Што гэта: цеплавы рух? З якімі паняццямі яно звязана?

Падзеі фізічнага свету неадрыўна звязаны са зменамі тэмпературы. З ёй кожны чалавек знаёміцца ў раннім дзяцінстве, калі разумее, што лёд халодны, а кіпень абпальвае. У той жа час прыходзіць разуменне, што працэсы змены тэмпературы не адбываюцца імгненна. Ужо потым у школе вучань вывучае, што звязана гэта з цеплавым рухам. І працэсам, звязаным з тэмпературай, выдзелены цэлы раздзел фізікі.

Што такое тэмпература?

Гэта навуковае паняцце ўведзена для замены звычайных тэрмінаў. У паўсядзённым жыцці пастаянна фігуруюць такія словы, як гарачы, халодны або цёплы. Усе яны кажуць аб ступені нагрэтага цела. Менавіта так яна вызначаецца ў фізіцы, толькі з даданнем, што гэта скалярная велічыня. Бо тэмпература не мае напрамкі, а толькі лікавае значэнне.

У міжнароднай сістэме адзінак (СІ) тэмпература вымяраецца ў градусах Цэльсія (ºС). Але ў многіх формулах, якія апісваюць цеплавыя з'явы, патрабуецца пераводзіць яе ў Кельвіна (Да). Для гэтага існуе простая формула: Т = t + 273. У ёй Т - тэмпература ў Кельвіна, а t - у Цэльсія. Са шкалой Кельвіна звязана паняцце аб абсалютным нулі тэмператур.

Існуе яшчэ некалькі шкал тэмператур. У Еўропе і Амерыцы, напрыклад, у ходзе Фарэнгейце (Ф). Таму іх неабходна ўмець запісваць у Цэльсія. Для гэтага з паказанняў у Ф належыць адняць 32, потым падзяліць яго на 1,8.

хатні эксперымент

У яго тлумачэнні патрабуецца ведаць такія паняцці, як тэмпература, цеплавы рух. Ды і выканаць гэты вопыт проста.

Для яго спатрэбіцца ўзяць тры ёмістасці. Яны павінны быць досыць вялікімі, каб у іх лёгка маглі змясціцца пэндзля рук. Напоўніць іх вадой рознай тэмпературы. У першым яна павінна быць вельмі халоднай. У другім - летняя. У трэці наліць гарачую ваду, такую, у якой руку будзе магчыма трымаць.

Цяпер сам вопыт. Апусціць левую руку ў ёмістасць з халоднай вадой, правую - з самай гарачай. Пачакаць пару хвілін. Выняць іх і адразу пагрузіць у пасудзіну з цёплай вадой.

Вынік апынецца нечаканым. Левай руцэ будзе здавацца, што вада цёплая, у правай паўстане адчуванне халоднай вады. Гэта звязана з тым, што спачатку усталёўваецца цеплавое раўнавагу з тымі вадкасцямі, у якія рукі пагружаныя першапачаткова. А потым гэтая раўнавага рэзка парушаецца.

Асноўныя палажэнні малекулярна-кінетычнай тэорыі

Яна апісвае ўсе цеплавыя з'явы. А сцвярджэння гэтыя досыць простыя. Таму ў размове пра цеплавы руху гэтыя палажэнні ведаць неабходна.

Першае: рэчывы ўтвораны драбнюткімі часціцамі, размешчанымі на некаторым выдаленні адзін ад аднаго. Прычым гэтымі часціцамі могуць апынуцца як малекулы, так і атамы. А адлегласць паміж імі ў шмат разоў больш памераў часціц.

Другое: ва ўсіх рэчывах назіраецца цеплавы рух малекул, якое ніколі не спыняецца. Часціцы пры гэтым рухаюцца бязладна (хаатычна).

Трэцяе: часціцы ўзаемадзейнічаюць паміж сабой. Гэта дзеянне абумоўлена сіламі прыцягнення і адштурхвання. Іх велічыня залежыць ад адлегласці паміж часціцамі.

Пацверджанне першага палажэнні МКТ

Доказам таго, што целы складаюцца з часціц, паміж якімі ёсць прамежкі, служыць іх цеплавое пашырэнне. Так, пры награванні цела яго памер павялічваецца. Адбываецца гэта з-за выдалення часціц адзін ад аднаго.

Іншым пацвярджэннем сказанага з'яўляецца дыфузія. Гэта значыць пранікненне малекул аднаго рэчыва паміж часціцамі іншага. Прычым гэта перасоўванне аказваецца ўзаемным. Дыфузія праходзіць тым хутчэй, чым далей адзін ад аднаго размешчаны малекулы. Таму ў газах ўзаемнае пранікненне адбудзецца значна хутчэй, чым у вадкасцях. А ў цвёрдых целах на дыфузію патрабуюцца года.

Дарэчы, апошні працэс тлумачыць і цеплавы рух. Бо ўзаемнае пранікненне рэчываў сябар у сябра адбываецца без якога-небудзь ўмяшання з боку. Але яго можна паскорыць, калі нагрэць цела.

Пацвярджэнне другога становішча МКТ

Яскравы доказ таго, што існуе цеплавы рух - гэта Броўнаўскі рух часціц. Яно разглядаецца для ўзважаных часціц, гэта значыць для тых, якія істотна больш малекул рэчыва. Гэтымі часціцамі могуць быць парушынкі або макулінкі. А змяшчаць іх належыць у ваду ці газ.

Прычына бязладнага руху ўзважанай часціцы ў тым, што з усіх бакоў на яе дзейнічаюць малекулы. Іх дзеянне бязладна. Велічыня уздзеянняў ў кожны момант часу розная. Таму выніковая сіла накіравана то ў адну, то ў другі бок.

Калі казаць аб хуткасці цеплавога руху малекул, то для яе ёсць асаблівую назву - сярэдняй квадратычнай. Яе можна вылічыць па формуле:

v = √ [(3kT) / m _0].

У ёй Т - тэмпература ў Кельвіна, m ₀ - маса адной малекулы, k - пастаянная Больцмана (k = 1,38 * 10 ^-23 Дж / Да).

Пацверджанне трэцяга становішча МКТ

Часціцы прыцягваюцца і адштурхваюцца. У тлумачэнні многіх працэсаў, звязаных з цеплавым рухам, гэта веданне аказваецца важным.

Бо сілы ўзаемадзеяння залежаць ад агрэгатнага стану рэчыва. Так, у газаў іх практычна няма, так як часціцы выдаленыя так моцна, што іх дзеянне не праяўляецца. У вадкасцях і цвёрдых целах яны адчувальныя і забяспечваюць захаванне аб'ёму рэчывы. У апошніх яны гарантуюць яшчэ і падтрыманне формы.

Доказам існавання сіл прыцягнення і адштурхвання з'яўляецца з'яўленне сіл пругкасці пры дэфармацыі тэл. Так, пры падаўжэнні узмацняюцца сілы прыцягнення паміж малекуламі, а пры сціску - адштурхвання. Але ў абодвух выпадках яны вяртаюць целе першапачатковую форму.

Сярэдняя энергія цеплавога руху

Яе можна запісаць з асноўнага ўраўненні МКТ :

(PV) / N = (2E) / 3.

У гэтай формуле p - ціск, V - аб'ём, N - лік малекул, E - сярэдняя кінэтычная энергія.

З іншага боку, гэта раўнанне можна запісаць так:

(PV) / N = kT.

Калі іх аб'яднаць, то атрымаецца наступнае роўнасць:

(2E) / 3 = kT.

З яго вынікае такая формула для сярэдняй кінетычнай энергіі малекул:

E = (3kT) / 2.

Адсюль відаць, што энергія прапарцыйная тэмпературы рэчывы. Гэта значыць пры павышэнні апошняй часціцы рухаюцца хутчэй. У гэтым і заключаецца сутнасць цеплавога руху, якое існуе, пакуль ёсць тэмпература, выдатная ад абсалютнага нуля.