Министерство образования РД
ПРОЕКТ по физике
на тему: «Тепловые явления»
8 класс
Подготовил: учитель физики и информатики
Исмаилов У.С.
Избербаш 2016г
Содержание:
Введение
В природе мы являемся свидетелями тепловых явлений, но порой, не обращаем внимания на их сущность. Например, летом идёт дождь, а зимой снег. Образуется роса на листьях. Появляется туман. Зимой моря и реки покрываются льдом, а весной этот лед тает. Можно привести множество подобных примеров
Значение тепловых явлений в жизни человека очень велико. К примеру, незначительное изменение температуры организма означает заболевание. Температура внешней среды в любом точке Земли меняется как в течение суток, так и в течение года. Организма сам по себе не может компенсировать изменение температуры при теплообмене со средой, и нужно принимать какие-то дополнительные меры: т.е. надеть соответствующую одежду, строить жильё с учетом условий местности, где живут люди, ограничивать пребывание человека в среде, температура которой отличается от температуры организма.
Благодаря научным знаниям и достижениям созданы легкие, прочные малотеплопроводные материалы для одежды и защиты жилища, кондиционеры, вентиляторы и прочие приспособления. Это позволяет нам преодолевать трудности и многие проблемы, связанные с теплом. Но все же изучать тепловые явления необходимо, так как они имеют исключительно большое влияние на нашу жизнь.
Теплообмен происходит между телами, у которых разные температуры. Примерами теплообмена в природе и технике являются ветры, тяга, водяное отопление термос и.т.д. К тепловым процессам относятся нагревание, охлаждение, конденсация, испарение, плавление и кристаллизация и др. В тепловых процессах участвует не менее двух сред, имеющих разные температуры. При этом тепло может передаваться от одного тела к другому если температура этих тел разная, т.е. от более нагретого тела к менее нагретому телу. Среды с более высокой температурой называются горячими теплоносителями, а среды с более низкой температурой - холодными теплоносителями.
Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты(нагревание, охлаждение, испарение (или кипение), конденсация и др.), называют тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более нагретого и менее нагретого тела. Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы, называют теплообменниками.
II. Цель работы:
1. Рассказать о тепловых явлениях и тепловых процессах.
2. Показать важность тепловых процессов в жизни человека.
Задачи
Изучить теорию тепловых явлений.
На практике рассмотреть существование тепловых процессов.
Показать на опыте проявление этих опытов.
ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ МОЛЕКУЛ.
Молекулы или атомы вещества всегда находятся в постоянном беспорядочном движении. Это движение обусловливает собой наличие в любом веществе внутренней кинетической энергии, которая, связана с температурой вещества. Поэтому, то беспорядочное движение, в котором всегда находятся молекулы или атомы, называется тепловым.
Тепловое движение частиц твердого тела носит колебательный характер: частицы колеблются около среднего положения с различными амплитудами в разных плоскостях.
Такой характер теплового движения частиц твердого тела обусловливается тем, что между ними имеются прочные связи, делающие твердое тело способным самостоятельно сохранять свой объем и форму.
Тепловое движение молекул жидкости носит в основном уже поступательный характер с различными скоростями, в разных направлениях; это объясняется меньшей прочностью связей между молекулами жидкости; жидкость способна сохранять самостоятельно только объем, но не форму.
Тепловое движение молекул газообразного вещества имеет только поступательный характер с очень слабым взаимодействием между молекулами, особенно при низких давлениях.
Свойства вещества в различных агрегатных состояниях.
Твёрдые тела в обычных условиях трудно сжать или растянуть. В отсутствии внешних воздействий оно сохраняют и форму и объём.
Жидкости легко меняют свою форму. В обычных условиях она принимает форму сосуда, в котором она находиться. Итак, жидкости не имеют форму, но сохраняют объём.
Газы не имеют ни форму, ни объём.
[pic]
Теплово́е движе́ние — процесс хаотичного (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чем выше температура, тем больше скорость движения частиц. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул.
[link] — важнейшая черта теплового движения. Важнейшими доказательствами существования движения молекул является Броуновское движение и диффузия.
Изучение тепловых явлений показывает, что насколько в них уменьшается механическая энергия тел, настолько же увеличивается их механической и внутренней энергий, при любых процессах остаётся неизменной. В этом заключается закон сохранения энергии. Энергия не возникает из ничего и не исчезает ни куда. Она может лишь переходит из одного вида в другой, сохраняя своё полное значение.
Внутренняя энергия
Тепловое движение молекул никогда не прекращается. Поэтому любое тело всегда обладает какой-то внутренней энергией.
Кинетическая энергия всех молекул, из которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела. [pic] ∆U= Еk.+Еp
где Еk – кинетическая энергия, Еp – потенциальная энергия.
Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества и других факторов и не зависит от механического положения тела и его механического движения. При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается.
Внутренняя энергия тела изменяется в процессе теплопередачи и при совершении работы.
Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплопередачей. Теплопередача всегда происходит в направлении от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.
Существует три вида теплопередачи. [pic]
Теплопроводность – это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части. Гвоздики, прикреплённые к штативу, по мере нагревания штатива выпадают (рис1). Теплопроводность зависит от рода вещества. Скорость передачи энергии пропорциональна разности температур.
Рис1. [pic]
Конвекция – это теплообмен в жидких и газообразных средах, осуществляемый потоками вещества. Вещество, нагретое сильнее, имеет меньшую плотность и перемещается под действием этой силы относительно менее нагретого вещества. Поэтом тёплый воздух поднимается на верх (рис2)
Рис 2
[pic]
Излучение – это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами. Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящимися вокруг нас. Чем выше температура, тем сильнее тепловое излучение.
Рис3.
Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называется количеством теплоты Q. Количество теплоты зависит от массы тела, рода вещества и изменения температуры тела. Количество теплоты измеряется в джоулях (Дж).
Приёмник тепла нагревается и тепло переходит по шлангу к термометру (рис3)
Физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы его температура увеличилась на 1 ºC, называется удельной теплоемкостью вещества c. Таким образом:
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
Тепловые процессы – разновидность тепловых явлений; процессы, при которых меняется температура тел и веществ, а также возможно изменение их агрегатных состояний.
К тепловым процессам относятся:
Нагревание
Охлаждение
Парообразование
Кипение
Испарение
Кристаллизация
Плавление
Конденсация
Сгорание
Сублимация
Десублимация
Рассмотрим в качестве примера вещество, которое может находиться в трёх агрегатных состояниях: вода. рис 4. - в жидком – вода, 0 < t< 100 0с>
рис 5. - в твёрдом – лёд, t < 0 0с
рис 6. - в газообразном – пар. t> 100 0с
Рис 4. Рис 5 Рис 6
Нагревание
Нагревание – процесс повышения температуры тела или вещества. Нагревание сопровождается поглощением теплоты из окружающей среды. При нагревании агрегатное состояние вещества не изменяется.
Формула для вычисления количества теплоты при нагревании:
Q = cm(t2 – t1), где Q – количество теплоты,
с – удельная теплоемкость вещества, m – масса вещества,
t1 – начальная температура, t2 – конечная температура,
Опыт 1: Нагревание.
Давайте покажем нагревание на опыте.
Наберём воду из крана в стакан и измерим её температуру (25°C), затем поставим стакан на теплое место, и через некоторое время измерим температуру воды (30°C).
Подождав ещё некоторое время, я еще раз измерил температуру (35°C).
[pic] [pic] [pic]
Рис 7 Рис 8 Рис 9
Вывод: термометр показывает увеличение температуры сначала на 5°C, а потом и на 10°C.
Охлаждение
Охлаждение – процесс, понижения температуры вещества или тела; Охлаждение сопровождается выделением теплоты в окружающую среду. При охлаждении агрегатное состояние вещества не изменяется.
Q = cm(t2 – t1), где Q – количество теплоты,
с – удельная теплоемкость вещества, m – масса вещества,
t1 – начальная температура, t2 – конечная температура,
При охлаждении Q становиться отрицательным, так как конечная температура становиться меньше, чем начальная.
Опыт 2: Охлаждение.
Посмотрим как происходит охлаждение на опыте.
Из крана в стакан наберём горячую воду и измерим её температуру (60°C) затем этот стакан на некоторое время поставим на подоконнике, после чего измерим температуру воды и она стала равной (20°C).
[pic] [pic]
Рис10 Рис 11
Вывод: вода охлаждается и термометр показывает понижение температуры.
Парообразование
Парообразование – процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. При парообразовании энергия (теплота) из окружающей среды поглощается.
Количество теплоты, поглощаемой из окружающей среды при парообразовании, вычисляется по формуле:
Q = rm, где Q – количество теплоты, m – масса вещества,
r – удельная теплота парообразования.
Парообразование может осуществляться двумя способами:
испарением и кипением.
Кипение
Кипение – процесс интенсивного парообразования, при котором внутри жидкости растут и поднимаются вверх пузырьки пара.
Температура кипения – температура, при которой то или иное вещество начинает закипать. Для разных веществ эта температура различна.
Во время процесса кипения температура жидкости не меняется, то есть остается постоянной.
Температура кипения зависит от давления оказываемого на свободную поверхность жидкости. При увеличении этого давления рост и подъём пузырьков внутри жидкости начинается при большей температуре, при уменьшении давления – при меньшей температуре. При понижении давлении температура кипения воды становится меньше 1000С. Например в горных районах (на высоте 3км, где давление атмосферы составляет 70кПа вода кипит при 900С
Опыт 3: Кипение.
С кипением мы каждый день сталкиваемся дома.
Нальём в чайник воду и поставим его на плиту. С начала вода нагревается, а затем происходит кипения воды. Об этом свидетельствует пар, выходящий из носика чайника.
[pic]
Рис 12
Вывод: при кипении воды, пар из горлышка чайника выходит через маленькое отверстие и свистит и мы выключаем плиту.
Испарение.
Испарение – это парообразование , происходящее со свободной поверхности жидкости.
Испарение может происходить как с закрытой, так и с открытой поверхности жидкости.
Испарение зависит от:
Опыт 4: Испарение.
Мы понаблюдаем за испарением на опыте.
Если Вы когда-нибудь лужайками после дождя, то Вы, несомненно, замечали, что лужи становятся меньше и меньше. Что произошло с водой?
Вывод: она испарилась!
Кристаллизация
Кристаллизация (отвердевание) – это переход вещества из жидкого агрегатного состояния в твердое. Кристаллизация сопровождается выделением энергии (теплоты) в окружающую среду.
Количество выделяемой теплоты вычисляется по формуле:
Q = λm, где λ – удельная теплота плавления, m- масса тела.
Жидкие вещества начинают свою кристаллизацию при той температуре, при которой аналогичные им твердые вещества начинают плавиться. Это температура называется температурой кристаллизации (отвердевания).
Во время кристаллизации температура также остается постоянной.
Опыт 5: Кристаллизация.
Чтобы обнаружить кристаллизацию, проведём опыт.
Наберём воду из крана в стакан и поставим в морозильную камеру холодильника. Через некоторое время происходит процесс отвердевания вещества, т.е. на поверхности воды появляется корка. Затем вся вода в стакане полностью превратилась в лед, то есть кристаллизуется.
[pic] [pic] [pic]
Рис 13 Рис 14 Рис 15
Вывод: сначала вода охлаждается до 0 градусов, затем замерзает.
Плавление
Плавление – переход вещества из твердого состояния в жидкое. Этот процесс сопровождается поглощением теплоты из окружающей среды. Чтобы расплавить твёрдое кристаллическое тело ему необходимо передать некоторое количество теплоты.
Количество теплоты, затрачиваемой на плавление тела, вычисляется по формуле:
Q = λm, где Q – количество теплоты, m – масса тела.
λ – удельная теплота плавления.
Для каждого вещества существует своя определенная температура плавления – температура, при которой начинается процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. Во время плавления температура остается постоянной.
Опыт 6: Плавление.
Плавление легко обнаруживается на опыте.
Достаём из морозильной камеры холодильника стакан с замёрзшей водой, который поставили мы. Через некоторое время в стакане появилась вода – лед начал таять. Спустя некоторое время весь лед растаял, то есть полностью перешел из твердого в жидкое.
[pic] [pic]
[pic]
Рис 16 Рис 17 Рис 18
Вывод: лёд с течением времени получает тепло от окружающей среды и со временем растает.
Конденсация.
Конденсация –переход вещества из газообразного состояния в жидкое.
Конденсация сопровождается выделением теплоты в окружающую среду.
Количество выделяемой теплоты при конденсации вычисляется формуле:
Q = rm, где Q – количество теплоты, m – масса вещества,
r – удельная теплота парообразования.
Опыт 7: Конденсация.
Давайте обнаружим на опыте конденсацию.
Мы вскипятили воду и поднесли к носику чайника холодное зеркало. Через несколько минут на зеркале четко видны капли конденсировавшегося водяного пара. [pic]
[pic]
Рис 19 Рис 20
Вывод: пар оседая на зеркале превращается в воду.
Явление конденсации можно наблюдать летом, ранним прохладным утром. Капельки воды на траве и цветах – роса – свидетельствуют о том, что водяной пар, содержавшийся в воздухе, конденсировался.
Сгорание
Сгорание – процесс сжигания топлива, сопровождающийся выделением энергии. Эта энергия используется в различных сферах нашей жизни.
Выделение энергии при сжигании объясняется тем, что атомы соединяются в молекулы, не совершая при этом работы по преодолению сил притяжения между ними.
Количество теплоты, выделяемой при сгорании, вычисляется по формуле:
Q = qm, где Q – количество выделяемой теплоты, q – удельная теплота сгорания топлива,
m – масса вещества.
Опыт 8: Сгорание.
Каждый день мы можем наблюдать, как сгорает природный газ в горелке плиты. Это и есть процесс сгорания топлива. Также процессом сгорания топлива является процесс сжигания дров.
Поэтому, чтобы провести опыт по сгоранию топлива, достаточно только зажечь газовую горелку или спичку.
[pic] [pic]
Рис 21 Рис 22
Вывод: при сгорании топлива выделяется тепло, может появиться специфический запах.
Сублимация.
Сублимация – переход вещества из твёрдого состояния в газообразное (минуя жидкое) от латинского слова «сублимо»- возношу.
Например, графит можно нагреть до двух тысяч градусов, тем не менее в жидкость он не превратится: он из твёрдого состояния сразу переходит в газообразное.
Десублимация.
Десублимация – переход вещества из газообразного состояния в твёрдое.
Например: образование на окнах зимой узоров из кристаллического льда. Эти красивые узоры являются результатом десублимации водяного пара, находящегося в воздухе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В своей проектной работе я изучал наиболее распространенные тепловые процессы: нагревание, охлаждение, парообразование, кипение, испарение, плавление, кристаллизация, конденсация, сгорание, сублимации и десублимации.
Кроме того, в работе были затронуты такие темы, как теплообмен, способы теплообмена, тепловое движение, агрегатные состояния веществ, а также общая теория по тепловым явлениям и тепловым процессам.
Были изучены основные формулы вычисления количества теплоты в различных тепловых процессах
На основе простейших опытов рассматривалось то или иное тепловое явление. Опыты сопровождаются демонстрационными картинками.
ВЫВОДЫ:
Спасибо за внимание!
ЛИТЕРАТУРА
Учебник физики 8 класс (Пёрышкин).
Учебник занимательной физики Л.А. Горев
Учебник физики 8 класс. Шахмаев Н.М., Бунчук А.В.
