузия.

Скорость диффузии зависит от температуры (чем холоднее тело , тем меньше скорость движения молекул и тем медленнее протекает процесс диффузии и наоборот ).

Экспериментальное задание:

1.Встакан с водой с помощью пипетки опустите на дно несколько капель крепкого чая. Объясните что произойдет с раствором.

2.Взяв два стакана — с горячей и холодной водой, выясните зависимость скорости диффузии от температуры.

3.Возьмите часы, рулетку, флакон духов и встаньте в разные углы комнаты. Пусть товарищ заметит время и откроет флакон духов. Вы отметьте время , когда почуствуете запах. Измерьте расстояние между вами и найдите скорость диффузии ( по формуле s/t, где s- это расстояние, а t – время)

Домашнее задание:

§ , вопросы.

Экспериментальное задание:

1.Встакан с водой с помощью пипетки опустите на дно несколько капель крепкого чая. Объясните что произойдет с раствором.

2.Взяв два стакана — с горячей и холодной водой, выясните зависимость скорости диффузии от температуры.

3.Возьмите часы, рулетку, флакон духов и встаньте в разные углы комнаты. Пусть товарищ заметит время и откроет флакон духов. Вы отметьте время, когда почувствуете запах. Измерьте расстояние между вами и найдите скорость диффузии (по формуле s/t, где s- это расстояние, а t – время)

Тепловое движение. Термометр. Связь температуры тела со скоростью движения его молекул

Конспект урока по физике в 8 классе

Тема занятия:	Тепловое движение. Термометр. Связь температуры тела со скоростью движения его молекул.
Цели занятия:	Образовательные: в результате сегодняшнего урока учащиеся смогут привести примеры и назвать признаки тепловых явлений, выделить особенности теплового движения частиц, из которых состоят тела, узнают, что характеризует температура, как связана температура со скоростью движения молекул и их кинетической энергией, на чем основано действие термометров, усвоят правила измерения температуры. Развивающие: формирование умений наблюдать, работать с физическим прибором – термометром, применять полученные знания для решения познавательных и практических задач, работать с текстом (выделять главное), развитие мыслительных способностей учащихся: умений выделять главное, анализировать, сравнивать. Воспитательные: формирование убеждённости в возможности познания природы, интереса к предмету, формирование ценностных отношений друг к другу, учителю.
Материальное обеспечение занятия:	Учебник – А.В. Пёрышкин. Физика 8, телевизор с DVD-плеером, единая коллекция ЦОР по физике – 8 класс, прибор — «Модель теплового движения молекул газа и броуновского движения», термометры

Ход занятия:

I. Организационный момент.

Напоминает правила поведения в кабинете физики.

Фронтальная беседа.

Давайте вспомним, что такое физика и что она изучает?

Почему физику называют экспериментальной наукой?

Изучая физические явления, мы обязательно будем ставить опыты, проводить наблюдения, выполнять лабораторные исследования. Вашим помощником в приобретении знаний будет учебник «Физика. 8 класс», он написан А.В. Перышкиным, которым написан учебник и для 7 класса, по которому вы учились.

II. Мотивационный этап.

Давайте ознакомимся с учебником. Учебник построен также : параграф, вопросы после параграфа, могут быть упражнения, задания. В конце учебника располагается материал для дополнительного чтения и проведения лабораторных работ.

Откройте оглавление учебника. Посмотрите название глав и скажите, какие физические явления мы будем изучать в 8 классе? Какие явления мы начнем изучать первыми?

В результате сегодняшнего урока каждый сможет приводить примеры тепловых явлений, формулировать их признаки, узнает определения новых понятий и величин, характеризующих тепловые явления. Многие знания вы будете получать самостоятельно, проводя наблюдения и опыты.

III. Актуализация знаний, необходимых для понимания нового материала.

Для лучшего понимания материала урока, необходимо вспомнить, какие физические явления мы изучали в 7 классе? ( Если будет заминка, то демонстрируется движение тележки)

Возьмите задание №1 (смотри приложение). У вас на столе и заполните пропуски в предложениях. Давайте попробуем вспомнить формулу, по которой определяется кинетическая энергия. А что мы знаем о строении вещества?

Возьмите задание №2 (смотри приложение). У вас на столе и заполните пропуски.

Посмотрите на экран. Демонстрация из единой коллекции ЦОР по физике №9 : расположение и движение молекул в разных агрегатных состояниях. Почему в разных агрегатных состояниях вещества одни и те же молекулы двигаются по –разному.

IV. Изучение нового материала.

А сейчас внимание на экран телевизора. Демонстрируется с помощью DVD -плеера фрагмент из фильма «Тепловые явления».

Эвристическая беседа.

Назовите тепловые явления, которые вы видели. Делается запись на доске: Тепловые явления.

Примеры :…

По каким же признакам мы узнаем тепловое явление?

( Какие изменения мы наблюдаем?)

Демонстрация модели движения молекул газа, броуновского движения- изменение скорости движения. Что изменилось, почему?

Демонстрация из единой коллекции ЦОР по физике №10. Какие изменения с молекулярной точки зрения происходят в процессах плавления и отвердевания?

Определение:

Непрерывное , беспорядочное (хаотичное) движение огромного числа частиц в теле назвали тепловым. Чем отличается определение в учебнике?

Какие слова отсутствуют? Имеют ли они значение для выделения признаков теплового движения, как особого движения?

Как вы думаете, почему движение молекул назвали тепловым?

Давайте сравним механическое движение тела и тепловое движение молекул внутри тела. Заполним таблицу.

Механическое движение тела	Тепловое движение молекул

Движение одной молекулы можно считать механическим. Как вы думаете, почему?

Для изучения тепловых явлений необходимо ввести физическую величину, которую можно будет измерить и выразить числом. Назовите эту величину.

Обозначение температуры – t⁰.

Прочитайте параграф 1( с карандашом в руках) и найдите всю информацию о температуре. Заполните пропуски в тексте « Паспорт физической величины – температуры» (смотри приложение).

Демонстрация из единой коллекции ЦОР по физике №11. Что доказывает данная интерактивная модель?

Можно ли степень нагретости тела определять по нашим ощущениям?

Всегда ли можно доверять нашим ощущениям? Опыт с холодной, горячей и теплой водой.

Как же определить температуру тела? ( с помощью какого прибора?). На вашем столе лежит лабораторный термометр. Возьмите его в руки, держите правильно: подальше от резервуара. Какую самую низкую и какую самую высокую температуру можно этим термометром измерить? Записи на доске. Какова цена деления лабораторного термометра?

Обхватите резервуар другой рукой. Какие изменения вы наблюдаете? Почему?

На чем основано действие термометра и как строится его шкала?

Демонстрация из единой коллекции ЦОР по физике №4 и №6. Очень важно правильно пользоваться термометром! Демонстрация из единой коллекции ЦОР по физике №5.

Состояние, когда температура перестает изменяться, называется состоянием теплового равновесия.

Для учащихся составлена памятка правил измерения температуры (смотри приложение).

Применение полученных знаний

Положите перед собой листок с заданиями «Проверь себя»( смотри приложение). Проверка тестовых заданий.

VI. Рефлексия.

Положите перед собой листок «Маршрут познания» (смотри приложение).

1) Выберите правильный ответ.

Энергия и скорость молекул – это

1. единица измерения

2. физическая величина

3. физическое явление

4. физическое понятие

2) Оцените по 10-ти бальной шкале свою деятельность на разных этапах урока.

3) По линейке баллов от 0 до 10 укажите на каком уровне знаний по теме «Тепловые явления. Температура» вы находились в начале урока и на каком в конце урока.

VII. Информация о домашнем задании.

Прочитать параграф №1 в учебнике. Оформить в тетради «Паспорт физической величины – температуры», вклеить памятку « Правила измерения температуры».

Для желающих творческое задание на выбор:

1. Сравните шкалу Фаренгейта и шкалу Кельвина со шкалой Цельсия (сделайте рисунок). Определите чему равна нормальная температура человеческого тела (36,6⁰С) по шкале Фаренгейта и шкале Кельвина.

2. Сделайте презентацию «Виды термометров».

Приложение

Задание №1

1.Механическое движение – это … положения тела в пространстве … других тел с течением … .

2. Траектория – это … , вдоль которой движется тело.

3. Скорость – это ф.в., характеризующая … движения.

4.Движущееся тело обладает … … энергией.

Задание№2

1.Вещества состоят из … , между которыми есть … .

2.Частицы непрерывно и беспорядочно … .

3. Скорость движения молекул зависит от … .

4.Молекулы взаимно … и … .

5.Характер движения ( как двигаются ) молекул зависит от … вещества.

Определение: Непрерывное , беспорядочное (хаотичное)

движение огромного числа частиц в теле назвали тепловым движением.

Сравнение механического движения тела и теплового движения молекул в теле

Механическое движение тела	Тепловое движение молекул

Сравнение механического движения тела и теплового движения молекул в теле

Механическое движение тела	Тепловое движение молекул
Тело может изменять положение в пространстве или находиться в покое относительно других тел	Существует всегда
Упорядочен- ность движения ( столкновения рассчитываются)	Хаотичность движения из-за огромного числа частиц(столкновения — норма)
Скорость тела не зависит от температуры	Средняя скорость молекул зависит от температуры
Движущееся тело обладает кинетической энергией	Движущиеся молекулы обладают средней кинетической энергией.

Паспорт физической величины – температуры t⁰

Температура – это … … ф.в.

-характеризует …

— измеряется …

— выражается в …

— зависит от …

— связана со …

Паспорт физической величины – температуры t⁰

Температура – это скалярная ф.в.

-характеризует степень нагретости тела,

— измеряется термометром,

— выражается в градусах Цельсия, t⁰C

— зависит от скорости движения молекул,

— связана со средней кинетической энергией молекул (t ,Е_к; t_к

Памятка: правила использования термометра

1. Термометр должен иметь массу значительно меньше массы тела.

2) Определить в каких диапазонах температур можно производить измерения с помощью данного термометра.

3) Определить цену деления шкалы.

4) Тело необходимо привести в тепловой контакт с термометром и выждать время, пока уровень столбика жидкости не перестанет перемещаться, т.е. наступит состояние теплового равновесия.

5) При отсчете показаний термометра его резервуар должен находиться в той среде, температуру которой мы измеряем.

Проверь себя

1)В схеме «паучок» впишите названия тепловых явлений , укажите признак .

2)Выберите правильный ответ ( поставьте крестик)

а)Какие физические явления доказывают существование движения молекул

— деформация тел

— явление всемирного тяготения

— броуновское движение

— диффузия

б) Скорость распространения запаха духов при температуре 20⁰С около 1см/с, средняя скорость движения молекул газа при этой температуре 400 м/с. Значительная разница между скоростями свидетельствует о

— значительно меньшей скорости молекул духов по сравнению со скоростями молекул газов воздуха

— ошибочных измерениях средней скорости движения молекул при комнатной температуре

— зависимости скорости движения молекул от их количества в данном объеме

— хаотическом характере движения молекул

в) В баллоне находится смесь кислорода и азота. При тепловом равновесии у этих газов обязательно одинаковы

— температуры

— плотности

— давление каждого из газов

г) Температура тела А равна 300⁰С, температура тела Б равна 0⁰С. Температура какого из тел повысится при тепловом контакте тел?

— тела А

— тела Б

— температуры тел А и Б не изменятся

— температуры тел А и Б могут только понижаться.

д) Действие термометра основано на

— увеличении скорости молекул при увеличении температуры

— уменьшении средней кинетической энергии молекул при уменьшении температуры

— увеличении скорости протекания диффузии при повышении температуры

— расширении жидкости при нагревании и сжатии при охлаждении.

е) Как температура вещества зависит от кинетической энергии молекул вещества

— чем больше средняя кинетическая энергия молекул, тем ниже температура вещества

— чем меньше средняя кинетическая энергия молекул, тем ниже температура вещества

— температура вещества и кинетическая энергия молекул не связаны между собой.

3) На рисунке изображен термометр. Определите предел измерения температуры, цену деления и снимите показания.

Приложение

«Маршрут познания»

1) Выберите правильный ответ.

Энергия и скорость молекул – это

1. единица измерения
2. физическая величина
3. физическое явление
4. физическое понятие

2) Оцените по 10-ти бальной шкале свою деятельность на разных этапах урока.

• Выполнили задание №1 (заполнить пропуски в тексте)

• Выполнили задание №2 (заполнить пропуски в тексте)

• Назвали тепловые явления

• Указали признаки тепловых явлений

• Заполнили таблицу сравнения механического движения тела и теплового движения молекул

• Составили паспорт физической величины – температуры

• Изучили памятку о правилах измерения температуры

• Определили предел измерения термометра

• Определили цену деления

• Измерили температуру

• Выполнили самостоятельную работу

3) По линейке баллов от 0 до 10 оцените на каком уровне знаний по теме «Тепловые явления. Температура» вы находились в начале урока и на каком в конце урока.

Тепловое движение. Температура.

В окружающем нас мире происходят различного рода физические явления, которые напрямую связанны с изменением температуры тел. Еще с детства мы знаем, что холодная вода при нагревании сначала становится едва теплой и лишь спустя определенное время горячей.

Такими словами как «холодный», «горячий», «теплый», мы определяем различную степень «нагретости» тел, или, если говорить языком физики на различную температуру тел. Температура теплой воды немного выше температуры прохладной воды. Если сравнивать температуру летнего и зимнего воздуха, то разница в температуре очевидна.

Температура тел измеряется с помощью термометра и выражается в градусах Цельсия (°C).

Как известно, диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Из этого следует, что скорость перемещения молекул и температура глубоко взаимосвязаны между собой. Если увеличить температуру, то скорость движения молекул увеличится, если уменьшить – понизится.

Таким образом, делаем вывод: температура тела напрямую зависит от скорости перемещения молекул.

Горячая вода состоит из абсолютно таких же молекул, как и холодная. Разница между ними состоит лишь в скорости передвижения молекул.

Явления, которые имеют отношение к нагреву  или охлаждению тел, изменению температуры, получили название тепловые. К ним можно отнести нагревание или охлаждение воздуха, плавку метала, таяние снега.

Молекулы, либо атомы, которые являются основой всех тел, находятся в бесконечном хаотичном движении. Количество подобных молекул и атомов в окружающих нас телах огромно. В объеме равном 1 см³ воды, содержится приблизительно 3,34 · 10²² молекул. Любая молекула имеет очень сложную траекторию движения. К примеру, частицы газа, передвигающиеся с большими скоростями в различных направлениях, могут сталкиваться как друг c другом, так и со стенками сосуда. Таким образом, они меняют свою скорость и опять продолжают движение.

Рисунок №1 демонстрирует беспорядочное движение частиц краски, растворенных в воде.

Таким образом, делаем еще один вывод: хаотичное движение частиц, которые составляют тела, называют тепловым движением.

Хаотичность является важнейшей чертой теплового движения. Одним из самых главных доказательств движения молекул является диффузия и Броуновское движение. (Броуновское движение – движение мельчайших твердых частиц в жидкости под воздействием ударов молекул. Как показывает наблюдение,  Броуновское движение не может прекратиться).

В жидкостях молекулы могут колебаться, вращаться и двигаться относительно других молекул. Если брать твердые тела, то в них молекулы и атомы колеблются около некоторых средних положениях.

В тепловом движении молекул и атомов участвуют абсолютно все молекулы тела, именно поэтому с изменением теплового движения меняется и состояние самого тела, его различные свойства. Таким образом, если повысить температуру льда то он начинает таять, принимая при этом уже абсолютно другую форму – лед становится жидкостью. Если же наоборот, понижать температуру, к примеру, ртути, то она изменит свои свойства и из жидкости, превратится в твердое тело.

Температура тела напрямую зависит от средней кинетической энергии молекул. Делаем очевидный вывод: чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. И, наоборот, при понижении температуры тела, средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.

Если у вас остались вопросы, или вы хотите узнать больше о тепловом движении и температуре, зарегистрируйтесь на нашем сайте и получите помощь репетитора.

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!

Зарегистрироваться

© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Движение частиц

Эта идея фокусировки исследуется через:

Противоположные взгляды студентов и ученых

Ежедневный опыт студентов

На этом уровне студенты должны «объяснять поведение и свойства материалов с точки зрения составляющих их частиц и сил, удерживающих их вместе» (стандарты VELS, уровень 6). Однако тот факт, что учащиеся могут рисовать обычное статическое расположение частиц в твердых телах, жидкостях и газах, не означает, что они придерживаются полного представления о материи.Исследования показывают, что многие студенты в этом возрасте и старше все еще придерживаются ряда альтернативных представлений о частицах, которые трудно погасить. Они часто не осознают очень маленький размер частиц, приписывают микроскопическим частицам макроскопические свойства, испытывают трудности с пониманием движения частиц во всех состояниях материи и имеют проблемы с пониманием сил между частицами.

Research: Driver (1987)

Многие студенты, которые понимают, что материя представляет собой твердые частицы, все еще сохраняют прежние взгляды и считают, что частицы могут изменять свою форму (от твердого до жидкого), взрываться, гореть, расширяться, изменять форму и цвет или сжиматься.Студенты визуализируют атомы, молекулы и ионы как маленькие шарообразные объекты (возможно, из-за способа представления информации), и это способствует тому, что они путают свойства частиц с макроскопической природой материалов, из которых они состоят.

Research: Happs (1980)

Эти идеи также рассматриваются в идее фокуса. Макроскопические и микроскопические свойства.

Студенты часто не понимают динамическую природу частиц; они склонны думать о них как о статичных.Студенты могут верить, что частицы газа движутся медленно, подобно тому, как они наблюдают, когда видят взвешенные частицы пыли в луче света. Случайное движение частиц в жидкостях и газах — трудная для понимания концепция. На вопрос: «Почему частицы газа не падают на дно сосуда?» только около 50% студентов думали, что частицы находятся в постоянном движении. Студенты заявили, что частицы раздвигались (под действием тепла как вещества) при нагревании газов.Когда газы конденсировались в жидкость, многие студенты объясняли это увеличением сил притяжения между частицами.

Исследования: Новик и Нуссбаум (1981)

Студентам часто трудно оценить движение частиц в твердых телах, и это приводит к различным представлениям о замораживании и плавлении. Вот несколько примеров того, как студенты думают о поведении частиц в тающей ледяной глыбе:

Студент 1: «Частицы начинают отламываться друг от друга из-за повышения температуры.Когда они отделяются друг от друга, они превращаются из кристаллической формы в форму раствора ».

Студент 2:« Когда кусок льда вынимается из морозильной камеры, резкое изменение температуры реагирует на частицы, заставляющие их уменьшаются в размерах ».

Scientific view

Атомы невероятно малы, и их невозможно увидеть даже с помощью самого мощного светового микроскопа. Мы используем несколько моделей атомов, чтобы помочь объяснить химические процессы и описать их поведение.

В газах частицы движутся быстро во всех направлениях, часто сталкиваясь друг с другом и стенками контейнера.С повышением температуры частицы приобретают кинетическую энергию и движутся быстрее. Фактическая средняя скорость частиц зависит от их массы, а также от температуры — более тяжелые частицы движутся медленнее, чем более легкие, при той же температуре. Молекулы кислорода и азота в воздухе при нормальной комнатной температуре быстро перемещаются со скоростью от 300 до 400 метров в секунду. В отличие от столкновений между макроскопическими объектами, столкновения между частицами являются совершенно упругими без потери кинетической энергии.Это сильно отличается от большинства других столкновений, когда некоторая кинетическая энергия преобразуется в другие формы, такие как тепло и звук. Совершенно упругая природа столкновений позволяет частицам газа продолжать отскакивать после каждого столкновения без потери скорости. Частицы по-прежнему подвержены силе тяжести и ударяются о дно контейнера с большей силой, чем о его верх, что придает газу вес. Если бы вертикальное движение молекул газа не замедлялось под действием силы тяжести, атмосфера давно бы покинула Землю.

В жидкостях частицы расположены довольно близко друг к другу и беспорядочно перемещаются по контейнеру. Частицы быстро движутся во всех направлениях, но сталкиваются друг с другом чаще, чем в газах, из-за более коротких расстояний между частицами. С повышением температуры частицы движутся быстрее, поскольку они набирают кинетическую энергию, что приводит к увеличению частоты столкновений и увеличению скорости диффузии.

В твердом теле частицы упаковываются вместе настолько плотно, насколько это возможно, в аккуратном и упорядоченном расположении.Частицы удерживаются вместе слишком сильно, чтобы их можно было перемещать с места на место, но частицы действительно колеблются относительно своего положения в структуре. С повышением температуры частицы приобретают кинетическую энергию и вибрируют быстрее и сильнее.

Сила притяжения в твердых телах не обязательно должна быть сильнее, чем в жидкостях или газах. Например, силы между твердыми частицами гелия (при -270 ° C) все еще очень слабы. Для сравнения, силы между частицами паров железа (требующие очень высоких температур) очень велики.Если вы сравните разные вещества, имеющие одинаковую температуру, то средняя кинетическая энергия частиц будет одинаковой (т. Е. Если частицы имеют одинаковую массу, они будут двигаться с одинаковой скоростью), но силы притяжения в твердых телах будут быть больше, чем в жидкостях, которые будут больше, чем в газах. Силы притяжения не ослабевают, когда вещество переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное, скорее, кинетическая энергия частиц увеличивается (что означает более быстрое движение), позволяя им преодолевать силы притяжения.

Критические идеи обучения

• Вся материя состоит из атомов, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть даже с помощью самых мощных световых микроскопов.
• Частицы во всех состояниях материи находятся в постоянном движении, и это очень быстро при комнатной температуре. Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию и скорость частиц; это не ослабляет силы между ними.
• Частицы в твердых телах колеблются в фиксированных положениях; даже при очень низких температурах.
• Отдельные частицы в жидкостях и газах не имеют фиксированного положения и движутся хаотично.
• Столкновения между частицами отличаются от столкновений между макроскопическими объектами тем, что они совершенно упругие: то есть кинетическая энергия частиц остается постоянной, и во время столкновений энергия не преобразуется в другие формы.

Изучите взаимосвязь между идеями о движении частиц в Карты развития концепций — (химические реакции, состояния вещества)

Студенты этого уровня неоднократно сталкивались с идеями о частицах (включая атомы, ионы и молекулы), но многие из них сохраняют альтернативные или наивные взгляды на природа частиц, и они могут препятствовать их пониманию.Стремитесь принять стратегии обучения, которые вызывают у учащихся неудовлетворенность их существующими идеями, и продвигать научную концепцию, которая будет правдоподобной, последовательной и полезной в различных ситуациях.

Преподавательская деятельность

Выявление существующих идей студентов

Важно выяснить предыдущие взгляды большинства студентов в начале обучения, чтобы установить их существующее понимание модели частиц материи.

Спросите студентов, что они думают о размере атомов по сравнению с другими мелкими объектами, такими как клетки, бактерии и вирусы.Это можно сделать, попросив их нарисовать их относительный размер в одном масштабе (шкале, где человеческая клетка равна размеру страницы или плаката). Выразите идею о том, что атомы снова стали намного меньше. Поищите другие действия, которые помогут укрепить идею о том, что частицы очень и очень маленькие.

Покажите студентам обычные рисунки частиц в твердых телах, жидкостях и газах и спросите их, движутся ли они и с какой скоростью.

Бросить вызов существующим идеям

Здесь актуален ряд вопросов, поднятых в основной идее «Сохранение массы», и взвешивание колбы, содержащей небольшое количество ацетона до и после испарения, может быть использовано для проверки идей студентов. о том, что вещество легче в газовом состоянии, и о проблемах со статическими изображениями частиц газа в текстах.Для получения дополнительной информации см .: Сохранение массы.

Помогите учащимся выработать для себя некоторые «научные» объяснения

При небольшом поощрении класс обычно может решить путем обсуждения, что частицы в газах должны ударяться о дно колбы сильнее, чем о ее верх, и, следовательно, на них действует сила тяжести. Это может быть расширено до объяснения того, почему атмосфера Земли истончается и в конечном итоге прекращается — вертикальное движение частиц вверх прекращается.

Содействовать осмыслению и прояснению существующих идей и поощрять студентов к выявлению явлений, не объясняемых (в настоящее время представленной) научной моделью или идеей

Поскольку частицы нельзя наблюдать напрямую, большая часть обучения включает поиск очевидных проблем или несоответствий с своего рода статические изображения частиц, данные в предыдущие годы.Предложите студентам определить их и обсудить возможные объяснения. Некоторые подсказки:

• Что задерживает частицы воздуха?
• Частицы воздуха движутся быстрее в ветреный день?
• Каким образом газы могут иметь вес?
• Почему молекулы воздуха не улетают в космос?

Если необходимо, поднимите подобные вопросы, которые откроют дискуссию, но лучше, если учащиеся предложат некоторые из них сами. Обратите внимание, что многие проблемы связаны с газами — для объяснения именно их свойств нам больше всего нужна модель твердых частиц.

Чтобы усилить понятие упругих столкновений, спросите, что произошло бы, если бы столкновения между частицами газа не были упругими. Какие практические последствия были бы для людей? Это можно представить, бросая различные типы мячей (например, футбольный мяч, мяч для настольного тенниса и надувной мяч (из магазинов игрушек)) и объясняя, что надувной мяч ведет себя больше как частицы газа.

Начать обсуждение через общий опыт

Использование таких упражнений, как POE (Predict-Observe-Explain), может помочь учащимся задуматься, а затем подвергнуть сомнению свои существующие идеи.Следующее задание поможет учащимся обдумать свои представления о движении частиц.

Установите две пары колб, каждая из которых соединена клапаном (см. Схемы ниже). Обе пары содержат коричневый диоксид азота в левой колбе.

Эксперименты POE (прогнозировать-наблюдать-объяснять)
	У первой пары также есть воздух в правой колбе. Студентов просят предсказать, что произойдет, когда клапан между двумя колбами откроется.Коричневый цвет будет очень медленно распространяться от одной колбы к другой, потому что частицы часто сталкиваются с частицами воздуха.
	Вторая пара колб имеет коричневый газ в левой колбе, но правая колба полностью откачана. Студентов снова просят предсказать, что произойдет, когда клапан откроется. Очень высокая скорость молекул означает, что они очень быстро наполняют откачанную колбу.

Эксперименты по диффузии могут укрепить идею движения частиц.Их также можно использовать как POE.

Например:

• кристалл сульфата меди помещают в агаровый гель; синий цвет медленно распространяется через гель.
• Кристалл перманганата калия помещают в стакан и медленно добавляют воду. Смотрите изображение. В качестве альтернативы к раствору перманганата калия в бюретке очень медленно добавляют воду.

Броуновское движение также можно наблюдать с помощью стереомикроскопов, когда порошок серы или камфора разбрызгивается на поверхность воды или этанола.

Практикуйтесь в использовании и создайте воспринимаемую полезность научной модели или идеи

Кусок ваты, пропитанный аммиаком, помещается на один конец длинной стеклянной трубки, а другой, пропитанный соляной кислотой (HCl), помещается на другой конец . В конце концов, на стыке двух газов образуется белое кольцо. Два газа имеют одинаковую температуру и, следовательно, частицы имеют одинаковую кинетическую энергию; кольцо образуется ближе к источнику более тяжелой и, следовательно, более медленно движущейся HCl.Это предсказывается сравнением относительных молекулярных масс. Наличие в трубке полоски универсальной индикаторной бумаги позволяет отслеживать диффузию газа. Это пример POE, где полезно привлечь внимание студентов к соответствующему разделу науки, прежде чем они сделают свой прогноз, поскольку он создает полезность для концепции относительной молекулярной массы (значений Mr).

Студентам должна быть предоставлена ​​возможность использовать научные концепции теории частиц в других условиях.Попросите учащихся понаблюдать, а затем объяснить изменения с точки зрения движения частиц в таких сценариях, как плавление воска или пластика, исчезновение нафталина (нафталина) в шкафу и запах духов, распространяющийся по комнате.

Кинетическая молекулярная теория | Безграничная химия

Кинетическая молекулярная теория и законы газа

Кинетическая молекулярная теория объясняет макроскопические свойства газов и может использоваться для понимания и объяснения газовых законов.

Цели обучения

Выразите пять основных предположений кинетической молекулярной теории газов.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Кинетическая молекулярная теория утверждает, что частицы газа находятся в постоянном движении и демонстрируют совершенно упругие столкновения.
• Кинетическая молекулярная теория может быть использована для объяснения законов Чарльза и Бойля.
• Средняя кинетическая энергия скопления частиц газа прямо пропорциональна только абсолютной температуре.

Ключевые термины

• идеальный газ : гипотетический газ, молекулы которого не взаимодействуют и подвергаются упругому столкновению друг с другом и стенками контейнера
• макроскопические свойства : свойства, которые можно визуализировать или измерить невооруженным глазом; примеры включают давление, температуру и объем

Основные предположения кинетической молекулярной теории

К концу 19 века ученые начали принимать атомную теорию материи и начали связывать ее с отдельными молекулами.Кинетическая молекулярная теория газов основана на наблюдениях ученых над газами для объяснения их макроскопических свойств. Ниже приведены основные предположения кинетической молекулярной теории:

1. Объем, занимаемый отдельными частицами газа, ничтожно мал по сравнению с объемом самого газа.
2. Частицы идеального газа не оказывают притяжения друг на друга или на свое окружение.
3. Частицы газа находятся в состоянии постоянного беспорядочного движения и движутся по прямой линии, пока не столкнутся с другим телом.
4. Столкновения частиц газа полностью упругие; когда две молекулы сталкиваются, общая кинетическая энергия сохраняется.
5. Средняя кинетическая энергия молекул газа прямо пропорциональна только абсолютной температуре; это означает, что любое движение молекул прекращается, если температура снижается до абсолютного нуля.

Применение кинетической теории к законам газа

Закон Чарльза гласит, что при постоянном давлении объем газа увеличивается или уменьшается в той же степени, что и его температура.Это можно записать как:

[латекс] \ frac {V_1} {T_1} = \ frac {V_2} {T_2} [/ латекс]

Согласно кинетической молекулярной теории, повышение температуры увеличивает среднюю кинетическую энергию молекул. Поскольку частицы движутся быстрее, они, вероятно, будут чаще сталкиваться с краем контейнера. Если реакция поддерживается при постоянном давлении, они должны находиться дальше друг от друга, и увеличение объема будет компенсировать увеличение столкновения частиц с поверхностью контейнера.

Закон Бойля гласит, что при постоянной температуре абсолютное давление и объем данной массы ограниченного газа обратно пропорциональны. Это соотношение показано следующим уравнением:

[латекс] P_1V_1 = P_2V_2 [/ латекс]

При данной температуре давление в емкости определяется количеством ударов молекул газа о стенки емкости. Если газ сжимается до меньшего объема, то такое же количество молекул ударяется о меньшую площадь поверхности; количество столкновений с контейнером увеличится, и, соответственно, давление также возрастет.Увеличение кинетической энергии частиц приведет к увеличению давления газа.

Кинетическая молекулярная теория газа (часть 1) — YouTube : анализирует кинетическую энергию и фазы вещества и объясняет кинетико-молекулярную теорию газов.

Кинетическая молекулярная теория газа (часть 2) — YouTube : использует кинетическую теорию газов для объяснения свойств газов (расширяемость, сжимаемость и т. Д.))

Распределение молекулярных скоростей и частоты столкновений

Распределение Максвелла-Больцмана описывает средние молекулярные скорости скопления частиц газа при заданной температуре.

Цели обучения

Определите взаимосвязь между распределением скоростей, температурой и молекулярной массой газа.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Газообразные частицы движутся со случайной скоростью и в случайных направлениях.
• Распределение Максвелла-Больцмана описывает средние скорости собираемых газообразных частиц при заданной температуре.
• Температура и молекулярный вес могут влиять на форму распределения Больцмана.
• Средние скорости газов часто выражаются как среднеквадратичные.

Ключевые термины

• скорость : векторная величина, которая обозначает скорость изменения положения относительно времени или скорость с направленным компонентом
• кванта : наименьший возможный пакет энергии, который может быть передан или поглощен

Согласно кинетической молекулярной теории, все газообразные частицы находятся в постоянном беспорядочном движении при температурах выше абсолютного нуля.Движение газовых частиц характеризуется прямолинейными траекториями, прерываемыми столкновениями с другими частицами или с физической границей. В зависимости от природы относительной кинетической энергии частиц, столкновение вызывает передачу кинетической энергии, а также изменение направления.

Среднеквадратичные скорости газовых частиц

Измерение скоростей частиц в данный момент времени приводит к большому распределению значений; одни частицы могут двигаться очень медленно, другие — очень быстро, и поскольку они постоянно движутся в разных направлениях, скорость может быть равна нулю.2 [/ латекс]

В приведенной выше формуле R — газовая постоянная, T — абсолютная температура, а M _m — молярная масса частиц газа в кг / моль.

Распределение энергии и вероятность

Рассмотрим замкнутую систему газообразных частиц с фиксированным количеством энергии. При отсутствии внешних сил (например, изменения температуры), действующих на систему, полная энергия остается неизменной. Теоретически эта энергия может распределяться между газовыми частицами разными способами, и это распределение постоянно меняется, когда частицы сталкиваются друг с другом и со своими границами.Учитывая постоянные изменения, трудно измерить скорости частиц в любой момент времени. Однако, понимая природу движения частицы, мы можем предсказать вероятность того, что частица будет иметь определенную скорость при данной температуре.

Кинетическая энергия может быть распределена только в дискретных количествах, известных как кванты, поэтому мы можем предположить, что в любой момент каждая газовая частица имеет определенное количество квантов кинетической энергии. Эти кванты могут быть распределены по трем направлениям движения различными способами, что приводит к состоянию скорости молекулы; следовательно, чем больше кинетической энергии или квантов у частицы, тем больше у нее состояний скорости.

Если мы предположим, что все состояния скорости равновероятны, состояния с более высокой скоростью будут благоприятными, потому что их больше по количеству. Хотя состояния с более высокими скоростями являются статистически предпочтительными, однако состояния с более низкой энергией, скорее всего, будут заняты из-за ограниченной кинетической энергии, доступной частице; столкновение может привести к частице с большей кинетической энергией, поэтому оно также должно привести к частице с кинетической энергией на меньше, чем на , чем раньше.

Interactive: диффузия и молекулярная масса : исследуйте роль молекулярной массы в скорости диффузии.Выберите массу молекул за барьером. Снимите барьер и измерьте время, необходимое молекулам, чтобы достичь датчика газа. Когда датчик газа обнаружит три молекулы, эксперимент остановится. Сравните скорости диффузии самых легких, тяжелых и самых тяжелых молекул. Проследите отдельную молекулу, чтобы увидеть ее путь.

Распределения Максвелла-Больцмана

Используя приведенную выше логику, мы можем выдвинуть гипотезу о распределении скоростей для данной группы частиц, построив график числа молекул, скорости которых попадают в ряд узких диапазонов.Это приводит к асимметричной кривой, известной как распределение Максвелла-Больцмана. Пик кривой представляет собой наиболее вероятную скорость среди скоплений частиц газа.

Распределение скорости зависит от температуры и массы частиц. С повышением температуры частицы приобретают больше кинетической энергии. Когда мы наносим это на график, мы видим, что повышение температуры приводит к расширению графика Больцмана, при этом относительный максимум смещается вправо.

Влияние температуры на среднеквадратичное распределение скорости : С увеличением температуры увеличивается и средняя кинетическая энергия (v), что приводит к более широкому распределению возможных скоростей.2 [/ latex], доля частиц с более высокими скоростями будет увеличиваться по мере уменьшения молекулярной массы.

Среднеквадратичная скорость

Среднеквадратичная скорость измеряет среднюю скорость частиц в газе, определяемую как [latex] v_ {rms} = \ sqrt {\ frac {3RT} {M}} [/ latex].

Цели обучения

Напомним математическую формулировку среднеквадратичной скорости газа.

Основные выводы

Ключевые моменты

• Все частицы газа движутся со случайной скоростью и направлением.
• Решение для средней скорости частиц газа дает нам среднюю скорость, равную нулю, при условии, что все частицы движутся одинаково в разных направлениях.
• Вы можете получить среднюю скорость газообразных частиц, взяв корень из квадрата средних скоростей.
• Среднеквадратичная скорость учитывает как молекулярную массу, так и температуру, два фактора, которые напрямую влияют на кинетическую энергию материала.

Ключевые термины

• скорость : векторная величина, которая обозначает скорость изменения положения относительно времени или скорость с направленным компонентом

Кинетическая молекулярная теория и среднеквадратичная скорость

Согласно кинетической молекулярной теории, газовые частицы находятся в состоянии постоянного беспорядочного движения; отдельные частицы движутся с разной скоростью, постоянно сталкиваясь и меняя направление.Мы используем скорость для описания движения частиц газа, принимая во внимание скорость и направление.

Хотя скорость газовых частиц постоянно меняется, распределение скоростей не меняется. Мы не можем измерить скорость каждой отдельной частицы, поэтому часто рассуждаем, исходя из среднего поведения частиц. Частицы, движущиеся в противоположных направлениях, имеют скорости противоположных знаков. Поскольку частицы газа находятся в беспорядочном движении, вполне вероятно, что их будет столько же, сколько и в одном направлении, и в противоположном, а это означает, что средняя скорость скопления частиц газа равна нулю; поскольку это значение бесполезно, среднее значение скоростей можно определить с помощью альтернативного метода.

Возводя скорости в квадрат и извлекая квадратный корень, мы преодолеваем «направленную» составляющую скорости и одновременно получаем среднюю скорость частиц. Поскольку значение исключает направление частиц, теперь мы называем это значение средней скоростью. Среднеквадратичная скорость — это мера скорости частиц в газе, определяемая как квадратный корень из квадрата средней скорости молекул в газе.

Он представлен уравнением: [latex] v_ {rms} = \ sqrt {\ frac {3RT} {M}} [/ latex], где v _rms — среднеквадратичное значение скорости, M _м — молярная масса газа в килограммах на моль , R — молярная газовая постоянная, а T — температура в Кельвинах.{-3} \ frac {kg} {mol}}} = 482 \; м / с [/ латекс]

молекул в движении | Глава 1: Вещество — твердые тела, жидкости и газы

Попросите учащихся помочь вам спланировать эксперимент, чтобы увидеть, отличается ли скорость молекул воды в горячей воде от скорости холодной воды.

Задайте студентам следующие вопросы:

• Отличается ли скорость молекул воды в горячей и холодной воде?
• Что мы можем сделать, чтобы узнать?

Студенты могут догадаться, что молекулы в горячей воде движутся быстрее.Есть несколько возможных экспериментов, которые студенты могут предложить, чтобы выяснить, правда ли это. Один из наиболее очевидных способов — сильно нагреть воду, чтобы она закипела. Затем вы можете увидеть, как движется вода. Вы могли бы это сделать, но для этого потребуется электрическая плита, уйдет много времени и, возможно, придется проводить в качестве демонстрации, а не в качестве упражнения, которое могут выполнять ученики.

Сообщите учащимся, что один из возможных методов — использовать горячую и холодную воду и добавлять в воду пищевой краситель.Если при одной температуре молекулы воды движутся быстрее, чем при другой, пищевой краситель тоже должен двигаться быстрее, и движение будет легче увидеть.

Спросите студентов:

• Следует ли использовать в эксперименте одинаковое количество горячей и холодной воды? Да.
• Должны ли мы использовать один и тот же тип чашки для горячей и холодной воды? Да.
• Следует ли использовать одинаковое количество капель пищевого красителя в каждой чашке? Да.
• Стоит ли наносить окраску одновременно? Да.

Объясните: различные параметры, такие как количество воды, тип чашки и количество капель пищевого красителя, называются переменными. Важно сохранить все переменные одинаковыми, кроме той, которую вы тестируете. Поскольку мы пытаемся выяснить, влияет ли температура на движение молекул воды, мы должны оставить все остальное в эксперименте без изменений. Температура должна быть единственной переменной. Таким образом, если мы заметим что-то различное между двумя образцами воды, мы будем знать, что разница в температуре является причиной этого.

Раздайте каждому учащемуся рабочий лист.

Учащиеся записывают свои наблюдения и отвечают на вопросы о задании в листе действий. Разделы «Анимация» и «Продолжить» в листе деятельности будут выполняться в классе, в группах или индивидуально в зависимости от ваших инструкций. Посмотрите на версию листа с заданиями для учителя, чтобы найти вопросы и ответы.

Выполните упражнение для сравнения скорости молекул воды в горячей и холодной воде.

Вопрос для расследования

Отличается ли скорость молекул воды в горячей и холодной воде?

Подготовка учителей

1. Это упражнение работает лучше всего, если есть большая разница между температурами горячей и холодной воды.
2. Выдавите 4–5 капель синего пищевого красителя в небольшую чашку для каждой группы.
3. Выдавите 4–5 капель желтого пищевого красителя в другую небольшую чашку для каждой группы.
4. Добавьте лед примерно в 6 чашек водопроводной воды, чтобы она остыла.
5. Налейте около стакана холодной воды (без льда) в стакан для каждой группы.
6. Налейте около ¾ стакана горячей воды в стакан для каждой группы.

Материалы для каждой группы

• Горячая вода (около 50 ° C) в прозрачном пластиковом стакане
• Холодная вода в прозрачном пластиковом стакане
• Желтый пищевой краситель в маленькой чашке
• Синий пищевой краситель в маленькой чашке
• 4 капельницы

Процедура

1. С помощью ваших партнеров аккуратно поместите 1 каплю желтого и 1 каплю синего пищевого красителя в горячую и холодную воду одновременно.

2. Дайте цветам смешаться самостоятельно, наблюдая за ними в течение нескольких минут.

Запишите и обсудите наблюдения студентов.

Дайте учащимся время после задания, чтобы записать свои наблюдения, ответив на следующие вопросы в листе задания. Как только они ответят на вопросы, обсудите их наблюдения всей группой.

• Опишите, как выглядели цвета, как они двигались и смешивались в холодной воде.
• Опишите, как выглядели цвета, как они двигались и смешивались в горячей воде.
• Как скорость смешения цветов говорит вам о скорости молекул в горячей и холодной воде?

Ожидаемые результаты

Желтый и синий пищевой краситель в горячей воде распространяется быстрее, чем в холодной. Цвета смешиваются и становятся зелеными в горячей воде, в то время как цвета дольше остаются отдельными в холодной воде.Студенты должны согласиться с тем, что пищевой краситель быстрее смешивается в горячей воде, потому что молекулы в горячей воде движутся быстрее, чем в холодной.

Покажите анимацию молекул воды при разных температурах.

Показать анимацию молекулярной модели. Отопление, вода.

Переместите ползунок в нижней части окна до упора вправо, чтобы показать, что молекулы воды движутся быстрее и в горячей воде находятся немного дальше друг от друга.

Объясните: маленькие шарики представляют собой частицы жидкости, в данном случае молекулы воды. Сообщите учащимся, что на данный момент они будут использовать круги или сферы для представления атомов и молекул, но в конечном итоге они будут использовать более подробную модель. На данный момент учащиеся должны сосредоточиться на движении молекул, их взаимодействии и расстоянии друг от друга.

Спросите студентов:

Молекулы движутся быстрее в холодной или горячей воде?

Студенты должны понять, что молекулы горячей воды движутся быстрее.Молекулы холодной воды движутся медленнее.

Как это согласуется с вашими наблюдениями за пищевым красителем?

Пищевой краситель в горячей воде смешался быстрее, чем краситель в холодной воде.

Посмотрите внимательно на пространство между молекулами в холодной и горячей воде. Есть ли больше места между молекулами в горячей или холодной воде? Это много места?

Укажите студентам, что молекулы горячей воды движутся быстрее и находятся немного дальше друг от друга.Молекулы холодной воды движутся медленнее и располагаются немного ближе друг к другу. Если учащиеся не замечают разницы, снова переместите ползунок влево, а затем быстро вправо. Покажите анимацию несколько раз, чтобы студенты могли заметить различия.

Попросите учащихся ответить на вопросы об анимации и нарисовать модель молекул воды на своем рабочем листе.

Попросите учащихся заполнить бланк слова «увеличивается» или «уменьшается» на листе с заданиями, когда вы читаете каждое предложение.

• Нагревание вещества увеличивает молекулярное движение.
• Охлаждение вещества уменьшает движение молекул.
• По мере увеличения молекулярного движения пространство между молекулами увеличивается.
• По мере уменьшения молекулярного движения расстояние между молекулами уменьшается.

Спроецировать изображение молекул воды при разных температурах

Попросите учащихся обратиться к рисунку воды комнатной температуры на своем рабочем листе и обсудить, как они должны представлять молекулы в холодной и горячей воде.

Холодная вода

Спросите студентов:

Могут ли молекулы воды быть ближе друг к другу или дальше друг от друга?

Ученики должны нарисовать круги немного ближе друг к другу, чем круги в воде комнатной температуры. Молекулы воды расположены ближе друг к другу, потому что более медленное движение позволяет притяжению немного сблизить молекулы.

Будет ли линий движения больше или меньше?

Студенты должны понять, что, поскольку молекулы в холодной воде движутся медленнее, у них должно быть меньше линий движения, чем у молекул в воде комнатной температуры.

Учащиеся должны понять, что, поскольку молекулы в холодной воде движутся медленнее, у них должно быть меньше линий движения, чем у молекул в воде комнатной температуры. Более медленное движение также позволяет аттракционам сближать молекулы немного ближе, чем в воде комнатной температуры, поэтому круги должны быть нарисованы немного ближе друг к другу.

Горячая вода

Спросите студентов:

• Могут ли молекулы воды быть ближе друг к другу или дальше друг от друга?
• Будет ли линий движения больше или меньше?
• Какие у вас есть доказательства из вашего эксперимента, чтобы показать, что скорость молекул воды в горячей воде различна?

Горячая вода

Спросите студентов:

Могут ли молекулы воды быть ближе друг к другу или дальше друг от друга?

Ученики должны нарисовать круги немного дальше друг от друга, чем круги в воде комнатной температуры.Более быстрое движение конкурирует с притяжением молекул воды друг к другу и заставляет молекулы раздвигаться немного дальше.

Будет ли линий движения больше или меньше?

Учащиеся должны понимать, что, поскольку молекулы в горячей воде движутся быстрее, чем в холодной воде или воде комнатной температуры, они должны рисовать больше линий движения.

Попросите учащихся объяснить, почему горячая вода занимает больше места, чем вода комнатной температуры.

Попросите учащихся прочитать и обсудить вопрос «Продолжить работу» на листе задания. После обсуждения в классе попросите учащихся написать свои собственные ответы на следующий вопрос в отведенном для этого месте на листе с заданиями.

Допустим, вы отмеряли ровно 100 миллилитров воды в мерном цилиндре. Вы нагреваете воду до 100 ° C и замечаете, что объем увеличивается до 104 миллилитров. Используя то, что вы знаете о притяжении молекул воды и о том, как нагрев влияет на движение молекул, объясните, почему объем воды в цилиндре увеличивается при его нагревании.

Студенты должны понять, что молекулы в горячей воде раздвигаются немного дальше друг от друга, что объясняет увеличенный объем.

Тепло, температура и проводимость | Глава 2: Состояния материи

Примечание. Энергия также может передаваться посредством излучения и конвекции, но в этой главе речь идет только о передаче тепла посредством теплопроводности.

Обсудите, что происходит, когда ложку помещают в горячую жидкость, такую ​​как суп или горячий шоколад.

Спросите студентов:

Вы когда-нибудь клали металлическую ложку в горячий суп или горячий шоколад, а затем прикасались ложкой ко рту? Как вы думаете, что может происходить между молекулами супа и атомами в ложке, чтобы ложка стала горячей?

В настоящее время учащимся не обязательно полностью отвечать на эти вопросы. Более важно, чтобы они начали думать, что что-то происходит на молекулярном уровне, что заставляет одно вещество делать другое горячее.

Раздайте каждому учащемуся лист с упражнениями.

Учащиеся записывают свои наблюдения и отвечают на вопросы о задании в листе действий. «Объясни это с помощью атомов и молекул» и «Возьми это». Дальнейшие разделы рабочего листа будут заполнены либо в классе, либо в группах, либо индивидуально в зависимости от ваших инструкций. Посмотрите на версию листа с заданиями для учителя, чтобы найти вопросы и ответы.

Предложите учащимся изучить, что происходит, когда металл комнатной температуры помещается в горячую воду.

Если вы не можете получить материалы для всех групп для выполнения этого задания, вы можете выполнить задание в качестве демонстрации или показать учащимся видеоролики «Нагревательные стиральные машины и охлаждающие стиральные машины».

Вопрос для расследования

Почему температура объекта меняется, когда он помещен в горячую воду?

Материалы для каждой группы

• 2 комплекта больших металлических шайб на шнурке
• Стакан из пенополистирола с горячей водой
• Вода комнатной температуры
• 2 термометра
• Градуированный цилиндр или стакан

Материалы для учителя

• 1 стакан из пенополистирола
• Термометр
• Плита или кофеварка
• Большой стакан или кофейник

Подготовка учителей

• С помощью веревки свяжите вместе 5 или 6 металлических шайб, как показано.Каждой группе учеников понадобится два набора шайб, завязанных веревкой.
• Повесьте один комплект стиральных машин для каждой группы в горячей воде на плите или в воде в кофеварке, чтобы стиральные машины могли нагреться. Эти стиральные машины должны оставаться горячими до второй половины работы.
• Другой набор следует оставить при комнатной температуре и передать студентам вместе с материалами для упражнения.
• Непосредственно перед упражнением налейте около 30 миллилитров (2 столовых ложки) горячей воды (около 50 ° C) в чашку из пенополистирола для каждой группы.Обязательно налейте одну чашку горячей воды, чтобы использовать ее в качестве контроля.

Сообщите учащимся, что они собираются посмотреть, изменится ли температура горячей воды в результате помещения в воду металлических шайб комнатной температуры. Единственный способ узнать, вызывают ли стиральные машины изменение температуры, — это выпить чашку горячей воды без стиральных машин. Объясните, что у вас будет чашка с горячей водой, которая будет контрольным.

Вам нужно будет положить термометр в чашку с горячей водой одновременно с учениками.Попросите учащихся записать начальную температуру контрольной панели в своих таблицах на листе действий вместе с начальной температурой их собственной чашки с горячей водой. Температура двух образцов должна быть примерно одинаковой.

Процедура

1. Поместите в чашку термометр, чтобы измерить начальную температуру воды. Запишите температуру воды в столбце «До» таблицы на листе активности. Не забудьте также записать начальную температуру воды в контрольной чашке.

2. Используйте другой термометр для измерения температуры стиральных машин. Запишите это в колонку «До».

Примечание. Измерять температуру шайб обычным термометром немного неудобно, потому что между шариком термометра и поверхностью шайб есть небольшая точка соприкосновения. Стиральные машины должны иметь комнатную температуру.

Попросите учащихся сделать прогноз:

• Что произойдет с температурой воды и стиральных машин, если вы поместите стиральные машины в горячую воду?

1. Держа термометр в воде, возьмитесь за шнур и полностью опустите металлические шайбы в горячую воду.

2. Наблюдать за любым изменением температуры воды. Оставьте стиральные машины в воде, пока температура не перестанет меняться. Запишите температуру воды в каждой чашке в столбце «После».

Таблица 1. Показания температуры стиральных машин комнатной температуры, помещенных в горячую воду

Температура…	Перед	После
Вода в чашке
Вода в контрольной чашке
Шайба металлическая

1. Снимите шайбы с воды.Затем измерьте и запишите температуру стиральных машин в столбце «После».
2. Опорожните чашку в контейнер для отходов или в раковину.

Ожидаемые результаты

Температура воды немного снизится, а температура стиральных машин немного повысится. Величина понижения и повышения температуры на самом деле не так важна. Важно то, что температура воды понижается, а в стиральных машинах повышается.

Подробнее об энергии и температуре читайте в разделе «Биография учителя».

Примечание. В конце концов, два соприкасающихся объекта с разной температурой будут иметь одинаковую температуру. Во время занятия мойки и вода, скорее всего, будут разной температуры. В этом упражнении стиральная машина и вода контактируют только в течение короткого времени, поэтому, скорее всего, температура не будет одинаковой.

Студенты могут спросить, почему температура воды снизилась на другую величину, чем повысилась температура стиральных машин.В воде осталось то же количество энергии, что и в стиральных машинах, но для изменения температуры разных веществ требуется другое количество энергии.

Предложите учащимся изучить, что происходит, когда горячий металл помещается в воду комнатной температуры.

Спросите студентов:

• Как вы думаете, изменится температура, если вы поместите горячие стиральные машины в воду комнатной температуры?

Налейте в контрольную чашку около 30 миллилитров воды комнатной температуры.Поместите термометр в чашку и скажите учащимся температуру воды.

• Налейте в чашку из пенополистирола около 30 миллилитров воды комнатной температуры.
• Поместите термометр в воду и запишите его температуру в столбце «До» таблицы на листе активности. Не забудьте также записать начальную температуру воды в контрольной чашке.
• Извлеките стиральные машины из горячей воды, в которой они нагревали, и быстро используйте термометр, чтобы измерить температуру стиральных машин.Запишите это в столбце «До» на листе занятий.
• Пока термометр все еще находится в воде, возьмитесь за шнур и полностью опустите горячие металлические шайбы в воду.
• Наблюдать за любым изменением температуры воды. Оставьте стиральные машины в воде, пока температура не перестанет меняться. Запишите температуру воды в вашей чашке в столбце «После» в таблице ниже. Также запишите температуру воды в контрольной чашке.
• Вынуть шайбы из воды.Измерьте и запишите температуру стиральных машин.

Таблица 2. Показания температуры для горячих стиральных машин, помещенных в воду комнатной температуры

Температура…	Перед	После
Вода в чашке
Вода в контрольной чашке
Шайба металлическая

Ожидаемые результаты

Температура воды повышается, а температура стиральных машин понижается.

Обсудите наблюдения студентов и причины изменения температуры металлических шайб и воды.

Спросите студентов:

Как изменилась температура стиральных машин и воды в обеих частях деятельности?

Исходя из своих данных, ученики должны понимать, что температура стиральных машин и воды изменилась.

Почему, как вы думаете, изменилась температура, зная, что вы делаете с нагреванием и охлаждением атомов и молекул?

При необходимости помогите студентам задуматься о том, почему температура каждого из них изменилась, спросив их, что, вероятно, движется быстрее, атомы в металлических шайбах или молекулы в воде.Скажите студентам, что анимация молекулярной модели, которую вы покажете дальше, покажет им, почему изменилась температура обоих.

Покажите две анимации, чтобы помочь учащимся понять, как энергия передается от одного вещества к другому.

Показать анимацию молекулярной модели Ложка с подогревом.

Укажите студентам, что молекулы воды в горячей воде движутся быстрее, чем атомы в ложке.Молекулы воды ударяются об атомы ложки и передают этим атомам часть своей энергии. Вот как энергия воды передается ложке. Это увеличивает движение атомов в ложке. Поскольку движение атомов в ложке увеличивается, температура ложки увеличивается.

Это нелегко заметить, но когда быстро движущиеся молекулы воды ударяются о ложку и ускоряют атомы в ложке, молекулы воды немного замедляются.Таким образом, когда энергия передается от воды к ложке, ложка становится теплее, а вода холоднее.

Объясните студентам: когда быстро движущиеся атомы или молекулы сталкиваются с более медленно движущимися атомами или молекулами и увеличивают их скорость, передается энергия. Передаваемая энергия называется теплом. Этот процесс передачи энергии называется проводимостью.

Покажите анимацию молекулярной модели «Охлажденная ложка».

Укажите ученикам, что в этом случае атомы в ложке движутся быстрее, чем молекулы воды в холодной воде.Быстрее движущиеся атомы в ложке передают часть своей энергии молекулам воды. Это заставляет молекулы воды двигаться немного быстрее, а температура воды повышается. Поскольку атомы в ложке передают часть своей энергии молекулам воды, атомы в ложке немного замедляются. Это вызывает снижение температуры ложки.

Спросите студентов:

Опишите, как процесс проводимости вызвал изменение температуры стиральных машин и воды в процессе работы.

Стиральные машины комнатной температуры в горячей воде

Когда стиральные машины комнатной температуры помещаются в горячую воду, более быстро движущиеся молекулы воды ударяются о более медленно движущиеся атомы металла и заставляют атомы в шайбах двигаться немного быстрее. Это вызывает повышение температуры стиральных машин. Поскольку часть энергии воды была передана металлу, чтобы ускорить их, движение молекул воды уменьшается. Это приводит к понижению температуры воды.

Горячие стиральные машины с водой комнатной температуры

Когда горячие металлические шайбы помещаются в воду комнатной температуры, более быстро движущиеся атомы металла сталкиваются с более медленно движущимися молекулами воды и заставляют молекулы воды двигаться немного быстрее. Это вызывает повышение температуры воды. Поскольку часть энергии от атомов металла была передана молекулам воды, чтобы ускорить их, движение атомов металла уменьшается. Это вызывает снижение температуры стиральных машин.

Обсудите связь между движением молекул, температурой и проводимостью.

Спросите студентов:

Как движение атомов или молекул вещества влияет на температуру вещества?

Если атомы или молекулы вещества движутся быстрее, это вещество имеет более высокую температуру. Если его атомы или молекулы движутся медленнее, значит, он имеет более низкую температуру.

Что такое проводимость?

Проводимость возникает, когда два вещества при разных температурах контактируют. Энергия всегда передается от вещества с более высокой температурой к веществу с более низкой температурой. По мере того как энергия передается от более горячего вещества к более холодному, более холодное вещество нагревается, а более горячее вещество — холоднее. В конце концов, два вещества становятся одной температуры.

Студенты склонны понимать нагревание, но часто имеют неправильное представление о том, как вещи охлаждаются.Так же, как нагревание вещества, охлаждение вещества также работает за счет теплопроводности. Но вместо того, чтобы сосредотачиваться на ускорении более медленно движущихся молекул, вы сосредотачиваетесь на замедлении более быстро движущихся молекул. Более быстрые атомы или молекулы более горячего вещества контактируют с более медленными атомами или молекулами более холодного вещества. Более быстрые атомы и молекулы передают часть своей энергии более медленным атомам и молекулам. Атомы и молекулы более горячего вещества замедляются, и его температура понижается.Объект или вещество не могут стать холоднее, если добавить им «холода». Что-то может стать холоднее, только если его атомы и молекулы передадут свою энергию чему-то более холодному.

Попросите учащихся нарисовать молекулярные модели, чтобы показать проводимость между ложкой и водой.

Примечание. На модели, которую вы покажете учащимся, изменение скорости как молекул воды, так и атомов в ложке представлено разным количеством линий движения.Студенты могут помнить, что, когда атомы или молекулы движутся быстрее, они отдаляются друг от друга, а когда они движутся медленнее, они сближаются. Для этой деятельности изменение расстояния между молекулами воды или между атомами в ложке не является фокусом, и поэтому не показано в модели. Вы можете сказать учащимся, что модели могут выделять одну особенность над другой, чтобы помочь сосредоточиться на главном представляемом моменте.

Ложка комнатной температуры, помещенная в горячую воду

Проецируйте иллюстрации «Ложка в горячей воде до и после» из рабочего листа.

Попросите учащихся взглянуть на линии движения на картинке «До» на их рабочем листе. Затем спросите студентов, как изменится движение атомов и молекул на картинке «После». На листе действий вместе с проецируемым изображением нет линий движения на рисунке «После». Правильно их ввести — задача студентов.

Попросите учащихся добавить линии движения к иллюстрации «После» и добавить описательные слова, такие как «теплее» или «холоднее», чтобы описать изменение температуры воды и ложки.

Горячая ложка в воде комнатной температуры

Проектируйте иллюстрации Горячая ложка в воде комнатной температуры до и после из рабочего листа

Попросите учащихся посмотреть второй набор картинок «До» и «После». Попросите учащихся добавить линии движения к иллюстрации «После» и добавить описательные слова, такие как «теплее» или «холоднее», чтобы описать изменение температуры воды и ложки.

Покажите моделирование, чтобы проиллюстрировать, что температура — это средняя кинетическая энергия атомов или молекул.

Следующая симуляция показывает, что при любой температуре атомы или молекулы вещества движутся с разными скоростями. Некоторые молекулы движутся быстрее других, некоторые медленнее, но большинство находятся посередине.

Примечание. После нажатия кнопки «Старт» симуляция будет работать лучше всего, если вы переберете все кнопки, прежде чем использовать ее для обучения ученикам.

Показать температуру моделирования.

• Перебрав кнопки «Холодный», «Средний» и «Горячий», выберите «Средний», чтобы начать обсуждение с учащимися.Скажите студентам, что это моделирование показывает взаимосвязь между энергией, движением молекул и температурой.

Скажите студентам, что все, что имеет массу и движется, независимо от размера или размера, обладает определенным количеством энергии, называемой кинетической энергией. Температура вещества дает вам информацию о кинетической энергии его молекул. Чем быстрее движутся молекулы вещества, тем выше кинетическая энергия и температура. Чем медленнее движутся молекулы, тем ниже кинетическая энергия и температура.Но при любой температуре молекулы не все движутся с одинаковой скоростью, поэтому температура на самом деле является мерой средней кинетической энергии молекул вещества.

• Эти идеи применимы к твердым телам, жидкостям и газам. Маленькие шарики в симуляции представляют молекулы и меняют цвет, чтобы визуализировать их скорость и кинетическую энергию. Медленные — синие, более быстрые — фиолетовые или розовые, а самые быстрые — красные. Объясните также, что скорость отдельных молекул изменяется в зависимости от их столкновений с другими молекулами.Молекулы передают свою кинетическую энергию другим молекулам посредством проводимости. Когда быстро движущаяся молекула сталкивается с более медленной молекулой, более медленная молекула ускоряется (и становится более красной), а более быстрая молекула замедляется (и становится более синей).


• Объясните, что при любой температуре большинство молекул движутся примерно с одинаковой скоростью и имеют примерно одинаковую кинетическую энергию, но всегда есть некоторые, которые движутся медленнее, а некоторые — быстрее. Температура на самом деле представляет собой комбинацию или среднее значение кинетической энергии молекул.Если бы вы могли поместить термометр в эту симуляцию, он бы столкнулся с молекулами, движущимися с разной скоростью, так что он зарегистрировал бы среднюю кинетическую энергию молекул.

Чтобы добавить энергии, начните с «Холодный», затем нажмите «Средний», а затем «Горячий».

Спросите студентов:

Что вы замечаете в молекулах при добавлении энергии?

По мере добавления энергии больше молекул движется быстрее.Розовых и красных молекул больше, но есть еще более медленные синие.

Чтобы удалить энергию, начните с «Горячий», затем нажмите «Средний», а затем «Холодный».

Спросите студентов:

Что вы замечаете в молекулах по мере удаления энергии?

По мере удаления энергии большее количество молекул движется медленнее. Пурпурных и синих молекул больше, но некоторые все еще меняют цвет на розовый.

Попросите учащихся попробовать одно или несколько расширений и использовать дирижирование для объяснения этих общих явлений.

Сравните фактическую температуру и ее ощущения для различных предметов в комнате.

Спросите студентов:

Коснитесь металлической части стула или ножки стола, а затем прикоснитесь к обложке учебника. Кажется, что эти поверхности имеют одинаковую или разную температуру?

Они должны чувствовать себя по-другому.

Почему металл становится холоднее, хотя его температура такая же, как у картона?

Скажите студентам, что, хотя металл кажется холоднее, металл и картон на самом деле имеют одинаковую температуру.Если учащиеся не верят этому, они могут использовать термометр, чтобы измерить температуру металла и картона в комнате. Находясь в одном помещении с одинаковой температурой воздуха, обе поверхности должны иметь одинаковую температуру.

Покажите анимацию «Проводя энергию», чтобы ответить на вопрос, почему металл холоднее картона.

Скажите студентам, чтобы они наблюдали за движением молекул в металле, картоне и в пальце.

Объясните: молекулы в вашем пальце движутся быстрее, чем молекулы металла, имеющего комнатную температуру.Таким образом, энергия вашего пальца передается металлу. Поскольку металл является хорошим проводником, энергия передается от поверхности через металл. Молекулы в вашей коже замедляются, поскольку ваш палец продолжает отдавать энергию металлу, поэтому ваш палец кажется более прохладным.

Подобно металлу, молекулы в вашем пальце движутся быстрее, чем молекулы в картоне, имеющем комнатную температуру. Энергия передается от пальца к поверхности картона.Но поскольку картон является плохим проводником, энергия не легко передается от поверхности через картон. Молекулы в вашей коже движутся примерно с одинаковой скоростью. Поскольку ваш палец не теряет много энергии для картона, он остается теплым.

Сравните фактическую температуру с ощущением температуры воды и воздуха.

Попросите учащихся использовать два термометра для сравнения температуры воды комнатной температуры и температуры воздуха.Они должны быть примерно одинаковыми.

Спросите студентов:

Опустите палец в воду комнатной температуры, а другой — в воздух. Кажется, что вода и воздух имеют одинаковую или разную температуру?

Палец в воде должен казаться холоднее.

Почему вода кажется прохладнее, хотя ее температура такая же, как у воздуха?

Напомните ученикам, что, хотя вода кажется более холодной, на самом деле вода и воздух имеют примерно одинаковую температуру.Студенты должны понимать, что вода лучше проводит энергию, чем воздух. Чем быстрее энергия отводится от пальца, тем холоднее становится кожа.

Подумайте, почему чашки с холодной и горячей водой достигают комнатной температуры.

Попросите учащихся подумать и объяснить следующую ситуацию:

Допустим, вы поставили чашку холодной воды в одну комнату и чашку горячей воды в другую. В обеих комнатах одинаковая комнатная температура.Почему холодная вода становится теплее, а горячая холоднее?

В обоих случаях энергия переместится из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой. Таким образом, энергия воздуха комнатной температуры перейдет в холодную воду, которая нагревает воду. И энергия от горячей воды перейдет в более прохладный воздух, который охлаждает воду.

Учебное пособие по физике

На предыдущей странице этого урока температура определялась как показание термометра.Был объяснен процесс калибровки термометра и описаны различные обычно используемые температурные шкалы. Наконец, обсуждалась концепция абсолютно низкой температуры. Но в итоге принципиального определения температуры так и не дали. Температура была определена только в практических терминах — показания термометра. Теперь мы должны ответить на более фундаментальный вопрос: что отражает показание термометра? Что является мерой температуры?

Температура как мера кинетической энергии

Именно здесь мы можем использовать более сложное определение температуры.Температура — это мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества. В предыдущем разделе Учебника по физике кинетическая энергия определялась как энергия движения. Движущийся объект … или частица … обладает кинетической энергией. Есть три распространенные формы кинетической энергии — колебательная кинетическая энергия, вращательная кинетическая энергия и поступательная кинетическая энергия. До этого пункта Учебника мы связали кинетическую энергию с движением объекта (или частицы) из одного места в другое.Это называется поступательной кинетической энергией. Шар, движущийся в пространстве , обладает поступательной кинетической энергией. Но объект также может обладать кинетической энергией колебаний; это энергия движения объекта, который колеблется или колеблется в фиксированном положении. Масса, прикрепленная к пружине, обладает кинетической энергией колебаний. Такая масса не смещается навсегда, как шар, движущийся в пространстве. Наконец, объект может обладать кинетической энергией вращения; это энергия, связанная с объектом, который вращается вокруг воображаемой оси вращения.Волчок не движется в пространстве и не колеблется относительно фиксированного положения, но все еще существует кинетическая энергия, связанная с его движением вокруг оси вращения. Эта форма кинетической энергии называется кинетической энергией вращения.

Образец материи состоит из частиц, которые могут колебаться, вращаться и перемещаться в пространстве своего сосуда. Итак, на уровне частиц образец вещества обладает кинетической энергией. Чашка с теплой водой на столешнице может казаться максимально неподвижной; однако частицы, которые в нем содержатся, обладают кинетической энергией.На уровне частиц есть атомы и молекулы, которые колеблются, вращаются и движутся через пространство своего контейнера. Воткните градусник в чашку с водой, и вы увидите доказательство того, что вода обладает кинетической энергией. Температура воды, отражаемая показаниями термометра, является мерой среднего количества кинетической энергии, которой обладают молекулы воды.

Когда температура объекта увеличивается, частицы, составляющие объект, начинают двигаться быстрее.Они либо вибрируют быстрее, либо вращаются с большей частотой, либо перемещаются в пространстве с большей скоростью. Повышение температуры вызывает увеличение скорости частиц. Таким образом, когда образец воды в горшке нагревается до , его молекулы начинают двигаться с большей скоростью, и эта большая скорость отражается более высокими показаниями термометра. Точно так же, если образец воды помещается в морозильник , его молекулы начинают двигаться медленнее (с меньшей скоростью), и это отражается на более низком показании термометра.В этом смысле термометр можно рассматривать как спидометр.

Распределение скоростей Больцмана и средняя кинетическая энергия

В начале этой страницы температура определялась как мера среднего количества кинетической энергии, которой обладает объект. Но что именно означает средняя кинетическая энергия ? В любом образце вещества частицы движутся.Рассмотрим образец газообразного гелия внутри баллона, заполненного гелием. Преобладающее движение атомов гелия — поступательное. Атомы гелия перемещаются по пространству воздушного шара из одного места в другое. При этом они сталкиваются друг с другом и со стенками воздушного шара. Эти столкновения приводят к изменению скорости и направления. В результате атомы гелия движутся не с одной скоростью, а с целым рядом скоростей. Поскольку существует диапазон скоростей, с которыми движутся атомы гелия, существует диапазон кинетических энергий, которыми обладают эти частицы.Это часто называют распределением скорости Больцмана и графически представлено на диаграмме ниже. Мы вернемся к обсуждению этой темы в следующей главе Учебника по физике.

Если вы усвоили этот урок с самого начала, то понимание температуры становится все более сложным. Теперь вы знаете, что температура больше, чем показывает термометр; это отражение средней кинетической энергии, с которой движутся частицы.Макроскопическое описание материи — показания термометра — связано с описанием материи в виде частиц — скоростью, с которой движутся частицы. Теперь мы должны выяснить вопрос: какова связь между температурой и теплом? Что такое тепло? Температура — это то же самое, что и тепло? Связана ли температура каким-либо образом с теплом? Что является причиной тепла? Это вопросы, над которыми мы будем размышлять в следующем разделе Урока 1.

Проверьте свое понимание

1.Рассмотрим два образца разных газов. Один образец состоит из атомов гелия, а другой — из молекул двухатомного кислорода. Если образцы имеют одинаковую температуру, будут ли частицы в образце иметь одинаковую среднюю скорость?

2. Частицы образца поваренной соли (хлорида натрия) не могут свободно перемещаться. Они зафиксированы в структуре, известной как кристаллическая решетка. Могут ли частицы хлорида натрия обладать кинетической энергией?

Температура — это не то, что вы думаете

Что такое температура? Этот вопрос возникает довольно часто, особенно во вводных курсах естествознания.Наиболее частый ответ выглядит примерно так:

Температура — это мера средней кинетической энергии частиц в объекте. При повышении температуры движение этих частиц также увеличивается.

Это неплохое определение, но и не самое лучшее. Есть и других безумных вещей о температуре, которые вам, вероятно, следует знать.

Тепловая энергия и температура различаются

Если температура является мерой средней кинетической энергии, разве тепловая энергия и температура не должны быть одним и тем же? Нет.Тепловая энергия — это полная энергия, которую объект получает за счет внутреннего движения его частиц. Температура связана со средней кинетической энергией и , а не с полной кинетической энергией.

Вот классический пример, который вы можете попробовать дома. Положите кусок холодной пиццы на лист алюминиевой фольги и положите его в духовку, чтобы он нагрелся. Примерно через 10 минут пицца должна стать красивой и горячей — алюминиевая фольга имеет примерно такую ​​же температуру. Вы можете вытащить алюминиевую фольгу пальцами, но не пиццу.Хотя алюминиевая фольга имеет высокую температуру, ее низкая масса означает, что она не обладает большой тепловой энергией. Без большого количества тепловой энергии в фольге ваши пальцы не обожгутся. Имея в виду? Тепловая энергия и температура — разные вещи.

Еще определения температуры?

У вас уже есть одно определение сверху, но я дам вам еще два определения. Первая — историческая версия. Это выглядит так:

Температура — это величина, которую имеют два общих объекта после длительного контакта.

Это определение основано на идее теплового равновесия. Если вы опустите алюминиевый шар в воду, в конечном итоге вода и шар будут иметь одинаковую температуру. У них не будет одинаковой тепловой энергии, но будет одинаковая температура. Это очень оперативное определение температуры — и это неплохо.

Но на самом деле эта температура лежит в основе большинства термометров. Возьмите обычный ртутный или спиртовой термометр (ртутные не так распространены, потому что… знаете, они содержат ртуть).Когда вы помещаете этот термометр в жидкость или что-то еще, температура жидкости внутри термометра изменяется до тех пор, пока не станет такой же, как у объекта. Поскольку и ртуть, и спирт расширяются при повышении температуры, вы можете определить температуру на основе этого теплового расширения (или сжатия). В самом деле, можно сказать, что градусник появился даже раньше, чем идея температуры.

Теперь о втором определении температуры. Этот довольно жесткий, так что держитесь за что-нибудь.

Температура — это скорость изменения внутренней энергии относительно энтропии.

Коротко, но там много чего. Во-первых, что такое энтропия? Я мог бы попытаться объяснить энтропию, но это был бы совершенно новый пост в блоге. Вместо этого вы можете просто проверить этот замечательный пост Аатиша Бхатиа, в котором он объясняет энтропию с помощью овец. Да, действительно хорошо.

Итак, вместо полного объяснения энтропии, я просто приведу некоторые интересные ее аспекты.Тепловое равновесие — это не чисто энергетическое явление. Энергия сохраняется, когда два объекта достигают теплового равновесия, но она также будет удовлетворена, если один объект станет горячим, а другой — холодным. Тепловое равновесие — это статистический процесс. Так уж получилось, что наиболее вероятным результатом для двух соприкасающихся объектов является достижение одинаковой температуры. Другие странные случаи (один становится жарко, а другой становится холодно) также технически возможны, но их шансы на раз на меньше, чем вы выиграете в лотерею (и ваши шансы на выигрыш в лотерею практически равны нулю).

Термодинамика: определение и законы | Живая наука

Термодинамика — это раздел физики, изучающий отношения между теплом и другими формами энергии. В частности, он описывает, как тепловая энергия преобразуется в другие формы энергии и из них, и как она влияет на материю.

Тепловая энергия — это энергия, которую вещество или система имеет благодаря своей температуре, то есть энергия движущихся или колеблющихся молекул, согласно веб-сайту Energy Education Агентства образования Техаса.Термодинамика включает в себя измерение этой энергии, что, по словам Дэвида Макки, профессора физики Южного государственного университета Миссури, может быть «чрезвычайно сложным». «Системы, которые мы изучаем в термодинамике … состоят из очень большого числа атомов или молекул, взаимодействующих сложным образом. Но если эти системы соответствуют правильным критериям, которые мы называем равновесными, их можно описать с помощью очень небольшого количества измерений или Часто это идеализируется как масса системы, давление в системе и объем системы или какой-либо другой эквивалентный набор чисел.Три числа описывают 10 ²⁶ или 10 ³⁰ номинальных независимых переменных ».

Тепло

Термодинамика, таким образом, касается нескольких свойств материи; главным из них является тепло. Тепло — это энергия, передаваемая между веществами или системами за счет разница температур между ними, согласно Energy Education. Как форма энергии, тепло сохраняется, т. е. не может быть создано или разрушено. Однако оно может передаваться из одного места в другое.Тепло также может быть преобразовано в другие формы энергии и обратно. Например, паровая турбина может преобразовывать тепло в кинетическую энергию для работы генератора, преобразующего кинетическую энергию в электрическую. Лампочка может преобразовывать эту электрическую энергию в электромагнитное излучение (свет), которое при поглощении поверхностью преобразуется обратно в тепло.

Температура

Количество тепла, передаваемого веществом, зависит от скорости и количества движущихся атомов или молекул, согласно Energy Education.Чем быстрее движутся атомы или молекулы, тем выше температура и чем больше атомов или молекул находится в движении, тем большее количество тепла они переносят.

Температура — это «мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества, выраженная в единицах или градусах, обозначенных на стандартной шкале», согласно словарю American Heritage Dictionary. Чаще всего используется шкала температур по Цельсию, которая основана на точках замерзания и кипения воды, присваивая соответствующие значения 0 и 100 градусов Цельсия.Шкала Фаренгейта также основана на точках замерзания и кипения воды, которым присвоены значения 32 F и 212 F соответственно.

Ученые всего мира, однако, используют шкалу Кельвина (K без знака градуса), названную в честь Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина, потому что она работает в расчетах. Эта шкала использует то же приращение, что и шкала Цельсия, т. Е. Изменение температуры на 1 C равно 1 K. Однако шкала Кельвина начинается с абсолютного нуля, температуры, при которой полностью отсутствует тепловая энергия и вся молекулярная энергия. движение останавливается.Температура 0 K равна минус 459,67 F или минус 273,15 C.

Удельная теплоемкость

Количество тепла, необходимое для повышения температуры определенной массы вещества на определенное количество, называется удельной теплоемкостью или удельной теплоемкостью. емкость, согласно Wolfram Research. Традиционной единицей измерения является калорий на грамм на кельвин. Калорийность определяется как количество тепловой энергии, необходимое для повышения температуры 1 грамма воды при 4 C на 1 градус.

Удельная теплоемкость металла почти полностью зависит от количества атомов в образце, а не от его массы.Например, килограмм алюминия может поглотить в семь раз больше тепла, чем килограмм свинца. Однако атомы свинца могут поглощать только примерно на 8 процентов больше тепла, чем такое же количество атомов алюминия. Однако данная масса воды может поглотить почти в пять раз больше тепла, чем равная масса алюминия. Удельная теплоемкость газа более сложна и зависит от того, измеряется ли она при постоянном давлении или постоянном объеме.

Теплопроводность

Теплопроводность ( k ) — это «скорость, с которой тепло проходит через указанный материал, выраженная как количество тепла, протекающего в единицу времени через единицу площади с градиентом температуры в один градус на единицу. расстояние », согласно Оксфордскому словарю.Единица измерения для к — ватты (Вт) на метр (м) на кельвин (К). Значения k для металлов, таких как медь и серебро, относительно высоки и составляют 401 и 428 Вт / м · К соответственно. Это свойство делает эти материалы полезными для автомобильных радиаторов и ребер охлаждения для компьютерных микросхем, поскольку они могут быстро отводить тепло и обмениваться им с окружающей средой. Наивысшее значение k для любого природного вещества — алмаз при 2200 Вт / м · К.

Другие материалы полезны, потому что они очень плохо проводят тепло; это свойство называется термическим сопротивлением или значением R , которое описывает скорость, с которой тепло передается через материал.Эти материалы, такие как минеральная вата, гусиный пух и пенополистирол, используются для изоляции внешних стен зданий, зимних пальто и термокружек. R — значение дано в квадратных футах, умноженных на градусы Фаренгейта, умноженные на часы на британскую тепловую единицу ( ² · ° F · ч / британских тепловых единиц) для плиты толщиной 1 дюйм.

Закон охлаждения Ньютона

В 1701 году сэр Исаак Ньютон впервые изложил свой закон охлаждения в короткой статье под названием «Scala Grauuum Caloris» («Шкала градусов тепла») в «Философских трудах Королевского общества».Утверждение закона Ньютона переводится с оригинального латинского языка как «превышение степеней жары … было в геометрической прогрессии, когда время в арифметической прогрессии». Вустерский политехнический институт дает более современную версию закона, поскольку «скорость изменения температуры пропорциональна разнице между температурой объекта и окружающей среды».

Это приводит к экспоненциальному спаду разницы температур.Например, если в течение определенного времени поместить теплый предмет в холодную ванну, разница в их температурах уменьшится вдвое. Затем за тот же промежуток времени оставшаяся разница снова уменьшится вдвое. Это повторное уменьшение вдвое разницы температур будет продолжаться через равные промежутки времени, пока она не станет слишком маленькой для измерения.

Теплопередача

Тепло может передаваться от одного тела к другому или между телом и окружающей средой тремя различными способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.Проводимость — это передача энергии через твердый материал . Проводимость между телами возникает, когда они находятся в прямом контакте, и молекулы передают свою энергию через поверхность раздела.

Конвекция — это передача тепла жидкой среде или от нее. Молекулы в газе или жидкости, контактирующие с твердым телом, передают или поглощают тепло к этому телу или от него, а затем удаляются, позволяя другим молекулам перемещаться на место и повторять процесс. Эффективность можно повысить, увеличив площадь нагреваемой или охлаждаемой поверхности, как в случае с радиатором, и заставив жидкость перемещаться по поверхности, как в случае вентилятора.

Излучение — это излучение электромагнитной (ЭМ) энергии, в частности инфракрасных фотонов, переносящих тепловую энергию. Все вещества испускают и поглощают некоторое электромагнитное излучение, чистое количество которого определяет, приведет ли это к потере или приросту тепла.

Цикл Карно

В 1824 году Николя Леонар Сади Карно предложил модель теплового двигателя, основанную на так называемом цикле Карно. Цикл использует взаимосвязь между давлением, объемом и температурой газов, а также то, как подводимая энергия может изменять форму и работать вне системы.

Сжатие газа увеличивает его температуру, поэтому он становится горячее окружающей среды. Затем тепло можно отводить от горячего газа с помощью теплообменника. Затем, если позволить ему расшириться, он остынет. Это основной принцип тепловых насосов, используемых для отопления, кондиционирования и охлаждения.

И наоборот, нагревание газа увеличивает его давление, заставляя его расширяться. Затем давление расширения можно использовать для приведения в действие поршня, таким образом преобразуя тепловую энергию в кинетическую энергию.Это основной принцип тепловых двигателей.

Энтропия

Все термодинамические системы производят отходящее тепло. Эти потери приводят к увеличению энтропии, которая для закрытой системы является «количественной мерой количества тепловой энергии, недоступной для выполнения работы», согласно словарю American Heritage Dictionary. Энтропия в любой закрытой системе всегда увеличивается; он никогда не убывает . Кроме того, движущиеся части выделяют отходящее тепло из-за трения, и радиационное тепло неизбежно выходит из системы.

Это делает невозможным создание так называемых вечных двигателей. Сиабал Митра, профессор физики в Государственном университете Миссури, объясняет: «Вы не можете построить двигатель со 100-процентной эффективностью, что означает, что вы не можете построить вечный двигатель. Однако есть много людей, которые все еще не делают этого». Я не верю этому, и есть люди, которые все еще пытаются построить вечные двигатели ».

Энтропия также определяется как «мера беспорядка или случайности в замкнутой системе», которая также неумолимо увеличивается.Вы можете смешать горячую и холодную воду, но поскольку большая чашка теплой воды более беспорядочная, чем две меньшие чашки, содержащие горячую и холодную воду, вы никогда не сможете разделить ее обратно на горячую и холодную, не добавив энергии в систему. Другими словами, вы не можете разбить яйцо или удалить сливки из кофе. Хотя некоторые процессы кажутся полностью обратимыми, на практике это не так. Таким образом, энтропия дает нам стрелу времени: вперед — это направление увеличения энтропии.

Четыре закона термодинамики

Фундаментальные принципы термодинамики изначально были выражены в трех законах.Позже было установлено, что более фундаментальный закон был проигнорирован, по-видимому, потому, что он казался настолько очевидным, что его не нужно было прямо указывать. Чтобы сформировать полный набор правил, ученые решили, что необходимо включить этот фундаментальный закон. Проблема, однако, заключалась в том, что первые три закона уже были приняты и были хорошо известны по присвоенным им номерам. Столкнувшись с перспективой изменения нумерации существующих законов, что вызовет значительную путаницу, или помещения главного закона в конец списка, что не имело бы логического смысла, британский физик Ральф Х.Фаулер предложил альтернативу, которая разрешила дилемму: он назвал новый закон «нулевым законом». Вкратце, это следующие законы:

Нулевой закон гласит, что если два тела находятся в тепловом равновесии с некоторым третьим телом, то они также находятся в равновесии друг с другом. Это устанавливает температуру как фундаментальное и измеримое свойство материи.

Первый закон гласит, что общее увеличение энергии системы равно увеличению тепловой энергии плюс работа, проделанная в системе.В нем говорится, что тепло является формой энергии и, следовательно, подчиняется принципу сохранения.

Второй закон гласит, что тепловая энергия не может передаваться от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой без добавления энергии. Вот почему запуск кондиционера стоит денег.

Третий закон гласит, что энтропия чистого кристалла при абсолютном нуле равна нулю. Как объяснялось выше, энтропию иногда называют «пустой тратой энергии», т.е.е. энергия, которая не может выполнять работу, и поскольку нет никакой тепловой энергии при абсолютном нуле, не может быть потерь энергии.