Чем тёплые вещества отличаются от холодных? Можно ли передать тепло?

А начнём мы наш урок с нескольких простых вопросов. Перед вами находятся кубики льда. Они какие? Правильно, они холодные. А что можно сказать вот про эту чашку с чаем? Она тёплая. А что вы скажете про воду в этом стакане? Правильно, она кипит. То есть она очень горячая.

Заметьте, что у нас не вызвало никаких затруднений определить холодное это тело или горячее, так как мы хорошо знаем различия между ними. В повседневной жизни под температурой мы понимаем степень нагретости тела (холодное, тёплое, горячее). Но такой подход является довольно субъективным, так как он зависит не только от состояния рассматриваемого тела, но и от наших ощущений. Так, например, в одной и той же комнате металлические предметы всегда кажутся более холодными, чем деревянные или пластмассовые.

Или вот опыт, который вы можете провести даже у себя дома. Налейте в три сосуда холодную и горячую воду, а также воду комнатной температуры. Далее опустите одну руку (например, правую) в холодную воду, а вторую — в горячую. Постойте так пару минут, а затем опустите руки в центральный сосуд. Какая там вода? Правая рука нам подсказывает, что в сосуде тёплая вода, а вот левая — что холодная.

Так вот, чтобы избежать такой субъективной неопределённости при определении степени нагретости тела (то есть его температуры) был изобретён специальный измерительный прибор — термометр.

Работа большинства из них основана на способности веществ изменять свои физические параметры (например, объём, сопротивление и так далее) при изменении температуры тела. Но чаще всего используются жидкостные термометры, с помощью которых можно измерять температуры в достаточно широких пределах.

Интересно, что первыми, кому понадобилась сравнительная шкала «теплоты тела», были врачи. Так, например, знаменитый древнеримский врач Гален, живший во II веке, считал, что все лекарства следует различать по «градусам» теплоты, холода, сухости и влажности (gradus в переводе с латинского означает ‘шаг’, ‘ступень’). Гален учил, что одни лекарства оказывают охлаждающее действие, а другие — согревающее. При необходимости следовало смешивать лекарства, чтобы умерить излишнее тепло влажностью, а холод — сухостью. От латинского слова temperature (смешение) и возник термин «температура». Позже термины «температура» и «градус» были распространены на все тепловые явления.

Что касается первых термометров, то их изобретение относят примерно к 1597 году и приписывают знаменитому итальянцу Галилео Галилею. Он придумал прибор — термоскоп, который состоял из стеклянного шарика с трубкой. Шарик был наполнен воздухом, который запирался столбом воды.

Высота этого столба зависела от атмосферного давления, которое, в свою очередь, зависело от температуры воздуха и других параметров. Когда температура воздуха повышалась, уровень жидкости в сосуде опускался. При охлаждении же воздуха уровень жидкости поднимался.

Со временем термометры усовершенствовались и к ним добавили температурные шкалы. Так, первая современная шкала была описана в 1724 году Габриелем Фаренгейтом. За 0 °F — первую фиксированную точку — Фаренгейт принял температуру плавления смеси льда, воды и нашатыря. Вторую точку — 32 °F — он получил, погружая термометр в смесь воды и льда. Свою шкалу Фаренгейт проверял, измеряя нормальную температуру тела человека. Новая точка приходилась на 96 °F.

Позднее он ввёл ещё и четвёртую опорную точку — точку кипения воды при нормальных (212 °F). Шкалой Фаренгейта до сих пор пользуются в США.

А в 1742 году шведский метеоролог Андерс Цельсий изобрёл стоградусную шкалу, которой мы пользуемся с вами до сих пор. За 0 °С в ней была принята (не удивляйтесь!) температура кипения воды при нормальных условиях. А вторая точка, равная 100 °С, соответствовала температуре плавления льда

Просто Цельсию не нравились отрицательные значения температур, поэтому шкала и оказалась перевёрнутой.

И только спустя три года (когда учёный уже умер) его известный соотечественник Карл Линней для удобства «перевернул» шкалу. А официально наименование градус Цельсия было принято на IX Генеральной конференции по мерам и весам в 1948 году.

Конечно же любой термометр не покажет вам температуру тела сразу же после контакта с ним. Необходимо некоторое время для того, чтобы температура исследуемого тела и температура термометра стали равными. В физике такое состояние системы называют тепловым равновесием.

Тепловое равновесие со временем устанавливается между любыми телами системы, имеющими разную температуру. Чтобы это доказать, проведём простой опыт. Возьмём сосуд, в который налита смесь воды и льда. Закроем сосуд крышкой, в которую встроены два термометра. Один термометр будет измерять температуру воздуха, а второй — воды.

Через некоторое время мы увидим, как температура воды и воздуха в сосуде выровнялась. Отсюда можно сделать простой, но очень важный вывод: любое тело или группа тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. При этом все тела, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Конечно же, если мы приведём в соприкосновение два тела, имеющих одинаковую температуру, то теплом они обмениваться не будут. Но если температуры тел будут различны, то они будут обмениваться энергией. При этом, как было доказано, передача тепловой энергии происходит от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот.

Вообще же существуют три простых (элементарных) механизма передачи тепла: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Поговорим об этих явлениях.

Для начала проведём с такой опыт. Укрепим в штативе медный стержень. К последнему с помощью пластилина приклеим несколько болтиков. Свободный конец стержня будем нагревать на пламени спиртовки.

Спустя небольшой промежуток времени мы увидим, как болтики начнут отпадать от стержня. Сначала отпадёт тот болт, который находится ближе к пламени. А затем, поочерёдно, все остальные. Так как болтики отпадали не одновременно, то можно сделать вывод о том, что температура стержня повышалась постепенно.

— Почему так происходит?

Попробуем разобраться. Вы уже знаете, что в твёрдом теле молекулы расположены близко друг к другу. Из-за этого взаимодействия между молекулами очень велики. Поэтому они могут лишь совершать колебательные движения около своих положений равновесия. Частицы металла ближнего к пламени конца стержня получают от него энергию. А это значит, что увеличивается их средняя кинетическая энергия колебательного движения. А поскольку молекулы взаимодействуют друг с другом, то они передают часть полученной энергии соседним частицам, заставляя их колебаться быстрее. Те, в свою очередь, передают энергию своим соседям, и так далее по всему стержню. При этом посмотрите, перемещение вещества не происходит, а происходит передача энергии. Так вот, процесс переноса теплоты от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц без переноса вещества называется теплопроводностью.

— А одинаково ли передают тепло твёрдые тела?

Ответим на вопрос с помощью опыта. Прикрепим к нашему медному стержню разветвитель, в который вставим стержни из стали, стекла и дерева. Как и в прошлый раз, с помощью пластилина приклеим болтики к стержням и зажжём спиртовку. Через некоторое время мы заметим, как первыми начнут отпадать болтики от медного стержня.

Значит, медь — это хороший проводник тепла.

Затем начнут падать болтики, приклеенные к стальному стержню. А вот ждать, пока прогреются стеклянный и деревянный стержни, придётся очень долго. Следовательно, дерево и стекло имеют очень малую теплопроводность. Такие вещества (которые слабо проводят тепло) принято называть теплоизоляторами.

— А проводят ли теплоту газы?

И опять обращаемся к опыту. Поместим в открытый конец пробирки термометр и будем нагревать пробирку в пламени спиртовки донышком вверх. Мы видим, что показания термометра лишь незначительно повышаются. Значит, нагревание воздуха идёт, но очень медленно.

Так чем объясняется столь плохая теплопроводность газов? Вспомните, что силы взаимодействия между молекулами газов при нормальном давлении практически равны нулю. Поэтому, энергия передаётся только за счёт хаотического движения молекул и столкновений их друг с другом.

Это свойство газов применяют, например, в термосах, чтобы продолжительное время сохранять в них жидкости при постоянной температуре.

А теперь давайте с вами выясним, какова же теплопроводность жидкостей? Для этого возьмём пробирку с водой. На дно пробирки поместим кусочек льда, привязанный к гайке (это, чтобы лёд не всплывал). Теперь будем нагревать верхнюю часть пробирки. Через некоторое время мы увидим, как вода в верхней части пробирки закипит. При этом лёд на дне прекрасно себя чувствует. О чём это говорит?.. Правильно, о том, что теплопроводность воды небольшая, хотя и больше, чем у воздуха.

Мы постоянно сталкиваемся с явлением теплопроводности в повседневной жизни. Например, посуду, в которой готовят пищу, делают из материалов, обладающих хорошей теплопроводностью, чтобы передавать энергию от источника к пище. А вот посуду, из которой мы едим, наоборот, делают из материалов с плохой теплопроводностью. Зимние куртки наполняют материалом с плохой проводимостью тепла, чтобы тепло нашего тела меньше передавалась окружающему холодному воздуху. Вот почему говорят, что «не шуба греет человека, а человек шубу».

Кстати, самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (то есть пространство, свободное от вещества). Конечно же у вас может возникнуть вопрос: как же тогда нам передаётся тепло от Солнца? Это происходит посредством ещё одного вида теплопередачи — излучения.

Механизм излучения сложен. Мы же отметим только то, что при излучении происходит перенос энергии не частицами вещества, а электромагнитными волнами. Именно поэтому для излучения не требуется среда и оно возможно даже в вакууме.

Многочисленные опыты (один из них вы сейчас видите на экране) показали, что тела с темной поверхностью излучают больше энергии (теплоты), чем тела со светлой поверхностью. Поэтому тела с темной поверхностью остывают быстрее, чем со светлой.

Также было установлено, что тела с темной поверхностью и поглощают больше энергии, чем тела со светлой поверхностью, а поэтому и нагреваются быстрее.

То есть получается, что тело, которое больше поглощает энергии, больше и излучает. Этот факт учитывается в технике и быту. Например, самолёты, скафандры космонавтов, холодильники и морозильные камеры окрашивают в светлые цвета, чтобы они меньше нагревались. А мы с вами в жаркий летний день стараемся носить светлую одежду.

А теперь давайте проведём ещё один опыт. В трубку с холодной водой опустим несколько кристалликов марганцовки. При помощи спиртовки будем нагревать трубку снизу. Через некоторое время мы увидим, как нагретые нижние слои воды поднимаются вверх. Верхние же слои, как более холодные, а значит, более плотные, опускаются вниз, нагреваются и устремляются вверх. Через некоторое время вода нагреется по всему объёму трубки. Так происходит перенос теплоты (энергии) в жидкостях.

Похожим способом происходит и перенос теплоты в газах. Покажем это. Зажжём свечу. Нагретый над пламенем свечи воздух перемещается вверх. Поставив на пути пластмассовую пластинку, можно изменить направление потока, что видно на экране.

Перенос энергии в жидкостях и газах потоками вещества называется конвекцией. Отметим, что в твёрдых телах конвекция невозможна, так как в твёрдом теле вещество не может перемещаться по объёму.