Страница 7 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Приведите примеры тепловых явлений.

1. Тепловые явления — это физические процессы, связанные с изменением температуры тел, а также с изменением их агрегатного состояния (плавление, кипение, конденсация и т.д.). Эти явления обусловлены изменением скорости хаотического движения частиц (молекул, атомов), из которых состоят все тела. При нагревании скорость движения частиц увеличивается, а при охлаждении — уменьшается.

Вот несколько примеров тепловых явлений из повседневной жизни и природы:

• Нагревание и охлаждение: нагревание воды в электрическом чайнике; остывание супа в тарелке; нагревание песка на пляже под лучами солнца; охлаждение воздуха в комнате при открытии окна зимой.
• Плавление и отвердевание (кристаллизация): таяние снеговика весной; застывание воды в лед в морозильной камере; плавление сливочного масла на горячей сковороде; застывание расплавленного металла при отливке деталей.
• Испарение и конденсация: высыхание белья на веревке; кипение воды в кастрюле с образованием пара; появление капель воды (росы) на траве холодным утром; запотевание зеркала в ванной комнате после горячего душа.
• Тепловое расширение и сжатие: при нагревании большинство тел расширяется, а при охлаждении — сжимается. Например, уровень жидкости (спирта или ртути) в термометре поднимается при повышении температуры. Железнодорожные рельсы летом удлиняются, поэтому при их укладке оставляют специальные зазоры.
• Способы теплопередачи:
  • Теплопроводность: нагревание металлической ложки, опущенной в стакан с горячим чаем. Тепло передается от одной частицы к другой при их взаимодействии.
  • Конвекция: нагревание воздуха в комнате от батареи отопления. Теплые, менее плотные слои воздуха поднимаются вверх, а холодные, более плотные, опускаются вниз, создавая циркуляцию.
  • Излучение: ощущение тепла от костра или от Солнца, даже на расстоянии. Тепло передается с помощью электромагнитных волн.

Ответ: Примерами тепловых явлений являются: нагревание воды в чайнике, таяние льда, высыхание луж после дождя, нагревание ложки в горячем чае, ощущение тепла от солнца, запотевание окон, изменение показаний уличного термометра.

2. Чем отличается тепловое движение от механического?

1. Приведите примеры тепловых явлений.

Тепловые явления — это физические процессы, которые связаны с нагреванием или охлаждением тел, а также с изменением их агрегатного состояния. К ним относятся:

• Нагревание и охлаждение: нагревание воды в чайнике, остывание чашки с чаем, нагревание песка на пляже под лучами солнца.

• Плавление и кристаллизация (затвердевание): таяние льда весной, замерзание воды в лужах зимой, плавление металла в доменной печи.

• Испарение и конденсация: кипение воды, высыхание белья на веревке, образование росы на траве или запотевание окон (конденсация водяного пара).

• Тепловое расширение: увеличение длины железнодорожных рельсов в жаркую погоду, увеличение объема воздуха в шарике при нагревании.

Ответ: Примерами тепловых явлений являются таяние льда, кипение воды, нагревание предметов, тепловое расширение тел, испарение и конденсация.

2. Чем отличается тепловое движение от механического?

Тепловое и механическое движение различаются по своему масштабу и характеру.

Механическое движение — это упорядоченное движение всего тела или его частей как единого целого относительно других тел. Это видимое, макроскопическое движение, которое можно описать траекторией, скоростью и ускорением. Например, летящий самолет, катящийся мяч, идущий человек — всё это примеры механического движения.

Тепловое движение — это непрерывное, беспорядочное (хаотическое) движение микроскопических частиц (атомов, молекул), из которых состоят все тела. Это движение происходит внутри самого тела, оно невидимо глазу. Частицы движутся в разных направлениях и с разными скоростями. Чем выше температура тела, тем интенсивнее (быстрее) движутся его частицы.

Ответ: Механическое движение — это движение тела как единого целого, оно упорядочено. Тепловое движение — это беспорядочное (хаотическое) движение частиц, из которых состоит тело.

3. Что характеризует температура?

Температура — это физическая величина, которая выполняет две основные функции:

1. На бытовом уровне температура характеризует степень нагретости тела (насколько оно горячее или холодное на ощупь).

2. С точки зрения физики (молекулярно-кинетической теории), температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения частиц, из которых состоит тело. Чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия частиц, то есть тем быстрее они в среднем движутся. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул идеального газа $E_k$ прямо пропорциональна абсолютной температуре $T$: $E_k = \frac{3}{2}kT$, где $k$ — постоянная Больцмана.

Также температура определяет направление теплообмена. При контакте двух тел тепловая энергия всегда передается от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой до тех пор, пока их температуры не станут одинаковыми (не наступит тепловое равновесие).

Ответ: Температура характеризует степень нагретости тела и является мерой средней кинетической энергии хаотического движения частиц, из которых состоит это тело.

3. Что характеризует температура? Каковы её единицы измерения?

3. Что характеризует температура? Каковы её единицы измерения?

Температура — это физическая величина, которая характеризует степень нагретости тела и является мерой средней кинетической энергии хаотического (теплового) движения частиц (атомов, молекул, ионов), из которых состоит тело. Иными словами, чем выше температура тела, тем быстрее в среднем движутся его частицы. Температура также определяет направление самопроизвольного теплообмена между телами: при контакте тепловая энергия всегда переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой до тех пор, пока их температуры не выровняются и не наступит тепловое равновесие.

Основными единицами измерения температуры являются:

• Кельвин (К). Это основная единица температуры в Международной системе единиц (СИ). Шкала Кельвина является абсолютной термодинамической шкалой, где ноль (0 К), называемый абсолютным нулем, соответствует состоянию, при котором тепловое движение молекул прекращается, и их кинетическая энергия становится минимально возможной. Температура в кельвинах обозначается как $T$.

• Градус Цельсия (°C). Широко используемая в повседневной жизни и многих научных областях шкала. За ноль в этой шкале (0 °C) принята точка замерзания воды, а за 100 °C — точка кипения воды при стандартном атмосферном давлении. Связь между температурой в градусах Цельсия ($t$) и температурой в кельвинах ($T$) выражается формулой: $T \text{[K]} = t \text{[°C]} + 273.15$.

• Градус Фаренгейта (°F). Используется в основном в США и некоторых других странах. Связь со шкалой Цельсия: $t_{°F} = 1.8 \cdot t_{°C} + 32$.

Ответ: Температура характеризует среднюю кинетическую энергию хаотического движения частиц вещества. Основные единицы измерения: Кельвин (К) в системе СИ, а также градус Цельсия (°C) и градус Фаренгейта (°F).

4. Как связана температура тела со средней кинетической энергией движения его молекул?

Температура тела напрямую связана со средней кинетической энергией поступательного движения его молекул. Согласно молекулярно-кинетической теории, абсолютная температура является мерой этой энергии. Эта связь является одной из фундаментальных в термодинамике и статистической физике.

Для идеального газа эта зависимость выражается следующей формулой:

$\bar{E_k} = \frac{3}{2}kT$

где:

• $\bar{E_k}$ — средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы, измеряемая в джоулях (Дж).

• $T$ — абсолютная температура газа в кельвинах (К).

• $k$ — постоянная Больцмана, фундаментальная физическая константа, равная приблизительно $1.38 \times 10^{-23}$ Дж/К.

Из этой формулы видно, что средняя кинетическая энергия молекул прямо пропорциональна абсолютной температуре. Это означает, что при увеличении температуры тела средняя скорость движения его молекул возрастает, а при уменьшении — снижается. При абсолютном нуле температуры ($T=0$ К) средняя кинетическая энергия теплового движения молекул обратилась бы в нуль (в рамках классического описания).

Ответ: Температура тела прямо пропорциональна средней кинетической энергии хаотического движения его молекул. Эта связь для идеального газа описывается формулой $\bar{E_k} = \frac{3}{2}kT$.

4. Как связана температура тела со скоростью движения его молекул? Какие явления это доказывают?

Каковы её единицы измерения?

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения термодинамической температуры является кельвин (К). Также в повседневной жизни и многих научных областях широко используется шкала Цельсия, единица измерения в которой — градус Цельсия (°C). Связь между этими шкалами выражается формулой:

$T(К) = t(°C) + 273.15$

где $T$ — абсолютная температура в кельвинах, а $t$ — температура в градусах Цельсия. Абсолютный ноль температуры ($0$ К) соответствует $-273.15$ °C.

Ответ: Основной единицей измерения температуры в СИ является кельвин (К). Также широко используется градус Цельсия (°C).

Как связана температура тела со скоростью движения его молекул? Какие явления это доказывают?

Температура тела напрямую связана со скоростью хаотического движения его молекул (или атомов). С точки зрения молекулярно-кинетической теории, температура является мерой средней кинетической энергии теплового движения частиц, из которых состоит тело.

Для идеального газа средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул определяется формулой:

$\bar{E_k} = \frac{3}{2}kT$

где $\bar{E_k}$ — средняя кинетическая энергия, $k$ — постоянная Больцмана ($k \approx 1.38 \times 10^{-23}$ Дж/К), а $T$ — абсолютная температура в кельвинах.

Поскольку кинетическая энергия одной молекулы массой $m_0$ связана с квадратом её скорости $v$ ($E_k = \frac{m_0 v^2}{2}$), то из формулы выше следует, что средний квадрат скорости молекул прямо пропорционален абсолютной температуре: $\overline{v^2} \propto T$.

Таким образом, устанавливается прямая зависимость: чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул и, следовательно, тем выше средняя скорость их беспорядочного движения.

Эту фундаментальную связь доказывают следующие физические явления:

1. Диффузия. Это процесс самопроизвольного взаимного проникновения молекул одного вещества в другое. Скорость диффузии значительно возрастает с повышением температуры. Например, краситель или сахар растворяются в горячей воде намного быстрее, чем в холодной. Это объясняется тем, что молекулы горячей воды движутся с большей скоростью, чаще и с большей силой сталкиваются с частицами другого вещества, способствуя их быстрому распределению по всему объему.

2. Броуновское движение. Это хаотическое движение микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе (например, пыльцы в воде). Движение вызвано неуравновешенными ударами молекул окружающей среды по частице. При нагревании жидкости или газа броуновское движение становится более интенсивным, что наглядно демонстрирует увеличение скорости движения невидимых молекул среды.

3. Давление газа. Давление газа на стенки сосуда создается ударами его молекул. Согласно закону Шарля, при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре. При нагревании газа его молекулы начинают двигаться быстрее, что приводит к более частым и более сильным ударам о стенки сосуда, и, как следствие, к увеличению давления.

4. Тепловое расширение. Большинство тел при нагревании увеличиваются в объеме. Это происходит потому, что с ростом температуры увеличивается энергия и, как следствие, скорость и амплитуда колебаний атомов в узлах кристаллической решетки (в твердых телах) или среднее расстояние между молекулами (в жидкостях и газах). Это приводит к увеличению средних межатомных расстояний и, соответственно, к увеличению размеров тела.

Ответ: Температура тела является мерой средней кинетической энергии хаотического движения его молекул. Чем выше температура, тем больше средняя скорость движения молекул. Это подтверждается такими экспериментально наблюдаемыми явлениями, как увеличение скорости диффузии, усиление броуновского движения, рост давления газа и тепловое расширение тел при их нагревании.

5. Что такое абсолютный нуль температуры?

5. Абсолютный нуль температуры — это минимальный теоретический предел температуры, которую может иметь физическое тело. Это состояние, в котором термодинамическая система обладает наименьшей возможной энергией, известной как нулевая энергия.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории, температура вещества напрямую связана со средней кинетической энергией хаотического движения его частиц (атомов, молекул). При охлаждении вещества скорость движения его частиц уменьшается. Абсолютный нуль — это температура, при которой энергия теплового движения частиц достигает своего минимума. В классическом понимании это означало бы полное прекращение движения частиц.

Однако, с точки зрения квантовой механики, даже при абсолютном нуле частицы не могут полностью остановиться из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Они продолжают совершать так называемые нулевые колебания, находясь в своем основном квантовом состоянии. Таким образом, абсолютный нуль — это не состояние полного покоя, а состояние с минимально возможной энергией.

Абсолютный нуль является начальной точкой абсолютной термодинамической шкалы температур, или шкалы Кельвина. По этой шкале он равен $0 \text{ К}$.

Чтобы перевести температуру из шкалы Цельсия ($t, °\text{C}$) в шкалу Кельвина ($T, \text{К}$), используют соотношение:

$T(\text{К}) = t(°\text{C}) + 273,15$

Таким образом, абсолютному нулю ($T = 0 \text{ К}$) соответствует температура $t = -273,15 °\text{C}$.

Согласно третьему закону термодинамики, достичь температуры абсолютного нуля на практике невозможно. К ней можно лишь асимптотически приближаться.

Ответ: Абсолютный нуль — это самая низкая теоретически возможная температура, равная $0 \text{ К}$ (ноль кельвинов) или $-273,15 °\text{C}$. При этой температуре прекращается хаотическое тепловое движение частиц вещества, и они переходят в состояние с минимально возможной энергией (основное квантовое состояние). Абсолютный нуль недостижим на практике.

5. Что такое абсолютный нуль температуры?

5. Абсолютный нуль температуры — это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Это температура, при которой тепловое движение частиц вещества (атомов, молекул) полностью прекращается. При абсолютном нуле вся энергия теплового движения молекул и атомов вещества равна нулю; остаются только так называемые "нулевые колебания", обусловленные квантово-механическими свойствами частиц.

Абсолютный нуль является точкой отсчета для абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура $-273.15$ °C. Согласно третьему закону термодинамики, абсолютный нуль температуры практически недостижим.

Ответ: Абсолютный нуль температуры — это самая низкая возможная температура ($0$ К или $-273.15$ °C), при которой прекращается поступательное и вращательное тепловое движение частиц вещества.

6. Связь между температурой по шкале Кельвина (абсолютной температурой $T$) и температурой по шкале Цельсия ($t$) выражается простым соотношением. Шкала Кельвина является абсолютной, её ноль ($0$ К) соответствует абсолютному нулю температуры. Шкала Цельсия основана на реперных точках воды: $0$ °C — температура замерзания, $100$ °C — температура кипения при нормальном атмосферном давлении. Размер одного градуса в шкале Цельсия равен размеру одного кельвина. Смещение нуля шкалы Цельсия относительно нуля шкалы Кельвина составляет $273.15$ единицы.

Для перевода температуры из градусов Цельсия в кельвины используется следующая формула:

$T = t + 273.15$

где $T$ — температура в кельвинах (К), а $t$ — температура в градусах Цельсия (°C).

Соответственно, для обратного перевода из кельвинов в градусы Цельсия формула выглядит так:

$t = T - 273.15$

В школьных задачах для упрощения расчетов часто используют приближенное значение $273$.

Ответ: Связь температур выражается соотношением $T = t + 273.15$, где $T$ — абсолютная температура в кельвинах, а $t$ — температура в градусах Цельсия.

7. Почему обычный термометр, в отличие от максимального, нельзя вынимать из среды, температуру которой измеряют?

7. Различие в правилах использования обычного и максимального термометров объясняется их принципиальными конструктивными отличиями и назначением.

Принцип действия обычного термометра (например, спиртового или ртутного для измерения температуры воздуха или воды) основан на тепловом расширении жидкости. Когда термометр помещают в измеряемую среду, он должен достичь с ней теплового равновесия. В этот момент столбик жидкости останавливается на отметке, соответствующей температуре этой среды. Обычный термометр показывает только текущую температуру своего непосредственного окружения. Если его вынуть из среды (например, из горячей воды в более холодный воздух комнаты), он немедленно начнет остывать. Жидкость в нем сожмется, и столбик термометра опустится, показывая уже температуру воздуха, а не воды. Таким образом, для получения верного результата показания с обычного термометра необходимо считывать, пока он находится непосредственно в измеряемой среде.

Максимальный термометр (классический пример — медицинский ртутный термометр) предназначен для фиксации наивысшей температуры, достигнутой за время измерения. Его ключевая особенность — наличие специального сужения (пережима) в капиллярной трубке рядом с резервуаром для ртути. При повышении температуры расширяющаяся ртуть с силой проталкивается через это сужение. Когда же температура начинает падать и ртуть в резервуаре сжимается, силы сцепления и поверхностного натяжения не дают столбику ртути в основной части капилляра вернуться обратно через узкое место. Происходит разрыв столбика ртути. В результате показания термометра остаются зафиксированными на максимальном значении. Это позволяет вынуть термометр из среды (например, из-под мышки) и считать показания позже, так как они не изменятся сами по себе при охлаждении. Чтобы сбросить показания, такой термометр нужно встряхнуть, чтобы силой инерции вернуть ртуть в резервуар.

Ответ: Обычный термометр нельзя вынимать из измеряемой среды, потому что он показывает только текущую температуру своего окружения. При извлечении он сразу же начинает измерять температуру нового окружения (например, воздуха), и его показания меняются, становясь неактуальными для первоначального измерения. Максимальный термометр, благодаря конструктивной особенности (сужению в капилляре), фиксирует и сохраняет самое высокое значение температуры, поэтому его показания можно считывать и после извлечения из среды.

УПРАЖНЕНИЕ 1

1. Температура тела изменилась от $25°C$ до $27°C$. На сколько градусов оно нагрелось:

а) по шкале Цельсия;

б) по шкале Кельвина?

Дано:

Начальная температура $t_1 = 25$ °C

Конечная температура $t_2 = 27$ °C

Перевод в СИ (шкала Кельвина):

Для нахождения изменения температуры перевод абсолютных значений в СИ не является обязательным, так как изменение температуры в градусах Цельсия равно изменению в Кельвинах. Тем не менее, для демонстрации переведем значения, используя соотношение $T(К) = t(°С) + 273$:

$T_1 = 25 + 273 = 298$ К

$T_2 = 27 + 273 = 300$ К

Найти:

а) $Δt$ - изменение температуры по шкале Цельсия.

б) $ΔT$ - изменение температуры по шкале Кельвина.

Решение:

а) по шкале Цельсия

Изменение температуры по шкале Цельсия находим как разность между конечной и начальной температурами:

$Δt = t_2 - t_1$

$Δt = 27 °С - 25 °С = 2 °С$

Ответ: тело нагрелось на 2 °С.

б) по шкале Кельвина

Изменение температуры в Кельвинах ($ΔT$) равно изменению температуры в градусах Цельсия ($Δt$). Это связано с тем, что цена деления у обеих шкал одинакова. Изменение температуры на 1 °C соответствует изменению на 1 K.

Математически это можно показать так:

$ΔT = T_2 - T_1 = (t_2 + 273) - (t_1 + 273) = t_2 - t_1 = Δt$

Следовательно, если $Δt = 2 °С$, то $ΔT = 2$ К.

Также можно выполнить вычисление напрямую, используя значения температур в Кельвинах:

$ΔT = 300 К - 298 К = 2$ К

Ответ: тело нагрелось на 2 К.

2. Переведите значения температуры:

а) в градусы Цельсия: $300 \text{ К}$, $220 \text{ К}$, $273 \text{ К}$, $673 \text{ К}$;

б) в кельвины: $127^\circ\text{C}$, $-27^\circ\text{C}$, $36,6^\circ\text{C}$.

Дано:

а) $T_1 = 300 \text{ К}$, $T_2 = 220 \text{ К}$, $T_3 = 273 \text{ К}$, $T_4 = 673 \text{ К}$

б) $t_1 = 127 \text{ °C}$, $t_2 = -27 \text{ °C}$, $t_3 = 36,6 \text{ °C}$

Найти:

а) Соответствующие значения температуры в градусах Цельсия ($t$)

б) Соответствующие значения температуры в кельвинах ($T$)

Решение:

Связь между температурой по абсолютной шкале (в кельвинах, $T$) и температурой по шкале Цельсия ($t$) выражается формулой (при округлении до целых):

$T = t + 273$

Для перевода температуры из кельвинов в градусы Цельсия используется обратная формула:

$t = T - 273$

а)

Выполним перевод заданных значений температуры из кельвинов в градусы Цельсия:

$300 \text{ К} \rightarrow t = 300 - 273 = 27 \text{ °C}$

$220 \text{ К} \rightarrow t = 220 - 273 = -53 \text{ °C}$

$273 \text{ К} \rightarrow t = 273 - 273 = 0 \text{ °C}$

$673 \text{ К} \rightarrow t = 673 - 273 = 400 \text{ °C}$

Ответ: $27 \text{ °C}$; $-53 \text{ °C}$; $0 \text{ °C}$; $400 \text{ °C}$.

б)

Выполним перевод заданных значений температуры из градусов Цельсия в кельвины:

$127 \text{ °C} \rightarrow T = 127 + 273 = 400 \text{ К}$

$-27 \text{ °C} \rightarrow T = -27 + 273 = 246 \text{ К}$

$36,6 \text{ °C} \rightarrow T = 36,6 + 273 = 309,6 \text{ К}$

Ответ: $400 \text{ К}$; $246 \text{ К}$; $309,6 \text{ К}$.

3. Расположите значения температуры в порядке возрастания:

а) 273 K, 10 °C;

б) 27 °C, 290 K;

в) 0 °C, 0 K.

Для того чтобы расположить значения температуры в порядке возрастания, необходимо привести все величины к одной единице измерения. В качестве единой шкалы будем использовать шкалу Кельвина (К), которая является основной единицей измерения температуры в Международной системе единиц (СИ).

Перевод температуры из градусов Цельсия ($t$, °С) в Кельвины ($T$, К) осуществляется по формуле:

$T = t + 273,15$

Для упрощения расчетов в большинстве задач можно использовать округленное значение:

$T \approx t + 273$

Применим эту формулу для каждой пары значений.

а) 273 К, 10 °С

Дано:

$T_1 = 273 \text{ К}$

$t_2 = 10 \text{ °С}$

Перевод в СИ:

$T_2 = 10 + 273 = 283 \text{ К}$

Найти:

Расположить температуры $T_1$ и $T_2$ в порядке возрастания.

Решение:

Сравним значения температур в Кельвинах:

$T_1 = 273 \text{ К}$

$T_2 = 283 \text{ К}$

Поскольку $273 < 283$, то $T_1 < T_2$.

Следовательно, правильный порядок возрастания: 273 К, 10 °С.

Ответ: 273 К, 10 °С.

б) 27 °С, 290 К

Дано:

$t_1 = 27 \text{ °С}$

$T_2 = 290 \text{ К}$

Перевод в СИ:

$T_1 = 27 + 273 = 300 \text{ К}$

Найти:

Расположить температуры $T_1$ и $T_2$ в порядке возрастания.

Решение:

Сравним значения температур в Кельвинах:

$T_1 = 300 \text{ К}$

$T_2 = 290 \text{ К}$

Поскольку $290 < 300$, то $T_2 < T_1$.

Следовательно, правильный порядок возрастания: 290 К, 27 °С.

Ответ: 290 К, 27 °С.

в) 0 °С, 0 К

Дано:

$t_1 = 0 \text{ °С}$

$T_2 = 0 \text{ К}$

Перевод в СИ:

$T_1 = 0 + 273 = 273 \text{ К}$

Найти:

Расположить температуры $T_1$ и $T_2$ в порядке возрастания.

Решение:

Сравним значения температур в Кельвинах:

$T_1 = 273 \text{ К}$ (температура замерзания воды)

$T_2 = 0 \text{ К}$ (абсолютный нуль, самая низкая возможная температура)

Поскольку $0 < 273$, то $T_2 < T_1$.

Следовательно, правильный порядок возрастания: 0 К, 0 °С.

Ответ: 0 К, 0 °С.