ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА
Механічний рух. У VIII класі докладно вивчалася механічна форма руху матерії, т. Е. Переміщення в просторі одних тіл відносно інших з плином часу. Те, що всі тіла складаються з атомів або молекул, не приймалося до уваги. Тіла розглядалися як суцільні, позбавлені внутрішньої структури.
Дослідження властивостей тіл не входить в завдання механіки. Її мета - визначення положень тіл у просторі і їх швидкостей в будь-який момент часу в залежності від сил взаємодій між ними при заданих початкових положеннях і швидкостях тел.
Тепловий рух. Атоми і молекули речовини, як вам відомо з курсу фізики VII класу, здійснюють безладне (хаотичне) рух, зване тепловим рухом. У розділі «Теплові явища. Молекулярна фізика »в IX класі ми будемо вивчати основні закономірності теплової форми руху матерії.
Рух молекул безладно в зв'язку з тим, що число їх в тілах, які нас оточують, неозора велике і молекули взаємодіють один з одним. Поняття теплового руху не може бути застосовано до систем з декількох молекул. Хаотичний рух величезного числа молекул якісно відрізняється від упорядкованого механічного переміщення окремих тел. Саме тому воно являє собою особливу форму руху матерії, що володіє специфічними властивостями.
Тепловий рух обумовлює внутрішні властивості тіл, і його вивчення дозволяє зрозуміти багато фізичні процеси, що протікають в тілах.
Макроскопічні тіла. У фізиці тіла, що складаються з дуже великого числа атомів або молекул, називають макроскопічними. Розміри макроскопічних тіл у багато разів перевищують розміри атомів. Газ в балоні, вода в склянці, піщинка, камінь, сталевий стрижень, земну кулю - все це приклади макроскопічних тел (рис. 1).
Ми будемо розглядати процеси в макроскопічних тілах.
Теплові явища. Тепловий рух молекул залежить від температури. Про це йшлося в курсах фізики VI і VII класів Отже, вивчаючи тепловий рух молекул, ми тим самим будемо вивчати явища, що залежать від температури тел. При нагріванні відбуваються переходи речовини з одного
стану в інше: тверді тіла перетворюються в рідині а рідини - в гази. При охолодженні, навпаки, гази перетворюються в рідині, а рідини - в тверді тіла.
Ці та багато інших явищ, обумовлені хаотичним рухом атомів і молекул, називають тепловими явищами.
Значення теплових явищ. Теплові явища відіграють величезну роль в житті людей, тварин і рослин. Зміна температури повітря на 20-30 ° С при зміні пори року змінює все навколо нас. З настанням весни природа пробуджується, ліси одягаються листям, зеленіють луки. Взимку ж багаті літні фарби замінюються одноманітним білим фоном, життя рослин і багатьох комах завмирає. При зміні температури нашого тіла всього лише на один градус ми вже відчуваємо нездужання.
Теплові явища цікавили людей з найдавніших часів. Люди домоглися відносної незалежності від оточуючих умов після того, як навчилися видобувати і підтримувати вогонь. Це було одним з найбільших відкриттів, зроблених людиною.
Зміна температури впливає на всі властивості тіл. Так, при нагріванні або охолодженні змінюються розміри твердих тіл і обсяг рідин. Значно змінюються також їх механічні властивості, наприклад пружність. Шматок гумової трубки не постраждає, якщо вдарити по ньому молотком. Але при охолодженні до температури нижче -100 ° С гума стає крихкою, як скло. Від легкого удару гумова трубка розбивається на дрібні шматочки. Лише після нагрівання гума знову набуде свої пружні властивості.
Всі перераховані вище і багато інших теплові явища підкоряються певним законам. Ці закони так само точні та надійні, як і закони механіки, але відрізняються від них за змістом і формою. Відкриття законів, яким підкоряються теплові явища, дозволяє з максимальною користю застосовувати ці явища на практиці, в техніці. Сучасні теплові двигуни, установки для скраплення газів, холодильні апарати та інші пристрої конструюють на основі знання цих законів.
Молекулярно-кінетична теорія. Теорія, яка пояснює теплові явища в макроскопічних тілах і внутрішні властивості цих тіл на основі уявлень про те, що всі тіла складаються з окремих хаотичнорухомих частинок, носить назву молекулярно-кінетичної теорії. В теорії ставиться завдання зв'язати закономірності поведінки окремих молекул з величинами, що характеризують властивості макроскопічних тел.
Ще філософи давнини здогадувалися про те, що теплота - це вид внутрішнього руху частинок, що складають тіла. Великий внесок у розвиток молекулярно-кінетичної теорії був зроблений великим російським вченим М. В. Ломоносовим. Ломоносов розглядав теплоту як обертальний рух частинок речовини. За допомогою своєї теорії він дав цілком правильне в загальних рисах пояснення явищ плавлення, випаровування і теплопровідності. Їм був зроблений висновок про існування «найбільшою або краю холоду», коли рух частинок речовини припиняється
СГднако труднощі побудови молекулярно-кінетичної теорії привели до того, що остаточну перемогу вона здобула лише на початку XX ст. Справа в тому, що число молекул в макроскопічних тілах величезне і простежити за рухом кожної молекули неможливо. Необхідно навчитися на основі законів руху окремих молекул знаходити той середній результат, до якого приводить їх сукупне рух. Саме цей середній результат руху всіх молекул визначає теплові явища в макроскопічних тілах.
Термодинаміка. Речовина має багато властивостей, які можна вивчати, не заглиблюючись в його будова. Теплові явища можна описувати за допомогою величин, регистри руемих такими приладами, як манометр і термометр, які не реагують на вплив окремих молекул.
В середині XIX ст. після відкриття закону збереження енергії була побудована перша наукова теорія теплових процесів - термодинаміка. Термодинаміка - це теорія теплових явищ, в якій не враховується молекулярну будову тіл. Вона виникла при вивченні оптимальних умов використання теплоти для здійснення роботи задовго до того, як молекулярно-кінетична теорія отримала загальне визнання.
Термодинаміка і статистична механіка. В даний час в науці і в техніці використовують як термодинаміку, так і молекулярно-кінетичну теорію, яка також називається статистичної механікою. Ці теорії взаємно доповнюють один одного.
Спочатку ми зупинимося на основних положеннях молекулами-лярні-кінетичної теорії, відомих нам частково з курсу фізики VI і VII класів. Потім познайомимося з кількісної молекулярно-кінетичної теорії найпростішої системи - газу порівняно невеликій щільності.