§ 1. Moto termico. temperaturaNel mondo che ci circonda, ce ne sono vari fenomeni fisici associati a corpi riscaldanti e raffreddanti. Sappiamo che quando l'acqua fredda viene riscaldata, diventa prima calda e poi bollente. Con parole come "freddo", "caldo" e "caldo", indichiamo un diverso grado di riscaldamento dei corpi o, come si dice in fisica, una diversa temperatura dei corpi. La temperatura dell'acqua calda è superiore a quella dell'acqua fredda. La temperatura dell'aria in estate è più alta che in inverno. Esempi di fenomeni termici:
a - ghiaccio che si scioglie; b - congelamento dell'acqua La temperatura corporea viene misurata con un termometro ed espressa in gradi Celsius (°C). Conosci già quella diffusione in più alta temperatura avviene più velocemente. Ciò significa che la velocità di movimento delle molecole e la temperatura sono correlate. Quando la temperatura aumenta, la velocità di movimento delle molecole aumenta, quando diminuisce, diminuisce. Pertanto, la temperatura corporea dipende dalla velocità di movimento delle molecole. L'acqua calda è composta dalle stesse molecole dell'acqua fredda. La differenza tra loro sta solo nella velocità di movimento delle molecole: i fenomeni associati al riscaldamento o al raffreddamento dei corpi, con un cambiamento di temperatura, sono chiamati termici. Tali fenomeni includono, ad esempio, il riscaldamento e il raffreddamento dell'aria, lo scioglimento del ghiaccio, lo scioglimento dei metalli, ecc. Fusione del metallo Le molecole o gli atomi che compongono i corpi sono in continuo movimento casuale. Il loro numero nei corpi intorno a noi è molto grande. Quindi, in un volume pari a 1 cm3 di acqua, ci sono circa 3,34 1022 molecole. Ogni molecola si muove lungo una traiettoria molto complessa. Ciò è dovuto al fatto che, ad esempio, le particelle di gas che si muovono ad alta velocità in direzioni diverse entrano in collisione tra loro e con le pareti del recipiente. Di conseguenza, cambiano la loro velocità e continuano a muoversi di nuovo. La figura 1 mostra le traiettorie di particelle microscopiche di vernice disciolte in acqua. Riso. 1. La traiettoria del movimento delle microparticelle di vernice disciolte nell'acqua Poiché la sua temperatura è correlata alla velocità di movimento delle molecole del corpo, viene chiamato il movimento casuale delle particelle moto termico.
Nei liquidi, le molecole possono oscillare, ruotare e muoversi l'una rispetto all'altra. Nei solidi, le molecole e gli atomi vibrano attorno a determinate posizioni medie, tutte le molecole del corpo partecipano al movimento termico, quindi, con un cambiamento nella natura del movimento termico, cambiano anche lo stato del corpo e le sue proprietà. Quindi, quando la temperatura sale, il ghiaccio inizia a sciogliersi, trasformandosi in un liquido. Se la temperatura, ad esempio, del mercurio viene abbassata, si trasforma da liquido in solido reticolo cristallino ghiaccio La temperatura corporea è dentro stretta connessione con l'energia cinetica media delle molecole. Maggiore è la temperatura corporea, maggiore è l'energia cinetica media delle sue molecole. Quando la temperatura di un corpo diminuisce, l'energia cinetica media delle sue molecole diminuisce.
Questa lezione discute il concetto di moto termico e simili quantità fisica come la temperatura.
I fenomeni termici nella vita umana sono di grande importanza. Li incontriamo sia durante le previsioni del tempo che durante l'ebollizione dell'acqua ordinaria. I fenomeni termici sono associati a processi come la creazione di nuovi materiali, la fusione dei metalli, la combustione del carburante, la creazione di nuovi tipi di carburante per auto e aerei, ecc.
La temperatura è uno dei i concetti più importanti associato a fenomeni termici, poiché spesso è la temperatura che è la caratteristica più importante processi termici.
Definizione.fenomeni termici- si tratta di fenomeni associati al riscaldamento o al raffreddamento dei corpi, nonché al cambiamento del loro stato di aggregazione (Fig. 1).
Riso. 1. Scioglimento del ghiaccio, riscaldamento dell'acqua ed evaporazione
Tutti i fenomeni termici sono associati a temperatura.
Tutti i corpi sono caratterizzati dallo stato del loro equilibrio termale. Caratteristica principale l'equilibrio termico è la temperatura.
Definizione.Temperaturaè una misura del "calore" del corpo.
Poiché la temperatura è una grandezza fisica, può e deve essere misurata. Viene chiamato uno strumento utilizzato per misurare la temperatura termometro(dal greco. termo- "Caldo", metro- “Io misuro”) (Fig. 2).
Riso. 2. Termometro
Il primo termometro (o meglio, il suo analogo) fu inventato da Galileo Galilei (Fig. 3).
Riso. 3. Galileo Galilei (1564-1642)
L'invenzione di Galileo, che ha presentato ai suoi studenti durante le lezioni all'università di tardo XVI secolo (1597), fu chiamato termoscopio. Il funzionamento di qualsiasi termometro si basa sul seguente principio: Proprietà fisiche le sostanze cambiano con la temperatura.
L'esperienza di Galileo consisteva in quanto segue: prese un fiasco con un lungo gambo e lo riempì d'acqua. Poi prese un bicchiere d'acqua e capovolse la fiaschetta, mettendola in un bicchiere. Parte dell'acqua, ovviamente, è fuoriuscita, ma di conseguenza è rimasto un certo livello di acqua nella gamba. Se ora il pallone (che contiene aria) viene riscaldato, il livello dell'acqua scenderà e se viene raffreddato, al contrario, aumenterà. Ciò è dovuto al fatto che quando riscaldate le sostanze (in particolare l'aria) tendono ad espandersi e quando si raffreddano si restringono (motivo per cui le rotaie sono rese discontinue ei fili tra i pali a volte si abbassano leggermente).
Riso. 4. L'esperienza di Galileo
Questa idea ha costituito la base del primo termoscopio (Fig. 5), che ha permesso di valutare il cambiamento di temperatura (è impossibile misurare con precisione la temperatura con un tale termoscopio, poiché le sue letture dipenderanno fortemente dalla pressione atmosferica).
Riso. 5. Copia del termoscopio di Galileo
Allo stesso tempo, è stata introdotta la cosiddetta scala dei gradi. La parola stessa grado in latino significa "passo".
Ad oggi, sono sopravvissute tre scale principali.
1. Centigrado
La scala più utilizzata, nota a tutti fin dall'infanzia, è la scala Celsius.
Anders Celsius (Fig. 6) - astronomo svedese, che ha proposto la seguente scala di temperatura: - punto di ebollizione dell'acqua; - punto di congelamento dell'acqua. Al giorno d'oggi, siamo tutti abituati alla scala Celsius invertita.
Riso. 6 Andres Celsius (1701-1744)
Nota: Lo stesso Celsius ha affermato che questa scelta di scala è stata causata semplice fatto: ma in inverno non ci sarà temperatura negativa.
2. Scala Fahrenheit
In Inghilterra, Stati Uniti, Francia, America Latina e alcuni altri paesi, la scala Fahrenheit è popolare.
Gabriel Fahrenheit (Fig. 7) è un ricercatore tedesco, ingegnere che per primo ha applicato la propria scala alla lavorazione del vetro. La scala Fahrenheit è più sottile: la dimensione della scala Fahrenheit è inferiore al grado della scala Celsius.
Riso. 7 Gabriel Fahrenheit (1686-1736)
3. Scala Réaumur
La scala tecnica è stata inventata dal ricercatore francese R.A. Réaumur (Fig. 8). Secondo questa scala, corrisponde al punto di congelamento dell'acqua, ma Réaumur ha scelto una temperatura di 80 gradi come punto di ebollizione dell'acqua.
Riso. 8. René Antoine Réaumur (1683-1757)
In fisica, il cosiddetto scala assoluta - Scala Kelvin(figura 8). 1 grado Celsius è uguale a 1 grado Kelvin, ma la temperatura corrisponde approssimativamente (Fig. 9).
Riso. 9. William Thomson (Lord Kelvin) (1824-1907)
Riso. 10. Scale di temperatura
Ricordiamo che quando la temperatura corporea cambia, le sue dimensioni lineari cambiano (quando riscaldato il corpo si espande, quando si raffredda si restringe). Ha a che fare con il comportamento delle molecole. Quando riscaldato, la velocità di movimento delle particelle aumenta, rispettivamente, iniziano a interagire più spesso e il volume aumenta (Fig. 11).
Riso. 11. Modifica delle quote lineari
Da ciò possiamo concludere che la temperatura è associata al movimento delle particelle che compongono i corpi (questo vale per corpi solidi, liquidi e gassosi).
Il movimento delle particelle nei gas (Fig. 12) è casuale (poiché le molecole e gli atomi nei gas praticamente non interagiscono).
Riso. 12. Movimento di particelle nei gas
Il movimento delle particelle nei liquidi (Fig. 13) è "saltante", cioè le molecole conducono uno "stile di vita sedentario", ma sono in grado di "saltare" da un luogo all'altro. Questo determina la fluidità dei liquidi.
Riso. 13. Movimento di particelle nei liquidi
Il moto delle particelle nei solidi (Fig. 14) è chiamato oscillatorio.
Riso. 14. Moto delle particelle nei solidi
Pertanto, tutte le particelle sono in continuo movimento. Questo movimento di particelle è chiamato moto termico(movimento casuale e caotico). Questo movimento non si ferma mai (fintanto che il corpo ha una temperatura). La presenza del moto termico fu confermata nel 1827 dal botanico inglese Robert Brown (Fig. 15), da cui questo moto prende il nome moto browniano.
Riso. 15. Robert Brown (1773-1858)
Ad oggi è noto che il bassa temperatura, che può essere raggiunto è di circa . È a questa temperatura che il movimento delle particelle si ferma (tuttavia, il movimento all'interno delle particelle stesse non si ferma).
L'esperienza di Galileo è stata descritta in precedenza e, in conclusione, consideriamo un'altra esperienza: l'esperienza dello scienziato francese Guillaume Amonton (Fig. 15), che nel 1702 inventò il cosiddetto termometro a gas. Con piccole modifiche, questo termometro è sopravvissuto fino ad oggi.
Riso. 15.Guillaume Amonton (1663-1705)
L'esperienza di Amontone
Riso. 16. Esperienza di Amonton
Prendi un pallone con acqua e tappalo con un tappo con un tubo sottile. Se ora riscaldi l'acqua, a causa dell'espansione dell'acqua, il suo livello nel tubo aumenterà. In base al livello di aumento dell'acqua nel tubo, è possibile trarre una conclusione sul cambiamento di temperatura. Vantaggio Termometro di Amontonè che non dipende dalla pressione atmosferica.
In questa lezione, abbiamo considerato una quantità fisica così importante come temperatura. Abbiamo studiato i metodi della sua misurazione, caratteristiche e proprietà. Nella prossima lezione, esploreremo il concetto Energia interna.
Bibliografia
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Compiti a casa
1. N. 1-4 (paragrafo 1). Peryshkin A.V. Fisica 8. - M.: Otarda, 2010.
2. Perché il termoscopio di Galileo non può essere calibrato?
3. Chiodo di ferro riscaldato sul fornello:
Come è cambiata la velocità delle molecole di ferro?
Come cambierà la velocità di movimento delle molecole se l'unghia viene abbassata in acqua fredda?
In che modo questo cambia la velocità delle molecole d'acqua?
Come cambia il volume dell'unghia durante questi esperimenti?
4. Il pallone è stato spostato dalla stanza al gelo:
Come cambierà il volume della palla?
Come cambierà la velocità di movimento delle molecole d'aria all'interno del pallone?
Come cambierà la velocità delle molecole all'interno della palla se questa viene riportata nella stanza e, inoltre, inserita nella batteria?
Teoria: Gli atomi e le molecole sono in continuo movimento termico, si muovono in modo casuale, cambiano costantemente direzione e modulo di velocità a causa delle collisioni.
Maggiore è la temperatura, maggiore è la velocità delle molecole. Quando la temperatura diminuisce, la velocità delle molecole diminuisce. C'è una temperatura che si chiama "zero assoluto" - la temperatura (-273 ° C) alla quale si ferma moto termico molecole. Ma lo "zero assoluto" è irraggiungibile.
Il moto browniano è il movimento casuale di particelle microscopiche di materia solida visibile sospese in un liquido o gas, causato dal moto termico di particelle di un liquido o gas. Questo fenomeno fu osservato per la prima volta nel 1827 da Robert Brown. Ha studiato il polline delle piante, che era nell'ambiente acquatico. Brown ha notato che il polline si sposta continuamente nel tempo, e maggiore è la temperatura, più veloce è il tasso di spostamento del polline. Ha suggerito che il movimento del polline è dovuto al fatto che le molecole d'acqua colpiscono il polline e lo fanno muovere. 
La diffusione è il processo di penetrazione reciproca delle molecole di una sostanza negli spazi tra le molecole di un'altra sostanza. 
Un esempio di moto browniano è
1) movimento casuale del polline in una goccia d'acqua
2) movimento casuale dei moscerini sotto la lanterna
3) dissoluzione di solidi in liquidi
4) penetrazione nutrienti dal suolo alle radici delle piante
Soluzione: dalla definizione di moto browniano, è chiaro che la risposta corretta è 1. Il polline si muove in modo casuale a causa del fatto che le molecole d'acqua lo colpiscono. Il movimento irregolare dei moscerini sotto la lampada non è adatto, poiché i moscerini stessi scelgono la direzione del movimento, le ultime due risposte sono esempi di diffusione.
Risposta: 1.
Compito Oge in fisica (risolverò l'esame): Quale delle seguenti affermazioni è (sono) corrette?
R. Le molecole o gli atomi in una sostanza sono in continuo movimento termico, e uno degli argomenti a favore di questo è il fenomeno della diffusione.
B. Le molecole o gli atomi nella materia sono in continuo moto termico, e la prova di ciò è il fenomeno della convezione.
1) solo A
2) solo B
3) sia A che B
4) né A né B
Soluzione: La diffusione è il processo di penetrazione reciproca delle molecole di una sostanza negli spazi tra le molecole di un'altra sostanza. La prima affermazione è vera, la Convenzione è il trasferimento di energia interna con strati di liquido o gas, si scopre che la seconda affermazione non è vera.
Risposta: 1.
Assegnazione Oge in fisica (fipi): 2) Una sfera di piombo viene riscaldata alla fiamma di una candela. Come cambiano il volume della palla e la velocità media di movimento delle sue molecole durante il processo di riscaldamento?
Stabilire una corrispondenza tra le grandezze fisiche e le loro possibili variazioni.
Per ogni valore, determinare la natura appropriata della modifica:
1) aumenta
2) diminuisce
3) non cambia
Scrivi nella tabella i numeri selezionati per ogni grandezza fisica. I numeri nella risposta possono essere ripetuti.
Soluzione (grazie a Milena): 2) 1. Il volume della palla aumenterà a causa del fatto che le molecole inizieranno a muoversi più velocemente.
2. La velocità delle molecole quando riscaldate aumenterà.
Risposta: 11.
Lavoro Dimostrativo Opzione OGE 2019:
Una delle disposizioni della teoria cinetico-molecolare della struttura della materia è che "le particelle di materia (molecole, atomi, ioni) sono in continuo movimento caotico". Cosa significano le parole "movimento continuo"?
1) Le particelle si muovono sempre in una certa direzione.
2) Il movimento delle particelle di materia non obbedisce a nessuna legge.
3) Le particelle si muovono tutte insieme in una direzione o nell'altra.
4) Il movimento delle molecole non si ferma mai.
Soluzione: Le molecole si muovono, a causa delle collisioni, la velocità delle molecole cambia costantemente, quindi non possiamo calcolare la velocità e la direzione di ciascuna molecola, ma possiamo calcolare la velocità quadratica media delle molecole, ed è correlata alla temperatura, come la temperatura diminuisce, la velocità delle molecole diminuisce. Si calcola che la temperatura alla quale si fermerà il movimento delle molecole sia di -273 °C (la temperatura più bassa possibile in natura). Ma non è realizzabile. quindi le molecole non smettono mai di muoversi.
moto termico
Qualsiasi sostanza è costituita dalle particelle più piccole: le molecole. Molecolaè la particella più piccola di una data sostanza che conserva tutto il suo Proprietà chimiche. Le molecole si trovano discretamente nello spazio, cioè a determinate distanze l'una dall'altra, e sono in uno stato di continua movimento irregolare (caotico). .
Perché i corpi sono fatti di un largo numero molecole e il movimento delle molecole è casuale, quindi è impossibile dire esattamente quanti colpi subiranno questa o quella molecola dagli altri. Pertanto, dicono che la posizione della molecola, la sua velocità in ogni momento del tempo è casuale. Tuttavia, ciò non significa che il movimento delle molecole non obbedisca a determinate leggi. In particolare, sebbene le velocità delle molecole a un certo punto nel tempo siano diverse, la maggior parte di esse ha velocità vicine a un certo valore definito. Di solito, quando si parla della velocità di movimento delle molecole, intendono velocità media (v$cp).
È impossibile individuare una direzione particolare in cui si muovono tutte le molecole. Il movimento delle molecole non si ferma mai. Possiamo dire che è continuo. Un tale movimento caotico continuo di atomi e molecole è chiamato -. Questo nome è determinato dal fatto che la velocità di movimento delle molecole dipende dalla temperatura del corpo. Maggiore è la velocità media di movimento delle molecole del corpo, maggiore è la sua temperatura. Al contrario, maggiore è la temperatura del corpo, maggiore è la velocità media delle molecole.
Il movimento delle molecole liquide è stato scoperto osservando il moto browniano, il movimento di particelle solide molto piccole sospese in esso. Ogni particella fa continuamente salti in direzioni arbitrarie, descrivendo la traiettoria sotto forma di una linea tratteggiata. Questo comportamento delle particelle può essere spiegato supponendo che subiscano impatti di molecole liquide contemporaneamente da lati diversi. La differenza nel numero di questi impatti da direzioni opposte porta al moto della particella, poiché la sua massa è commisurata alle masse delle molecole stesse. Il movimento di tali particelle fu scoperto per la prima volta nel 1827 dal botanico inglese Brown, osservando le particelle di polline nell'acqua al microscopio, motivo per cui fu chiamato - Moto browniano.
Cosa pensi determini la velocità di dissoluzione dello zucchero nell'acqua? Puoi fare un semplice esperimento. Prendi due pezzi di zucchero e gettane uno in un bicchiere di acqua bollente, l'altro in un bicchiere di acqua fredda.
Vedrai come lo zucchero si dissolve nell'acqua bollente molte volte più velocemente che in acqua fredda. La causa della dissoluzione è la diffusione. Ciò significa che la diffusione avviene più velocemente a temperature più elevate. La diffusione è causata dal movimento delle molecole. Pertanto, concludiamo che le molecole si muovono più velocemente a temperature più elevate. Cioè, la velocità del loro movimento dipende dalla temperatura. Ecco perché il movimento caotico casuale delle molecole che compongono il corpo è chiamato movimento termico.
Moto termico delle molecole
All'aumentare della temperatura, il movimento termico delle molecole aumenta e le proprietà della sostanza cambiano. Solido si scioglie, trasformandosi in un liquido, il liquido evapora, trasformandosi in uno stato gassoso. Di conseguenza, se la temperatura viene abbassata, anche l'energia media del movimento termico delle molecole diminuirà e, di conseguenza, i processi di modifica dello stato di aggregazione dei corpi si verificheranno in direzione inversa: l'acqua si condenserà in un liquido, il liquido si congelerà in uno stato solido. Allo stesso tempo, stiamo sempre parlando dei valori medi di temperatura e velocità molecolare, poiché ci sono sempre particelle con valori più grandi e più piccoli di questi valori.
Le molecole nelle sostanze si muovono, superando una certa distanza, quindi svolgono un certo lavoro. Cioè, possiamo parlare dell'energia cinetica delle particelle. A causa della loro disposizione reciproca, esiste anche un'energia potenziale delle molecole. Quando parliamo di energia cinetica e potenziale dei corpi, stiamo parlando dell'esistenza dell'energia meccanica totale dei corpi. Se le particelle del corpo hanno energia cinetica e potenziale, quindi, possiamo parlare della somma di queste energie come di una grandezza indipendente.
Energia interna del corpo
Considera un esempio. Se lanciamo una palla elastica sul pavimento, l'energia cinetica del suo movimento si trasforma completamente in energia potenziale nel momento in cui tocca il pavimento, per poi tornare in energia cinetica quando rimbalza. Se lanciamo una pesante palla di ferro su una superficie dura e anelastica, allora la palla atterrerà senza rimbalzare. Le sue energie cinetiche e potenziali dopo l'atterraggio saranno pari a zero. Dov'è finita l'energia? È appena scomparsa? Se esaminiamo la palla e la superficie dopo la collisione, possiamo vedere che la palla si è leggermente appiattita, è rimasta un'ammaccatura sulla superficie ed entrambe si sono leggermente riscaldate. Cioè, c'è stato un cambiamento nella disposizione delle molecole dei corpi e anche la temperatura è aumentata. Ciò significa che le energie cinetiche e potenziali delle particelle del corpo sono cambiate. L'energia del corpo non è andata da nessuna parte, è passato nell'energia interna del corpo. L'energia interna è chiamata l'energia cinetica e potenziale di tutte le particelle del corpo. La collisione dei corpi ha causato un cambiamento nell'energia interna, è aumentata e l'energia meccanica è diminuita. Questo è ciò che consiste