Тепловые явления

МОУ «Новотинчуринская ООШ»  Яльчикского района ЧР

Исследовательская работа

на тему:

  Работу выполнил ученик 7 класса

  Новотинчуринской ООШ

  Спиридонов Никита

  Руководитель:

 

2009 год

План.

Введение. Природа теплоты. Изобретение термометра. Тепловые  явления в природе Использование тепловых явлений в производстве. Заключение.

Введение.

Древние ученые о температуре тела судили по непосредственному ощущению. Путешествие вверх по температурной шкале началось в глубокой древности, когда человек впервые добыл огонь. Научившись получать огонь, люди покорили величайшее явление природы, которое помогает творить и разрушать.

Высокие температуры мы используем в нашей повседневной жизни: чайник на газовой горелке, гладим  электроутюгом, пользуемся феном и т. д. В промышленности высокие температуры используются при выплавке чугуна, при сварке металла и т. д. В медицинской промышленности «холод» используют при производстве и хранении многих лекарств, «холод» используется и в холодильниках и морозильниках  и т. д.

Из приведенных примеров видно, насколько многообразно использование нагревания  и охлаждения  в быту и технике. Освоение человеком высоких и низких температур продолжается.

  Природа теплоты

Тепловыми явлениями ученые и философы начали интересовать­ся еще в древности. Однако ниче­го кроме самых общих предполо­жений об этих явлениях, носив­ших обычно самый  фантастиче­ский характер, ни в древности, ни в средние века высказано не было.

На природу теплоты существовало два взгляда:

Вплоть до середины XIX столетия многие считали теплоту своего рода ма­териальной субстанцией, добавляемой к веществу: счи­талось, что нагревание тела связано с добавлением этой субстанции, известной под названием теплорода. Дальтон в 1802 г. рисовал схематическое изображение атомов, окру­жая их атмосферой из теплоты. Хотя это было примитив­ное представление, его можно было подтвердить экспери­ментально; на нем основывается составление уравнений теплового баланса. Карно (1796—1832), трактат которого «О движущей силе огня» до сих пор обра­зует одну из основ физической науки, верил в теплород, хотя впоследствии пересмотрел свои представления.

Согласно второй точке зрения причина теплоты состоит в невидимом движении мельчайших частиц, атомов, из которых состоят тела.

Большинство ученых в XVIII в. придерживалось первой точки зрения, и только немногие, наиболее прозорливые, выступали в защиту атомистического учения. Среди них был и великий русский ученый , который в своих работах заложил основы кинетической теории теплоты и газов. В своей работе «Размышления о причине теплоты и холода» он пишет, что «теплота состоит во внутреннем движении материи». Он с полной ясностью высказал утверждение о том, что тепловая энергия обусловлена движением частиц тела – молекул.

Изобретение термометра.

По-настоящему учение о тепловых явлениях  начало  развиваться только в XVIII в после изобрете­ния первого теплоизмерительного прибора - термометра. 

История изобретения термометра довольно длинная. Она начинается с  изо­бретения Галилеем прибора, кото­рый можно назвать термоскопом. Прибор Галилея состоял из тонкой стеклянной трубки, один конец которой заканчивался шариком Открытый конец трубки опускался в сосуд с водой, которая заполняла и часть трубки. Когда воздух в шарике нагревался или охлаждался, столбик воды в трубке опускался или поднимался. После Галилея многие ученые конструировали подобного рода приборы, постепенно совершенствуя их. Стеклянные трубки стали снабжать шкалой, возникло представление о существовании постоянных температурных точек и т. д. Однако первые термометры были еще очень несовершенны. В их конструкциях не было единообразия, каждый  изобретатель  выбирал  свои  основные температурные точки и шкалы. Сравнивать показания различных термометров было практически нельзя.

Рис.2 

Рисунок одного из

ранних  термометров

       Рис.1 Термоскоп Галилея

Впервые практически пригодные термометры, дающие одинаковые показания, были изготовлены голландским мастером - стеклодувом Фаренгейтом в начале XVIII в. Термометр Фаренгейта имел современный вид. Фаренгейт использовал спирт или ртуть. В его шкале, которая в последующем получила распространение, за одну основную температурную точку была  выбрана температура смеси воды, льда и пова­ренной соли, равная 0°. За вторую температурную точку он взял температуру смеси льда и воды, кото­рую принял за 32°. Температура человеческого тела по шкале Фаренгейта равна 96°. Эту температуру он принял за третью основную температурную точку. При такой шкале температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении оказалась рав­ной  212°.

Новый способ изготовления и калибровки термометров предложил француз  Реомюр в 1730 г. Он принял одну постоянную точку — температуру тая­ния льда, а за один градус считал температуру, со­ответствующую расширению спирта на одну тысячную долю своего объема. Определяя затем темпера­туру кипения воды, он получил ее равной 80°. Эта шкала температур: 0° — температура таяния льда и 80° — температура кипения воды  при  нормальном атмосферном давлении — стала называться шкалой Реомюра.

В 1742 г. шведский астроном  Цельсий  предло­жил стоградусную шкалу температур, по которой за 0° принималась температура кипения воды, а за 100° — температура таяния льда. Современная стоградусная шкала,  носящая название шкалы Цельсия, была введена несколько позже.

Тепловые явления в природе.

Греет ли шуба?

Что сказали бы вы, если бы вас стали уверять, будто шуба нисколько не греет? Вы подумали бы, конечно, что с вами шутят. А если бы вам стали доказывать это утверждение на ряде опытов? Проделайте, например, такой опыт. Заметьте, сколько показывает термометр, и закутайте его в шубу. Через несколько часов выньте. Вы убедитесь, что он не нагрелся даже на четверть градуса: сколь показывал раньше, столько показывает и теперь. Вот и доказательство, что шуба не греет. Вы могли бы заподозрить, что шубы даже холодят. Возьмем две порции мороженого, один закутаем в шубу, другой оставим  в комнате незакрытым. Когда лед во втором пузыре растает, развернем шубу: мы увидим, что здесь он почти и не начинал таять. Значит, шуба не только не согрела льда, но как будто даже холодила его, замедляя таяние!

 

Взяли два мороженых.

 

  Одно мороженое укутали одеялом, 

  другую оставили на столе.

Через 0,5 часа мороженое под одеялом целое,

а мороженое на столе почти растаяло.

       

Что можно здесь возразить? Как опровергнуть эти доводы? Никак. Шубы действительно не греют, если под словом  "греть" разуметь сообщение теплоты. Лампа греет, печка греет, человеческое тело греет, потому что все эти предметы являются источником теплоты. Но шуба в этом смысле слова  нисколько не греет. Она своего тепла не дает, а только мешает теплоте нашего тела уходить от него. Вот почему теплокровное животное, тело которого само является источником тепла, будет чувствовать себя в шубе теплее, чем без нее. Но термометр не порождает собственного тепла, и его температура не изменится от того, что мы закутаем его в шубу. Лед, обернутый в шубу, дольше сохраняет свою низкую температуру, потому что шуба—весьма плохой проводник теплоты—замедляет доступ к нему тепла извне, от комнатного воздуха.

       В таком же смысле, как шуба, снег греет землю; будучи, подобно всем порошкообразным телам, плохим проводником тепла, он мешает теплу уходить из покрытой им почвы. В почве, защищенной слоем снега, термометр показывает нередко градусов на десять больше, чем в почве, не покрытой снегом.

       Итак, на вопрос, греет ли нас шуба, надо ответить, что шуба только помогает нам греть самих себя. Вернее было бы говорить, что мы греем шубу, а не она нас.

Веер.

Когда женщины обмахиваются веерами, им, конечно, становится прохладнее. Казалось бы, что занятие это вполне безвредно для остальных присутствующих в помещении и что собравшиеся могут быть только признательны женщинам  за охлаждение воздуха в зале.

       Посмотрим, так ли это. Почему при обмахивании веером мы ощущаем прохладу? Воздух, непосредственно прилегающий к нашему лицу, нагревается и эта теплая воздушная масса, невидимо облегающая наше лицо, "греет" его, т. е. замедляет дальнейшую потерю тепла. Если воздух вокруг нас неподвижен, то нагревшийся близ лица слой воздуха лишь весьма медленно вытесняется вверх более тяжелым ненагретым воздухом. Когда же мы смахиваем веером с лица теплую воздушную маску, то лицо соприкасается с все новыми порциями ненагретого воздуха и непрерывно отдает им свою теплоту; тело наше остывает, и мы ощущаем прохладу.

       Значит, при обмахивании веером женщины непрерывно  удаляют от своего лица нагретый воздух и заменяют его ненагретым; нагревшись, этот воздух удаляется в свою очередь и заменяется новой порцией ненагретого и т. д.

       Работа веером ускоряет перемешивание воздуха и способствует быстрейшему уравниванию температуры воздуха во всем зале, т. е. доставляет облегчение обладательницам веера за счет более прохладного воздуха, окружающего остальных присутствующих. Для действия веера имеет значение еще одно обстоятельство, о котором мы сейчас расскажем.

       

Отчего при ветре холоднее?

       Все знают, что в тихую погоду мороз переносится гораздо легче, чем при ветре. Но не все представляют себе причину этого явления. Большой холод при ветре ощущается лишь живыми существами; термометр вовсе не опускается ниже, когда его обдувает ветер. Ощущение резкого холода в ветреную морозную погоду объясняется прежде всего тем, что от лица (и вообще от тела) отнимается при этом гораздо больше тепла, нежели в тихую погоду, когда воздух, нагретый телом, не так быстро сменяется новой порцией холодного воздуха. Чем ветер сильнее, тем большая масса воздуха успевает в течение минуты прийти в соприкосновение с кожей, и, следовательно, тем больше тепла отнимается ежеминутно от нашего тела. Этого одного уже достаточно, чтобы вызвать ощущение холода.

       Но есть и еще причина. Кожа наша всегда испаряет влагу, даже в холодном воздухе. Для испарения требуется теплота; она отнимается от нашего тела и от того слоя воздуха, который к телу прилегает. Если воздух неподвижен, испарение совершается медленно, т. к.  прилегающий к коже слой воздуха скоро насыщается парами. Но если воздух движется и к коже притекают все новые и новые его порции, то испарение все время поддерживается очень обильное, а это требует большого расхода теплоты, которая отбирается от нашего тела.

       Как же велико охлаждающее действие ветра? Оно зависит от его скорости и от  температуры воздуха; в общем оно гораздо значительнее, чем обычно думают. Приведу пример, дающий представление о том, какого бывает это понижение.  Пусть температура воздуха +4, а ветре нет никакого. Кожа нашего тела при таких условиях имеет температуру +31. Если же дует легкий ветерок, едва движущий флаги и не шевелящий листвы(скорость 2 м/сек), то кожа охлаждается на 7 градусов; при ветре, заставляющем  флаг полоскаться(скорость 6 м/сек), кожа охлаждается на 22 градуса: температура ее падает до 9 градусов! Эти данные взяты из книги "Основы физики атмосферы в применении к медицине"; любознательный читатель найдет в ней много интересных подробностей.

       

Высота Эйфелевой башни.

Если теперь нас спросят, какова высота Эйфелевой башни, то прежде чем  ответить: "300 метров", вы, вероятно, поинтересуетесь:

--В какую погоду—холодную или теплую?

Ведь высота столь огромного железного сооружения не может быть одинакова при разной температуре. Мы знаем, что железный стержень длиной 300м удлиняется на 3мм при нагревании его на один градус. Приблизительно на столько же должна возрастать и высота Эйфелевой башни при повышении температуры на 1 градус. В теплую солнечную погоду железный материал башни может нагреться в Париже градусов до +40, между тем как в холодный, дождливый день температура его падает до +10, а зимою до 0, даже до –10. Как видим, колебания температуры доходят до 40 и более градусов. Значит, высота Эйфелевой башни может колебаться на 3  40=120мм, или на 12см.

Прямые измерения обнаружили даже, что Эйфелева башня еще чувствительнее к колебаниям температуры, нежели воздух: она нагревается и охлаждается быстрее и раньше реагирует на внезапное появление солнца в облачный день. Изменения высоты Эйфелевой башни  обнаружены с помощью проволоки из особой никелевой стали, обладающей способностью почти не изменять своей длины при колебаниях температуры. Замечательный сплав этот носит название "инвар"(от латинского "неизменный).

Итак, в жаркий день вершина Эйфелевой башни поднимается выше, чем в холодный, на кусочек, равный 12см и сделанный из железа, которое, впрочем, не стоит ни одного лишнего сантима.

Лед, не тающий в кипятке.

Возьмите пробирку, наполните водой, погрузите в нее кусочек льда, а чтобы он не всплыл вверх (лед легче воды), придавите его свинцовой пулей, медным грузиком и т. п.; при этом, однако, вода должна иметь свободный доступ ко льду. Теперь приблизьте пробирку к спиртовой лампе так, чтобы пламя лизало только верхнюю часть пробирки. Вскоре вода начинает кипеть, выделяя клубы пара. Но странная вещь: лед на дне пробирки не тает! Мы имеем перед собой словно маленькое чудо: лед, не тающий в кипящей воде…

Разгадка кроется  в том, что на дне пробирки вода вовсе не кипит, а остается холодной; она кипит только вверху. У нас не "лед в кипятке", а "лед под кипятком". Расширяясь от тепла, вода становится легче и не опускается на дно, а остается в верхней части пробирки. Течения теплой воды и перемешивание слоев будут происходить в верхней части пробирки и не захватят нижних более плотных слоев. Нагревание может передаваться вниз лишь путем теплопроводности, но теплопроводность воды чрезвычайно мала.

Заключение

Развитие представлений о природе теплоты, безусловно было сложным историческим процессом. Ученые шли методом проб и ошибок.

Вначале была создана многое объясняющая, но неверная по своей природе теория теплорода, которой придерживались даже такие гениальные ученые, как, например Джоуль, Дальтон, Фурье.

Хотя воззрения на теплоту, как на форму движения мельчайших не чувствительных частиц высказывались еще в 17 веке, Бекон, Ньютон, Декарт, Гук и многие другие приходили к тому, что  теплота связана с движением частиц вещества. Но во всей полнотой эту теорию отстаивал М. Ломоносов, но он был в одиночестве. Его современники поддерживали противоречивую теорию теплорода. Надо было обладать большой смелостью, чтобы отвергнуть ее. Способствовало развитию представлений о природе теплоты и открытие закона сохранения энергии.  Наконец  на смену пришла кинетическая теория теплоты.

Проанализировав все материалы, я узнал для себя много нового и познавательного.

               Проводя лабораторные опыты, теперь я  могу объяснить многие тепловые явления, происходящие  в окружающей среде. Теперь для меня они не просто погодные условия, а  физические явления. Изучая тепловые явления люди смогли изучить многие погодные условия. Понять  поведение животных и их инстинкты, и многое,  многое  другое. С помощью тепловых явлений мы достигли высоких показателей в промышленности, сельском хозяйстве, продвинулись далеко вперед в науке. Люди научились использовать природные факторы в повседневной жизни и максимально получать выгоду от этого. Благодаря созданным приборам  научились прогнозировать стихийные бедствия (землетрясения, ураганы, извержение вулканов, оползни и т. д.).

               И в заключении  я делаю вывод,  что  природные условия и человек взаимосвязаны. 

Используемая литература:

"Занимательная физика". Изд."Тезис" Екатеринбург 1994г.
, Курс истории физики, Москва1982 г. , История физики, Москва 1977 г. Г. Липсон,  Великие эксперименты в физике, Москва 1972 г. Р. Беккер, Теория теплоты, Москва 1974 г.