Физика 8 класс учебник Перышкин, Иванов - страница 18

Примеры тепловых явлений:
   • нагревание и охлаждение воздуха;
   • таяние льда и замерзание воды;
   • испарение воды и конденсация водяного пара;
   • плавление металлов;
   • кипение жидкости;
   • передача тепла от горячей кастрюли к окружающей среде;
   • горение топлива;
   • образование росы на траве утром;
   • нагревание предметов на солнце;
   • охлаждение напитка в холодильнике.

   Тепловое равновесие характеризует систему, в которой все её составляющие обладают единой и постоянной температурой. При достижении этого состояния прекращается всякое перемещение тепловой энергии между компонентами системы, поскольку температурные различия отсутствуют.
   Классическим примером служит напиток в термосе, который по истечении определенного периода времени приходит в тепловое равновесие с внутренней поверхностью сосуда.

   Стандартные термометры демонстрируют термодинамическое равновесие с окружающей средой. По истечении времени, проведенного в измеряемой среде, при извлечении термометра происходит теплообмен с атмосферой, что приводит к изменению его показаний (например, к снижению, если температура окружающей среды ниже температуры измеряемой среды).
   Максимальные термометры, такие как медицинские, обладают механизмом фиксации пикового значения. Их конструкция предотвращает обратное движение термометрической жидкости, тем самым сохраняя зафиксированную максимальную температуру даже после извлечения из измеряемой среды.

   Тепловое движение — это хаотическое движение микрочастиц (атомов, молекул) внутри вещества, обусловленное их кинетической энергией. Оно не направлено и происходит одновременно во всех направлениях. Пример — движение молекул газа.
   Механическое движение — это перемещение макроскопических тел в пространстве относительно других тел. Оно имеет определённое направление и траекторию. Примеры — движение автомобиля, падение мяча, вращение Земли.
   Ключевое отличие: тепловое движение связано с микромиром и внутренней энергией вещества, а механическое — с перемещением объектов в макромире.

   Температура — это показатель того, насколько сильно "нагрето" тело. Она отражает среднюю энергию движения мельчайших частиц, из которых состоит вещество. Именно температура определяет, куда будет перемещаться тепло: оно всегда движется от более горячего объекта к более холодному.

   Основные способы измерения температуры:
   Градусы Цельсия (°C): Самая привычная шкала, которую мы используем дома и в большинстве научных исследований.
   Градусы Кельвина (K): «Настоящая» шкала для физиков и термодинамиков. Её начало (0 K) соответствует полному отсутствию теплового движения частиц (абсолютный ноль).
   Градусы Фаренгейта (°F): Используется в некоторых странах, например, в США, для повседневных измерений.

   Температура вещества напрямую отражает интенсивность теплового движения его молекул. Иными словами, чем выше температура, тем активнее и быстрее перемещаются составляющие его частицы. Это происходит потому, что при нагревании молекулы накапливают больше кинетической энергии.
   Наглядными примерами этой зависимости служат:
   Расширение материалов при нагреве: Более быстрые молекулы сильнее отталкиваются, увеличивая общий объем.
   Рост давления газа в замкнутом пространстве при нагреве: Ускоренное движение молекул приводит к более частым и сильным столкновениям со стенками сосуда.
   Испарение и кипение: При повышении температуры большее количество молекул получает энергию, достаточную для перехода в газообразное состояние.
   Изменение агрегатного состояния (например, плавление или испарение): Эти процессы начинаются при достижении определенной температуры, когда молекулы обретают необходимую для этого энергию.

   Абсолютный ноль представляет собой фундаментальный предел температуры, ниже которого невозможно опуститься. На этом уровне тепловое движение элементарных частиц полностью прекращается. Эта температура соответствует 0 кельвинов (0 K), что эквивалентно –273,15 градусам Цельсия.
   В состоянии абсолютного нуля энтропия идеального кристаллического вещества достигает своего минимального значения, а кинетическая энергия составляющих его частиц становится равной нулю. Хотя достижение абсолютного нуля в реальных условиях невозможно, научные исследования активно приближаются к этому пределу, например, путем сверхнизкого охлаждения атомов до температур, измеряемых в миллиардных долях кельвина.

   Связь между шкалами Кельвина (T) и Цельсия (t) выражается простым соотношением: T (K) = t (°C) + 273,15. Для упрощённых расчётов часто используют округлённое значение: T = t + 273.
   Это означает, что чтобы перевести температуру из градусов Цельсия в кельвины, нужно прибавить 273,15. Обратное преобразование: t (°C) = T (K) – 273,15.

   Для определения изменения температуры по шкале Цельсия необходимо вычесть начальное значение (t1) из конечного (t2). Например, если температура изменилась с 25 °C до 27 °C, то Δt = 27 °C – 25 °C = 2 °C.
   Важно отметить, что интервал между градусами в шкалах Цельсия и Кельвина идентичен. Это означает, что температурное изменение на 1 °C эквивалентно изменению на 1 Кельвин (1К). Таким образом, в данном случае, изменение температуры по шкале Кельвина составит ΔT = 2К.

а) в градусы Цельсия
   Используем формулу для перевода из Кельвинов в градусы Цельсия:
   t(°C) = T(К) — 273

Для 300К:
   t = 300 — 273 = 27 °C

Для 220К:
   t = 220 — 273 = –53 °C

Для 273К:
   t = 273 — 273 = 0 °C

Для 673К:
   t = 673 — 273 = 400 °C

б) в кельвины
   Используем формулу для перевода из градусов Цельсия в Кельвины:
   T(К) = t(°C) + 273

Для 127 °C:
   T = 127 + 273 = 400К

Для –27 °C:
   T = –27 + 273 = 246К

Для 36,6 °C:
   T = 36,6 + 273 = 309,6К

а) 273 К, 10 °C
   Переведём 273 К в градусы Цельсия: t = 273 — 273 = 0 °C
   Сравним значения: 0 °C и 10 °C.
   Порядок возрастания: 273 К (0 °C), 10 °C.

б) 27°C, 290 К
   Переведём 290 К в градусы Цельсия: t = 290 — 273 = 17 °C
   Сравним значения: 17 °C и 27 °C.
   Порядок возрастания: 290 К (17 °C), 27 °C.

в) 0 °C, 0К
   Переведём 0 °C в Кельвины: T = 0 + 273 = 273К
   Сравним значения: 0 К и 273 К.
   Порядок возрастания: 0К, 0 °C (273К)

   Сразу после установки термометра в комнате его показания отразят уличную температуру (t₁).
   В дальнейшем, поскольку в комнате температура выше, чем на улице, значения термометра начнут повышаться. Это изменение обусловлено теплообменом между термометром и воздухом в помещении: термометр будет либо отдавать, либо поглощать тепло до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие.

Презентация: Температурная шкала Фаренгейта

Слайд 1.

Кто создал шкалу Фаренгейта?

   • Даниэль Габриель Фаренгейт родился 24 мая 1686 года в Данциге (ныне Гданьск, Польша) и умер 16 сентября 1736 года в Гааге, Нидерланды. Этот выдающийся физик и изобретатель внес значительный вклад в развитие измерительной техники и метеорологии.
   • Предложил шкалу в 1724 году.
   • Также изобрёл ртутный термометр (около 1715 г.), что повысило точность измерений.

Слайд 2.

Как устроена шкала Фаренгейта?

   Шкала основана на трёх ключевых точках:
   • 0 °F — температура смеси снега, нашатыря и поваренной соли (отражает крайне холодную зиму 1709 г. в Данциге).
   • 32 °F — температура таяния льда (смесь льда и воды).
   • 98 °F — первоначальная оценка средней температуры тела человека (позже скорректирована до 98,6 °F).

Слайд 3.

Ключевые значения шкалы

   • Температура таяния льда: 32 °F
   • Температура кипения воды: 212 °F (при нормальном атмосферном давлении).
   • Разность между точками кипения и таяния: 180 °F
   • Абсолютный ноль: –459,67 °F.

Слайд 4.

Сравнение со шкалой Цельсия

Слайд 5.

Формулы перевода

   Чтобы перевести температуру:
   • Из Фаренгейта в Цельсия: °C = (°F – 32) ‧ 5/9.
   • Из Цельсия в Фаренгейта: °F = °C ‧ 9/5 + 32.

Слайд 6.

Где используется шкала Фаренгейта?

   Шкала активно применяется в:
   • США (все измерения температуры: погода, кулинария, медицина).
   • Багамские Острова, Белиз, Ямайка и другие страны.
   • Британские заморские территории (Бермуды, Виргинские острова и др.).
   • Канада (используют в бытовых приборах, например, в духовках).
   • Метеорологические службы некоторых стран (используют наряду с Цельсием).

Слайд 7.

Интересные факты

   Фаренгейт изначально принял за 100 °F температуру тела своей супруги, которая болела простудой (температура была завышена).
   Шкала Фаренгейта была основным стандартом в англоязычных странах до 1960-х годов.
   Точка пересечения шкал Цельсия и Фаренгейта: –40 °F = –40 °C.
   Шкала Фаренгейта легла в основу шкалы Ранкина (абсолютная температурная шкала).

Слайд 8.

Преимущества и недостатки

   Преимущества
   • удобна для описания умеренных температур (например, 100 °F — жаркий летний день);
   • исторически закрепилась в некоторых странах.

   Недостатки
   • менее интуитивно понятна за пределами англоязычных стран;
   • менее распространена в науке (используют Кельвины и Цельсии).

Слайд 9.

Заключение

   Шкала Фаренгейта — важная часть истории измерений температуры.
   Используется в быту и метеорологии в ряде стран, особенно в США.
   Понимание этой шкалы помогает ориентироваться в зарубежных источниках и путешествиях.

Цель исследования: Изучить, как изменения размера и теплоты влияют на силу, с которой воздух давит изнутри на оболочку шарика или мяча.
Что понадобится:
   • Воздушный шар
   • Надутый резиновый мяч
   • Термометр
   • Емкости с горячей и холодной водой
   • Измерительная лента или линейка для определения размера

Опыт 1: Как размер влияет на силу давления
   Надуйте воздушный шар не до конца и завяжите.
   Измерьте его диаметр (чтобы примерно понять объем) и попробуйте оценить, насколько он упругий (сопротивляется сжатию). Эта упругость покажет, насколько сильно воздух внутри давит.
   Сожмите шар руками, делая его меньше.
   Обратите внимание на следующее:
   Когда шар становится меньше, он становится более упругим — это значит, что воздух внутри давит сильнее.
   Когда вы отпускаете шар, он возвращается к прежнему размеру, потому что давление внутри и снаружи выравнивается.
   Итог: Если уменьшить объем газа, не меняя его температуру, то давление внутри увеличится (это явление описывает закон Бойля-Мариотта).

Опыт 2: Как теплота влияет на силу давления (на примере мяча)
   Измерьте размер надутого резинового мяча и его температуру.
   Положите мяч в емкость с теплой водой (около 40 °C) на 5–10 минут.
   Наблюдайте:
   Мяч немного увеличится в размере — это значит, что объем воздуха внутри вырос.
   Мяч станет более упругим — это говорит о том, что нагрев привел к увеличению давления внутри.
   Переложите мяч в емкость с холодной водой (около 10 °C) на 5–10 минут.
   Наблюдайте:
   Мяч уменьшится в размере — объем воздуха внутри сократился.
   Мяч станет менее упругим — это означает, что охлаждение привело к снижению давления.
   Итог: Если увеличить температуру газа, не меняя его объем, то давление внутри также возрастет (это явление описывает закон Гей-Люссака).

Опыт 3: Совместное действие (шарик)
   Надуйте шарик и опустите его в теплую воду. Он станет больше (объем и давление увеличатся).
   Затем, пока шарик в воде, сожмите его. Объем уменьшится, а давление внутри станет еще выше.
   Итог: Сила давления воздуха зависит одновременно и от его температуры, и от его объема.

Общие выводы исследования:
   • Если уменьшить объем газа, сохраняя его температуру неизменной, то давление внутри возрастет.
   • Если увеличить температуру газа, сохраняя его объем неизменным, то давление внутри также возрастет.
   • Эти закономерности являются основой для понимания поведения идеальных газов, что описывается уравнением состояния (PV = nRT).