8 класс — Физика

Как вы думаете, от чего зависит скорость растворения сахара в воде? Можете провести простой эксперимент. Возьмите два куска сахара и киньте один в стакан с кипятком, другой – в стакан с холодной водой.

Вы увидите, как сахар в кипятке растворится в несколько раз быстрее, чем в холодной воде. Причиной растворения является диффузия. Значит, диффузия происходит быстрее при более высокой температуре. А причина диффузии – это движение молекул. Следовательно, мы делаем вывод, что молекулы при более высокой температуре движутся быстрее. То есть, скорость их движения зависит от температуры. Именно поэтому беспорядочное хаотическое движение молекул, из которых состоят тела, называют тепловым движением.

При повышении температуры усиливается тепловое движение молекул, меняются свойства вещества. Твердое тело тает, превращаясь в жидкость, жидкость испаряется, переходя в газообразное состояние. Соответственно, если температуру понижать, то будет уменьшаться и средняя энергия теплового движения молекул, а соответственно, процессы изменения агрегатного состояния тел будут происходить в обратном направлении: вода будет конденсироваться в жидкость, жидкость будет замерзать, переходя в твердое состояние. При этом, мы всегда говорим о средних значениях температуры и скорости молекул, так как всегда присутствуют частицы с большими и меньшими значениями этих величин.

Молекулы в веществах движутся, проходя определенное расстояние, следовательно, совершают некую работу. То есть, мы можем говорить о кинетической энергии частиц. Вследствие их взаимного расположения существует также и потенциальная энергия молекул. Когда идет речь о кинетической и потенциальной энергии тел, то мы говорим о существовании полной механической энергии тел. Если кинетической и потенциальной энергией обладают частицы тела, следовательно, можно говорить о сумме этих энергии, как о самостоятельной величине.

Рассмотрим пример. Если мы кидаем упругий мячик об пол, то кинетическая энергия его движения полностью переходит в потенциальную в момент касания пола, а потом вновь переходит в кинетическую, когда он отскакивает. Если же мы бросим тяжелый железный мячик на твердую неупругую поверхность, то мячик приземлится, не отскакивая. Его кинетическая и потенциальная энергии после приземления будут равны нулю. Куда же подевалась энергия? Она просто исчезла? Если мы изучим шарик и поверхность после столкновения, то увидим, что шарик немного сплющился, на поверхности осталась вмятина, и оба они слегка нагрелись. То есть произошло изменение в расположении молекул тел, а также увеличилась температура. Это означает, что изменились кинетическая и потенциальная энергия частиц тела. Энергия тела никуда не пропала, она перешла во внутреннюю энергию тела. Внутренней энергией называют кинетическую и потенциальную энергию всех частиц тела. Столкновение тел вызвало изменение внутренней энергии, она увеличилась, а механическая энергия уменьшилась. В этом и состоит закон сохранения энергии. Энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает в никуда. Она только переходит из одного состояния в другое.

Как изменить механическую энергию тела? Да очень просто. Поменять его местоположение или придать ему ускорение. Например, пнуть мячик или поднять его над землей повыше.

В первом случае мы изменим его кинетическую энергию, во втором потенциальную. А как обстоит дело с внутренней энергией? Каким способом изменить внутреннюю энергию тела? Для начала разберемся, что же это такое. Внутренняя энергия – это кинетическая и потенциальная энергия всех частиц, из которых состоит тело. В частности, кинетическая энергия частиц – это энергия их движения. А скорость их движения, как известно, зависит от температуры. То есть, логичный вывод – повышая температуру тела, мы повысим его внутреннюю энергию. Самый простой способ повысить температуру тела – это теплообмен. При контакте тел с разной температурой более холодное тело нагревается за счет более теплого. Более теплое тело в этом случае охлаждается.

Простой ежедневный пример: холодная ложка в чашке с горячим чаем очень быстро нагревается, а чай при этом чуть-чуть остывает.  Повышение температуры тела возможно и другими способами. Как мы все поступаем, когда у нас на улице замерзают лицо или руки? Мы трем их. При трении предметы нагреваются. Также предметы нагреваются при ударах, давлении, то есть, иными словами, при взаимодействии. Всем известно, как добывали огонь в древности – либо терли деревяшки друг о друга, либо стукали кремнием по другому камню. Также и в наше время в кремниевых зажигалках используется трение металлического стержня о кремень. 

До сих пор речь шла о изменении внутренней энергии путем изменения кинетической энергии составляющих его частиц. А как насчет потенциальной энергии этих же самых частиц? Как известно, потенциальная энергия частиц – это энергия их взаиморасположения. Таким образом, для изменения потенциальной энергии частиц тела, нам надо тело деформировать: сжать, скрутить и так далее, то есть, изменить расположение частиц друг относительно друга. Это достигается путем воздействия на тело. Мы меняем скорость отдельных частей тела, то есть совершаем над ним работу.

Таким образом, все случаи воздействия на тело с целью изменения его внутренней энергии достигаются двумя способами. Либо путем передачи ему тепла, то есть теплопередачей, либо путем изменения скорости его частиц, то есть совершением над телом работы.

Примеры изменения внутренней энергии – это практически все происходящие в мире процессы. Не меняется внутренняя энергия частиц в случае, когда с телом абсолютно ничего не происходит, что согласитесь, крайняя редкость — закон сохранения энергии действует. Вокруг нас все время что-то происходит. Даже с предметами, с которыми на первый взгляд ничего не происходит, на самом деле происходят различные незаметные нам изменения: незначительные изменения температуры, небольшие деформации и так далее. Стул прогибается под нашей тяжестью, у книги на полке чуть-чуть изменяется температуру от каждого движения воздуха, не говоря уже про сквозняки. Ну а что касается живых тел – тут понятно без слов, что в них внутри все время что-то происходит, и внутренняя энергия меняется практически в каждый момент времени.

 

Что быстрее нагреется на плите – чайник или ведро воды? Ответ очевиден – чайник. Тогда второй вопрос – почему?

Ответ не менее очевиден – потому что масса воды в чайнике меньше. Отлично. А теперь вы можете проделать самостоятельно самый настоящий физический опыт в домашних условиях. Для этого вам понадобится две одинаковые небольшие кастрюльки, равное количество воды и растительного масла, например, по пол-литра и плита. На одинаковый огонь ставите кастрюльки с маслом и водой. А теперь просто наблюдайте, что быстрее будет нагреваться. Если есть градусник для жидкостей, можно применить его, если нет, можно просто пробовать температуру время от времени пальцем, только осторожно, чтобы не обжечься. В любом случае вы вскоре убедитесь, что масло нагревается значительно быстрее воды. И еще один вопросик, который тоже можно реализовать в виде опыта. Что быстрее закипит – теплая вода или холодная? Все снова очевидно – теплая будет на финише первой. К чему все эти странные вопросы и опыты? К тому, чтобы определить физическую величину, называемую «количеством теплоты».

Количество теплоты

Количество теплоты – это энергия, которую тело теряет или приобретает при теплопередаче. Это понятно и из названия. При остывании тело будет терять некое количество теплоты, а при нагревании – поглощать. А ответы на наши вопросы показали нам, от чего зависит количество теплоты?Во-первых, чем больше масса тела, тем большее количество теплоты надо затратить на изменение его температуры на один градус. Во-вторых, количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от того вещества, из которого оно состоит, то есть от рода вещества. И в-третьих, разность температур тела до и после теплопередачи также важна для наших расчетов. Исходя из всего вышесказанного, мы можем определить количество теплоты формулой:

Q=cm(t_2-t_1 )  ,

где Q – количество теплоты,
m – масса тела,
(t_2-t_1 ) – разность между начальной и конечной температурами тела,
c – удельная теплоемкость вещества, находится из соответствующих таблиц.

По этой формуле можно произвести расчет количества теплоты, которое необходимо, чтобы нагреть любое тело или которое это тело выделит при остывании.

Измеряется количество теплоты в джоулях (1 Дж), как и всякий вид энергии. Однако, величину эту ввели не так давно, а измерять количество теплоты люди начали намного раньше. И пользовались они единицей, которая широко используется и в наше время – калория (1 кал). 1 калория – это такое количество теплоты, которое потребуется для нагреванияь 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. Руководствуясь этими данными, любители подсчитывать калории в съедаемой пище, могут ради интереса подсчитать, сколько литров воды можно вскипятить той энергией, которую они потребляют с едой в течение дня.

 

Как вы думаете, что быстрее нагревается на плите: литр воды в кастрюльке или же сама кастрюлька массой 1 килограмм? Масса тел одинакова, можно предположить, что нагревание будет происходить с одинаковой скоростью.

А не тут-то было! Можете проделать эксперимент – поставьте пустую кастрюльку на огонь на несколько секунд, только не спалите, и запомните, до какой температуры она нагрелась. А потом налейте в кастрюлю воды ровно такого же веса, как и вес кастрюли. По идее, вода должна нагреться до такой же температуры, что и пустая кастрюля за вдвое большее время, так как в данном случае нагреваются они обе – и вода, и кастрюля.

Однако, даже если вы выждете втрое большее время, то убедитесь, что вода нагрелась все равно меньше. Воде потребуется почти в десять раз большее время, чтобы нагреться до такой же температуры, что и кастрюля того же веса. Почему это происходит? Что мешает воде нагреваться? Почему мы должны тратить лишний газ на подогрев воды при приготовлении пищи? Потому что существует физическая величина, называемая удельной теплоемкостью вещества.

Удельная теплоемкость вещества

Эта величина показывает, какое количество теплоты надо передать телу массой один килограмм, чтобы его температура увеличилась на один градус Цельсия. Измеряется в Дж/(кг * ˚С). Существует эта величина не по собственной прихоти, а по причине разности свойств различных веществ.

Удельная теплоемкость воды примерно в десять раз выше удельной теплоемкости железа, поэтому кастрюля нагреется в десять раз быстрее воды в ней. Любопытно, что удельная теплоемкость льда в два раза меньше теплоемкости воды. Поэтому лед будет нагреваться в два раза быстрее воды. Растопить лед проще, чем нагреть воду. Как ни странно звучит, но это факт.

Расчет количества теплоты

Обозначается удельная теплоемкость буквой c и применяется в формуле для расчета количества теплоты:

Q = c*m*(t2 — t1),

где Q – это количество теплоты,
c – удельная теплоемкость,
m – масса тела,
t2  и t1 – соответственно, конечная и начальная температуры тела.

Формула удельной теплоемкости: c = ^Q / _{m*(t2 — t1)}

По этой формуле можно рассчитать количество тепла, которое нам необходимо, чтобы нагреть конкретное тело до определенной температуры. Удельную теплоемкость различных веществ можно найти из соответствующих таблиц.

Также из этой формулы можно выразить:

• m = ^Q / _c*(t2-t1) — массу тела
• t1 = t2 — (^Q / _c*m) — начальную температуру тела
• t2 = t1 + (^Q / _c*m) — конечную температуру тела
• Δt = t2 — t1 = (^Q / _c*m) — разницу температур (дельта t)

А что насчет удельной теплоемкости газов? Тут все запутанней. С твердыми веществами и жидкостями дело обстоит намного проще. Их удельная теплоемкость – величина постоянная, известная, легко рассчитываемая. А что касается удельной теплоемкости газов, то величина эта очень различна в разных ситуациях. Возьмем для примера воздух. Удельная теплоемкость воздуха зависит от состава, влажности, атмосферного давления.

При этом, при увеличении температуры, газ увеличивается в объеме, и нам надо ввести еще одно значение – постоянного или переменного объема, что тоже повлияет на теплоемкость. Поэтому при расчетах количества теплоты для воздуха и других газов пользуются специальными графиками величин удельной теплоемкости газов в зависимости от различных факторов и условий.

 

Всем известно, что в нашей жизни огромную роль играет использование топлива. Топливо применяют практически в любой отрасли современной промышленности. Особенно часто применяется топливо, полученное из нефти: бензин, керосин, соляр и другие. Также применяют горючие газы (метан и другие).

Откуда берется энергия у топлива

Известно, что молекулы состоят из атомов. Для того, чтобы разделить какую либо молекулу (например, молекулу воды) на составляющие её атомы, требуется затратить энергию (на преодоление сил притяжения атомов). Опыты показывают, что при соединении атомов в молекулу (это и происходит при сжигании топлива) энергия, напротив, выделяется.

Как известно, существует ещё и ядерное топливо, но мы не будем здесь говорить о нём.

При сгорании топлива выделяется энергия. Чаще всего это тепловая энергия. Опыты показывают, что количество выделившейся энергии прямо пропорционально количеству сгоревшего топлива.

Удельная теплота сгорания

Для расчёта этой энергии используют физическую величину, называемую удельная теплота сгорания топлива. Удельная теплота сгорания топлива показывает, какая энергия выделяется при сгорании единичной массы топлива.

Её обозначают латинской буквой q. В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Отметим, что каждое топливо имеет собственную удельную теплоту сгорания. Эта величина измерена практически для всех видов топлива и при решении задач определяется по таблицам.

Например, удельная теплота сгорания бензина 46 000 000 Дж/кг, керосина такая же, этилового спирта 27 000 000 Дж/кг. Нетрудно понять, что энергия, выделившаяся при сгорании топлива, равна произведению массы этого топлива и удельной теплоты сгорания топлива:

Q = q*m

Рассмотрим пример

Рассмотрим пример. 10 граммов этилового спирта сгорело в спиртовке за 10 минут. Найдите мощность спиртовки.

Решение. Найдём количество теплоты, выделившееся при сгорании спирта:

Q = q*m; Q = 27 000 000 Дж/кг * 10 г = 27 000 000 Дж/кг * 0,01 кг = 270 000 Дж.

Найдём мощность спиртовки:

N = Q / t = 270 000 Дж / 10 мин = 270 000 Дж / 600 с = 450 Вт.

 

Для того чтобы понять, что такое агрегатное состояние вещества, вспомните или представьте себя летом возле речки с мороженным в руках. Замечательная картинка, правда?

Так вот, в этой идиллии кроме получения удовольствия можно еще осуществить физическое наблюдение. Обратите внимание на воду. В реке она жидкая, в составе мороженного в виде льда – твердая, а в небе в виде облаков – газообразная. То есть она находится одновременно в трех различных состояниях. В физике это называется агрегатным состоянием вещества. Различают три агрегатных состояния – твердое, жидкое и газообразное.

Изменение агрегатных состояний вещества

Изменение агрегатных состояний вещества мы можем наблюдать воочию в природе. Вода с поверхности водоемов испаряется, и образуются облака. Так жидкость переходит в газ. Зимой вода в водоемах замерзает, переходя в твердое состояние, а весной вновь тает, переходя в обратно в жидкость. Что происходит с молекулами вещества при переходе его из одного состояния в другое? Меняются ли они? Отличаются ли, например, молекулы льда от молекул пара? Ответ однозначный: нет. Молекулы остаются абсолютно теми же.  Меняется их кинетическая энергия, а соответственно и свойства вещества. Энергия молекул пара достаточно велика, чтобы разлетаться в разные стороны, а при охлаждении пар конденсируется в жидкость, и энергии у молекул все еще достаточно для почти свободного перемещения, но уже недостаточно, чтобы оторваться от притяжения других молекул и улететь. При дальнейшем охлаждении вода замерзает, становясь твердым телом, и энергии молекул уже недостаточно даже для свободного перемещения внутри тела. Они колеблются около одного места, удерживаемые силами притяжения других молекул.

Характер движения и состояния молекул в различных агрегатных состояниях вещества можно отразить на следующей таблице:

Агрегатное состояние вещества	Свойства вещества	Расстояние между частицами	Взаимодействие частиц	Характер движения	Порядок расположения
Газ	Не сохраняет форму и объем	Гораздо больше размеров самих частиц	Слабое	Хаотическое (беспорядочное) непрерывное. Свободно летают, иногда сталкиваясь.	Беспорядочное
Жидкость	Не сохраняет форму, сохраняет объем	Сравнимо с размерами самих частиц	Сильное	Колеблются около положения равновесия, постоянно перескакивая с одного места на другое.	<p >Беспорядочное
Твердое тело	<p >Сохраняет форму и объем	Мало по сравнению с размерами самих частиц	Очень сильное	Непрерывно колеблются около положения равновесия	В определенном порядке

 

Процессов, в которых происходит изменение агрегатных состояний веществ, всего шесть.

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, обратный процесс – кристаллизацией. Когда вещество переходит из жидкости в газ, это называется парообразованием, из газа в жидкость – конденсацией. Переход из твердого состояния сразу в газ, минуя жидкое, называют сублимацией, обратный процесс – десублимацией. 

• 1. Плавление
• 2. Кристаллизация
• 3. Парообразование
• 4. Конденсация
• 5. Сублимация
• 6. Десублимация

Примеры всех этих переходов мы с вами не раз наблюдали в жизни. Лед плавится, образуя воду, вода испаряется, образуя пар. В обратную сторону пар, конденсируясь, переходит снова в воду, а вода, замерзая, становится льдом. А если вы думаете, что вы не знаете процессов сублимации и десублимации, то не спешите с выводами. Запах любого твердого тела – это и есть не что иное, как сублимация. Часть молекул вырывается из тела, образуя газ, который мы и можем унюхать. А пример обратного процесса – это узоры на стеклах зимой, когда пар в воздухе, замерзая, оседает на стекле и образует причудливые узоры.

 

Одно и тоже вещество в реальном мире в зависимости от окружающих условий может находиться в различных состояниях. Например, вода может быть в виде жидкости, в идее твердого тела – лед, в виде газа – водяной пар.

• Эти состояния называются агрегатными состояниями вещества.

Молекулы вещества в различных агрегатных состояниях ничем не отличаются друг от друга. Конкретное агрегатное состояние определяется расположением молекул, а так же характером их движения и взаимодействия между собой.

Газ – расстояние между молекулами значительно больше размеров самих молекул. Молекулы в жидкости и в твердом теле расположены достаточно близко друг к другу. В твердых телах еще ближе.

Чтобы изменить агрегатное состояние тела, ему необходимо сообщить некоторую энергию. Например, чтобы перевести воду в пар её надо нагреть.Чтобы пар снова стал водой, он должен отдать энергию.

Переход из твердого состояния в жидкое

Переход вещества из твердого состояние в жидкое называется плавлением.  Для того чтобы тело начало плавиться, его необходимо нагреть до определенной температуры. Температура, при которой вещество плавится, называют температурой плавления вещества.

Каждое вещество имеет свою температуру плавления. У каких-то тел она очень низкая, например, у льда.  А у каких-то тел температура плавления очень высокая, например, железо. Вообще, плавление кристаллического тела это сложный процесс.

График плавления льда

Ниже на рисунке представлен график плавления кристаллического тела, в данном случае льда.

• График показывает зависимость температуры льда от времени, которое его нагревают. На вертикально оси отложена температура, по горизонтальной — время.

Из графика, что изначально температура льда была -20 градусов. Потом его начали нагревать. Температура начала расти. Участок АВ это участок нагревания льда. С течением времени, температура увеличилась до 0 градусов. Эта температура считается температурой плавления льда. При этой температуре лед начал плавиться, но при этом перестала возрастать его температура, хотя при этом лед также продолжали нагревать. Участку плавления соответствует участок ВС на графике. 

Затем, когда весь лед расплавился и превратился в жидкость, температура воды снова стала увеличиваться. Это показано на графике лучом C. То есть делаем вывод, что во время плавления температура тела не изменяется, вся поступающая энергия идет на плвление.

 

Для того, чтобы расплавить какое-либо вещество в твердом состоянии, необходимо его нагреть. И при нагревании любого тела отмечается одна любопытная особенность

Особенность такая: температура тела растет вплоть до температуры плавления, а потом останавливается до того момента, пока все тело целиком не перейдет в жидкое состояние. После расплавления температура вновь начинает расти, если, конечно, продолжать нагревание. То есть, существует промежуток времени, во время которого мы нагреваем тело, а оно не нагревается. Куда же девается энергия тепла, которую мы расходуем? Чтобы ответить на этот вопрос, надо заглянуть внутрь тела.

В твердом теле молекулы расположены в определенном порядке в виде кристаллов. Они практически не двигаются, лишь слегка колеблясь на месте. Для того, чтобы вещество перешло в жидкое состояние, молекулам необходимо придать дополнительную энергию, чтобы они смогли вырваться от притяжения соседних молекул в кристалликах. Нагревая тело, мы придаем молекулам эту необходимую энергию. И вот пока все молекулы не получат достаточно энергии и не разрушатся все кристаллики, температура тела не повышается. Опыты показывают, что для разных веществ одной массы требуется разное количество теплоты для полного его расплавления.

То есть существует определенная величина, от которой зависит, сколько тепла необходимо поглотить веществу для расплавления. И величина эта различна для разных веществ. Эта величина в физике называется удельная теплота плавления вещества. Опять же, вследствие опытов установлены значения удельной теплота плавления для различных веществ и собраны в специальные таблицы, из которых можно почерпнуть эти сведения. Обозначают удельную теплоту плавления греческой буквой λ (лямбда), а единицей измерения является 1 Дж/кг. 

Формула удельной теплоты плавления

Удельная теплота плавления находится по формуле:

λ=Q/m,

где Q – это количество теплоты, необходимое для того, чтобы расплавить тело массой m.

Опять-таки из опытов известно, что при отвердевании вещества выделяют такое же количество тепла, которое требовалось затратить на их расплавление. Молекулы, теряя энергию, образуют кристаллы, будучи не в силах сопротивляться притяжению других молекул. И опять-таки, температура тела не будет понижаться вплоть до того момента, пока не отвердеет все тело, и пока не выделится вся энергия, которая была затрачена на его плавление. То есть удельная теплота плавления показывает, как сколько надо затратить энергии, чтобы расплавить тело массой m, так и сколько энергии выделится при отвердевании данного тела. 

Для примера, удельная теплота плавления воды в твердом состоянии, то есть, удельная теплота плавления льда равна 3,4*105 Дж/кг.  Эти данные позволяют рассчитать, сколько потребуется энергии, чтобы расплавить лед любой массы. Зная также удельную теплоемкость льда и воды, можно рассчитать, сколько точно потребуется энергии для конкретного процесса, например, расплавить лед массой 2 кг и температурой — 30˚С и довести получившуюся воду до кипения. Такие сведения для различных веществ очень нужны в промышленности для расчета реальных затрат энергии при производстве каких-либо товаров.

 

Если оставить незакрытым сосуд с водой, то через некоторое время вода испарится. Если проделать тот же опыт с этиловым спиртом или бензином, то процесс происходит несколько быстрее. Если кастрюлю с водой нагревать на достаточно мощной горелке, то вода закипит.

Все эти явления являются частным случаем парообразования превращения жидкости в пар. Существует два вида парообразования испарение и кипение.

Что такое испарение

Испарением называют парообразование с поверхности жидкости. Объяснить испарение можно следующим образом.

При соударениях скорости молекул меняются. Часто находятся молекулы, скорость которых настолько велика, что они преодолевают притяжение соседних молекул и отрываются от поверхности жидкости. (Молекулярное строение вещества). Так как даже в небольшом объёме жидкости очень много молекул, такие случаи получаются довольно часто, и идёт постоянный процесс испарения.

Отделившиеся от поверхности жидкости молекулы образуют над ней пар. Некоторые из них вследствие хаотического движения возвращаются обратно в жидкость. Поэтому испарение происходит быстрее, если есть ветер, так как он уносит пар в сторону от жидкости (здесь также имеет место явление «захвата» и отрыва молекул с поверхности жидкости ветром).

Поэтому же в закрытом сосуде испарение быстро прекращается: количество «оторвавшихся» за единицу времени молекул становится равно количеству «вернувшихся» в жидкость.

Интенсивность испарения зависит от рода жидкости: чем меньше притяжение между молекулами жидкости, тем интенсивнее испарение.

Чем больше площадь поверхности жидкости, тем больше молекул имеют возможность покинуть её. Значит, интенсивность испарения зависит от площади поверхности жидкости.

При повышении температуры скорости молекул возрастают. Поэтому чем выше температура, тем интенсивнее испарение.

Что такое кипение

Кипение это интенсивное парообразование, которое происходит в результате нагревания жидкости, образования в ней пузырьков пара, всплывающих на поверхность и разрывающихся там.

Во время кипения температура жидкости остаётся постоянной.

Температура кипения это температура, при которой жидкость кипит. Обычно, говоря о температуре кипения данной жидкости, подразумевают температуру, при которой эта жидкость кипит при нормальном атмосферном давлении.

При парообразовании молекулы, которые отделились от жидкости, уносят из неё часть внутренней энергии. Поэтому при испарении жидкость охлаждается.

Удельная теплота парообразования

Физическую величину, характеризующую количество теплоты, которое требуется для испарения единичной массы вещества, называют удельной теплотой парообразования. (по ссылке более подробный разбор этой темы)

В системе СИ единица измерения этой величины Дж/кг. Её обозначают буквой L.

Чтобы рассчитать количество теплоты, которое потребляется при превращении в пар некоторой жидкости с удельной теплотой плавления L и массой m, применяют формулу:

Q = m*L

(где Q искомое количество теплоты).

 

Знаете ли вы, какова температура варящегося супа? 100 ˚С. Ни больше, ни меньше. При той же температуре закипает чайник, и варятся макароны. Что это значит?

Почему при постоянном подогреве кастрюльки или чайника горящим газом температура воды внутри не подымается выше ста градусов? Дело в том, что когда вода достигает температуры в сто градусов, вся поступающая тепловая энергия расходуется на переход воды в газообразное состояние, то есть испарение. До ста градусов испарение происходит в основном с поверхности, а достигнув этой температуры, вода закипает. Кипение – это тоже испарение, но только по всему объему жидкости. Пузырьки с горячим паром образуются внутри воды и, будучи легче воды, эти пузырьки вырываются на поверхность, а пар из них улетучивается в воздух.

До ста градусов температура воды при нагревании растет. После ста градусов при дальнейшем нагревании будет расти температура водяного пара. А вот пока вся вода не выкипит при ста градусах, ее температура не повысится, сколько энергии не прикладывай. Куда девается эта энергия, мы уже разобрались – на переход воды в газообразное состояние. Но раз существует такое явление, значит должна быть описывающая это явление физическая величина. И такая величина существует. Называется она удельной теплотой парообразования.

Удельная теплота парообразования воды

Удельная теплота парообразования – это физическая величина, которая показывает количество теплоты, нужное, чтобы превратить жидкость массой 1 кг в пар при температуре кипения. Обозначается удельная теплота парообразования буквой L. А единицей измерения является джоуль на килограмм (1 Дж/кг).

Удельную теплоту парообразования можно найти из формулы:

L=Q/m,

где Q – это количество теплоты,
m – масса тела.

Кстати, формула такая же, как и для расчета удельной теплоты плавления, разница лишь в обозначении. λ и L

Опытным путем найдены значения удельной теплоты парообразования различных веществ и составлены таблицы, откуда можно найти данные для каждого вещества. Так, удельная теплота парообразования воды равна 2,3*106 Дж/кг. Это означает, что на каждый килограмм воды необходимо потратить количество энергии, равное 2,3*106 Дж, чтобы превратить ее в пар. Но при этом вода должна уже обладать температурой кипения. Если вода изначально была более низкой температуры, то необходимо рассчитать еще то количество теплоты, которое потребуется для подогрева воды до ста градусов.

В реальных условиях часто требуется определить количество теплоты, необходимое для превращения в пар определенной массы какой-либо жидкости, поэтому чаще приходится иметь дело с формулой вида: Q=Lm, а значения удельной теплоты парообразования для конкретного вещества берут из готовых таблиц.

 

Согласитесь, что сегодня невозможно представить себе современный мир без автомобилей, поездов, теплоходов и так далее. А ведь так было не всегда.

Еще совсем недавно каких-то двести лет назад единственным средством передвижения по земле кроме собственных ног были лошади. Лошади возили телеги, повозки, кареты, даже вагоны по рельсам.

И мысль о том, что все это можно передвигать без помощи этих несчастных животных была из области фантастики. Тогда-то, в начале 19 века, и начались первые изобретения самоходных машин на основе парового двигателя.

В таком двигателе нагревался огнем наполненный водой котел, и пар от кипящей воды совершал механическую работу по приведению двигателя в ход. Двигатели были чудовищными, малоэффективными, огромными и небезопасными. Однако, на основе этих двигателей были созданы первые автомобили, паровозы и пароходы.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания

Людям понравилась эта затея, несмотря на все минусы. Тогда это было чудом техники. И лишь в 1860 году, когда паровые двигатели применялись уже повсеместно и перестали считаться чем-то необыкновенным, был изобретен первый двигатель внутреннего сгорания.

Еще 18 лет понадобилось, чтобы изобретение доработали до нормально работающего варианта, который и по сей день является основой любого двигателя внутреннего сгорания четырехтактного двигателя.

Еще через семь лет двигатели начали работать на бензине. До этого их топливом был светильный газ. В наше время практически везде применяются двигатели внутреннего сгорания с кратным четырем количеством цилиндров. Давайте рассмотрим устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания.

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Он состоит из цилиндра с поршнем, клапанов для впуска топлива и выпуска отработанных паров и коленчатого вала, соединенного с поршнем. Разберем, как работает двигатель внутреннего сгорания на основе простейшего одноцилиндрового движка.

Во время первого такта сквозь топливный клапан впускается горючая смесь бензина и воздуха. Поршень двигается вниз.

На втором такте поршень двигается вверх, сжимая эту смесь, отчего она нагревается.

Третий такт: сжатая смесь поджигается электрической свечой, и энергия от этого небольшого взрыва толкает поршень вниз, приводя в движение коленчатый вал. Энергии толчка достаточно, чтобы коленвал, вращаясь по инерции, приводил в движение поршень при последующих тактах.

И наконец, на четвертом такте, сквозь второй клапан отработанные газы выталкиваются поршнем из цилиндра. Как видно, только один из четырех тактов рабочий.

Для равномерного вращения вала и увеличения мощности совмещают на одном валу четыре цилиндра таким образом, чтобы во время каждого такта один из цилиндров был в стадии рабочего хода. В таком случае они равномерно и последовательно вращают коленвал. Восемь, двенадцать и более цилиндров применяются уже исключительно для увеличения мощности движка.

 

Развлекались ли вы в детстве таким нехитрым фокусом: если потереть о сухие волосы надутый воздушный шарик, а потом приложить его к потолку, то он как бы «прилипает»?

Нет? Попробуйте, это забавно. Не менее забавно потом торчат во все стороны волосы. Такой же эффект получается иногда при расчесывании длинных волос. Они торчат и липнут к расческе. Ну и всем знакомы ситуации, когда походив в шерстяных или синтетических вещах, прикасаешься к чему-то или к кому-то и чувствуешь резкий укол. В таких случаях говорят – бьешься током. Все это примеры электризации тел. Но откуда возникает электризация, если мы все прекрасно знаем, что электрический ток живет в розетках и батарейках, а не в волосах и одежде? 

Явление электризации тел: способы электризации

Явление электризации тел начинают изучать в восьмом классе. И начинают изучение с рассмотрения электризации тел при соприкосновении. Для этого на уроках проводят опыты с применением простейших способов электризации тел трением эбонитовой или стеклянной палочки о мех или шелк. Вы можете проделать такие опыты самостоятельно, вместо палочки можно взять пластмассовую ручку или линейку. Потрите ручку о шерсть или мех, а затем поднесите к мелко нарезанным кусочкам бумаги, соломинкам или шерстинкам. Вы увидите, как эти кусочки притягиваются к ручке. То же произойдет с тонкой струей воды, если поднести к ней наэлектризованную ручку.

Два рода электрических зарядов

Впервые подобные эффекты были обнаружены с янтарем, потому и были названы электрическими от греческого слова «электрон» – янтарь. И способности тел притягивать другие предметы после соприкосновения, а натирание – это лишь способ увеличить площадь соприкосновения, назвали электризацией или приданием телу электрического заряда. Опытным путем установили, что существует два рода электрических зарядов. Если натереть стеклянную и эбонитовую палочки, то они будут притягиваться между собой. А две одинаковые – отталкиваться. И это происходит не потому, что они не нравятся друг другу, а потому, что у них разные электрические заряды.  Электрический заряд стеклянной палочки условились называть положительным, а эбонитовой – отрицательным. Обозначаются они, соответственно, знаками «+» и «-». Опять-таки, эти названия взяты не в смысле того, то один вид заряда хороший, а второй плохой. Имеется в виду, что они противоположны друг другу. 

В наше время широко используют легко электризующиеся предметы – пластмассы, синтетические волокна, нефтепродукты. При трении таких веществ возникает электрический заряд, который иногда бывает как минимум неприятен, как максимум он может быть вреден. В промышленности с ними борются специальными средствами. В быту же самый простой способ избавиться от электризации – это смочить наэлектризованную поверхность. Если воды под рукой нет, то поможет прикосновение к металлу или земле. Эти тела снимут электризацию. А чтобы вообще не ощущать на себе эти неприятные эффекты рекомендуется пользоваться антистатиками.

 

Если вы походили в одежде из синтетической ткани, то очень вероятно, что вскоре вы ощутите не очень приятные последствия от такого занятия. Ваше тело наэлектризуется и, здороваясь с другом или дотрагиваясь до дверной ручки, вы ощутите острый укол тока.

Это не смертельно и не опасно, но не очень-то приятно. Каждый хотя бы раз в жизни сталкивался с подобным явлением. Но частенько мы узнаем, что наэлектризовались, уже по последствиям. Можно ли узнать, что тело наэлектризовано каким-нибудь более приятным способом, чем укол тока? Можно.

Для чего нужны электроскоп и электрометр?

Самый простой прибор для определения наэлектризованности – электроскоп. Принцип действия его очень прост. Если дотронуться до электроскопа телом, обладающим каким-либо зарядом, то этот заряд передастся металлическому стержню с лепестками внутри электроскопа. Лепестки приобретут заряд одного знака и разойдутся, отталкиваемые одноименным зарядом друг от друга. По шкале можно будет увидеть размер заряда в кулонах. Есть еще разновидность электроскопа – электрометр. Вместо лепестков на металлическом стержне в нем укреплена стрелка. Но принцип действия тот же – стержень и стрелка заряжаются и отталкиваются друг от друга. Величина отклонения стрелки показывает на шкале уровень заряда. (-19)  Кл (Кулона). Эта величина в миллиарды раз меньше величины заряда, который мы получаем, наэлектризовав волосы расческой.

Сущность электрического поля

Еще один вопрос, который возникает при изучении явления электризации, заключается в следующем. Чтобы передать заряд, нам надо прикоснуться непосредственно наэлектризованным телом к другому телу, но чтобы заряд подействовал на другое тело, непосредственный контакт не нужен. Так, наэлектризованная стеклянная палочка притягивает к себе кусочки бумаги на расстоянии, не дотрагиваясь до них. Может, это притяжение передается по воздуху? Но опыты показывают, что в безвоздушном пространстве эффект притяжения остается. Что же это тогда?

Это явление объясняют существованием вокруг заряженных тел определенного вида материи – электрического поля. Электрическому полю в курсе физики 8 класса дают следующее определение: электрическое поле – это особый вид материи, отличающейся от вещества, существующий вокруг каждого электрического заряда и способный действовать на другие заряды. Честно говоря, до сих пор нет однозначного ответа, что это такое, и каковы его причины. Все, что мы знаем об электрическом поле и его воздействии, установлено опытным путем. Но наука движется вперед, и хочется верить, что и данный вопрос когда-нибудь разрешится до полной ясности. Тем более, что хотя мы и не до конца понимаем природу существования электрического поля, тем не менее, мы уже довольно неплохо научились использовать это явление на благо человечества.

 

Мы знаем, что частица, которая является носителем элементарного электрического заряда – это электрон. Передача электронов телами и обусловливает существование и передачу электрического заряда.

При этом электрон заряжен отрицательно. Откуда же тогда берется положительный заряд? Еще мы знаем, что электроны входят в состав атомов. Однако, далеко не все атомы имеют отрицательный заряд. Что компенсирует отрицательный заряд электронов в атоме? И если электрон, входящий в состав атома так легко перемещается, как тогда может оставаться в устойчивости атом, а соответственно и вещество? На эти и другие вопросы дается ответ на уроках по строению атома в восьмом классе в курсе физики. Сейчас мы их разберем.

Электронная модель строения атома

Итак, модель электронного строения атома такова: в центре атома расположено положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны. Количество электронов в атомах различных веществ различается. В атоме водорода один электрон, в атоме кислорода – восемь, в атоме железа – двадцать шесть.

Но главное в атоме – это совсем не количество электронов. В атоме главное – это состав ядра. Электроны могут покидать атом, и тогда он приобретает положительный заряд за счет положительного заряда ядра. Но свойства вещества при этом не изменяются. А вот если изменить состав ядра, то это будет уже другое вещество с другими свойствами. Сделать это очень сложно, однако возможно.

Ядро атома состоит из положительно заряженных частиц. Частицы называются протонами. В состоянии покоя количество протонов и электронов равно, таким образом атом имеет нулевой заряд. Масса каждого протона в 1840 раз больше массы любого электрона. Масса ядра — это около 99% массы всего атома.

А вот заряд протона равен по модулю заряду одного электрона. Опыты показали, что ядро состоит не только из протонов. В его состав входят еще частицы, не имеющие заряда и практически равные по массе протонам. Эти частицы назвали нейтронами. Различие в составе атома на один протон или нейтрон придает атому совсем другие свойства. Это уже разные вещества.

Атом может без всякого ущерба терять электроны, и тогда его заряд становится положительным. Такой атом называют положительно заряженным ионом. Атом может также и приобретать дополнительные электроны. В таком случае атом получает отрицательный заряд, и его называют отрицательным ионом. Надо еще сказать, что изменяться может только заряд атома в ту или иную сторону. Заряд каждого отдельного электрона или протона – величина постоянная, и изменяться не может ни при каких условиях.

 

Ни для кого не секрет, что радиация вредна. Это знают все. Все слышали про ужасные жертвы и опасность радиоактивного воздействия. Что же такое радиация? Как она возникает? Существуют ли разные виды радиации? И как от нее защититься?

Слово «радиация» происходит от латинского radius и обозначает луч. В принципе радиация – это все виды существующих в природе излучений – радиоволны, видимый свет, ультрафиолет и так далее. Но излучения бывают различными, некоторые из них полезны, некоторые вредны. Мы в обычной жизни привыкли словом радиация называть вредное излучение, возникающее вследствие радиоактивности некоторых видов вещества. Разберем, как на уроках физики объясняют явление радиоактивности.

Радиоактивность в физике

Мы знаем, что атомы вещества состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так вот ядро – это в принципе очень устойчивое образование, которое сложно разрушить. Однако, ядра атомов некоторых веществ обладают нестабильностью и могут излучать в пространство различную энергию и частицы.

Это излучение называют радиоактивным, и оно включает в себя несколько составляющих, которые назвали соответственно первым трем буквам греческого алфавита: α-, β- и γ- излучение. (альфа-, бета- и гамма-излучение). Эти излучения различны, различно и их действие на человека и меры защиты от него. Разберем все по порядку.

Альфа-излучение

Альфа-излучение — это поток тяжелых положительно заряженных частиц. Возникает в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. В воздухе альфа-излучение проходит не более пяти сантиметров и, как правило, полностью задерживается листом бумаги или внешним омертвевшим слоем кожи. Однако если вещество, испускающее альфа-частицы, попадает внутрь организма с пищей или воздухом, оно облучает внутренние органы и становится опасным.

Бета-излучение

Бета-излучение — это электроны, которые значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. От него можно защититься тонким листом металла, оконным стеклом и даже обычной одеждой. Попадая на незащищенные участки тела, бета-излучение оказывает воздействие, как правило, на верхние слои кожи. Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году пожарные получили ожоги кожи в результате очень сильного облучения бета-частицами. Если вещество, испускающее бета-частицы, попадет в организм, оно будет облучать внутренние ткани.

Гамма-излучение

Гамма-излучение — это фотоны, т.е. электромагнитная волна, несущая энергию. В воздухе оно может проходить большие расстояния, постепенно теряя энергию в результате столкновений с атомами среды. Интенсивное гамма-излучение, если от него не защититься, может повредить не только кожу, но и внутренние ткани. Плотные и тяжелые материалы, такие как железо и свинец, являются отличными барьерами на пути гамма-излучения.

Как видно, альфа-излучение по его характеристикам практически не опасно, если не вдохнуть его частички или не съесть с пищей. Бета-излучение может причинить ожоги кожи в результате облучения. Самые опасные свойства у гамма-излучения. Оно проникает глубоко внутрь тела, и вывести его оттуда очень сложно, а воздействие очень разрушительно.

В любом случае без специальных приборов знать, что за вид радиации присутствует в данном конкретном случае нельзя, тем более, что всегда можно случайно вдохнуть частички радиации с воздухом. Поэтому общее правило одно – избегать подобных мест, а если уж попали, то укутаться как можно большим количеством одежды и вещей, дышать через ткань, не есть и не пить, и постараться поскорее покинуть место заражения. А потом при первой же возможности избавиться от всех этих вещей и хорошенько вымыться.

Радиоактивность также можно рассматривать как свидетельство сложного строения атомов. Изначально еще философы древности представляли себе мельчайщую частицу вещества — атом — неделимой частицей. Как радиактивность позволила разрушить данное представление? Подробности по ссылке.

Задания контрольной работы №1 «Тепловые явления» для 8 класса часть а

Задания контрольной работы №1 «Тепловые явления» для 8 класса

ЧАСТЬ А. Выберите один правильный ответ.

• Что происходит с температурой тела, если оно поглощает больше энергии, чем выделяет?
  1) повышается
  2) понижается
  3) не изменяется
  4) может повышаться, может понижаться.

• Тело А находится в тепловом равновесии с телом С, а тело В не находится в тепловом равновесии с телом С. Найдите верное утверждение.
  1) температуры тел А и В одинаковы
  2) температуры тел А, В и С одинаковы
  3) Тела А и В находятся в тепловом равновесии
  4) температуры тел А и В не одинаковы.

• Тепловое движение совершают…
  1) только молекулы газов
  2) только молекулы жидкостей
  3) только молекулы твердых тел
  4) молекулы любых веществ.

• Ниже названо несколько тел: кубик льда при температуре 0ºС; неподвижно лежащий на земле мяч; бортовой журнал, находящийся на борту космического корабля. Есть ли среди названных тел такие, у которых внутренняя энергия равна нулю?
  1) да, кубик льда при температуре 0ºС
  2) да, неподвижно лежащий на земле мяч
  3) да, бортовой журнал на борту космического корабля
  4) среди перечисленных таких тел нет

• Внутреннюю энергию тела можно изменить…
  1) только совершением работы
  2) только теплопередачей
  3) совершением работы и теплопередачей
  4) внутреннюю энергию изменить нельзя.

• Один из двух одинаковых шариков лежит на земле, другой – на подставке на высоте 1 м над поверхностью земли. Температура шариков одинакова. Что можно сказать о внутренней энергии шариков?

  
  1) внутренняя энергия одинакова
  2) внутренняя энергия первого шарика больше, чем второго
  3) внутренняя энергия первого шарика меньше, чем второго
  4) ничего определенного сказать нельзя.

• В металлическую кружку налита вода. Какое из перечисленных действий не приводит к изменению внутренней энергии?
  1) нагревание воды на горячей плите
  2) совершение работы над водой, приведение ее в поступательное движение вместе с кружкой
  3) совершая работу над водой перемешиванием ее миксером
  4) все перечисленные способы.

• Внутренняя энергия тела не зависит
  1) от массы тела
  2) от рода вещества и температуры тела
  3) от температуры и массы тела
  4) от скорости движения тела.

• Ложка, опущенная в тарелку с горячим супом, стала горячей.

  Какой вид теплопередачи является основным в данном случае?
  1) конвекция
  2) теплопроводность
  3) излучение
  4) все виды теплопередачи вносят свой вклад

• На Земле в огромных масштабах осуществляется круговорот воздушных масс. С каким видом теплопередачи в основном связано движение воздуха?
  1) теплопроводность и излучение
  2) теплопроводность
  3) излучение
  4) конвекция.

• Метеорит при прохождении через земную атмосферу раскалился. Как изменилась его внутренняя энергия?
  1) уменьшилась за счет совершения работы
  2) увеличилась за счет совершения работы
  3) уменьшилась за счет теплопередачи
  4) увеличилась за счет теплопередачи.

• Какой вид теплопередачи сопровождается переносом вещества?
  1) излучение
  2) конвекция
  3) теплопроводность
  4) механическая работа

• Оболочку стратостата красят в серебристый цвет, чтобы

  
  1) уменьшить теплопроводность оболочки
  2) увеличить скорость конвекции окружающего воздуха
  3) уменьшить поглощение энергии излучения
  4) увеличить поглощение энергии излучения

• Батареи центрального отопления ставят обычно под окнами, чтобы
  1) теплый воздух равномерно опускался к полу
  2) холодный воздух, поднимаясь вверх, уходил из помещения
  3) холодный воздух вследствие излучения опускался к полу
  4) теплый воздух вследствие конвекции поднимался вверх и уходил из помещения

• Форточки в окнах делают вверху, чтобы
  1) теплый воздух равномерно опускался к полу
  2) холодный воздух, поднимаясь вверх, уходил из помещения
  3) холодный воздух вследствие излучения опускался к полу
  4) теплый воздух вследствие конвекции поднимался вверх и уходил из помещения

• Металл на ощупь кажется холодным, потому, что…
  1) у металла хорошая теплопроводность, он быстро передает тепло от рук
  

  2) у металла плохая теплопроводность, он быстро передает холод к рукам
  3) у металла плохая теплопроводность, он плохо вырабатывает холод
  4) в металлах невозможна конвекция

• Медный и алюминиевый шарики одинаковой массы нагрели в кипятке, а затем вынули и положили на льдину. Под каким из шариков расплавится больше льда?
  1) под медным
  2) под алюминиевым
  3) одинаково под двумя шариками
  4) лед не расплавится

• Массы и температуры золотого и серебряного колец одинаковы, им сообщают одинаковое количество теплоты. При этом…
  1) температура золотого кольца станет выше, чем серебряного
  2) температура серебряного кольца станет выше, чем золотого
  3) температура золотого кольца станет ниже, чем серебряного
  4) температуры колец останутся одинаковыми

• Удельная теплоемкость свинца равна 140 . Это значит, что…
  1) для нагревания свинца массой 1 кг на 140 ºС потребуется 1 Дж теплоты
  2) для нагревания свинца массой 140 кг на 1 ºС потребуется 1 Дж теплоты
  3) при охлаждении свинца массой 1 кг на 1 ºС выделится 140 Дж теплоты
  4) при охлаждении свинца массой 140 кг на 1 ºС выделится 1 Дж теплоты

• Удельная теплоемкость кирпича равна 880 . Это значит, что…
  1) для нагревания кирпича массой 1 кг на 880 ºС потребуется 1 Дж теплоты
  2) для нагревания кирпича массой 880 кг на 1 ºС потребуется 1 Дж теплоты
  3) при охлаждении кирпича массой 1 кг на 1 ºС выделится 880 Дж тепла
  4) при охлаждении кирпича массой 880 кг на 1 ºС выделится 1 Дж теплоты

• Удельная теплота сгорания дров равна 10 МДж/кг. Это значит, что…

  
  1) при полном сгорании 1 кг дров выделяется 10 МДж тепла
  2) для полного сгорании 1 кг дров требуется 10 МДж тепла
  3) при полном сгорании 1 м³ дров выделяется 10 МДж тепла
  4) при полном сгорании 1∙10⁷ кг дров выделяется 1 Дж тепла

• Два тела массами m₁ = 2 кг и m₂ = 1 кг, состоящие из разных веществ, нагрели на одинаковое количество градусов. Сравните количество теплоты Q₁ и Q₂, сообщенное телам, если удельные теплоемкости тел соответственно равны с₁ = 230,
  с₂ = 460.
  1) Q₁ = 2Q₂ 2) Q₂ = 2Q

  1 3) Q₁ = Q₂ 4) Q₂ = 4Q₁

• Удельная теплота сгорания топлива равна 4,5∙10⁷ Дж/кг. Это значит, что…
  1) при полном сгорании 1 кг топлива выделяется 4,5∙10⁷ Дж тепла
  2) для полного сгорания 1 кг топлива требуется 4,5∙10⁷ Дж тепла
  3) при полном сгорании 1 м³ топлива выделяется 4,5∙10⁷ Дж тепла
  4) при полном сгорании 4,5∙10⁷ кг топлива выделяется тепла 1 Дж тепла

• Алюминиевая и стальная ложки одинаковой массы, взятые при одинаковой температуре, получили одинаковое количество теплоты. При этом…
  1) алюминиевая ложка нагрелась больше
  2) стальная ложка нагрелась больше
  3) стальная ложка нагрелась меньше
  4) ложки нагрелись одинаково

• На рисунке представлен график зависимости изменения температуры твердого тела от времени.

  В течение третьей минуты:
  
  1) температура тела повышалась, внутренняя энергия не изменялась
  2) температура тела понижалась, внутренняя энергия уменьшалась
  3) температура тела повышалась, внутренняя энергия тела увеличивалась
  4) температура тела не изменялась, внутренняя энергия тела не изменялась.

• На рисунке представлен график зависимости изменения температуры твердого тела от времени. В течение второй минуты:
  
  1) температура тела повышалась, внутренняя энергия не изменялась
  2) температура тела понижалась, внутренняя энергия уменьшалась
  3) температура тела повышалась, внутренняя энергия тела увеличивалась
  4) температура тела не изменялась, внутренняя энергия тела не изменялась.

• На рисунке представлен график зависимости изменения температуры твердого тела от времени. В течение шестой минуты:

  
  
  1) температура тела повышалась, внутренняя энергия не изменялась
  2) температура тела понижалась, внутренняя энергия уменьшалась
  3) температура тела повышалась, внутренняя энергия тела увеличивалась
  4) температура тела не изменялась, внутренняя энергия тела не изменялась.

• На рисунке представлен график зависимости изменения температуры твердого тела от времени. В течение пятой минуты:
  
  1) температура тела повышалась, внутренняя энергия не изменялась
  2) температура тела понижалась, внутренняя энергия уменьшалась
  3) температура тела повышалась, внутренняя энергия тела увеличивалась
  4) температура тела не изменялась, внутренняя энергия тела не изменялась.

ЧАСТЬ В.

• Используя условие задачи, установите соответствия величин из левого столбца таблицы с их изменениями в правом столбце.
  
  

Величина		Изменение
А. Над телом совершают механическую работу. Его температура при этом…		1) увеличивается
Б. При охлаждении тела удельная теплоемкость вещества, из которого оно сделано …		2) уменьшается
В. При увеличении массы тела количество теплоты, выделяемое при его полном сгорании…		3) не изменяется

• Используя условие задачи, установите соответствия величин из левого столбца таблицы с их изменениями в правом столбце.
  
  

  Величина		Изменение
  А. Тело отдает количество теплоты без изменения агрегатного состояния. Его температура при этом…		1) увеличивается
  Б. При увеличении массы тела его удельная теплота сгорания …		2) уменьшается
  В. При уменьшении массы тела количество теплоты, требуемое для его нагревания…		3) не изменяется

• Используя условие задачи, установите соответствия величин из левого столбца таблицы с их изменениями в правом столбце.
  
  

  Величина		Изменение
  А. При охлаждении тела удельная теплота сгорания вещества, из которого оно сделано…		1) увеличивается
  Б. Тело принимает количество теплоты без изменения агрегатного состояния. При этом его температура …		2) уменьшается
  В. При уменьшении массы тела количество теплоты, требуемое для его нагревания…		3) не изменяется

• Используя условие задачи, установите соответствия величин из левого столбца таблицы с их изменениями в правом столбце.
  
  

Величина		Изменение
А. Газ совершает механическую работу. Его температура при этом…		1) увеличивается
Б. При нагревании тела его удельная теплоемкость …		2) уменьшается
В. При увеличении массы тела количество теплоты, требуемое для его нагревания…		3) не изменяется

Решите задачи

• При сгорании 500 г спирта выделяется… Дж тепла.

• При сгорании 3 кг пороха выделяется… Дж тепла.

• При полном сгорании 2,5 кг каменного угля выделяется… Дж энергии.

• Сжигая 4 кг бензина, можно получить… Дж теплоты.

• Получив от горячей воды 100 Дж тепла, алюминиевая ложка массой 0,1 кг нагреется
  на … ºС.

• Алюминиевая деталь массой 0,2 кг получает 9200 Дж энергии, при этом она нагревается на … ºС.

• Затратив 2520 кДж энергии можно нагреть на 30ºС … кг воды.

• При включении в электрическую сеть железный утюг массой 3 кг получил 138 кДж теплоты, при этом он нагрелся на … ºС.

ЧАСТЬ С.

Решите задачу.

• Сколько килограммов сухих дров нужно сжечь, чтобы нагреть 10 кг воды от 30ºС до кипения? Потерями энергии пренебречь. Ответ представить целым числом граммов.

• Какую массу керосина надо сжечь, чтобы за счет выделившегося тепла нагреть 10т чугуна на 10ºС? Потерями тепла пренебречь. Ответ округлите до сотых числа.

• Рассчитайте массу керосина, который потребуется сжечь для того, чтобы нагреть 9,2 кг воды от 10 до 80ºС, если считать, что вся энергия, выделенная при сгорании керосина, пойдет на нагрев воды. Ответ представьте целым числом граммов.

• Определить массу торфа, необходимую для нагревания воды массой 10 кг от 50ºС до кипения. Считать, что все выделившееся тепло идет на нагрев воды. Ответ представить целым числом граммов.

Тема №7553 Ответы к тестам по физике 8 класс 769874 (Часть 1)

Тема №7553

 

ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
(Часть Тепловое движение. Температура.
Внутренняя энергия
1. Температура — это физическая величина, характеризующая
1) способность тел совершать работу
2) разные состояния тела
3) степень нагретости тела
2. Единица измерения температуры —
1) джоуль
2) паскаль
3) ватт
4) градус Цельсия
3. Какую температуру воздуха зафиксировал изображенный на рисунке термометр? Какова погрешность измерения им температуры?
1) 30,5 °С; 0,5 °С
2) 32 °С; 0,5 °С
3) 32 °С; 1 °С
4) 30 °С; 1 °С
4. Температура тела зависит от
1) его внутреннего строения
2) плотности его вещества
3) скорости движения его молекул
4) количества в нем молекул
^ ^ ^ т
^ Тепловые явления (Часть ^ jg<^ 5. В одном стакане находится теплая вода (№ 1), в другом —
горячая (№ 2), в третьем — холодная (№ 3). В каком из них
температура воды самая высокая, в каком — молекулы воды
движутся с наименьшей скоростью?
1) № 2; № 3 3) № 1; № 2) № 3; № 2 4) № 2; № 6. Чем отличаются молекулы горячего чая от молекул этого же
чая, когда он остыл?
1) Размером
2) Скоростью движения
3) Числом атомов в них
4) Цветом
7. Какие из перечисленных явлений тепловые?
1) Падение на пол ложки
2) Разогревание на плите супа
3) Таяние на солнце снега
4) Купание в бассейне
8. Какое движение называют тепловым?
1) Движение тела, при котором оно нагревается
2) Постоянное хаотическое движение частиц, из которых состоит тело
3) Движение молекул в теле при высокой температуре
9. Какие молекулы тела участвуют в тепловом движении? При
какой температуре?
1) Находящиеся на поверхности тела; при комнатной температуре
2) Все молекулы; при любой температуре
3) Расположенные внутри тела; при любой температуре
4) Все молекулы; при высокой температуре
10. Тепловые явления (Часть 2. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию
тела?
1) Приведением его в движение
2) Совершением телом или над ним работы
3) Подняв его на некоторую высоту
4) Путем теплопередачи
3. Изменение внутренней энергии какого тела происходит в результате теплопередачи в названных ситуациях?
1) Нагревание сверла, когда делают отверстие с помощью
дрели
2) Понижение температуры газа при его расширении
3) Охлаждение пачки масла в холодильнике
4) Нагревание колес движущегося поезда
4. В каком примере внутренняя энергия тела изменяется в результате совершения механической работы?
1) Чайная ложка опущена в стакан с горячей водой
2) При резком торможении грузовика от тормозов пошел запах гари
3) В электрочайнике закипает вода
4) Замерзшие руки человек согревает, прижав их к теплому
радиатору
5. Металлические бруски (см. рис.) имеют разную температуру. Два из них надо соединить торцами так, чтобы их
внутренняя энергия не изменилась. ■ . Почему для возникновения конвекции в жидкости ее надо
подогревать снизу?
1) Иначе жидкость не прогреется
2) Потому что нагретые верхние слои жидкости, как более
легкие, останутся наверху
3) Потому что подогревать сверху неудобно
. На какую полку — самую верхнюю или самую нижнюю —
надо поставить банку с вареньем в комнате-кладовке, чтобы
оно лучше сохранялось?
1) На самую верхнюю
2) На самую нижнюю
3) Все равно
. Какие существуют виды конвекции?
1) Естественная и свободная
2) Естественная и вынужденная
3) Только свободная
4) Только вынужденная
. В каком случае происходит вынужденная конвекция?
1) Согревание помещения электронагревателем с вентилятором
2) Нагревание воздуха стоящим на полу баком с кипятком
3) Обогревание северных районов Европы Гольфстримом
4) Образование прохладного ветерка вблизи водоема
Естественная конвекция наблюдается
1) в воде, когда ее греют в котелке над костром
2) в бульоне при размешивании в нем соли
3) в воздухе при работе вентилятора
4) в воде, когда от брошенного в нее камня расходятся круги
1Излучение
Излучение
1. 6. Выразите количества теплоты, равные 6000 Дж и 10 000 кал,
в килоджоулях.
1) 6 кДж и 4,2 кДж
2) 60 кДж и 42 кДж
3) 6 кДж и 42 кДж
4) 60 кДж и 4,2 кДж
7. Переведите количества теплоты, равные 7,5 кДж и 25 кал, в
джоули.
1) 750 Дж и 10,5 Дж
2) 7500 Дж и 105 Дж
3) 750 Дж и 105 Дж
4) 7500 Дж и 10,5 Дж
8. Чтобы нагреть чашку воды, потребовалось количество теплоты, равное 600 Дж. На сколько и как изменилась внутренняя
энергия воды?
1) На 600 Дж; уменьшилась
2) На 300 Дж; увеличилась
3) На 300 Дж; уменьшилась
4) На 600 Дж; увеличилась
9. При нагревании воды ей передано 400 Дж энергии. Какое
количество теплоты выделится при ее охлаждении до первоначальной температуры?
1) 100 Дж
2) 200 Дж
3) 400 Дж
4) Для ответа нужны дополнительные данные
10. Одинаковые шары нагреты до указанных на рисунке температур. Какому из них надо сообщить наименьшее количество
теплоты, чтобы довести температуру до 300 °С?
1№ 1 № 2 № 1) № 2) № 3) № Удельная теплоемкость
11. 4. Какое количество теплоты потребуется для повышения температуры на 1 °С кусков олова и меди массой по 1 кг?
1) 230 Дж и 400 Дж
2) 23 Дж и 40 Дж
3) 230 Дж и 40 Дж
4) 23 Дж и 400 Дж
5. Одинаково нагретые металлические бруски равной массы
внесены в холодное помещение. Какой из них выделит наибольшее количество теплоты?
1) № 2) № 3) № 4) Для ответа нет нужных данных
6. В сосуды налиты имеющие одинаковые температуры жидкости равной массы: подсолнечное масло, вода и керосин. Какая из них нагреется меньше всего, если им сообщить одинаковые количества теплоты?
1) Масло 2) Вода 3) Керосин
7. В три сосуда налит кипяток порциями равной массы. В один
из них опустили стальной шар (№ 1), в другой — медный (№
2) , в третий — железный (№ 3). В каком из сосудов температура воды при этом понизится больше? (Начальные температуры и массы шаров одинаковы.)
1) № 1 2) № 2 3) № 8. Для нагревания куска цинка массой 5 кг на 10 °С необходимо количество теплоты, равное 20 кДж. Расчет количества теплоты,
необходимого для нагревания тела
или выделяемого им при охлаждении
1. Если на нагревание 1,5 кг воды на 10 °С потребовалось 63 кДж,
то какое количество теплоты будет необходимо для нагревания
на то же число градусов 7,5 кг воды?
1) 31,5 кДж 3) 840 Дж
2) 315 кДж 4) 75 кДж
— £ Г 2. При остывании на 15 °С тело потеряло количество теплоты,
равное 2500 Дж. Сколько теплоты оно потеряет, остывая на
45 °С?
1) 75 Дж 3) 7500 Дж
2) 750 Дж 4) 75 кДж
— £ Г 3. Медный и стальной шары массой по 0,5 кг, находившиеся
при комнатной температуре (20 °С), опущены в кипяток. На
нагревание какого из них будет затрачено большее количество теплоты? Во сколько раз?
1) Стального; в 1,25 раза 3) Стального; в 1,5 раза
2) Медного; в 1,25 раза 4) Медного; в 1,5 раза
HD
та
sn
4. По какой формуле рассчитывают количество теплоты, которое необходимо передать телу для его нагревания и которое
оно передает окружающим телам при остывании?
1) F = gph 2) Q = cm(t2 — 3) F = gpV
^ HD
HD
2Тепловые явления (Часть •е?5. 10.* Когда в бак горячей воды массой 10 кг с температурой 90 °С
налили холодную воду с температурой 10 °С и, перемешав,
измерили температуру, она оказалась равной 35 °С. Сколько
холодной воды было налито в бак?
1) 22 кг 3) « 25,7 кг
2) 36 кг 4) ж 16 кг
2Энергия топлива. Удельная теплота сгорания
Энергия топлива.
Удельная теплота сгорания
1. Источник энергии топлива —
1) движение его молекул
2) взаимодействие его молекул
3) соединение при его горении атомов в молекулы
jgs’lZf
ED2. Удельная теплота сгорания топлива — это физическая величина, показывающая
1) какое количество теплоты выделяется при полном сгорании 1 кг топлива
2) сколько энергии выделяется при сгорании топлива
3) какое количество теплоты можно получить, сжигая
имеющееся топливо
3. Удельная теплота сгорания топлива измеряется в
1) джоулях
Дж
кг • °С
3 )
Дж
с
Дж
кг
4. По какой формуле вычисляют количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива?
1) F = gm
2) Q = qm
3) Q — cm(t2 — П)
4) A = Nt
5. . При забивании молотом в грунт сваи произведена работа
12 кДж. Какая энергия и на сколько изменилась при этом?
1) Внутренняя энергия сваи; на 12 кДж
2) Внутренняя энергия сваи и молота; на 12 кДж
3) Механическая энергия молота и сваи; на 6 кДж каждого
из этих тел
4) Внутренняя энергия сваи, молота и грунта; в сумме на
12 кДж
1. ИТОГОВЫЙ ТЕСТ (темы: «Внутренняя
энергия», «Количество теплоты»)
I вариант
1. Температура тела зависит от
1) количества в нем молекул
2) скорости движения частиц, из которых состоит тело
3) их размеров
4) расположения молекул в теле
. В пробирках находится ртуть во всех трех состояниях: в одной — в жидком, в другой — газообразном (пар), в третьей —
твердом. Чем отличаются частицы ртути в этих пробирках?
1) Ничем 2) Размером
3) Скоростью движения и расположением
. Какую энергию называют внутренней энергией тела?
1) Энергию теплового движения частиц тела
2) Кинетическую и потенциальную энергию всех частиц тела
3) Энергию их взаимодействия
. j£ T 3. Внутренняя энергия тела зависит от
1) теплового движения частиц, из которых состоит тело
2) его внутреннего строения
3) количества молекул, входящих в состав тела
4) потенциальной и кинетической энергий всех частиц тела
4. Температуру тела повысили с 20 °С до 60 °С. Какая энергия и
как изменилась при этом?
1) Кинетическая энергия частиц тела — одна из составляющих его внутренней энергии; повысилась
2) Кинетическая энергия тела; повысилась
3) Внутренняя энергия; уменьшилась
4) Потенциальная энергия частиц тела — другая составляющая внутренней энергии; увеличилась
5. Массы одного и того же газа в сосудах одинаковы. В каком
сосуде внутренняя энергия газа наименьшая?
№ 1 № 2 № 1) № 1 2) № 2 3) № 3Итоговый тест. II вариант
6. Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию тела?
1) Сообщив телу большую скорость
2) Подняв тело на меньшую высоту
3) Теплопередачей
4) Совершением работы телом или над телом
-£$»7. 10. По какой формуле рассчитывают количество теплоты, полученное нагреваемым телом или выделенное остывающим
телом?
1) Q = qm 3) Q = cm(t2 — Ч)
2) F = k(l2 ~ It) 4) = gph
j£$»11. В каких единицах измеряют удельную теплоемкость веществ?
3явления (Часть 12. Какое количество теплоты потребуется для нагревания 10 кг
меди на 1 °С?
1) 40 Дж
2) 400 Дж
3) 4000 Дж
13. Ведро горячей воды, температура которой 100 °С, а масса
10 кг, остывает до комнатной температуры (20 °С). Какое количество теплоты вода отдает окружающим телам и воздуху?
1) 3360 кДж 3) 33,6 кДж
2) 336 кДж 4) 3360 Дж
14. Алюминиевая кастрюля массой 100 г с 2 л воды нагрета от
10 °С до 90 °С. Какое количество теплоты затрачено на это?
1) 679360 Дж
2) 745600 Дж
3) 67936 Дж
4) 74560 Дж
15. Остывая, медный цилиндр массой 3 кг отдал окружающей
среде количество теплоты, равное 54 кДж. На сколько градусов понизилась его температура?
1) 4,5 °С 3) 18 °С
2) 45 °С 4) 135 °С
д ж
16. Г 0 5. В сосуде находятся равные массы одного и того же газа при
комнатной температуре. В каком из них его внутренняя
энергия наибольшая?
№ 2 № 1) № 1 2) № 2 3) № 2 ? 6. В каких приведенных здесь случаях внутренняя энергия тела
изменяется?
1) Ведро с водой поднимают и ставят на табуретку
2) Чайник с водой подогревают на плите
3) Кусок резины сжимают
4) Камешек забрасывают на крышу j£T37. В теплоизолированную камеру помещены два стальных бруска. Один имеет температуру -2 5 °С, другой -30 °С. У какого
из них внутренняя энергия больше? Выше какой температуры не может установиться температура бруска, получающего
теплоту?
Итоговый тест. Ill вариант
1) Первого; -25 °С
2) Второго; -25 °С
3) Первого; теплообмен при
происходить не будет
4) Второго; -30 °С
отрицательных температурах
8. Наименьшей теплопроводностью вещество обладает в
1) твердом состоянии
2) жидком состоянии
3) газообразном состоянии
4) Теплопроводность каждого вещества во всех состояниях
одинакова
9. ЮП
1П
20. Закон сохранения и превращения энергии говорит о том, что
1) во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не
возникает и не исчезает, а превращается из одного вида в
другой
2) внутренней энергией обладают все тела
3) полная механическая энергия в отсутствие сил трения постоянна
jg f! □
IV вариант
1. Температура тела понизится, если
1) уменьшить скорость его движения
2) молекулы расположатся в теле на меньших расстояниях
3) уменьшится скорость хаотического движения частиц тела
2. В тепловом движении участвуют
1) молекулы нагретого тела
2) частицы тела, когда оно находится в покое
3) молекулы движущегося тела
4) все частицы, из которых состоит тело, при любом его состоянии
3. Внутренняя энергия тела изменяется при изменении
1) его положения в пространстве
2) его взаимодействия с другими телами
3) потенциальной и кинетической энергий составляющих его
частиц
4) Ее вообще изменить нельзя
3Тепловые явления (Часть i£Tш
34. Внутренняя энергия тела возросла. Изменение какой физической величины позволяет судить об этом?
1) Давления 3) Силы
2) Температуры 4) Мощности
5. Газ помещен в сосуды, где он находится при разных температурах. В каком из них внутренняя энергия газа (его массы
одинаковы) наибольшая?
1) № 2) № 3) № 6. В каком случае внутренняя энергия тела не изменяется?
1) Лодка качается на волнах
2) Катящийся по полу мяч останавливается
3) Лейка с водой стоит на солнце
7. Из кастрюли с горячей водой, имеющей температуру 100 °С,
вынули нагревшиеся в ней диски — медный и бронзовый —
и положили их друг на друга. Какой из них будет передавать
другому внутреннюю энергию?
1) Бронзовый
2) Медный
3) Теплопередача происходить не будет
8. Наибольшей теплопроводностью вещество обладает в
1) твердом состоянии
2) жидком состоянии
3) газообразном состоянии
9. В вакууме энергия передается
1) излучением
2) конвекцией
3) теплопроводностью
4) всеми тремя способами
70°С
• • «
*20°С * • • *90°С •
№ 1 № 2 № Итоговый тест. IV вариант
10. Нагревая воду, ей передали 1000 Дж энергии. Какое количество теплоты выделит эта вода, остывая до своей первоначальной температуры?
1) 500 Дж
2) 1000 Дж
3) Чтобы ответить, нужны дополнительные данные
11. Какое количество теплоты выделит свинцовая плитка массой
1 кг, остывая на 7 °С?
1) 200 Дж
2) 400 Дж
3) 490 Дж
4) 980 Дж
12. По какой формуле определяют количество теплоты, необходимой для нагревания тела или выделяющейся при его охлаждении?
1) Р = mg 3)F = Щ2 — 1г)
2) Q = qm 4) Q = cm(t2 — tx)
13. Раскаленный до 450 °C медный шарик массой 100 г остывает
до 50 °С. Какое количество теплоты выделяет он при этом?
1) 160 Дж
2) 1600 Дж
3) 16000 Дж
4) 16 • 104 Дж
14. Стальной бак массой 500 г и вместимостью 40 л наполнен водой и нагрет до 70 °С. Какое количество теплоты потребовалось для этого? Начальная температура воды и бака 20 °С.
1) 8412,5 кДж 3) 841,25 кДж
2) 84125 кДж 4) 841250 кДж
15. полученное
20. Закон сохранения и превращения энергии устанавливает
1) превращение механической энергии во внутреннюю энергию и внутренней в механическую
2) постоянство общего значения энергии при всех ее превращениях и передачах от одного тела к другому
3) постоянство энергии при ее переходах из механической во
внутреннюю
4) равенство при теплообмене полученной одним телом энергии и отданной другим телам
4ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
(Часть Агрегатные состояния вещества.
Плавление и отвердевание
кристаллических тел
1. Агрегатное состояние вещества — это его пребывание в виде
1) твердого тела
2) жидкого тела
3) газообразного тела
4) какого-либо из этих трех тел
2. В каком агрегатном состоянии могут находиться железо и
ртуть?
1) Железо в твердом, ртуть в жидком
2) И железо, и ртуть в жидком
3) И железо, и ртуть в твердом
4) Оба вещества могут находиться в любом агрегатном состоянии
3. От чего зависит, в каком именно агрегатном состоянии находится вещество?
1) От числа и состава молекул
2) От расположения, взаимодействия и движения молекул
3) От расположения и состава молекул
4) От взаимодействия и числа молекул
4. j2S»4Тепловые явления (Часть _□
шш
_ш
5. Плавление — это
1) таяние снега или льда
2) разжижение вещества, когда оно получает теплоту
3) переход при получении веществом энергии из твердого состояния в жидкое
6. Температура, при которой вещество плавится, называется
1) температурой перехода в жидкое состояние
2) температурой плавления
3) температурой таяния
7. Температура плавления цинка 420 °С. В каком состоянии находится этот металл, если его температура 410 °С (№ 1)?
430 °С (№ 2)?
1) № 1 — твердом, № 2 — жидком
2) № 1 — жидком, № 2 — твердом
3) № 1 и № 2 — жидком
4) № 1 и № 2 — твердом
8. Отвердевание — это
1) отдача веществом энергии и превращение в другое вещество
2) переход вещества из жидкого состояния в твердое
3) замерзание воды
9. Как изменяется внутренняя энергия вещества при плавлении? При отвердевании?
1) При плавлении уменьшается, при отвердевании увеличивается
2) Не изменяется
3) В том и другом случае возрастает
4) При плавлении увеличивается, при отвердевании уменьшается
10. Температура плавления стали 1500 °С. При какой температуре она отвердевает?
1) При температурах ниже 1500 °С
2) При 1500 °С
3) При температурах выше 1500 °С
4) При любой температуре, если отдает энергию
4Агрегатные состояния вещества. Плавление и отвердевание
11. Из какого металла — алюминия, меди или стали — нужно изготовить плавильный сосуд, чтобы расплавить в нем свинец?
1) Из алюминия
2) Из меди
3) Из стали
4) Из любого названного
12. В сосуд с расплавленным алюминием упали цинковая и железная пластинки. Какая из них расплавится?
1) Цинковая
2) Железная
3) Никакая
4) Обе
13. В каком состоянии будут находиться ртуть и натрий при
комнатной температуре (20 °С)?
1 ) В твердом
2) В жидком
3) Ртуть — в жидком, натрий в твердом
4) Ртуть в твердом, натрий в жидком
14. На рисунке изображен график нагревания и таяния снега и
нагревания полученной из него воды. Какой участок графика соответствует таянию снега? Сколько примерно времени оно длилось? До какой температуры нагрелась вода за
5 мин?
1) ВС; 3,5 мин; 30 °С 3) АВ; 1,5 мин; 30 °С
2) ВС; 2 мин; 30 °С 4) ВС; 3,5 мин; 40 °С
^ * Г * Г 4Тепловые явления (Часть ^ ! □
та
^ 15. Воду из комнаты с температурой 25 °С вынесли на 30-градусный мороз, где она превратилась в лед. График изменения ее
температуры и льда показан на рисунке. Какой его участок соответствует отвердеванию воды? О чем свидетельствует участок
DE1) ВС; о достижении льдом температуры окружающего воздуха и прекращении ее изменения
2) АВ; о выравнивании температур льда и воздуха
3) CD; о том, что температура льда стала равной 30 °С
16. Что происходит с температурой вещества во время его плавления?
1) Она понижается
2) Повышается
3) Остается постоянной
17. Какой из приведенных графиков изменения температуры вещества соответствует процессу его отвердевания, какой нагреванию без перехода в другое агрегатное состояние?
41) № 3; № 2) № 2; № 3) № 1; № 4) № 2; № Удельная теплота плавления
18. Какой участок изображенных здесь графиков № 1 и № изменения температуры вещества соответствует его отвердеванию?
t,°С А
№ _ в Д D
t, мин
1) АВ
2) FK
3) EF
4) CD
Удельная теплота плавления
1. HD
HD
>efHD
HD
0 П
4i) 2,1 •105 Дж 0,25 • 10!5 ДЖ
кг К Г
2) 2,3 108 Дж 8,2 •106 Дж
кг кг
3) 2,1 •105 Дж 8,2 •106 Дж
кг кг
4) 2,3 •108 Дж 0,25 • 10;i Дж
КГ КГ
4. На плавление какого из кубиков — медного или алюминиевого — пойдет меньше энергии и во сколько раз, если плавить эти металлы будут при температуре плавления каждого
из них?
1) Медного в * 4 раза
2) Алюминиевого в ~ 4 раза
3) Медного в * 2 раза
4) Алюминиевого в ~ 2 раза
5. Почему во время плавления температура нагреваемого вещества не повышается?
1) Потому что оно уже достигло температуры плавления
2) Потому что идет переход из твердого состояния в жидкое
3) Потому что получаемая твердым веществом энергия расходуется на разрушение его кристаллического строения
6. Нагретый до температуры плавления лед частично растаял.
Оставшийся лед или вода имеет большую внутреннюю
энергию?
1) Лед
2) Вода
3) Их внутренние энергии одинаковы
7. 9. Известно, что на плавление куска меди при температуре
плавления израсходовано 6,3 • 105 Дж энергии. Какова его
масса? Какое количество теплоты выделится при отвердевании жидкой меди этой массы?
1) 3 кг; 6,3 • 105 Дж 3) 1 кг; 6,3 • 105 Дж
2) 1 кг; 2,1 • 105 Дж 4) 3 кг; 2,1 • 105 Дж
ir<HD

Применение уравнения теплового баланса | Физика

1. Первый закон термодинамики и уравнение теплового баланса

До сих пор мы рассматривали первый закон термодинамики применительно к газам. Отличительной особенностью газа является то, что его объем может значительно изменяться. Поэтому согласно первому закону термодинамики переданное газу количество теплоты Q равно сумме совершенной газом работы и изменения его внутренней энергии:

Q = ∆U + A_г.

В этом параграфе мы рассмотрим случаи, когда некоторое количество теплоты сообщают жидкости или твердому телу. При нагревании или охлаждении они незначительно изменяются в объеме, поэтому совершенной ими при расширении работой обычно пренебрегают. Следовательно, для жидкостей и твердых тел первый закон термодинамики можно записать в виде

Q = ∆U.

Простота этого уравнения, однако, обманчива.

Дело в том, что внутренняя энергия тела представляет собой только суммарную кинетическую энергию хаотического движения составляющих его частиц лишь тогда, когда этим телом является идеальный газ. В таком случае, как мы уже знаем, внутренняя энергия прямо пропорциональна абсолютной температуре (§ 42). В жидкостях же и в твердых телах большую роль играет потенциальная энергия взаимодействия частиц. А она, как показывает опыт, может изменяться даже при постоянной температуре!

Например, если передавать некоторое количество теплоты смеси воды со льдом, то ее температура будет оставаться постоянной (равной 0 ºС), пока весь лед не растает. (Именно по этой причине температуру таяния льда и приняли в свое время в качестве опорной точки при определении шкалы Цельсия.) При этом подводимое тепло расходуется на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул:чтобы превратить кристалл в жидкость, необходимо затратить энергию на разрушение кристаллической решетки.

Похожее явление происходит и при кипении: если передавать некоторое количество теплоты воде при температуре кипения, ее температура будет оставаться постоянной (равной 100 ºС при нормальном атмосферном давлении), пока вся вода не выкипит. (Потому ее и выбрали в качестве второй опорной точки для шкалы Цельсия.) В этом случае подводимое тепло также расходуется на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Может показаться странным, что потенциальная энергия взаимодействия молекул в паре больше, чем в воде. Ведь молекулы газа почти не взаимодействуют друг с другом, поэтому потенциальную энергию их взаимодействия естественно принять за нулевой уровень. Так и поступают. Но тогда потенциальную энергию взаимодействия молекул в жидкости надо считать отрицательной.

Такой знак потенциальной энергии взаимодействия характерен для притягивающихся тел. В таком случае, чтобы увеличить расстояние между телами, надо совершить работу, то есть увеличить потенциальную энергию их взаимодействия. И если после этого она становится равной нулю, значит, до этого она была отрицательной.

Итак, изменение состояния жидкостей и твердых тел при сообщении им некоторого количества теплоты надо рассматривать с учетом возможности изменения их агрегатного состояния. Изменения агрегатного состояния называют фазовыми переходами. Это – превращение твердого тела в жидкость (плавление), жидкости в твердое тело (отвердевание или кристаллизация), жидкости в пар (парообразование) и пара в жидкость (конденсация).

Закон сохранения энергии в тепловых явлениях, происходящих с жидкостями и твердыми телами, называют уравнением теплового баланса.
Рассмотрим сначала уравнение теплового баланса для случая, когда теплообмен происходит между двумя телами, а их теплообменом с другими телами можно пренебречь (на опыте для создания таких условий используют калориметры – сосуды, которые обеспечивают теплоизоляцию своего содержимого).

Будем считать (как мы считали ранее для газов) переданное телу количество теплоты положительным, если вследствие этого внутренняя энергия тела увеличивается, и отрицательным, если внутренняя энергия уменьшается. В таком случае уравнение теплового баланса имеет вид

Q₁ + Q₂ = 0,      (1)

где Q₁ – количество теплоты, переданное первому телу со стороны второго, а Q₂ – количество теплоты, переданное второму телу со стороны первого.

Из уравнения (1) видно, что если одно тело получает тепло, то другое тело его отдает. Скажем, если Q₁ > 0, то Q₂ < 0.

Если теплообмен происходит между n телами, уравнение теплового баланса имеет вид

Q₁ + Q₂ + … + Q_n = 0.

2. Уравнение теплового баланса без фазовых переходов

Будем считать тело однородным, то есть состоящим целиком из одного вещества (например, некоторая масса воды, стальной или медный брусок и т. д.). Рассмотрим сначала случай, когда агрегатное состояние тела не изменяется, то есть фазового перехода не происходит.

Из курса физики основной школы вы знаете, что в таком случае переданное телу количество теплоты Q прямо пропорционально массе тела m и изменению его температуры ∆t:

Q = cm∆t.     (2)

В этой формуле как Q, так и ∆t могут быть как положительными, так и отрицательными величинами.

Входящую в эту формулу величину с называют удельной теплоемкостью вещества, из которого состоит тело. Обычно в задачах на уравнение теплового баланса используют температуру по шкале Цельсия. Мы тоже будем так поступать.

? 1. На рисунке 48.1 приведены графики зависимости температуры двух тел от переданного им количества теплоты Q. Масса каждого тела 100 г.

а) У какого тела удельная теплоемкость больше и во сколько раз?
б) Чему равна удельная теплоемкость каждого тела?

? 2. В калориметр, содержащий 150 г воды при температуре 20 ºС, погружают вынутый из кипятка металлический цилиндр. Удельная теплоемкость воды равна 4,2 кДж/(кг * К). Примите, что тепловыми потерями можно пренебречь.
а) Объясните, почему справедливо уравнение

c_мm_м(t_к – 100º) + c_вm_в(t_к – 20º) = 0,

где c_м и c_в – значения теплоемкости данного металла и воды соответственно, m_м и m_в – значения массы цилиндра и воды соответственно, t_к – значение конечной температуры содержимого калориметра, когда в нем установится тепловое равновесие.

б) Какое из двух слагаемых в приведенной формуле положительно, а какое – отрицательно? Поясните ваш ответ.
в) Чему равна удельная теплоемкость данного металла, если масса цилиндра 100 г, а конечная температура равна 25 ºС?
г) Чему равна конечная температура, если цилиндр изготовлен из алюминия, а его масса 100 г? Удельная теплоемкость алюминия равна 0,92 кДж/(кг * К).
д) Чему равна масса цилиндра, если он изготовлен из меди и его конечная температура 27 ºС? Удельная теплоемкость меди 0,4 кДж/(кг * К).

Рассмотрим случай, когда механическая энергия переходит во внутреннюю. Английский физик Дж. Джоуль пытался измерить, насколько нагреется вода в водопаде при ударе о землю.

? 3. С какой высоты должна падать вода, чтобы при ударе о землю ее температура повысилась на 1 ºС? Примите, что во внутреннюю энергию воды переходит половина ее потенциальной энергии.

Полученный вами ответ объяснит, почему ученого постигла неудача. Примите во внимание, что опыты ученый ставил на родине, где высота самого высокого водопада – около 100 м.

Если тело нагревают с помощью электронагревателя или сжигая топливо, надо учитывать коэффициент полезного действия нагревателя. Например, если коэффициент полезного действия нагревателя равен 60 %, это означает, что увеличение внутренней энергии нагреваемого тела составляет 60 % от теплоты, выделившейся при сгорании топлива или при работе электронагревателя.

Напомним также, что при сгорании топлива массой m выделяется количество теплоты Q, которое выражается формулой

Q = qm,

где q – удельная теплота сгорания.

? 4. Чтобы довести 3 л воды в котелке от температуры 20 ºС до кипения, туристам пришлось сжечь в костре 3 кг сухого хвороста. Чему равен коэффициент полезного действия костра как нагревательного прибора? Удельную теплоту сгорания хвороста примите равной 107 Дж/кг.

? 5. С помощью электронагревателя пытаются довести до кипения 10 л воды, но вода не закипает: при включенном нагревателе ее температура остается постоянной, ниже 100 ºС. Мощность нагревателя 500 Вт, коэффициент полезного действия 90 %.
а) Какое количество теплоты передается за 1 с воде от нагревателя?
б) Какое количество теплоты передается за 1 с от воды окружающему воздуху при включенном нагревателе, когда температура воды остается постоянной?
в) Какое количество теплоты передаст вода за 1 мин окружающему воздуху сразу после выключения нагревателя? Считайте, что за это время температура воды существенно не изменится.
г) Насколько понизится температура воды за 1 мин сразу после выключения нагревателя?

3. Уравнение теплового баланса при наличии фазовых переходов

Напомним некоторые факты, известные вам из курса физики основной школы.

Для того чтобы полностью расплавить кристаллическое твердое тело при его температуре плавления, надо сообщить ему количество теплоты Q, пропорциональное массе m тела:

Q = λm.

Коэффициент пропорциональности λ называют удельной теплотой плавления. Она численно равна количеству теплоты, которое надо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг при температуре плавления, чтобы полностью превратить его в жидкость. Единицей удельной теплоты плавления является 1 Дж/кг (джоуль на килограмм).

Например, удельная теплота плавления льда равна 330 кДж/кг.

? 6. На какую высоту можно было бы поднять человека массой 60 кг, если увеличить его потенциальную энергию на величину, численно равную количеству теплоты, которая нужна для того, чтобы расплавить 1 кг льда при температуре 0 ºС?

При решении задач важно учитывать, что твердое тело начнет плавиться только после того, как оно все нагреется до температуры плавления. На графике зависимости температуры тела от переданного ему количества теплоты процесс плавления представляет собой горизонтальный отрезок.

? 7. На рисунке 48.2 изображен график зависимости температуры тела массой 1 кг от переданного ему количества теплоты.

а) Какова удельная теплоемкость тела в твердом состоянии?
б) Чему равна температура плавления?
в) Чему равна удельная теплота плавления?
г) Какова удельная теплоемкость тела в жидком состоянии?
д) Из какого вещества может состоять данное тело?

? 8. В атмосферу Земли влетает железный метеорит. Удельная теплоемкость железа равна 460 Дж/(кг * К), температура плавления 1540 ºС, удельная теплота плавления 270 кДж/кг. Начальную температуру метеорита до входа в атмосферу примите равной -260 ºС. Примите, что 80 % кинетической энергии метеорита при движении сквозь атмосферу переходит в его внутреннюю энергию.
а) Какова должна быть минимальная начальная скорость метеорита, чтобы он нагрелся до температуры плавления?
б) Какая часть метеорита расплавится, если его начальная скорость равна 1,6 км/с?

Если при наличии фазовых переходов требуется найти коечную температуру тел, то прежде всего надо выяснить, каким будет конечное состояние. Например, если в начальном состоянии заданы массы льда и воды и значения их температур, то есть три возможности.

В конечном состоянии только лед (такое может быть, если начальная температура льда была достаточно низкой или масса льда была достаточно большой). В таком случае неизвестной величиной является конечная температура льда. Если задача решена правильно, то полученное значение не превышает 0 ºС. При установлении теплового равновесия лед нагревается до этой конечной температуры, а вся вода охлаждается до 0 ºС, затем замерзает, и образовавшийся из нее лед охлаждается до конечной температуры (если она ниже 0 ºС).

В конечном состоянии находятся в тепловом равновесии лед и вода. Такое возможно только при температуре 0 ºС. Неизвестной величиной в таком случае будет конечная масса льда (или конечная масса воды: сумма масс воды и льда дана). Если задача решена правильно, то конечные массы льда и воды положительны. В таком случае при установлении теплового равновесия сначала лед нагревается до 0 ºС, а вода охлаждается до 0 ºС. Затем либо часть льда тает, либо часть воды замерзает.

В конечном состоянии только вода. Тогда неизвестной величиной является ее температура (она должна быть не ниже 0 ºС), В этом случае вода охлаждается до конечной температуры, а льду приходится пройти более сложный путь: сначала он весь нагревается до 0 ºС, затем весь тает, а потом образовавшаяся из него вода нагревается до конечной температуры.

Чтобы определить, какая из этих возможностей реализуется в той или иной задаче, надо провести небольшое исследование.

? 9. В калориметр, содержащий 1,5 л воды при температуре 20 ºС, кладут кусок льда при температуре –10 ºС. Примите, что тепловыми потерями можно пренебречь. Удельная теплоемкость льда 2,1 кДж/(кг * К).
а) Какова могла быть масса льда, если в конечном состоянии в калориметре находится только лед? только вода? лед и вода в тепловом равновесии?
б) Чему равна конечная температура, если начальная масса льда 40 кг?
в) Чему равна конечная температура, если начальная масса льда 200 г?
г) Чему равна конечная масса воды, если начальная масса льда равна 1 кг?

То, что для плавления телу надо сообщить некоторое количество теплоты, кажется естественным. Это явление служит нам добрую службу: оно замедляет таяние снега, уменьшая паводки весной.

А вот то, что при кристаллизации тело отдает некоторое количество теплоты, может удивить: неужели вода при замерзании действительно отдает некоторое количество теплоты? И тем не менее это так: замерзая и превращаясь в лед, вода отдает довольно большое количество теплоты холодному воздуху или льду, температура которых ниже 0 ºС. Это явление тоже служит нам добрую службу, смягчая первые заморозки и наступление зимы.
Учтем теперь возможность превращения жидкости в пар или пара в жидкость.

Как вы знаете из курса физики основной школы, количество теплоты Q, необходимое для того, чтобы превратить жидкость в пар при постоянной температуре, пропорционально массе m жидкости:

Q = Lm.

Коэффициент пропорциональности L называют удельной теплотой парообразования. Она численно равна количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг жидкости, чтобы полностью превратить ее в пар. Единицей удельной теплоты парообразования является 1 Дж/кг.

Например, удельная теплота парообразования воды при температуре кипения и нормальном атмосферном давлении авиа примерно 2300 кДж/кг.

? 10. В калориметр, в котором находится 1 л воды при температуре 20 ºС, вводят 100 г водяного пара при температуре 100 ºС. Чему будет равна температура в калориметре после установления теплового равновесия? Тепловыми потерями можно пренебречь.

Дополнительные вопросы и задания

11. Чтобы нагреть на плите некоторую массу воды от 20 ºС до температуры кипения, потребовалось 6 мин. Сколько времени потребуется, чтобы вся эта вода выкипела? Примите, что потерями тепла можно пренебречь.

12. В калориметр, содержащий лед массой 100 г при температуре 0 ºС, впускают пар при температуре 100 ºС. Чему будет равна масса воды в калориметре, когда весь лед растает и температура воды будет равна 0 ºС?

13. Нагретый алюминиевый куб положили на плоскую льдину, температура которой 0 ºС. До какой температуры был нагрет куб, если он полностью погрузился в лед? Примите, что потерями тепла можно пренебречь. Удельная теплоемкость алюминия 0,92 кДж/(кг * К).

14. Свинцовая пуля ударяется о стальную плиту и отскакивает от нее. Температура пули до удара равна 50 ºС, скорость 400 м/с. Скорость пули после удара равна 100 м/с. Какая часть пули расплавилась, если во внутреннюю энергию пули перешло 60 % потерянной кинетической энергии? Удельная теплоемкость свинца 0,13 кДж/(кг * К), температура плавления 327 ºС, удельная теплота плавления 25 кДж/кг.

15. В калориметр, в котором содержится 1 л воды при температуре 20 ºС, кладут 100 г мокрого снега, содержание воды в котором (по массе) составляет 60 %. Какая температура установится в калориметре после установления теплового равновесия? Тепловыми потерями можно пренебречь.
Подсказка. Под мокрым снегом подразумевают смесь воды и льда при температуре 0 ºС.

Термодинамика

— Смогу ли я выжить при абсолютном нуле (или близком к нему) с очень, очень, очень толстым свитером?

Сверхтолстый свитер, вероятно, не лучший вариант — лучше завернуться в алюминиевую фольгу.

---

Тело теряет тепло через несколько механизмов:

• Во время проводимости ваше тело передает тепло окружающему воздуху, который контактирует с вашей кожей. Это повышает температуру воздуха, что (если воздух неподвижен) снижает скорость потери тепла.
• Если воздух движется, то эта энергия уносится ветром, и вы почти все время находитесь в контакте со свежим прохладным воздухом. 4 $.4}
долл. США
• $ T $ — это абсолютная температура вашего тела в Кельвинах.

(Обратите внимание, что ваше тело излучает радиацию, но также получает ее , причем количество зависит от вашей конкретной радиационной среды.)

---

Из этих четырех механизмов первые два не имеют отношения к вашему вопросу, потому что вы находитесь в вакууме. Испарение обязательно произойдет, особенно вокруг вашего носа, рта и глаз, но я думаю, что основным способом потери тепла здесь будет излучение, поэтому давайте сосредоточимся на этом.

Ваше тело постоянно выделяет тепло за счет метаболизма и внутреннего трения. Если вы расслабляетесь в комфортных условиях, вы производите примерно 100 Вт, но это число увеличивается, если вы начинаете тренироваться. В частности, когда ваше тело остывает, ваш мозг активирует рефлекс дрожи, что может привести к скачку выходной мощности вашего тела до 200-300 Вт.

Источник (обратите внимание, что $ 1 \ text {Cal / hr} \ приблизительно 1 \ text {W} $).

Игнорируя на мгновение влияние одежды, равновесную температуру вашего тела можно приблизительно оценить, приравняв мощность, генерируемую вашими метаболическими процессами (и, возможно, движение), с потерями энергии из-за излучения, предполагая, что вы не поглощаете излучение из других источников. .Я предполагаю, что здесь температура тела одинакова. Этого не будет — сердцевина вашего тела будет самой теплой, а затем будет формироваться градиент к вашей коже — но этим можно пренебречь, потому что градиент не будет очень экстремальным.

В этой упрощенной модели это результирующая равновесная температура тела как функция излучательной способности, предполагая сначала 100 Вт, а затем 300 Вт генерируемой мощности.

Как видите, ситуация довольно мрачная, если вы сталкиваетесь с пустотой в обнаженном виде.Ваша внутренняя температура не может упасть намного ниже нормальной 37 C, прежде чем вы войдете в состояние гипотермии; даже если яростно дрожит , для этого требуется коэффициент излучения около 0,425 доллара, что намного ниже типичного значения для вашего тела, составляющего 0,95 доллара.

Здесь на помощь приходит одежда. У текстиля коэффициент излучения несколько ниже, чем у обнаженных людей. Коэффициент излучения шерсти составляет около 0,74, и большинство текстильных изделий находятся в этом диапазоне или выше, что означает, что поверхность одежды все еще будет уравновешиваться при температуре ниже 0 ° C.2 \ cdot 0,03 \ text {Вт / мК}} \ приблизительно 1670 \ frac {\ text {K}} {\ text m} $$

Исходя из температуры внешней части одежды, это позволяет нам отследить и найти соответствующую температуру тела в зависимости от толщины. Я выполнил расчет для шерсти и хлопка, и результаты показаны ниже.

Поверхность шерстяного свитера уравновешивалась бы при температуре примерно -5 ° C, что соответствовало бы температуре тела 37 ° C, если бы толщина свитера была всего около 3 см.Конечно, это сложно, но не до абсурда. Для хлопкового свитера, который будет иметь как более высокий коэффициент излучения, так и более высокую теплопроводность, поверхность будет находиться в состоянии равновесия около -10 ° C, и вам потребуется толщина около 6 см, чтобы согреться.

---

С другой стороны, вы могли бы обернуть себя слоем материала с чрезвычайно низким коэффициентом излучения, и это было бы намного эффективнее. Например, полированное серебро имеет коэффициент излучения всего 0,02 доллара, что было бы проблематично в неправильном направлении.2 $, наш слой должен иметь температуру поверхности около 60 ° C, чтобы мы сгорели заживо. Золотая середина, в которой наше тело могло бы уравновеситься при 37 ° C, по-видимому, соответствует излучательной способности около 0,15 доллара США. Основываясь на этой таблице коэффициентов излучения, кажется, что алюмель (сплав никеля, алюминия, марганца и кремния) подойдет.

Дополнительная литература:

Коэффициенты конвективной и радиационной теплоотдачи для отдельных сегментов человеческого тела

Относительное влияние излучения и конвекции на регулирование температуры одетого тела

Время выживания в холодной погоде — Физика тела: движение к метаболизму

Стадии гипотермии

Этап	Температура корпуса сердечника ° C	Симптомы
Легкая гипотермия	35 ° -33 °	дрожь, неуверенность, амнезия и апатия, учащенное сердцебиение и частота дыхания, холод и / или бледность кожи
Умеренная гипотермия	32.9 ° -27 °	постепенно снижающийся уровень сознания, ступор, прекращение дрожи, снижение частоты сердечных сокращений и дыхания, снижение рефлекторных и произвольных движений, парадоксальное раздевание.
Сильная гипотермия	<26,9 °	низкое артериальное давление и брадикардия, отсутствие рефлекса, потеря сознания, кома, смерть

На протяжении всего этого модуля мы проанализировали скорость потери тепла в условиях выживания в холодную погоду, когда человек одет в один слой тонкой одежды против ветра 10 миль в час и температуры воздуха -3 ° C .Наш анализ показывает, что в совокупности человек испытает тепловые потери 200 Вт из-за теплового излучения и 1100 Вт потерь тепла из-за принудительной конвекции. Мы также обнаружили, что использование космического одеяла для уменьшения холода ветром и теплового излучения оставит только 160 Вт скорости потери тепла из-за теплопроводности через одежду. У обычного человека тепловая мощность составляет 100 Вт , но дрожь может увеличить ее до 250 Вт .Было бы интересно узнать, учитывая эти значения тепловой мощности и скорости потери тепла, насколько быстро на самом деле изменится температура тела. Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно узнать об удельной теплоемкости и теплоемкости.

В борьбе за поддержание температуры тела человеческому организму помогает то, что оно состоит в основном из воды. Количество тепловой энергии, необходимое для изменения температуры тела, относительно велико по сравнению с другими объектами той же массы, потому что вода имеет очень высокую удельную теплоемкость ( c ).Удельная теплоемкость — это свойство материала, которое определяет количество тепловой энергии, отводимой от одной единицы массы материала, когда его температура изменяется на одну единицу температуры. Например, вода имеет удельную теплоемкость 4186 Дж / ( кг C °), поэтому из 1 кг воды необходимо отобрать 4186 Дж тепловой энергии, чтобы температура упала на 1 ° C. °. Умножение удельной теплоемкости материала на массу материала дает теплоемкость ( C ) объекта.Например, теплоемкость для 80 кг воды будет: 4186 Дж / ( кг C °) x 80 кг = 334 880 Дж / ( C °), что означает, что 334 880 J необходимо удалить, чтобы температура 80 кг воды понизилась на 1 ° C.

Теперь, когда мы знаем, как рассчитать теплоемкость, мы готовы рассчитать количество энергии, необходимое для изменения температуры тела на опасную величину. Мы просто умножаем массу ( м ) на удельную теплоемкость ( c ), чтобы получить теплоемкость, которую затем мы умножаем на опасное изменение температуры (), чтобы получить необходимое тепло ( Q ).Весь этот процесс можно описать уравнением:

(1)

Обратите внимание, что если температура падает, то конечная температура ниже начальной, поэтому будет отрицательной, что делает тепло отрицательным, указывая на то, что тепловая энергия покидает объект. Уравнение работает как для нагрева, так и для охлаждения, потому что в этом случае оно будет положительным, указывая на то, что в материал поступает тепловая энергия.

В следующей таблице приведены значения удельной теплоемкости для различных веществ.Обратите внимание на относительно высокую удельную теплоемкость воды.

Таблица значений удельной теплоемкости

Вещества	Удельная теплоемкость ( c )
Твердые вещества	Дж / кг⋅ºC	ккал / кг⋅ºC
Алюминий	900	0,215
Асбест	800	0,19
Бетон, гранит (средний)	840	0.20
Медь	387	0,0924
Стекло	840	0,20
Золото	129	0,0308
Человеческое тело (в среднем при 37 ° C)	3500	0,83
Лед (в среднем, от -50 ° C до 0 ° C)	2090	0,50
Чугун, сталь	452	0,108
Свинец	128	0.0305
Серебро	235	0,0562
Дерево	1700	0,4
Жидкости
Бензол	1740	0,415
Этанол	2450	0,586
Глицерин	2410	0,576
Меркурий	139	0.0333
Вода (15,0 ° C)	4186	1.000
Газы
Воздух (сухой)	721 (1015)	0,172 (0,242)
Аммиак	1670 (2190)	0,399 (0,523)
Двуокись углерода	638 (833)	0,152 (0,199)
Азот	739 (1040)	0.177 (0,248)
Кислород	651 (913)	0,156 (0,218)
Пар (100 ° C)	1520 (2020)	0,363 (0,482)

Повседневные примеры: время выживания в холодную погоду

Применяя предыдущее уравнение к человеческому телу, мы можем оценить, сколько времени потребуется температуре тела, чтобы упасть с нормальных 37 ° C до границы умеренной гипотермии при 33 ° C в примерах ситуаций выживания, которые обсуждались до сих пор. в этом блоке.Давайте возьмем относительно обычную человеческую массу около 80 кг и среднюю удельную теплоемкость человеческой ткани 3470 Дж / ( кг C ° ). Сначала находим теплопотери, необходимые для падения температуры:

Мы знаем, что в нашем примере ветра 10 миль в час и температуры воздуха -3 ° C мы обнаружили, что человек в тонкой одежде и без одеяла испытывал конвективные тепловые потери 1100 Вт, и 200 Вт . радиационных тепловых потерь в сумме 1300 Вт .Если человек дрожит, его тепловая мощность будет примерно 250 Вт . У этого человека будет дефицит тепловой мощности 1150 Вт и , что означает, что он теряет 1150 Джоулей тепловой энергии каждую секунду. Разделив рассчитанные нами выше опасные тепловые потери на дефицит тепловой мощности, мы получим время, необходимое для потери такого количества тепла:

Разделив 900 с на 60 ( с / мин ), мы увидим, что переохлаждение достигается всего за 14 минут.На самом деле скорость потери тепла зависит от разницы температур, поэтому скорость потери тепла не будет постоянной, но вместо этого она будет немного замедляться по мере снижения температуры тела. В нашем примере разница в 40,9 ° C ° между температурой тела и температурой окружающей среды изменилась всего на 3 ° C ° (семь процентов). Игнорирование этого эффекта дает разумное приближение времени до умеренного переохлаждения. В следующих двух разделах мы рассмотрим это приближение и позволим нам рассчитать время, необходимое для более значительных изменений температуры.

Скорость передачи тепловой энергии от тела зависит от разницы температур тела и окружающей среды. По мере того, как тело остывает ближе к температуре окружающей среды, скорость будет уменьшаться. В предыдущем примере мы проигнорировали эту реальность и предположили, что скорость охлаждения была постоянной, что было разумным, поскольку мы исследовали только очень небольшое изменение температуры. В нашем примере мы обнаружили, что легкое переохлаждение достигается всего за двадцать минут.График ниже был построен путем расчета температуры тела с учетом скорости охлаждения, которая зависит от разницы температур. Это было сделано с использованием численной модели:

1. расчет скорости теплопередачи для начальной температуры тела за счет теплового излучения и принудительной конвекции
2. с использованием этой скорости теплопередачи для расчета количества тепла, переданного за относительно короткий интервал времени
3. используя количество переданного тепла для расчета результирующего снижения температуры тела
4. вычисление новой температуры тела путем вычитания снижения температуры тела
5. повторяйте 1-5, пока температура не станет намного выше температуры выживания, отслеживая температуру и время, чтобы построить график

Мы видим, что время до легкой гипотермии на самом деле больше примерно 30 минут.Мы также видим, что сильная гипотермия может наступить менее чем через час, а минимальная температура, которую можно выжить, может быть достигнута менее чем за два часа. Для целей этих расчетов мы приняли тепловую мощность 250 Вт во время дрожи, и что дрожь прекращается, когда тело достигает 30 ° C , после чего тепловая мощность возвращается к 100 Вт . Мы также предположили, что тепловая мощность упала до нуля, когда температура тела достигла 21 ° C .

Прогнозируемая температура тела во время выживания в упрощенном примере.

Приблизительная температура тела в зависимости от времени для человека массой 80 кг при температуре воздуха 25 ° F и ветре 10 миль в час (-3 ° C , 4,5 м / с ). Для целей этих расчетов мы приняли тепловую мощность 250 Вт во время дрожи, дрожь прекращается при 30 ° C , в этот момент тепловая мощность возвращается к 100 Вт , а тепловая мощность упала до нуля ниже 21 ° С . Минимальная выживаемая температура тела и рекордно низкая температура тела выжившего были обнаружены в статьях Али Венозы «Как может замерзнуть тело», Medical Daily и «Frozen Alive» Питера Старка, Outside Magazine.

Моделирование того, как температура тела изменяется со временем при различных изоляционных и температурных условиях, позволяет судебно-медицинским экспертам измерять температуру тела и работать в обратном направлении, чтобы определить время, в которое температура тела начала снижаться от нормы. Таким образом можно определить время смерти (если, конечно, человек не был переохлажден или гипертермичен перед смертью).

Предотвращение гипотермии — Физика тела: движение к метаболизму

Этапы гипотермии

Этап	Температура корпуса сердечника ° C	Симптомы
Легкая гипотермия	35 ° -33 °	дрожь, неуверенность, амнезия и апатия, учащенное сердцебиение и частота дыхания, холод и / или бледность кожи
Умеренная гипотермия	32.9 ° -27 °	постепенно снижающийся уровень сознания, ступор, прекращение дрожи, снижение частоты сердечных сокращений и дыхания, снижение рефлекторных и произвольных движений, парадоксальное раздевание.
Сильная гипотермия	<26,9 °	низкое артериальное давление и брадикардия, отсутствие рефлекса, потеря сознания, кома, смерть

Тепловая мощность

Скорость, с которой химическая потенциальная энергия преобразуется в тепловую энергию организмом (и другими системами), является тепловой мощностью.Когда тепловая мощность меньше скорости потери тепла, тело со временем теряет тепловую энергию и температура тела падает. Единственный способ предотвратить переохлаждение — снизить скорость потери тепла и / или увеличить тепловую мощность. Вы можете бороться с переохлаждением, выполняя дополнительную работу, например, прыгая, потому что тело неэффективно, поэтому большая часть химической потенциальной энергии, используемой для выполнения работы, фактически становится тепловой энергией, которая может заменить то, что было потеряно в виде тепла.Дрожь — это способ вашего тела заставить вас принять этот подход и означает легкую стадию переохлаждения. Однако эта стратегия будет успешной только до тех пор, пока вы не израсходуете свой легкодоступный запас химической потенциальной энергии. В основном, если вы устанете, этот метод не сработает. Общий коэффициент преобразования химической энергии в тепловую может быть дополнен такими технологиями, как химические грелки для рук и ног и одежда с подогревом на батарейках, но в большинстве случаев ваше тело выполняет основную часть преобразования.В конце концов, эти дополнительные источники энергии также закончатся, и температура тела продолжит падать. На умеренное переохлаждение указывает прекращение дрожи и усиление спутанности сознания, возможно, включая галлюцинации. Сильное переохлаждение приводит к потере сознания и, если не лечить, в конечном итоге к смерти.

Повседневный пример: тепловая энергия человека

Типичное ежедневное потребление химической потенциальной энергии, необходимой человеческому организму, составляет 2000 калорий. 8 часов тяжелого ручного труда составляют лишь 1/3 дня, а в течение остальных 2/3 организм почти не выполняет полезной работы, поэтому почти вся используемая химическая энергия преобразуется в тепловую.Даже когда выполняется полезная работа, тело эффективно только на 25%, поэтому большая часть используемой химической энергии все равно преобразуется в тепловую. Поэтому мы можем разумно приблизить тепловую мощность () человеческого тела примерно к 2000 калорий в день, если предположить, что вся используемая химическая энергия в конечном итоге превращается в тепловую. Помня, что калории еды с капитолием C на самом деле составляют ккал и что 4,186 Дж в одной калории, мы можем использовать преобразование единиц, чтобы найти тепловую мощность в единицах СИ в ваттах.

Ваше тело теряет тепло в окружающую среду из-за естественного подчинения систем движению к тепловому равновесию. Фактически, Второй закон термодинамики говорит нам, что объектов, предоставленных самим себе, всегда будут спонтанно стремиться к тепловому равновесию с окружающей их средой . Чтобы два объекта достигли теплового равновесия, тепло должно передаваться от горячего объекта к холодному, чтобы их температуры приближались друг к другу.Следовательно, следствием Второго закона термодинамики является то, что тепла всегда будет самопроизвольно переходить от более высокой температуры к более низкой температуре. Гомеостаз — это постоянная борьба с последствиями Второго закона термодинамики. Мы не можем нарушить второй закон термодинамики и остановить или обратить вспять спонтанный перенос тепловой энергии от тела в холодную среду, мы можем только попытаться замедлить его.

Теплопередача

Материалы, предназначенные для снижения скорости теплопередачи, или теплоизоляция, могут использоваться для предотвращения переохлаждения.Есть три способа передачи тепла из тела, но все три метода следуют второму закону термодинамики и переносят тепло от более высокой температуры к более холодной. Механизмы теплопередачи:

1. Проводимость
2. Конвекция
3. Излучение

В следующих главах обсуждаются эти механизмы и типы изоляции, используемые для предотвращения каждого из них.

Примеры на каждый день: изоляция

Мой отец был пилотом на Аляске. Когда мне было около 13 лет, мы приземлялись на озере в нашем родном городе и обнаружили двух подростков, цепляющихся за перевернутое каноэ. Первый мальчик коренастого телосложения, а второй высокий и худой. Первый мальчик с некоторой помощью забрался на поплавок и в самолет, худой мальчик не мог пошевелиться, и его вытащили из воды прямо перед тем, как мы ехали обратно на берег. Позже мы узнали, что худой мальчик достиг третьей стадии переохлаждения и, вероятно, был всего в нескольких минутах от смерти.У худого мальчика была меньшая масса тела, более тонкие слои ткани для обеспечения изоляции и меньше химической потенциальной энергии, накопленной для преобразования в тепловую энергию. Оба мальчика были одеты в хлопчатобумажную одежду, которая не обеспечивала теплоизоляции в воде. В следующих главах мы узнаем, как каждый из этих факторов повлиял на резко различающуюся реакцию двух мальчиков на их незапланированное погружение в холодную воду.

Воздействие холода: как тело теряет тепло | Детская больница CS Mott

Обзор темы

Тело теряет тепло из-за:

• Испарение воды с вашей кожи, если она влажная (потоотделение).Если ваша одежда мокрая, вы также потеряете тепло тела из-за испарения и дыхания (дыхания), когда температура тела выше 99 ° F (37 ° C). Во время интенсивных упражнений тело теряет 85% тепла из-за потоотделения.
• Излучение (похоже на тепло, выходящее из дровяной печи). Этот нормальный процесс отвода тепла от тела обычно происходит при температуре воздуха ниже 20 ° C (68 ° F). Тело теряет 65% тепла из-за излучения.
• Проводимость (например, потеря тепла от сна на холодной земле).Тепло теряется при температуре воздуха ниже 20 ° C (68 ° F). Тело теряет около 2% тепла за счет проводимости воздуха. Однако вода вызывает большие потери тепла телом, чем воздух, поэтому тепло может быть потеряно телом очень быстро, когда оно помещено в холодную воду.
• Конвекция (похоже на сидение перед вентилятором или когда ветер дует на вас). Тело теряет от 10% до 15% тепла из-за конвекции.

Потери тепла за счет испарения и дыхания увеличиваются в сухую ветреную погоду.

Мокрая одежда значительно увеличивает теплопотери за счет теплопроводности и испарения.

Потеря тепла в холодную влажную погоду увеличивает риск переохлаждения и переохлаждения. Потеря тепла может происходить при высоких температурах из-за теплопроводности. Плавание или сидение в прохладной или холодной воде может привести к очень быстрой потере тепла в организме и увеличению риска переохлаждения.

Гипотермия может возникать быстро (в течение нескольких часов) или постепенно в течение нескольких дней и недель в зависимости от возраста человека, общего состояния здоровья и условий окружающей среды.

Кредиты

Текущий по состоянию на: 26 февраля 2020 г.

Автор: Healthwise Staff
Медицинский обзор:
Уильям Х. Блахд-младший, доктор медицины, FACEP — неотложная медицина
Адам Хусни, доктор медицины, семейная медицина
Кэтлин Ромито, доктор медицины, семейная медицина

По состоянию на 26 февраля 2020 г.

Автор: Здоровый персонал

Медицинский обзор: Уильям Х. Блахд мл.MD, FACEP — неотложная медицина и Адам Хусни — семейная медицина и Кэтлин Ромито — семейная медицина

Температура | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определите температуру.
• Преобразование температур между шкалами Цельсия, Фаренгейта и Кельвина.
• Определите тепловое равновесие.
• Укажите нулевой закон термодинамики.

Понятие температуры произошло от общих понятий горячего и холодного.Человеческое восприятие того, что кажется горячим или холодным, относительное. Например, если вы поместите одну руку в горячую воду, а другую — в холодную, а затем поместите обе руки в прохладную воду, теплая вода будет казаться прохладной для руки, которая была в горячей воде, и теплой для той, которая была в ней. холодная вода. Научное определение температуры менее двусмысленно, чем ваше восприятие тепла и холода. Температура определяется как температура, которую мы измеряем термометром. (Многие физические величины определяются исключительно с точки зрения их измерения.Позже мы увидим, как температура связана с кинетической энергией атомов и молекул, что является более физическим объяснением.) Два точных термометра, один помещенный в горячую воду, а другой — в холодную, покажут, что горячая вода имеет более высокую температуру. Если их затем поместить в прохладную воду, оба будут давать одинаковые показания (в пределах погрешностей измерения). В этом разделе мы обсуждаем температуру, ее измерение термометрами и ее связь с тепловым равновесием. Опять же, температура — это величина, измеряемая термометром.

Предупреждение о заблуждении: человеческое восприятие против реальности

Холодным зимним утром дерево на крыльце кажется теплее, чем металл вашего велосипеда. Дерево и велосипед находятся в тепловом равновесии с окружающим воздухом и, следовательно, имеют одинаковую температуру. Они ощущаются на по-разному из-за разницы в способе отвода тепла от вашей кожи. Металл отводит тепло от вашего тела быстрее, чем дерево (подробнее о проводимости см. В разделе «Проводимость»).Это всего лишь один пример, демонстрирующий, что человеческое чувство горячего и холодного определяется не только температурой.

Еще одним фактором, влияющим на наше восприятие температуры, является влажность. Большинству людей в жаркие влажные дни гораздо жарче, чем в жаркие и засушливые дни. Это связано с тем, что во влажные дни пот не испаряется с кожи так эффективно, как в засушливые дни. Нас охлаждает испарение пота (или воды из разбрызгивателя или бассейна).

Рисунок 1. Кривизна биметаллической полосы зависит от температуры.(а) Полоса прямая при начальной температуре, когда два ее компонента имеют одинаковую длину. (б) При более высокой температуре эта полоса изгибается вправо, потому что металл слева расширился больше, чем металл справа.

Любое физическое свойство, зависящее от температуры и воспроизводимое при изменении температуры, может быть использовано в качестве основы для термометра. Поскольку многие физические свойства зависят от температуры, разнообразие термометров примечательно. Например, для большинства веществ объем увеличивается с повышением температуры.Это свойство лежит в основе обычного спиртового термометра, старого ртутного термометра и биметаллической полоски (рис. 1).

Другие свойства, используемые для измерения температуры, включают электрическое сопротивление, цвет и излучение инфракрасного излучения.

Одним из примеров электрического сопротивления и цвета является пластиковый термометр. Каждый из шести квадратов на пластиковом (жидкокристаллическом) термометре на Рисунке 2 содержит пленку из другого термочувствительного жидкокристаллического материала. Ниже 95ºF все шесть квадратов черные.Когда пластиковый термометр подвергается воздействию температуры, которая повышается до 95 ° F, первый квадрат жидкого кристалла меняет цвет. Когда температура повышается выше 96,8 ° F, второй квадрат жидкого кристалла также меняет цвет и так далее.

Рис. 2. Пластиковый (жидкокристаллический) термометр. (Источник: Аркришна, Wikimedia Commons)

Рис. 3. Пожарный Джейсон Орманд использует пирометр для проверки температуры в системе вентиляции авианосца. (Источник: Ламель Дж. Хинтон / U.S. Navy)

Пример излучения излучения показан при использовании пирометра (Рисунок 3). Инфракрасное излучение (излучение которого зависит от температуры) из вентиляционного отверстия на рис. 3 измеряется, и быстро производится считывание температуры. Инфракрасные измерения также часто используются для измерения температуры тела. Эти современные термометры, помещаемые в ушной канал, более точны, чем спиртовые термометры, помещаемые под язык или в подмышку.

Температурные шкалы

Термометры используются для измерения температуры в соответствии с четко определенными шкалами измерения, в которых используются заранее определенные контрольные точки для сравнения величин.Три наиболее распространенных температурных шкалы — это шкала Фаренгейта, Цельсия и Кельвина. Температурную шкалу можно создать, указав две легко воспроизводимые температуры. Обычно используются температуры замерзания и кипения воды при стандартном атмосферном давлении.

Шкала по Цельсию (которая заменила немного другую шкалу по шкале Цельсия ) имеет точку замерзания воды при 0ºC и точку кипения при 100ºC. Единица измерения — градусов Цельсия (ºC).По шкале по Фаренгейту (по-прежнему наиболее часто используемой в Соединенных Штатах) точка замерзания воды составляет 32 ° F, а точка кипения — 212 ° F. Единица измерения температуры на этой шкале — градусов Фаренгейта (ºF). Обратите внимание, что разница температур в один градус Цельсия больше, чем разница температур в один градус Фаренгейта. Только 100 градусов Цельсия охватывают тот же диапазон, что и 180 градусов по Фаренгейту, таким образом, один градус по шкале Цельсия в 1,8 раза больше, чем один градус по шкале Фаренгейта 180/100 = 9/5.

Шкала Кельвина — это шкала температур, которая обычно используется в науке. Это шкала абсолютной температуры , определяемая как 0 K при минимально возможной температуре, называемая абсолютным нулем . Официальная единица измерения температуры на этой шкале — кельвин , которая обозначается аббревиатурой K и не сопровождается знаком градуса. Температура замерзания и кипения воды составляет 273,15 К и 373,15 К соответственно. Таким образом, величина перепада температур одинакова в кельвинах и градусах Цельсия.В отличие от других температурных шкал шкала Кельвина является абсолютной шкалой. Он широко используется в научной работе, потому что ряд физических величин, таких как объем идеального газа, напрямую связаны с абсолютной температурой. Кельвин — это единица СИ, используемая в научной работе.

Рис. 4. Соотношение температурных шкал по Фаренгейту, Цельсию и Кельвину, округленное до ближайшего градуса. Также показаны относительные размеры чешуек.

Отношения между тремя общими температурными шкалами показаны на рисунке 4. {\ circ} \ text {F} \ right) -32 \ right) +273.{\ circ} \ text {F}} = \ frac {9} {5} \ left (T_ {K} -273,15 \ right) +32 \\ [/ latex]

Обратите внимание, что преобразование между градусами Фаренгейта и Кельвина выглядит довольно сложным. Фактически, это простые комбинации преобразований между градусами Фаренгейта и Цельсия и преобразованиями между градусами Цельсия и Кельвина.

Пример 1. Преобразование температурных шкал: комнатная температура

«Комнатная температура» обычно составляет 25ºC.

1. Что такое комнатная температура в ºF?
2. Что это в К?

Стратегия

Чтобы ответить на эти вопросы, все, что нам нужно сделать, это выбрать правильные уравнения преобразования и подставить известные значения.{\ circ} \ text {F} \\ [/ latex]

Решение для Части 2

1. Выберите правильное уравнение. Для преобразования ºC в K используйте уравнение T _K = T _ºC + 273,15
2. Подставьте известное значение в уравнение и решите: T _K = 25ºC + 273,15 = 298 K.

Пример 2. Преобразование между температурными шкалами: шкала Реомюра

Шкала Реомюра — это шкала температур, которая широко использовалась в Европе в восемнадцатом и девятнадцатом веках.По температурной шкале Реомюра точка замерзания воды составляет 0ºR, а температура кипения — 80ºR. Если «комнатная температура» составляет 25ºC по шкале Цельсия, что это такое по шкале Реомюра?

Стратегия

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сравнить шкалу Реомюра со шкалой Цельсия. Разница между температурой замерзания и температурой кипения воды по шкале Реомюра составляет 80ºR. По шкале Цельсия это 100ºC. Следовательно, 100º C = 80ºR. Обе шкалы начинаются с 0 º для замораживания, поэтому мы можем вывести простую формулу для преобразования между температурами на двух шкалах.{\ circ} \ text {R} \\ [/ latex]

Диапазоны температур во Вселенной

На рисунке 6 показан широкий диапазон температур во Вселенной. Известно, что человеческие существа выживают при температуре тела в небольшом диапазоне от 24 ° C до 44 ° C (от 75 ° F до 111 ° F). Средняя нормальная температура тела обычно составляет 37,0 ° C (98,6 ° F), и колебания этой температуры могут указывать на состояние здоровья: лихорадку, инфекцию, опухоль или проблемы с кровообращением (см. Рисунок 5).

Рисунок 5.Это изображение излучения тела человека (инфракрасный термограф) показывает расположение температурных аномалий в верхней части тела. Темно-синий соответствует холодным областям, а красный цвет белому соответствует горячим областям. Повышенная температура может быть признаком злокачественной ткани (например, раковой опухоли в груди), а пониженная температура может быть следствием снижения кровотока из сгустка. В этом случае аномалии вызваны состоянием, называемым гипергидрозом. (Источник: Porcelina81, Wikimedia Commons)

Самые низкие температуры, когда-либо зарегистрированные, были измерены в ходе лабораторных экспериментов: 4.5 × 10 ⁻¹⁰ K в Массачусетском технологическом институте (США) и 1,0 × 10 ⁻¹⁰ K в Технологическом университете Хельсинки (Финляндия). Для сравнения: самым холодным местом на поверхности Земли является Восток, Антарктида, температура 183 К (–89ºC), а самым холодным местом (за пределами лаборатории) во Вселенной является туманность Бумеранг с температурой 1 К.

Рис. 6. Каждое приращение на этой логарифмической шкале означает увеличение в десять раз и, таким образом, иллюстрирует огромный диапазон температур в природе.Обратите внимание, что ноль в логарифмической шкале будет располагаться в нижней части страницы на бесконечности.

Установление соединений: абсолютный ноль

Что такое абсолютный ноль? Абсолютный ноль — это температура, при которой прекращается движение молекул. Концепция абсолютного нуля возникает из поведения газов. На рисунке 7 показано, как давление газов при постоянном объеме уменьшается с понижением температуры. Различные ученые отметили, что давление газов экстраполируется до нуля при той же температуре –273.15ºC. Эта экстраполяция подразумевает, что существует самая низкая температура. Эта температура называется , абсолютный ноль . Сегодня мы знаем, что большинство газов сначала сжижается, а затем замерзает, и на самом деле невозможно достичь абсолютного нуля. Числовое значение температуры абсолютного нуля составляет –273,15ºC или 0 К.

Тепловое равновесие и нулевой закон термодинамики

Рис. 7. График зависимости давления от температуры для различных газов при постоянном объеме. Обратите внимание, что все графики экстраполируются на нулевое давление при одной и той же температуре.

Термометры фактически принимают свою собственную температуру , а не температуру объекта, который они измеряют. Это поднимает вопрос, как мы можем быть уверены, что термометр измеряет температуру объекта, с которым он находится в контакте. Это основано на том факте, что любые две системы, помещенные в тепловой контакт (то есть между ними может происходить теплопередача), будут достигать одинаковой температуры. То есть тепло будет перетекать от более горячего объекта к более холодному, пока они не достигнут точно такой же температуры.В этом случае объекты будут находиться в тепловом равновесии , и никаких дальнейших изменений не произойдет. Системы взаимодействуют и изменяются, потому что их температуры различаются, и изменения прекращаются, как только их температуры становятся одинаковыми. Таким образом, если для этой передачи тепла дается достаточно времени, температура, регистрируемая термометром , не соответствует системе, с которой он находится в тепловом равновесии. Тепловое равновесие устанавливается, когда два тела находятся в контакте друг с другом и могут свободно обмениваться энергией.

Более того, эксперименты показали, что если две системы, A и B, находятся в тепловом равновесии друг с другом, а B находится в тепловом равновесии с третьей системой C, то A также находится в тепловом равновесии с C. Этот вывод может показаться очевидным. , потому что все три имеют одинаковую температуру, но это основа термодинамики. Это называется нулевым законом термодинамики .

Нулевой закон термодинамики

Если две системы, A и B, находятся в тепловом равновесии друг с другом, а B находится в тепловом равновесии с третьей системой, C, то A также находится в тепловом равновесии с C.

Этот закон был постулирован в 1930-х годах после того, как были разработаны и названы первый и второй законы термодинамики. Он называется нулевым законом , потому что он логически предшествует первому и второму законам (обсуждаемым в термодинамике). Пример этого закона в действии наблюдается у младенцев в инкубаторах: у младенцев в инкубаторах обычно очень мало одежды, поэтому наблюдателю они кажутся недостаточно теплыми. Однако температура воздуха, детской кроватки и ребенка одинакова, поскольку они находятся в тепловом равновесии, которое достигается за счет поддержания температуры воздуха, чтобы ребенку было комфортно.

Проверьте свое понимание

Зависит ли температура тела от его размеров?

Решение

Нет, систему можно разделить на более мелкие части, каждая из которых имеет одинаковую температуру. Мы говорим, что температура составляет интенсивная величина . Интенсивные количества не зависят от размера.

Сводка раздела

• Температура — это величина, измеряемая термометром.
• Температура связана со средней кинетической энергией атомов и молекул в системе.{\ circ} \ text {F}} — 32 \ right) \\ [/ latex]
• T _K = T _ºC + 273,15
• T _ºC = T _K — 273,15

Системы находятся в тепловом равновесии, когда они имеют одинаковую температуру.
Тепловое равновесие возникает, когда два тела находятся в контакте друг с другом и могут свободно обмениваться энергией.
Нулевой закон термодинамики гласит, что когда две системы, A и B, находятся в тепловом равновесии друг с другом, а B находится в тепловом равновесии с третьей системой, C, тогда A также находится в тепловом равновесии с C.

Концептуальные вопросы

1. Что значит сказать, что две системы находятся в тепловом равновесии?
2. Приведите пример физического свойства, которое изменяется в зависимости от температуры, и опишите, как оно используется для измерения температуры.
3. Когда термометр с холодным спиртом помещается в горячую жидкость, столб спирта немного опускается, прежде чем подниматься. Объяснить, почему.
4. Если вы добавите кипящую воду в чашку при комнатной температуре, какой будет конечная равновесная температура устройства? Вам нужно будет включить окружение как часть системы.Рассмотрим нулевой закон термодинамики.

Задачи и упражнения

1. Какова температура по Фаренгейту у человека с температурой 39,0 ° C?
2. Повреждение большинства растений морозом происходит при температуре 28,0ºF или ниже. Что это за температура по шкале Кельвина?
3. Для экономии энергии комнатная температура поддерживается на уровне 68,0 ° F зимой и 78,0 ° F летом. Что это за температуры по шкале Цельсия?
4. Нить накаливания вольфрамовой лампы может работать при 2900 К.Какая у него температура по Фаренгейту? Что это по шкале Цельсия?
5. Температура поверхности Солнца около 5750 К. Что это за температура по шкале Фаренгейта?
6. Одна из самых высоких температур, когда-либо зарегистрированных на поверхности Земли, составляла 134ºF в Долине Смерти, Калифорния. Что это за температура в градусах Цельсия? Что это за температура в Кельвинах?
7. (a) Предположим, что в вашу местность обрушился холодный фронт и температура снизилась на 40 градусов по Фаренгейту. На сколько градусов по Цельсию понижается температура при 40.Снижение температуры на 0ºF? (б) Покажите, что любое изменение температуры в градусах Фаренгейта составляет девять пятых изменения в градусах Цельсия.
8. (a) При какой температуре шкала Фаренгейта и Цельсия имеют одинаковое числовое значение? (б) При какой температуре шкала Фаренгейта и Кельвина имеют одинаковое числовое значение?

Глоссарий

температура: величина, измеренная термометром

Шкала Цельсия: шкала температур , в которой точка замерзания воды равна 0ºC, а точка кипения воды — 100ºC

градуса Цельсия: единица по температурной шкале Цельсия

Шкала Фаренгейта: шкала температур , в которой точка замерзания воды составляет 32 ° F, а точка кипения воды — 212 ° F.

градуса Фаренгейта: единица по температурной шкале Фаренгейта

Шкала Кельвина: шкала температур , в которой 0 К — минимально возможная температура, представляющая абсолютный ноль

абсолютный ноль: минимально возможная температура; температура, при которой прекращается движение всех молекул

тепловое равновесие: состояние, при котором тепло больше не течет между двумя контактирующими объектами; два объекта имеют одинаковую температуру

нулевой закон термодинамики: закон, который гласит, что если два объекта находятся в тепловом равновесии, а третий объект находится в тепловом равновесии с одним из этих объектов, он также находится в тепловом равновесии с другим объектом

Избранные решения проблем и упражнения

1.{\ circ} \ text {C} \ right) \ end {array} \\ [/ latex]

Исследователи изучают снижение средней температуры тела среди здоровых взрослых за последние два десятилетия — ScienceDaily

За почти два столетия, прошедшие с тех пор, как немецкий врач Карл Вундерлих установил 98,6 ° F в качестве стандартной «нормальной» температуры тела, она использовалась родители и врачи в равной степени оценивают лихорадку, а зачастую и тяжесть заболевания.

Однако со временем, а также в последние годы, снижение температуры тела стало широко регистрироваться у здоровых взрослых.Исследование 2017 года среди 35000 взрослых в Соединенном Королевстве показало, что средняя температура тела ниже (97,9 ° F), а исследование 2019 года показало, что нормальная температура тела у американцев (во всяком случае, в Пало-Альто, Калифорния) составляет около 97,5 ° F. .

Многонациональная группа врачей, антропологов и местных исследователей во главе с Майклом Гурвеном, профессором антропологии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и заведующим отделом интегративных антропологических наук кампуса, и Томасом Крафт, докторантом того же отдела, обнаружили аналогичное сокращение среди Цимане, коренное население собирателей-садоводов в боливийской Амазонии.За 16 лет, прошедших с тех пор, как Гурвен, содиректор проекта «Здоровье и история жизни Цимане», и его коллеги-исследователи изучали население, они наблюдали быстрое снижение средней температуры тела — 0,09 ° F в год, так что сегодня Циманэ температура тела составляет примерно 97,7 ° F.

«Менее чем через два десятилетия мы наблюдаем примерно такой же уровень спада, который наблюдался в США примерно за два столетия», — сказал Гурвен. Их анализ основан на большой выборке из 18 000 наблюдений за почти 5 500 взрослыми людьми с поправкой на множество других факторов, которые могут повлиять на температуру тела, такие как температура окружающей среды и масса тела.

Исследование антропологов опубликовано в журнале Sciences Advances .

«Провокационное исследование, показывающее снижение нормальной температуры тела в США со времен гражданской войны, было проведено на одной популяции и не могло объяснить, почему произошло снижение», — сказал Гурвен. «Но было ясно, что что-то в физиологии человека могло измениться. Одна из основных гипотез состоит в том, что со временем мы испытали меньше инфекций благодаря улучшению гигиены, чистой воде, вакцинации и медицинскому лечению.В нашем исследовании мы смогли напрямую проверить эту идею. У нас есть информация о клинических диагнозах и биомаркерах инфекции и воспаления на момент осмотра каждого пациента.

Хотя некоторые инфекции были связаны с более высокой температурой тела, поправка на них не учитывала резкое снижение температуры тела с течением времени, отметил Гурвен. «И мы использовали один и тот же термометр для большей части исследования, так что это не связано с изменениями в инструментах», — сказал он.

Добавлен Крафт: «Независимо от того, как мы проводили анализ, снижение все еще было. Даже когда мы ограничили анализ менее 10% взрослых, которым врачи поставили диагноз полностью здорового, мы все равно наблюдали такое же снижение температуры тела в течение время.»

Таким образом, ключевой вопрос заключается в том, почему температура тела со временем снизилась как у американцев, так и у Циманэ. Обширные данные, полученные в результате длительного исследования команды в Боливии, рассматривают некоторые возможности. «Снижение может быть связано с развитием современного здравоохранения и более низким уровнем затяжных легких инфекций в настоящее время по сравнению с прошлым», — пояснил Гурвен.«Но хотя здоровье в целом улучшилось за последние два десятилетия, инфекции все еще широко распространены в сельских районах Боливии. Наши результаты показывают, что одним лишь уменьшением инфекции нельзя объяснить наблюдаемое снижение температуры тела».

Возможно, люди в лучшем состоянии, поэтому их тела будут меньше работать для борьбы с инфекцией, продолжил он. Или более широкий доступ к антибиотикам и другим методам лечения означает, что продолжительность инфекции сейчас короче, чем в прошлом. В соответствии с этим аргументом Гурвен сказал: «Мы обнаружили, что наличие респираторной инфекции в ранний период исследования привело к более высокой температуре тела, чем та же респираторная инфекция в последнее время.«

Также возможно, что более широкое использование противовоспалительных препаратов, таких как ибупрофен, может уменьшить воспаление, хотя исследователи обнаружили, что временное снижение температуры тела сохранялось даже после того, как в их анализах были учтены биомаркеры воспаления.

«Другая возможность состоит в том, что нашему телу не нужно так усердно работать, чтобы регулировать внутреннюю температуру из-за кондиционирования воздуха летом и отопления зимой», — сказал Крафт. «Хотя температура тела тсиманэ действительно меняется в зависимости от времени года и погодных условий, тсиманэ по-прежнему не используют никаких передовых технологий, помогающих регулировать температуру тела.Однако у них больше доступа к одежде и одеялам ».

Первоначально исследователи были удивлены, не обнаружив ни одной «волшебной пули», которая могла бы объяснить снижение температуры тела. «Вероятно, это комбинация факторов, которые указывают на улучшение условий», — сказал Гурвен.

По словам Гурвена, обнаружение более низкой, чем ожидалось, температуры тела в США и ее снижения со временем заставило многих почесать затылки. Это была случайность? В этом исследовании Гурвен и его команда подтверждают, что температура тела ниже 98.6 ° F встречаются за пределами США и Великобритании. «Район Боливии, где живут тсимане, — сельский и тропический, с минимальной инфраструктурой общественного здравоохранения», — отметил он. «Наше исследование также дает первое указание на то, что температура тела снизилась даже в этой тропической среде, где инфекции все еще являются причиной высокой заболеваемости и смертности».

Как жизненно важный показатель, температура является индикатором того, что происходит в организме физиологически, подобно метаболическому термостату. «Одно время мы знаем, что не существует универсальной« нормальной »температуры тела для всех в любое время, поэтому я сомневаюсь, что наши результаты повлияют на то, как врачи используют показания температуры тела на практике», — сказал Гурвен.Несмотря на фиксацию на 98,6 ° F, большинство врачей признают, что «нормальные» температуры имеют диапазон. В течение дня температура тела может варьироваться на целых 1 ° F, от самой низкой ранним утром до самой высокой во второй половине дня. Он также варьируется в зависимости от менструального цикла и после физической активности и имеет тенденцию к снижению с возрастом.

Но, связывая улучшения в более широком эпидемиологическом и социально-экономическом ландшафте с изменениями температуры тела, исследование предполагает, что информация о температуре тела может дать ключ к общему состоянию здоровья населения, как и другие общие показатели, такие как продолжительность жизни.«Температуру тела легко измерить, и поэтому ее можно легко добавить к обычным крупномасштабным опросам, которые контролируют состояние здоровья населения», — сказал Гурвен.

Temperature — The Physics Hypertextbook

Обсуждение

теоретическое определение

При определении температуры следует проявлять осторожность, чтобы не путать ее с теплотой. Тепло — это форма энергии. Температура-то другое. Мы могли бы начать с технического определения, но я бы предпочел начать с вопроса.Насколько жарко? Ответ на этот вопрос (или на подобный вопрос) — измерение температуры. Чем горячее что-то, тем выше его температура. Поэтому я хотел бы предложить следующее неформальное определение — температура — это мера жара.

В науке величины обычно определяются оперативно (в процессе их измерения) или теоретически (в терминах теорий конкретной дисциплины). Мы начнем с теоретического определения температуры и закончим операционным определением.

Давайте рассмотрим то, что вы уже должны знать.

1. Система обладает энергией, если она способна выполнять работу.
2. Энергия бывает двух основных форм: кинетическая энергия движения и потенциальная энергия положения.
3. Энергия сохраняется; иными словами, он не может быть создан или уничтожен. Когда одна форма энергии уменьшается, другая форма должна увеличиваться.

Типичным примером этого является скала на вершине холма. Благодаря высоте над подножием холма, он обладает потенциальной гравитационной энергией.Дайте ему толчок, и он начнет катиться. Если мы предположим идеальную ситуацию замкнутой системы, в которой энергия не теряется при спуске, тогда начальная потенциальная энергия породы будет равна ее конечной кинетической энергии.

А теперь сделаем еще один шаг вперед к архетипическому примеру. Предположим, камень врезается в стену. Ни камень, ни стена не эластичны, поэтому камень останавливается. Теперь кажется, что мы нарушили закон сохранения энергии. Кинетическая энергия потеряна, и ничто не заменило ее.Куда ушла энергия?

Ответ на этот вопрос: внутри скалы. Энергия была преобразована из внешней энергии , видимой как движение скалы в целом, во внутреннюю энергию движения невидимых частей, составляющих скалу. Две энергии идентичны по размеру, но различаются по внешнему виду. Внешняя энергия видна, потому что она организована. Поступательная кинетическая энергия камня обусловлена ​​скоординированным движением.Все части движутся вперед вместе. Энергия вращения также согласована. Все части вместе вращаются вокруг центра масс. Напротив, внутренняя кинетическая энергия камня невидима, поскольку куски очень маленькие и многочисленные, а их движение совершенно нескоординировано. Их движения статистически случайны со средним значением, равным нулю, что делает энергию в значительной степени невидимой для нас, макроскопических существ.

Потенциальная энергия также может существовать во внешней и внутренней формах. Я не буду приводить здесь пример, но скажу, что внешняя потенциальная энергия относительно очевидна.(Смотрите, на вершине холма есть камень.) Внутренняя потенциальная энергия более неясна. (Посмотрите, есть атом рядом с другим атомом.) Внутренняя потенциальная энергия отвечает за скрытое тепло — тема, которая обсуждается позже в этой книге.

Если вы верите, что объекты могут обладать внутренней энергией, тогда нетрудно поверить, что они могут обмениваться этой энергией. Это называется термическим контактом . Несводимые части объектов, ответственные за перенос внутренней энергии, известны как атомы — от греческого «α τομή» [ a tomi ], что означает «нельзя разрезать», — но вера в атомы не является необходимостью.Это просто облегчает жизнь. (Удивительно, но большая часть теплофизики и термодинамики была разработана до того, как атомы стали в целом считаться реальными.) Поскольку мы имеем дело с большим количеством атомов в нескоординированном движении, будут моменты и места, где передача внутренней энергии будет происходить в одном направлении. и разное время и места, где передача внутренней энергии будет идти в противоположном направлении. Поскольку числа настолько невообразимо велики, нас действительно не волнует, что происходит с каким-либо одним атомом.Все, что мы можем наблюдать в таких случаях, — это чистая или полная передача внутренней энергии. Это известно как тепло. Если чистый обмен внутренней энергии равен нулю; то есть, если тепло не течет из одной области в другую; тогда говорят, что вся система находится в тепловом равновесии . Тепло — это чистый перенос внутренней энергии из одной области в другую.

Ничего нельзя сказать, чтобы имели тепла или сохраняли тепла. Вместо этого мы говорим, что тепло течет из одного места в другое.Направление указано знаком перед числом. Используйте «+», когда тепло поступает, и «-», когда тепло выходит. Тепло может перемещаться влево, вправо, вверх, вниз, вперед или назад, но обычно это не так. Тепло — это форма энергии, а энергия скалярна, поэтому конкретные направления и углы, а также все остальные векторные элементы не имеют значения.

Тепло — это форма энергии, а единицей энергии является джоулей [Дж], поэтому тепло следует измерять в джоулях.Однако до того, как это стало известно, у тепла были свои особые подразделения; как калория и британская тепловая единица [BTU]. По какой-то причине они до сих пор широко используются в Соединенных Штатах — калории для пищевой энергии (что на самом деле составляет килокалорий) и британские тепловые единицы для печей, кондиционеров, плит и холодильников. Эти единицы будут обсуждаться более подробно в следующем разделе этой книги.

Возвращение к температуре. Что это?

Две области теплового контакта имеют одинаковую температуру , когда между ними нет чистого обмена внутренней энергией.Таким образом, температура определяет направление теплового потока — из в области с более высокой температурой и в в области с более низкой температурой. Если говорить более кратко, тепло перетекает от горячего к холодному. Это теоретическое определение температуры.

оперативное определение

Температура измеряется термометром . Основной принцип работы всех термометров заключается в том, что существует некоторая величина, называемая термометрической переменной , которая изменяется в ответ на изменения температуры.Связь между температурой и термометрической переменной может быть прямой или обратной, или она может определяться полиномиальной или степенной функцией. В любом случае измеряется термометрическая переменная. Нет возможности напрямую измерить температуру.

Типы термометров

тип	термометрическая переменная
жидкость в стекле	том
газ постоянного объема	давление
Биметаллическая полоса	шаг катушки
резистор электрический	сопротивление
термопара	напряжение

После того, как мы определились с термометрической переменной, которую нужно измерить, следующим шагом будет выбор температурной шкалы .Не потому, что «единицы имеют значение» (как говорит каждый учитель физики, когда они вычитают баллы у студентов, которые забыли записать их на тесте), а потому, что температура не имеет значения без значений, определенных как стандартные. В термометрии нам нужно фиксированных точек : воспроизводимые эксперименты, основанные на природных явлениях, которые происходят при определенной температуре в заданном наборе условий. На самом деле нам нужны как минимум две фиксированные точки и определенный диапазон чисел (называемый фундаментальным интервалом ) между нижней фиксированной точкой и верхней фиксированной точкой .Другая причина того, что рабочее определение температуры так тесно связано с температурными шкалами, заключается в том, что ранняя наука о термометрии связана с изобретением и созданием термометров.

Первый термометр был построен на территории современной северной Италии в 17 веке Санкториусом Санкториусом (1561–1636), первым врачом, который регистрировал такие жизненно важные показатели, как вес и температура тела; Галилео Галилей (1564–1642), человек, который в основном изобрел научный метод; или Джованни Франческо Сагредо (1571–1620), мастера по изготовлению инструментов, которого иногда называют «учеником» Галилея.Все трое построили так называемые стеклянные термометры для жидкости и , которые состоят из стеклянного резервуара с жидкостью, прикрепленного к узкой стеклянной трубке. При повышении температуры жидкость расширяется и поднимается по трубке. Когда температура снижается, жидкость сжимается и падает обратно в трубку. Таким образом, высота столбца связана с температурой простым линейным образом. Галилей не ставил шкалу на свое устройство, поэтому то, что он изобрел, лучше называть тероскопом , поскольку все, что он может делать, это показывать изменений температуры, а не измерять их .Санкторус добавил шкалу к стеклянному термоскопу с воздухом, и, таким образом, можно приписать изобретение термометра, но…. Воздух в стеклянных устройствах реагирует на изменения давления, а также на изменения температуры, а давление не было чем-то, что было хорошо изучено в то время. Сагредо добавил к своему термометру шкалу с 360 делениями, имитирующую классическое деление круга. С тех пор единицы температуры назывались «градусами» независимо от того, было ли их 360 в основном интервале.

Роберт Гук (1635–1703) из Лондона был первым, кто предложил использовать точку замерзания воды в качестве нижней фиксированной точки. Оле Рёмер (1644–1710) из Копенгагена присвоил значение 7,5 ° для точки замерзания и 60 ° для точки кипения воды, так что нормальная температура тела будет составлять 22,5 °, что в три раза больше точки замерзания. В те времена, когда термометры градуировались вручную, такие уловки обычно были встроены в температурные шкалы.

В любом случае, нормальная температура тела не является той фиксированной точкой, которая удовлетворяет потребности серьезной термометрии.Слишком много вариаций в концепции «нормального» применительно к людям. (Более значимым будет термин «средний».) У разных людей может быть разная температура тела, и они все равно считаются здоровыми, а температура тела у всех меняется в течение дня. Мы самые холодные рано утром и самые жаркие в середине дня. Такое число переменной просто не сокращает его, как фиксированное число .

Некоторые другие неудачные идеи для фиксированных точек включают…

• подмышка здорового англичанина
• самый глубокий подвал Парижской обсерватории
• самая жаркая летняя температура Италии, Сирии, Сенегала,…
• точка застывания анисового масла, льняного масла, оливкового масла,…
• точка плавления масла, воска,…
• точка кипения спирта, вина,…
• кухонный огонь, достаточно горячий для жарки продуктов
• пламя свечи
• Самая горячая ванна, которую может выдержать мужчина, не помешивая ее рукой
• Смеси солено-ледяные

по Фаренгейту

Самыми долгоживущими из используемых до сих пор температурных шкал является работа Даниэля Габриэля Фаренгейта (1686–1736).Фаренгейт родился в немецкой семье, жившей в Данциге, Пруссия (ныне Гданьск, Польша). Когда ему было 15 лет, он потерял обоих родителей из-за отравления грибами и поступил в ученики к местному торговцу, который позже перевез его в Нидерланды. Фаренгейту не нравилась эта аранжировка, и он просто пропустил своего хозяина. Стажировка меньше похожа на стажировку современных студентов колледжа и больше похожа на семилетнюю трудовую жизнь по договору.

Во время бегства из дома и в течение нескольких лет после этого Фаренгейт путешествовал по Нидерландам, Дании, Германии, Швеции и Польше; приобрел технические навыки, такие как выдувание стекла и изготовление инструментов; и изучил голландский, французский, английский языки и теплофизику.

Когда ему было 28 лет, он поразил научное сообщество, сконструировав пару термометров, которые давали неизменно идентичные показания. Что меня поражает, так это то, что кто-то нашел бы этот поступок поразительным, но, очевидно, никто никогда не делал этого раньше.

Сагредо, ставший историческим термометром на 360 градусов, присвоил 0 ° смеси снега и соли, 100 ° снегу и 360 ° самому жаркому летнему дню. Такие термометры, которые впервые были построены в северной Италии, были откалиброваны по неизменяемым фиксированным точкам.Это означало, что термометры, изготовленные в 1650 году, давали другие результаты, чем термометры, изготовленные в 1651 году, а термометры, изготовленные во Флоренции, давали другие результаты, чем те, которые были изготовлены в Венеции.

Фаренгейта остановился на трех фиксированных точках, которые он подробно описал в документе, представленном Лондонскому королевскому обществу в 1724 году. (Акцент был добавлен к некоторым ключевым словам .)

Hujus scalæ divisio tribus nititur terminis fixis, qui arte Sequentimodo parari Possunt; primus illorum in informa parte vel initio scalæ reperitur, & commixtione glaciei, aquæ, & salis Armoniaci vel etiam maritimi acquiritur; huic mixturæ si thermometron imponitur, fluidum ejus usque ad gradum, qui zero notatur, спуститься.Melius autem hyeme, quam æstate hoc экспериментум успеха.		Деление шкалы зависит от трех фиксированных точек, которые можно определить следующим образом. Первый находится в неоткалиброванной части или в начале шкалы и определяется смесью льда, воды и хлорида аммония или даже морской соли . Если термометр поместить в эту смесь, его жидкость опустится до градуса, отмеченного цифрой ноль .Зимой этот опыт удается лучше, чем летом.
Secundus terminus obtinetur, si aqua & glacies absque memoratis salibus commiscentur, imposito thermometro huic mixturæ, Fluidum ejus tricesimum secundum takeat gradum, & terminus initii congelationis a me; aquæ enim stagnantes tenuissima jam glacie obducuntur, quando hyeme liquor thermometri hunce gradum attingit.		вторая точка получается, если вода и лед смешиваются без вышеупомянутых солей. Когда термометр помещается в эту смесь, ее жидкость достигает 32-й градусов. Я называю эту точку замерзания . Ведь стоячая вода уже покрыта очень тонким слоем льда, когда жидкость термометра достигает этой точки зимой.
Terminus tertius в nonagesimo sexto gradient reperitur; & spiritus usque ad hunc gradum dilatatur, dum thermometrum в руду sub axillis hominis в statu sano viventis tam diu tenetur donec perfectissime calorem corporis acquisivit.		Третья точка расположена на 96-м градусе . Алкоголь расширяется до этого момента, когда он находится во рту или под мышкой здорового человека, пока он полностью не наберет тепла его тела .
Даниэль Габриэль Фаренгейт, 1724		Перевод Дж. Холланда для sizes.com

После смерти Фаренгейта эти фиксированные точки были изменены, так что шкала с его именем теперь имеет только две, более разумные фиксированные точки.Нормальная точка замерзания воды оставалась на уровне 32 ° F, но точки нагрева соленой воды и тела были понижены в пользу верхней фиксированной точки 212 ° F при нормальной температуре кипения воды. Это разделило основной интервал на 180 градусов, что было приемлемым числом для работы. Разделить интервал на половины или трети (или степени половин и третей) не так уж и плохо. Настоящая проблема — это пятые. Множители 96: 2, 2, 2, 2, 2, 3; который лишен страшных пятерок.Множители 180: 2, 2, 3, 3, 5; который включает пять, но, по крайней мере, есть только один. Множители 100: 2, 2, 5, 5; у которого вдвое больше пятерок, чем у 180, а значит, вдвое больше страха.

по Цельсию

НЕ ЗАВЕРШЕНО

Рене Реомюр (1683–1757) Франция. Андерс Цельсий (1701–1744) Швеция.

Поскольку между двумя контрольными точками есть сто градусов, были использованы названия градусов Цельсия и сотых градусов , а также название градусов Цельсия .В 1948 году эти альтернативные названия были исключены, и в качестве официального названия был выбран градус Цельсия. Это было сделано в честь Цельсия за его работу по разработке исходной системы и во избежание непоследовательного использования префикса centi. Название «градус по Цельсию» подразумевает, что существует единица измерения, называемая «градус».

кельвина

НЕ ЗАВЕРШЕНО

Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824–1907) Ирландия – Шотландия предлагает первую шкалу абсолютных температур. Рудольф Клаузиус (1822–1888) Германия предложил изменить шкалу так, чтобы размер одного градуса по шкале Томсона был равен одному градусу по Цельсию.

Международная температурная шкала (ITS)

Несколько фиксированных точек.

преобразование температуры

Большинство преобразований единиц выполняется с помощью масштабирования . Вы берете число с единицей измерения и умножаете (или делите) на коэффициент преобразования, чтобы получить новое число с новой единицей. Число само по себе может быть больше или меньше после преобразования, но число с единицей идентично, поскольку коэффициент преобразования равен единице.Единицы измерения температуры не всегда можно преобразовать таким образом, поскольку не все температурные шкалы присваивают нулевое значение одной и той же фиксированной точке. Для преобразования температуры часто требуется перевод , чтобы нули выровнялись. Вы берете число с единицей измерения и добавляете (или вычитаете) коэффициент преобразования с числом и единицей измерения. Вы можете сделать это до или после любого масштабирования, в зависимости от того, что вам удобно. Комбинация масштабирования и трансляции называется линейным преобразованием (или линейным отображением ).

Самым простым преобразованием температуры является градус Кельвина в градус Цельсия. Размеры двух блоков идентичны по конструкции. Температурный интервал 1 K соответствует 1 ° C, поэтому коэффициент масштабирования составляет 1 ° C / 1 K. Температура абсолютного нуля называется 0 K по шкале Кельвина и -273,15 ° C по шкале Цельсия, поэтому требуется коэффициент перевода −273 ° C. Таким образом, мы в основном умножаем на единицу, что то же самое, что ничего не делаем, и вычитаем 273. Обратное преобразование столь же просто.

Преобразование между кельвином и градусом Цельсия

	формальное обозначение	сокращенная версия
К → ° С	T [° C] = 1 ° С T [K] — 273,15 ° C 1 К	° С = К — 273,15
° С → К	T [K] = 1 К Т [° C] + 273.15 К 1 ° С	° С = К + 273,15

Позвольте мне кое-что рассказать. Последняя часть этого раздела действительно полезна только для граждан и жителей США. Между температурой кипения и замерзания воды от 180 ° F до 100 ° C. Это дает коэффициент масштабирования 180 ° F / 100 ° C при преобразовании из градусов Цельсия в градусы Фаренгейта, который уменьшается до 5/9. Ноль шкалы Цельсия находится на 32 градуса выше нуля шкалы Фаренгейта, поэтому необходим коэффициент перевода +32 ° F.

Обратное преобразование (градусы Фаренгейта в градусы Цельсия), как мне кажется, лучше всего делать немного по-другому. Начните с выравнивания нулевых точек путем вычитания 32 ° F, затем используйте коэффициент масштабирования 100 ° C / 180 ° F или 5/9.

Преобразование между градусами Цельсия и градусами Фаренгейта

	формальное обозначение	сокращенная версия
° C → ° F	T [° F] = 180 ° F T [° C] + 32 ° F 100 ° С	° F = 9 ° С + 32 5
° F → ° C	T [° C] = ⎛ ⎝ T [° F] — 32 ° F ⎞ ⎠ 100 ° С 180 ° F	° С = ⎛ ⎝ ° F — 32 ⎞ ⎠ 5 9

Для тех из вас, кто предпочитает линейные преобразования в форме y = mx + b , вот это последнее преобразование снова…

° С =	5	° F —	160
	9		9

Единственное преимущество этого обозначения состоит в том, что его можно использовать, чтобы показать, что…

0 ° F = —	160	° С
	9

0 ° F = −17.78 ° С

Совершенно того стоит.

Выбранные температуры ( фиксированных точек красного цвета )

по Фаренгейту (° F)	по Цельсию (° C)	кельвин (К)	устройство, событие, явление, процесс
		~ 10 32	планковская температура, верхний предел температуры
		~ 10 13	Самый горячий лабораторный эксперимент (LHC, 2012)
		~ 10 10	ядро ​​горячих звезд
		~ 10 7	ядро ​​Солнца
		~ 10 7	ядерный взрыв
		~ 10 6	солнечная корона (атмосфера Солнца)
		25 000	поверхность голубых звезд
		24 000	молния
		6500	D 65 стандартный белый горячий (эффективный)
		6000	центр Земли
		5933	кипит вольфрам
		5772	поверхность Солнца
		3683	плавки вольфрама
		3500	поверхность красных звезд
4900	2700	3000	лампа накаливания
3100	1700	2000	типичное пламя
2200	1200	1500	свежая лава
1984.32	1084,62	1357,77	медь замерзает
1947,52	1064,18	1337,33	золото замерзает
1763.20	961,78	1234,93	серебро застывает
1250	680	950	тусклый красный горячий
1220.58	660,323	933.473	Алюминий замерзает
930	500	770	начало красной жары
850	460	730	Средняя температура на Венере
840	450	720	дневная температура на Меркурии
787.149	419,527	692,677	цинк замерзает
674	357	630	кипение ртути
621	327	600	плавки свинца
574,5875	301,4375	574,5875	шкалы Фаренгейта и Кельвина совпадают
530	280	550	Домашняя очень горячая духовка
451	233	506	горит бумага, по словам Рэя Брэдбери (платная ссылка)
449.470	231,928	505.078	олово застывает
313,8773	156,5985	429,7485	Индий замерзает
252	122	395	верхний предел срока службы при высоком давлении
212	100	373,15	вода закипает
134	56.7	329,817	Самая высокая температура на Земле (Калифорния, 1913 год)
106	41	314	Рекорд города Нью-Йорка (Центральный парк, 1936 г.)
100	37,778	310.928	ничего важного
98,6	37,0	310,2	человеческое тело (традиционное для США)
98.2	36,8	309,9	человеческое тело (переработанное)
96			человеческое тело (по Фаренгейту)
85,5763	29,7646	302.9146	плавится галлий
80	27	300	численно удобная «комнатная температура» (300 К)
68	20	293	численно удобная «комнатная температура» (20 ° C)
59	15	288	Средняя температура на Земле
32.018	0,01	273,16	тройная точка воды
32	0	273,15	вода замерзает
19	−7	266	оптимальная температура льда для катания на коньках
0	−17,8	255	Ледяно-водно-солевая смесь (по Фаренгейту)
−14.3	−25,7	247	Рекордно низкий уровень Нью-Йорка (Центральный парк, 1934 г.)
−37,9019	−38,8344	234,3156	тройная точка ртути
−38	−39	234	замерзает ртуть
−40	−40	233	шкалы Фаренгейта и Цельсия совпадают
−56	−49	220	средняя температура на Марсе
−108	−78	195	точка сублимации сухого льда
−128.5	−89,2	183,95	Самая низкая температура на Земле (Антарктида, 1983)
−279,67	−173,15	100	ничего важного
−300	-180	90	ночная температура на Меркурии
−279	−183	90	кислородные сжиженные
−308.8196	−189,3442	83.8058	тройная точка аргона
−320	−196	77	азот сжиженный
		63	азот замерзает
		54,3584	тройная точка кислорода
		50	Средняя температура на Плутоне
		24.5561	неоновая тройная точка
		20,3	водород сжиженный
		13.8033	тройная точка водорода
		4,22	гелий сжиженный
		2,7260	космический микроволновый фон
		2. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт