Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики

Таким образом, можно сказать, что количество теплоты зависит от изменения температуры тела. Количество теплоты зависит также от второй физической величины — массы тела. В самом деле, на спиртовке за определенное время мы сможем вскипятить воду в пробирке, чего не сделаем в чайнике. Объясняется это тем, что количество теплоты за промежуток времени t будет достаточным для нагревания до 100 °С воды в пробирке и недостаточным для нагревания до температуры кипения воды в чайнике. Количества теплоты, необходимые для кипячения воды в пробирке и чайнике, будут различными; как показывает опыт, чем больше масса тела, в данном случае воды, тем большее количество теплоты потребуется для нагревания его на одну и ту же разность температур.

То же самое справедливо и при охлаждении тела. Отсюда можно сделать вывод, что количество теплоты пропорционально массе тела.

Обобщая оба случая, можно говорить о том, что количество теплоты прямо пропорционально массе тела и его разности температур в начале и в конце теплообмена.

Зависимость количества теплоты, переданного телу при нагревании, от рода вещества, из которого изготовлено тело, наблюдают в опыте при нагревании двух тел равной массы, но изготовленных из различных веществ. Единицами внутренней энергии служат джоуль, килоджоуль. Однако исторически сложилось так, что единицы количества теплоты были введены раньше, чем стало известно молекулярное строение вещества и выяснен вопрос об энергии движения молекул. Поэтому в свое время были введены специальные единицы для измерения количества теплоты: калория и килокалория, которые пока еще применяются при расчетах.

Затем дают определение калории. Калория — количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 г воды на 1 °С, т. е. калория есть мера приращения внутренней энергии 1 г воды при повышении температуры на 1 °С: 1 кал =4,19 Дж. В дальнейшем расчеты внутренней энергии следует выполнять в джоулях.

6. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ.

 

Изучение предыдущего материала подготовило учащихся к пониманию того, что изменение теплового состояния тела при теплопередаче зависит и от рода вещества. Эту зависимость характеризуют особой величиной, называемой удельной теплоемкостью вещества.

Для перехода к понятию об удельной теплоемкости проводят ряд опытов.

Цилиндры из разных веществ одинаковой массы (равенство масс цилиндров показать взвешиванием на весах) и одинакового д аметра нагревают в кипящей воде и опускают на пластинку из парафина (рис. 20.8). Расплавив парафин, цилиндры погружаются в него на различную глубину. Из опыта делают вывод: тела из разных веществ, но одинаковой массы, при охлаждении и при нагревании на одно и то же число градусов отдают и требуют разное количество теплоты.

В два внутренних стакана калориметра наливают по 0,1 кг воды при комнатной температуре и помещают в них термометры. В третий сосуд кладут кусок железа, наливают воду, масса которой равна массе куска железа, и нагревают до 100 °С. Затем кусок железа переносят в один из стаканов калориметра, а горячую воду выливают в другой. О повышении температуры воды в калориметрах судят по показаниям термометров.

Для сравнения теплоемкости жидкостей можно поставить следующий опыт. В один стакан наливают 0,1 кг воды, в другой — 0,1 кг керосина и опускают в них нагретые в горячей воде одинаковые по массе тела. Термометры покажут, что температура керосина увеличится быстрее, чем температура воды.

Данные опыты можно использовать при расчете количества теплоты, полученного водой, и количества теплоты, отданного при остывании на 1 °С телом массой 1 г (кг). После этого дают определение теплоемкости как количества теплоты, необходимого для изменения температуры тела на 1 °С, удельной теплоемкости — как количества теплоты, необходимого для изменения температуры 1 г (кг) вещества на 1 °С. Вновь подчеркивают физический смысл термина «количество теплоты» или дают другое определение: удельная теплоемкость показывает, на какую величину изменяется внутренняя энергия 1 г (кг) вещества при нагревании или охлаждении его на 1 °С. Далее рассматривают с учащимися таблицу удельных теплоемкостей и выясняют, что означает, например, запись:

 

 

Значение различной теплоемкости в технике и природе поясняют рядом примеров.

1. Большая по сравнению с другими веществами удельная теплоемкость воды делает ее удобной для применения в водяном отоплении и в системе охлаждения двигателей. (Вследствие большой удельной теплоемкости воды даже при незначительном изменении ее температуры выделяется или поглощается большее количество теплоты.)

2.Климат островов гораздо умереннее и ровнее, чем климат больших материков, вследствие большой теплоемкости окружающих водных масс.

Расчет количества теплоты, полученного телом при нагревании или отданного при охлаждении, производят сначала арифметически, исходя из определения удельной теплоемкости.

В завершение, когда учащиеся окончательно уяснят смысл удельной теплоемкости и зависимость количества теплоты от удельной теплоемкости, массы тела и разности температур, вводят формулу Q = cm(t-t₀). По данной формуле решают в основном прямые задачи, т. е. определяют значение Q. Задачи, в которых надо найти по данной зависимости с, т и особенно t или t₀, трудны для учащихся VIII класса. Поэтому на ряде примеров учащимся следует разъяснить, как из данного уравнения можно найти то или иное неизвестное.

Для закрепления полученных знаний, а главное для приобретения умений и навыков производить калориметрические измерения и расчеты проводят лабораторную работу «Сравнение количеств теплоты при смешении воды». В этой работе учащиеся, как показывают наблюдения, часто допускают следующие ошибки: при измерении температуры термометр вынимают из сосуда с водой; вынимают из кожуха внутренний сосуд калориметра и работают только с ним; взвешивают внутренний сосуд вместе с внешним. Поэтому перед проведением работы необходимо провести беседу, которая бы помогла учащимся провести все измерения правильно.

Данная работа является первой попыткой подвести учащихся к пониманию закона сохранения энергии в тепловых процессах, поэтому в дальнейшем при изучении этого закона следует еще раз проанализировать результаты, метод проведения работы и установить, почему количество энергии, полученной нагревающимся телом, несколько меньше количества энергии, выделенной остывающим телом.

7. ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА.

 

В данной теме расширяется понятие энергии. Вначале напоминают учащимся некоторые сведения из химии. Они сводятся к тому, что при горении происходит соединение элементов с кислородом и образование новых веществ, новых молекул. Так, например, при горении метана образуются углекислый газ и вода:

 

СН₄ + 20₂ = СО ₊ + 2Н₂0.

 

Горение, связанное с  разрушением одних молекул и  образованием других, сопровождается выделением некоторого количества теплоты. В данном случае изменение внутренней энергии произошло не посредством теплообмена и не путем совершения работы телом или над телом, а в результате термохимических явлений происходящих с топливом. При этом энергия движения молекул продуктов сгорания, а следовательно, и их температура будет больше, чем у молекул топлива.

Повышение температуры при сгорании топлива и увеличение кинетической энергии молекул продуктов сгорания, а затем передача окружающим телам некоторого количества теплоты объясняется изменением внутренней энергии тела.

Для конкретизации и закрепления введенных понятий можно также поставить следующий опыт.

В стеклянный цилиндр с отверстием в стенке около дна помещают свободно входящий картонный поршень. Пульверизатором впрыскивают в цилиндр через отверстие рабочую смесь — бензин с воздухом. Убирают подальше пульверизатор, подносят пламя спички к отверстию цилиндра и наблюдают, как поршень выбрасывается вверх. Учащимся объясняют, что при горении кинетическая энергия молекул увеличивается. В целом же внутренняя энергия топлива уменьшается, так как совершается работа по поднятию поршня.

Все виды топлива обладают внутренней энергией, которая выделяется при сгорании. При этом совершается механическая работа (при определенных условиях) или нагреваются другие тела путем теплообмена. При сгорании 1 кг различных видов топлива выделяется различное количество энергии. Отношение теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, к массе сгоревшего топлива называется удельной теплотой сгорания топлива.

Учащимся предлагается работа с таблицей «Удельная теплота сгорания топлива». Дается задание найти в таблице топливо, теплота сгорания которого наибольшая, наименьшая, сравнить теплоту сгорания торфа и каменного угля, дров и т. д. Затем решают задачи на расчет количества теплоты, выделяющегося при сгорании топлива, используя формулу Q = qm, где q — удельная теплота сгорания, am — масса топлива. При этом уточняется наименование единицы удельной теплоты сгорания - .

Далее рассматривается вопрос о превращении механической энергии во внутреннюю энергию тел. Демонстрируют опыты: нагревание монеты при натирании ее, нагревание проволоки при многократном ее изгибании, нагревание ножа при заточке его на вращающемся точильном камне. Предлагают детям привести примеры подобных явлений из своего жизненного опыта (нагревание ладоней рук при спуске по шесту, канату, образование искр в механической зажигалке). Полезно напомнить о том, как с помощью трения кусков дерева друг о друга первобытные люди получали огонь.

После обсуждения этих примеров и опытов формулируют закон сохранения и превращения энергии. Учащимся дают краткую историческую справку о законе сохранения и превращения энергии. Сообщают, что его открыли в середине XIX в., когда был накоплен необходимый для этого многочисленный экспериментальный материал и появилась возможность его обобщить. Рассказывают о роли в открытии этого закона Р. Майера, Г. Гельмгольца и Д. Джоуля, о большой заслуге М. В. Ломоносова, который, на столетие опережая ученых своего времени, писал в письме Эйлеру 5 июля 1748 г.: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому.»

Далее показывают использование закона сохранения и превращения энергии для технических расчетов. Учащиеся должны узнать, что на основе этого закона производят расчеты количества топлива, необходимого для работы электростанций, тепловозов; закон позволяет рассчитать количество электроэнергии, необходимое для работы машин.

Одной из важных иллюстраций закона сохранения и превращения энергии является рассмотрение энергетических превращений, происходящих в природе. Основной источник используемых сейчас на Земле видов энергии — Солнце. Учащимся сообщают, что часть энергии, полученная Землей от Солнца, расходуется непосредственно на нагревание земной коры и атмосферы; другая часть преобразуется растениями в химическую энергию, которая становится, таким образом, частью внутренней энергии растений. С деятельностью Солнца связаны и запасы топлива на Земле: каменного угля, торфа и др. Круговорот воды, движение воздушных масс есть также результат солнечной деятельности.

Полезно продемонстрировать учебный кинофильм «Солнце — главный источник энергии на Земле».

Тема «Солнце — главный источник энергии на Земле» не обязательна для изучения в классе. Материал в учебнике на эту тему дан для дополнительного чтения. Если учитель посчитает возможным изучение этого вопроса на уроке, его целесообразно провести в виде учебной конференции, поставив следующие доклады:

Солнце — источник тепла и света на Земле.

Использование человеком энергии излучения Солнца.

8. ПЛАВЛЕНИЕ И ОТВЕРДЕВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ.

 

Эту тему можно начать с проведения наблюдений за изменением температуры при нагревании и плавлении нафталина. Можно продемонстрировать учащимся плавление тел и проанализировать полученный при этом график.

Учащиеся должны усвоить три следующих положения: существует температура, выше которой вещество в твердом состоянии не может находиться; температура во время плавления остается постоянной; процесс плавления требует притока энергии к плавящемуся веществу.

Учитель одновременно демонстрирует и записывает на доске данные о плавлении нафталина или льда и воска.

Нафталин рекомендуется брать химически чистым: резервуар термометра, помещенного внутрь малой пробирки, следует расположить в середине массы нафталина. Пробирку подбирают короткую и заполняют нафталином доверху во избежание осаждения его на стенках пробирки, что мешает снятию показаний термометра.

При выполнении лабораторной работы возникает трудность: горизонтальный участок графика при плавлении может оказаться столь коротким, что учащиеся могут его не обнаружить. Чтобы получить кривую, близкую к идеальной, можно ограничиться исследованием только процесса отвердевания нафталина. Время наблюдения при этом примерно 15 мин при массе нафталина 5 г. Наблюдения начинают с температуры воды, равной 90 °С. Тогда процесс отвердевания длится около 5 мин и оказывается резко выраженным на графике.

Для медленного нагревания испытуемых тел и правильного изменения их температуры малую пробирку с нафталином помещают внутри большой так, чтобы она не касалась стенок последней, а большую пробирку помещают в сосуд с водой, нагретой до кипения. Такая воздушно-водяная баня позволяет получить хорошие данные для вычерчивания графика.

При анализе полученного графика обращают внимание учащихся на постоянство температуры, при которой происходит плавление.

Далее рассматривают таблицу температур плавления. Отметив, что все металлы и их сплавы относятся к кристаллическим телам, предлагают учащимся в таблице найти металлы с наиболее низкой температурой плавления. Рассматривают применение тугоплавких металлов и сплавов для создания космических кораблей, реактивных двигателей, для изготовления спиралей тепловых электрических приборов. Полезно поставить ряд вопросов, вскрывающих понимание учащимися процесса и температуры плавления: