Навколо нас відбуваються явища, зовні дуже побічно пов'язані з механічним рухом. Це явища, які спостерігаються при зміні температури тіл або при переході їх з одного стану (наприклад, рідкого) в інше (тверде або газоподібне). Такі явища називаються тепловими. Теплові явища відіграють величезну роль в житті людей, тварин і рослин. Зміна температури на 20-30 ° С при зміні пори року змінює все навколо нас. Від температури навколишнього середовища залежить можливість життя на Землі. Люди домоглися відносної незалежності від навколишнього середовища після того як навчилися видобувати і підтримувати вогонь. Це було одним з найбільших відкриттів, зроблених на зорі розвитку людства.
Історія розвитку уявлень про природу теплових явищ - приклад того, яким складним і суперечливим шляхом осягають наукову істину.
Багато філософів давнини розглядали вогонь і пов'язану з ним теплоту як одну зі стихій, яка поряд із землею, водою і повітрям утворює всі тіла. Одночасно робилися спроби пов'язати теплоту з рухом, так як було відмічено, що при зіткненні тіл або терті один об одного вони нагріваються.
Перші успіхи на шляху побудови наукової теорії теплоти відносяться до початку XVII ст. коли був винайдений термометр, і з'явилася можливість кількісного дослідження теплових процесів і властивостей макросістем.
Знову було поставлено питання про те, що ж таке теплота. Намітилися дві протилежні точки зору. Згідно з однією з них - речової теорії тепла, теплота розглядалася як особливого роду невагома "рідина", здатна перетікати з одного тіла до іншого. Ця рідина була названа теплорода. Чим більше теплорода в тілі, тим вище температура тіла.
Відповідно до іншої точки зору, теплота - це вид внутрішнього руху частинок тіла. Чим швидше рухаються частинки тіла, тим вище його температура.
Таким чином, уявлення про теплові явища і властивості пов'язувалося з атомістичні вченням древніх філософів про будову речовини. В рамках таких уявлень теорію тепла спочатку називали корпускулярної, від слова "корпускула" (частка). Її дотримувалися вчені: Ньютон, Гук, Бойль, Бернуллі.
Великий внесок у розвиток нової теорії тепла зробив великий російський вчений М.В. Ломоносов. Він розглядав теплоту як обертальний рух частинок речовини. За допомогою своєї теорії він пояснив в загальному процеси плавлення, випаровування і теплопровідності, а також прийшов до висновку про існування "найбільшого або останньої ступеня холоду", коли рух частинок речовини припиняється. Завдяки роботам Ломоносова серед російських вчених було дуже мало прихильників дійсної теорії теплоти.
Але все ж, незважаючи на багато переваг нової теорії теплоти, до середини XVIII ст. тимчасову перемогу здобула теорія теплорода. Це сталося після того як експериментально було доведено збереження теплоти при теплообміні. Звідси був зроблений висновок про збереження (незнищені) теплової рідини - теплорода. У речової теорії було введено поняття теплоємності тіл і побудована кількісна теорія теплопровідності. Багато терміни, введені в той час, збереглися і зараз.
В середині XIX ст. було доведено зв'язок між механічною роботою і кількістю теплоти. Подібно роботі кількість теплоти виявилося мірою зміни енергії. Нагрівання тіла пов'язано не зі збільшенням в ньому кількості особливої невагомою "рідини", а зі збільшенням його енергії. Принцип теплорода був замінений набагато більш глибоким законом збереження енергії. Було встановлено, що теплота є формою енергії.
Значний внесок у розвиток теорій теплових явищ і властивостей макросістем внесли німецький фізик Р. Клаузіус (1822-1888), англійський фізик-теоретик Дж. Максвелл, австрійський фізик Л. Больцман (1844-1906) та інші вчені.
Склалося так, що природа теплових явищ пояснюється в фізиці двома способами: термодинамічний підхід і молекулярно-кінетична теорія речовини.
Термодинамічний підхід розглядає теплоту з позиції макроскопічних властивостей речовини (тиск, температура, об'єм, щільність і т.д.).
Молекулярно-кінетична теорія пов'язує протікання теплових яввленій і процесів з особливостями внутрішньої будови речовини і вивчає причини, які обумовлюють тепловий рух.
Отже, розглянемо теплові явища в житті людини.
Нагрівання і охолодження, випаровування і кипіння, плавлення і затвердіння, конденсація - все це приклади теплових явищ.
Основне джерело тепла на Землі - Сонце. Але, крім того, люди використовують багато штучних джерел тепла: багаття, грубку, водяне опалення, газові та електричні нагрівачі і т.д.
Ви знаєте, що якщо в гарячий чай опустити холодну ложку, через деякий час вона нагріється. При цьому чай віддасть частину свого тепла не тільки ложці, а й навколишньому повітрю. З прикладу ясно, що тепло може передаватися від тіла, більш нагрітого до тіла менш нагрітого. Існує три способи передачі теплоти - теплопровідність, конвекція, випромінювання.
Нагрівання ложки в гарячому чаї - приклад теплопровідності. Всі метали мають гарну теплопровідність.
Конвекцією передається тепло в рідинах і газах. Коли ми нагріваємо воду в каструлі або чайнику, спочатку прогріваються нижні шари води, вони стають легше і спрямовуються вгору, поступаючись місцем холодній воді. Конвекція відбувається в кімнаті, коли включено опалення. Гаряче повітря від батареї піднімається, а холодний опускається.
Але ні теплопровідністю, ні конвекцією неможливо пояснити, як, наприклад, далеке від нас Сонце нагріває Землю. У цьому випадку тепло передається через безповітряний простір випромінюванням (тепловими променями).
Для вимірювання температури використовується термометр. У звичайному житті користуються кімнатними або медичними термометрами.
Коли говорять про температуру за Цельсієм, то мають на увазі шкалу температур, в якій 0 ° С відповідає температурі замерзання води, а 100 ° С - точка її кипіння.
У деяких країнах (США, Великобританія) використовують шкалу Фаренгейта. У ній 212 ° F відповідають 100 ° С. Переклад температури з однієї шкали в іншу не дуже простий, але в разі потреби кожен з вас зможе його виконати самостійно. Щоб перевести температуру за шкалою Цельсія в температуру за шкалою Фаренгейта, необхідно помножити температуру за Цельсієм на 9, розділити на 5 і додати 32. Щоб зробити зворотний перехід, з температури за Фаренгейтом необхідно відняти 32, помножити залишок на 5 і розділити на 9.
У фізиці і астрофізиці часто використовують ще одну шкалу - шкалу Кельвіна. У ній за 0 прийнята найнижча температура в природі (абсолютний нуль). Вона відповідає -273 ° С. Одиниця виміру в цій шкалі - Кельвін (К). Щоб перевести температуру за Цельсієм в температуру за Кельвіном, до градусам за Цельсієм треба додати 273. Наприклад, за Цельсієм 100 °, а за Кельвіном 373 К. Для зворотного перекладу треба відняти 273. Наприклад, 0 К це -273 ° С.
Корисно знати, що температура на поверхні Сонця - 6000 К, а всередині - 15 000 000 К. Температура в космічному просторі далеко від зірок близька до абсолютного нуля.
У природі ми є свідками теплових явищ, але часом, не звертаємо уваги на їх сутність. Наприклад, влітку йде дощ а взимку сніг. Утворюється роса на листі. З'являється туман.
Знання про теплові явища допомагають людям конструювати обігрівачі для будинків, теплові двигуни (двигуни внутрішнього згоряння, парові турбіни, реактивні двигуни і т. Д.), Передбачати погоду, плавити метал, створювати теплоізоляційні і термостійкі матеріали, які використовуються всюди - від будівництва будинків до космічних кораблів.