ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ — ОГЭ по физике — страница 29

Общее условие

Перегретая жидкость

Кипением называется процесс образования большого количества пузырьков пара, всплывающих и лопающихся на поверхности жидкости при её нагревании. На самом деле микроскопические пузырьки присутствуют
в природной воде всегда, но только при кипении их размеры растут,
и пузырьки становятся заметны. Одна из причин того, что в жидкости всегда есть микропузырьки, следующая. Жидкость, когда её наливают в сосуд, вытесняет оттуда воздух, но полностью этого сделать не может, и его маленькие пузырьки остаются в микротрещинах и неровностях внутренней поверхности сосуда. Кроме того, в воде обычно содержатся микропузырьки пара и воздуха, прилипшие к мельчайшим частицам пыли.

Жидкость, очищенная от микропузырьков, может существовать при температуре, превышающей температуру кипения. Такая жидкость называется перегретой. Перегретая жидкость находится в неустойчивом состоянии, и процесс закипания в ней может развиваться взрывообразно, если в жидкость попадают частицы, которые могут служить центрами парообразования. Например, если через перегретую жидкость пролетает заряженная частица, то образующиеся вдоль её траектории ионы становятся центрами парообразования. На основе этого эффекта, открытого Д. Глезером, в 1953 г. была создана пузырьковая камера – прибор для регистрации элементарных частиц.

Общее условие

Полиморфные превращения металлов

Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких (10^–1–10^–5 см) хаотично ориентированных по отношению друг к другу кристаллов.

Многие металлы (в том числе железо) в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как их называют, в разных полиморфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решётку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решётка другого типа (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Примеры полиморфных модификаций железа
(α-железо и γ-железо)

Полиморфное превращение – обратимый процесс; он происходит как при нагреве, так и при охлаждении твёрдого тела. Вновь образующиеся полиморфные модификации – следствие возникновения центров кристаллизации и роста кристаллов, подобно кристаллизации из жидкого состояния.

Превращение одной полиморфной формы в другую при нагреве чистого металла сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре (аналогично процессу плавления). В процессе охлаждения происходит выделение тепла при той же температуре, что и во время нагрева. Температура, при которой происходит переход из одного типа кристаллической решётки в другой, носит название температуры полиморфного превращения.

Так как полиморфные модификации вещества отличаются внутренней структурой, то свойства их различны.

Общее условие

Тройная точка

Можно создать условия, при которых пар, жидкость и твёрдое состояние одного вещества попарно сосуществуют, находясь в равновесии. Могут ли находиться в равновесии сразу все три агрегатных состояния? Такая точка на диаграмме «давление – температура» (см. рисунок 1) существует. Её называют тройной точкой.

Если поместить в закрытый сосуд, в котором создан вакуум и поддерживается температура 0 °С, воду с плавающим льдом, то в свободное пространство начнут поступать водяные (и «ледяные») пары.

Рисунок 1

При давлении 4,6 мм рт. ст. наступит состояние динамического равновесия, когда количество испарившихся воды и льда равно количеству сконденсировавшегося за это же время пара. Теперь три фазы – лёд, вода
и пар – будут в состоянии равновесия. Эта точка и есть тройная.

Кривые на рисунке – это линии термодинамического (теплового) равновесия между льдом и паром (кривая «в»), льдом и водой (кривая «а»), водой и паром (кривая «б»). Три кривые пересекаются в тройной точке
и делят диаграмму на три области: «лёд», «вода» и «водяной пар». Диаграмма позволяет ответить на вопрос, что произойдёт с веществом при нагревании или сжатии.

Общее условие

Определение скорости движения молекул

В 1920 г. Отто Штерн провёл опыты по исследованию средней скорости движения молекул. Устройство прибора Штерна схематично представлено на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема опыта Штерна

Прибор состоял из двух расположенных вертикально цилиндров радиусом r и R, из пространства внутри которых непрерывно откачивался воздух до очень низкого давления. По общей оси 1 цилиндров располагалась платиновая нить, покрытая тонким слоем серебра. При пропускании по платиновой нити электрического тока она нагревалась до высокой температуры. Серебро начинало испаряться, и его атомы разлетались, равномерно оседая на внутренней поверхности малого цилиндра. Щель 2
в стенке малого цилиндра выделяла узкий пучок молекул, которые долетали до внутренней поверхности большого цилиндра и «прилипали» к ней, образуя налёт серебра в виде узкой вертикальной полоски N.

Если весь прибор приводился в быстрое вращение с угловой скоростью w, то налёт серебра смещался и давал более размытую полоску M шириной х.

Длина r дуги МN равна пути, проходимому точками большого цилиндра за время t полёта молекулы от щели до стенки большого цилиндра. Если обозначить через u скорость движения точек большого цилиндра, то получится уравнение, из которого можно определить скорость движения молекул ʋ:

Общее условие

Поверхностное натяжение

Согласно условиям плавания тело тонет в жидкости, если средняя плотность этого тела больше плотности жидкости. Так, металлическая скрепка должна утонуть в воде (плотность металла больше плотности воды). Однако если скрепку осторожно поместить на водную поверхность (см. рисунок 1), то она не тонет. Поверхность воды работает как некая упругая плёнка.

Рисунок 1

Объясняется этот опыт следующим образом. Молекулы воды на глубине окружены соседними молекулами со всех сторон. На поверхности же молекулы воды притягиваются к соседним только сбоку и снизу. В результате возникают силы, заставляющие поверхность воды сжиматься до минимально возможных значений площади.

Поверхностное натяжение в жидкости характеризуется коэффициентом поверхностного натяжения (сила поверхностного натяжения пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения). Коэффициент зависит от природы жидкости, а также от её температуры.

Значения коэффициента поверхностного натяжения для некоторых жидкостей представлены в таблице.

Общее условие

Болиды и метеориты

Болидом называется довольно редкое явление – летящий по небу огненный шар, сопровождаемый хвостом и разлетающимися искрами. По пути движения болида на небе остаётся след в виде дымной полосы (см. рисунок 1). Ночью болид освещает местность на сотни километров вокруг. После того как болид исчезает, через несколько секунд раздаются похожие на взрывы звуки, производимые ударными волнами. Эти волны иногда вызывают значительное сотрясение грунта и зданий.

Рисунок 1

Причина этого явления – вторжение в плотные слои атмосферы крупных твёрдых частиц, называемых метеорными телами. Двигаясь в атмосфере, частица нагревается при торможении, и вокруг неё образуется обширная светящаяся оболочка, состоящая из горячих газов. От сильного сопротивления воздуха (причём чем больше скорость тела, тем больше силы сопротивления) метеорное тело нередко раскалывается и с грохотом выпадает на Землю в виде осколков. Метеорное тело, имеющее небольшие размеры, иногда целиком испаряется в атмосфере Земли. В большинстве же случаев его масса за время полёта сильно уменьшается, и до Земли долетают лишь остатки. Остатки метеорных тел, упавшие на Землю, называются метеоритами. Иногда выпадает целый метеоритный дождь.

Общее условие

Гейзеры

Гейзеры (горячие источники, периодически выбрасывающие фонтаны горячей воды и пара) располагаются вблизи действующих или недавно уснувших вулканов. Для извержения гейзеров необходима теплота, поступающая от вулканов.

Чтобы понять физику гейзеров, вспомним, что температура кипения воды зависит от давления (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Зависимость температуры кипения воды от давления

Представим себе 20-метровую гейзерную трубку, наполненную горячей водой. По мере увеличения глубины температура воды растёт. Одновременно возрастает и давление: оно складывается из атмосферного давления
и давления столба воды в трубке. При этом везде по длине трубки температура воды оказывается несколько ниже температуры кипения, соответствующей давлению на той или иной глубине.

Теперь предположим, что по одному из боковых протоков в трубку поступила порция пара. Пар вошёл в трубку и поднял воду до некоторого нового уровня, а часть её вылилась из трубки в бассейн. При этом температура поднятой воды может оказаться выше температуры кипения при новом давлении, и тогда вода немедленно закипает. При кипении образуется пар, который ещё выше поднимает воду, заставляя её выливаться в бассейн.

Общее условие

Болиды и метеориты

Болидом называется довольно редкое явление – летящий по небу огненный шар, сопровождаемый хвостом и разлетающимися искрами. По пути движения болида на небе остаётся след в виде дымной полосы (см. рисунок 1). Ночью болид освещает местность на сотни километров вокруг. После того как болид исчезает, через несколько секунд раздаются похожие на взрывы звуки, производимые ударными волнами. Эти волны иногда вызывают значительное сотрясение грунта и зданий.

Рисунок 1

Причина этого явления – вторжение в плотные слои атмосферы крупных твёрдых частиц, называемых метеорными телами. Двигаясь в атмосфере, частица нагревается при торможении, и вокруг неё образуется обширная светящаяся оболочка, состоящая из горячих газов. Суеверные люди когда-то принимали такие огненные шары за летящих драконов с огнедышащей пастью. От сильного сопротивления воздуха (причём чем больше скорость тела, тем больше силы сопротивления) метеорное тело нередко раскалывается и с грохотом выпадает на Землю в виде осколков. Метеорное тело, имеющее небольшие размеры, иногда целиком испаряется в атмосфере Земли. В большинстве же случаев его масса за время полёта сильно уменьшается, и до Земли долетают лишь остатки, обычно успевающие остыть, когда космическая скорость уже погашена сопротивлением воздуха. Остатки метеорных тел, упавшие на Землю, называются метеоритами. Иногда выпадает целый метеоритный дождь.

Общее условие

Солнечная система

Центральным объектом Солнечной системы является звезда – Солнце, которое своим тяготением удерживает планеты и прочие тела, вращающиеся вокруг него.

Сравнительная таблица некоторых параметров планет

* Параметры в таблице указаны по отношению к аналогичным данным Земли.

Солнечная система включает сотни тысяч астероидов – тел размерами от десятков метров до нескольких сотен километров. Астероиды сталкиваются, дробятся, изменяя орбиты друг друга, так что некоторые осколки при своём движении пересекают орбиты планет. Прохождение осколков (метеорных тел) через земную атмосферу выглядит с поверхности Земли как «падающие звёзды». В редком случае прохождения более крупного осколка можно наблюдать летящий по небу огненный шар. Это явление называется болидом. Двигаясь в атмосфере, твёрдое тело нагревается вследствие торможения, и вокруг него образуется обширная светящаяся оболочка, состоящая из горячих газов.

Общее условие

Глобальное потепление

Согласно существующим оценкам в XX в. в среднем температура воздуха у поверхности Земли повысилась за 100 лет на 0,5 °С. С увеличением средней глобальной температуры приземного слоя воздуха связывают рост экстремальных климатических явлений: необычный размах колебаний температуры, увеличение частоты штормов, необычайные и внесезонные осадки и др.

В настоящее время остаётся открытым вопрос, какой вклад в этот процесс внесла хозяйственная деятельность человека, а какой можно объяснить естественными климатическими изменениями.

Ряд учёных объясняют потепление ростом концентрации парниковых газов: углекислого газа, метана, хлорфторуглеродов, оксидов азота. Парниковый эффект работает следующим образом. Часть светового излучения Солнца, прошедшая через атмосферу, нагревает земную поверхность. Нагретая поверхность остывает, испуская тепловое излучение, но это уже другое излучение – инфракрасное. Атмосфера, почти прозрачная для видимого света, пропускает инфракрасное излучение значительно хуже. Парниковые газы поглощают инфракрасное излучение, что способствует нагреву нижних слоёв атмосферы.

Температура у поверхности Земли зависит не только от парниковых газов. В первую очередь она определяется отражательной способностью планеты – альбедо (отношением отражённого планетой потока излучения к падающему на неё потоку). Альбедо зависит от многих факторов: наличия и состояния облачности, изменения ледников, времени года и, соответственно, осадков.

Прозрачность нижних слоёв земной атмосферы для солнечных лучей зависит также от пожаров. Из-за них в атмосферу поднимаются пыль и сажа, которые плотным экраном закрывают Землю.

Общее условие

Смачивание

При соприкосновении жидкости с поверхностью твёрдого тела или другой жидкости возникает явление смачивания.

Если из пипетки капнуть воду на различные поверхности, то можно наблюдать, как вода растекается по чистому стеклу или дереву,
но собирается в капли на парафине или «жирной» поверхности.

Степень смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания (θ), образованного поверхностью твёрдого тела с касательной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосновения с поверхностью (рисунок 1).

Рисунок 1

Если величина краевого угла меньше или равна 90° (угол острый), то происходит смачивание жидкостью твёрдой поверхности. Если величина краевого угла больше 90° (угол тупой), то твёрдая поверхность не смачивается жидкостью.

Из-за смачивания наблюдается искривление свободной поверхности жидкости в сосудах по линии соприкосновения с поверхностью сосуда (рисунок 2).

Рисунок 2

Значения краевого угла смачивания θ для некоторых сочетаний «жидкость – твёрдое вещество» приведены в таблице.

Общее условие

Закон эквивалентности работы и тепла

В 1807 г. физик Ж. Гей-Люссак, изучавший свойства газов, поставил простой опыт. Давно было известно, что сжатый газ, расширяясь, охлаждается. Гей-Люссак заставил газ расширяться в пустоту – в сосуд, воздух из которого был предварительно откачан. К его удивлению, никакого понижения температуры не произошло, температура газа не изменилась. Исследователь не мог объяснить результат: почему один и тот же газ, одинаково сжатый, расширяясь, охлаждается, если его выпускать прямо в атмосферу, и не охлаждается, если его выпускать в пустой сосуд, где давление равно нулю?

Объяснить опыт удалось немецкому врачу Роберту Майеру. У Майера возникла мысль, что работа и количество теплоты могут превращаться друг в друга. Эта замечательная идея сразу дала возможность Майеру сделать ясным загадочный результат опыта Гей-Люссака: если количество теплоты
и работа взаимно превращаются, то при расширении газа в пустоту, когда он не совершает никакой работы, так как нет никакой силы (давления), противодействующей увеличению его объёма, газ и не должен охлаждаться. Если же при расширении газа ему приходится совершать работу против внешнего давления, его температура должна понижаться.

Идея Майера была много раз подтверждена прямыми измерениями. Особое значение имели опыты Джоуля, который измерял количество теплоты, необходимое для нагревания жидкости вращающейся в ней мешалкой (рисунок 1). Одновременно измерялись и работа, затраченная
на вращение мешалки, и количество теплоты, полученное жидкостью. Как ни менялись условия опыта (брались разные жидкости, разные сосуды и мешалки), результат был один и тот же: всегда работа, совершённая при падении груза, в пределах точности эксперимента равнялась количеству теплоты, выделившемуся в жидкости.

Рисунок 1. Упрощённая схема опыта Джоуля
по определению механического эквивалента теплоты