Изучение тепловых явлений в школьном курсе физики

Почему чайник, поставленный на включенную электрическую плитку, не распаивается, пока в нем находится вода?

9. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ И ОТВЕРДЕВАНИЯ.

 

Определение удельной теплоты плавления вводят после анализа графика плавления нафталина, позволяющего установить наличие теплообмена между нагревателем и телом без повышения его температуры и, следовательно, приводящего к мысли о существовании теплоты плавления. Записывают формулу Q = km. Выясняют с учащимися, почему в данной формуле отсутствует удельная теплоемкость тела. Внутренняя энергия плавящегося тела растет, а температура его не повышается. (Значит, теплоемкость плавящегося тела бесконечно велика).

Изученный материал закрепляют рассмотрением таблицы удельной теплоты плавления веществ и решением задач. При анализе таблицы от учащихся требуют полного ответа на вопрос: «Что показывает величина удельной теплоты плавления вещества?»

После тренировки с данными таблицы обращаются к анализу той части графика, которая относится к отвердеванию, и устанавливают наличие теплоты отвердевания.

При решении задач по данному разделу преимущественно используют прямые задачи на нахождение количества теплоты, необходимого для нагревания и плавления вещества, при этом вначале решают задачи на плавление (отвердевание) тел, взятых при температуре плавления (отвердевания), а затем рассматривают тела при температуре, отличной от температуры плавления (отвердевания). В заключение решают простейшие задачи, в которых по существу используют уравнение теплового баланса. Например:

Какое количество энергии надо для превращения 5 кг льда, взятого при —10 °С, в воду с температурой 20 °С?

При решении подобных задач нужно обратить внимание учащихся на то, что значение удельной теплоемкости для одного и того же вещества в различных агрегатных состояниях, в общем говоря, различно.

Например, при 20 ° С для воды с = 4200 , а для льда с =1800 при — 20 °С.

Наряду с вычислительными задачами особое значение в данной теме имеет также решение графических задач, подобных следующим:

Графики каких процессов изображены на рисунке 20.9?

При повторении в конце года в сильных по подготовке классах желательно провести лабораторную работу «Определение удельной теплоты плавления льда». Работу можно включить в заключительный физический практикум, если учитель решит проводить его в VIII классе.

                                                                                             

 

 

 

 

 

 

    Оборудование для работы: калориметр, весы, сосуд с кусочками тающего льда по 40—50 г, термометр, фильтровальная бумага, чайник с водой при температуре 30—35 °С.

10. ИСПАРЕНИЕ. КОНДЕНСАЦИЯ.

 

Изучение испарения можно начать с наблюдения учащимися уменьшения количества вещества при испарении, которое сопровождается понижением температуры испаряющейся жидкости. Для этого на теплоприемник, соединенный с манометром, помещают металлическую коробку, на дно которой наливают немного эфира. По мере испарения эфира жидкость в колене манометра, соединенном с теплоприемником, поднимается. Объясняют явление охлаждением теплоприемника, происходящим в результате испарения эфира. Желательно также поставить эффектный опыт, демонстрирующий примерзание металлического колпачка спиртовки. В колпачок наливают немного эфира и ставят его на влажную дощечку. Над поверхностью эфира продувают воздух резиновой грушей. Колпачок примерзает к дощечке, что наглядно свидетельствует о понижении температуры испаряющейся жидкости.

Анализируя опыт, объясняют ученикам, что при испарении жидкости отдельные наиболее быстро движущиеся молекулы могут вылетать с поверхности слоя наружу. Эти молекулы обладают кинетической энергией, большей или равной работе, которую необходимо совершить против сил сцепления, удерживающих их внутри жидкости. При этом температура жидкости, определяемая средней скоростью беспорядочного движения молекул, понижается. Понижение температуры жидкости свидетельствует о том, что внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Часть этой энергии расходуется на преодоление сил сцепления и на совершение расширяющимся паром работы против внешнего давления. С другой стороны, происходит увеличение внутренней энергии той части вещества, которая превратилась в пар вследствие увеличения расстояния между молекулами пара по сравнению с расстоянием между молекулами жидкости. Поэтому внутренняя энергия единицы массы пара больше, чем внутренняя энергия единицы массы жидкости при той же температуре.

Далее выясняют, от чего зависит испарение. Увеличение испарения в связи с повышением температуры можно показать на следующем опыте. На чашки технических весов ставят по кристаллизатору: один — с горячей водой, другой — с холодной. Весы уравновешивают. Пока учащиеся зарисовывают схему опыта, становится заметным нарушение равновесия весов. Масса горячей воды уменьшается быстрее, чем холодной. Зависимость испарения от размера свободной поверхности жидкости можно показать так. На весах уравновешивают пробирку и кристаллизатор с легко испаряющейся жидкостью, например с эфиром. Наблюдают, как постепенно поднимается та чашка весов, на которой установлен сосуд с большей свободной поверхностью жидкости.

На примерах и опытах нужно также показать зависимость испарения от скорости удаления паров с поверхности жидкости. Учащиеся хорошо знают, что в ветреную погоду белье, вывешенное для просушки, высыхает быстрее, чем в тихую. Быстрее просыхает пол после влажной уборки, если открыть окна в квартире. Продемонстрировать зависимость испарения от скорости удаления паров с поверхности жидкости можно с помощью следующего опыта. На колбы, соединенные с манометром, кладут одинаковые фланелевые тряпочки, смоченные спиртом. На одну из колб направляют воздушный поток от вентилятора и по показаниям манометра сразу обнаруживают, что испарение резко возрастает.

Зависимость скорости испарения от рода вещества испаряющейся жидкости можно показать так. Заготавливают лист чистой бумаги с названиями исследуемых жидкостей (эфир, спирт, вода, масло). На лист с помощью кисточек, смоченных различными жидкостями, наносят несколько полосок. Затем края листа смачивают водой (как клеем) и накладывают на оконное стекло в физическом кабинете. При дневном освещении места, смоченные жидкостями, хорошо видны в проходящем свете. В вечернее время лист бумаги укрепляют в штативе и используют подсвет. Сначала исчезает пятно от эфира, затем от спирта, воды и, наконец, останется одна масляная полоска.

При изучении данных вопросов возможна и иная последовательность: сначала предлагают учащимся на основе молекулярно-кинетических представлений предсказать, как будет зависеть скорость испарения жидкости от температуры, размера свободной поверхности жидкости и ветра, а затем проверить предположения опытом. Таким путем целесообразно изучать материал в более подготовленных классах.

Испарение твердого тела лучше показать, пользуясь искусственным льдом, если предоставляется такая возможность. Медленно и не так наглядно идет испарение нафталина и снега. Поэтому наблюдение за их испарением можно дать в качестве домашнего задания всему классу.

Полезно давать учащимся на дом творческие задачи по физике, например:

На раскаленную пластинку, плиту или сковородку пустите капли воды и пронаблюдайте за скоростью испарения этих капель. Объясните, почему при очень высокой температуре пластинки капля на ее поверхности держится неожиданно долго не испаряясь. Объясняют это тем, что «пары поддерживают каплю в воздухе. Слой пара, поддерживающий каплю во взвешенном состоянии, изолирует ее от металла, и она долго не испаряется».

В качестве примеров использования законов испарения можно указать на разбрызгивание воды в горячих цехах для охлаждения воздуха, на использование сушильных камер, где ускорения процесса испарения жидкостей (из овощей, семян, древесных пород) достигают повышением температуры и вентиляцией нагретого воздуха. Дают некоторые сведения о роли испарения в природе.

Всего с поверхности Земли за год испаряется в среднем 518 600 км³ воды. Этого количества воды достаточно, чтобы покрыть всю поверхность земного шара слоем большим, чем 1 м. Столько же в течение года выпадает осадков.

11. КИПЕНИЕ.

 

Кипение — это особый вид парообразования, отличный от испарения. Поэтому при изучении кипения обращают внимание на внешние признаки явления, на постоянство температуры кипения.

Демонстрируют кипение воды в колбе и объясняют его. Описание внешней картины явления связывают с выявлением следующего: на стенках сосуда образуется много мелких пузырьков; объем пузырьков увеличивается, и начинает сказываться подъемная сила; внутри жидкости происходят более или менее бурные и неправильные движения пузырьков. На поверхности пузырьки лопаются. Процесс всплывания и разрушения на поверхности жидкости пузырьков, заполненных воздухом с паром, и характеризует кипение. Вводят понятие температуры кипения.

С целью увеличения наглядности образования пузырьков пара, внутри жидкости можно кипятить жидкость, предварительно долго кипевшую. В этом случае можно наблюдать образование крупных пузырей пара с воздухом.

При выполнении лабораторной работы по теме учащиеся продолжают наблюдение кипения. После проведения работы полезно сравнить полученный график с графиком плавления и кристаллизации нафталина или льда.

Понимание особенностей кипения будет более полным при сравнении его с испарением. Учащиеся должны ясно представлять, что общего между кипением и испарением и в чем состоит существенное различие между ними. Кипение, как и испарение,— это парообразование. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре и любом внешнем давлении, а кипение — это парообразование во всем объеме жидкости при определенной для каждого вещества температуре, зависящей от внешнего давления.

В качестве домашнего задания всему классу предлагают внимательно пронаблюдать и запомнить, как начинает закипать и как кипит вода в открытом сосуде.

В учебнике и в программе не рассматривается вопрос о зависимости температуры кипения от внешнего давления, но дать его в осведомительном порядке весьма полезно.

Зависимость точки кипения от давления целесообразно показать на следующей установке. Берут пробирку, заполненную на одну треть водой. Нагревают воду в пробирке до кипения и, вставив в пробирку резиновую грушу, быстро сжимают ее. Кипение прекращается, хотя вода продолжает нагреваться. Убирают нагреватель. Быстро разжимают руку с резиновой грушей и вновь наблюдают кипение жидкости. Известный опыт с кипением воды под колоколом насоса более трудоемкий и показывает только понижение точки кипения при уменьшении давления. Опыт с кипением воды в перевернутой колбе, поливаемой холодной водой, требует дополнительных пояснений относительно уменьшения давления при охлаждении и конденсации пара. Его лучше показать в завершение темы для закрепления материала. При этом следует брать круглодонную, а не плоскодонную колбу, во избежание ее разрушения атмосферным давлением.

Зависимость температуры кипения от давления объясняют тем, что внешнее давление препятствует росту пузырьков пара внутри жидкости. Поэтому при повышении давления жидкость кипит при более высокой температуре. При изменении давления точка кипения меняется в более широких пределах, чем точка плавления.

В качестве технической установки, демонстрирующей зависимость точки кипения от повышения давления, используют котел Папина. При объяснении устройства котла необходимо подчеркнуть роль приспособления для регулировки давления пара. Оно не только выполняет функции предохранительного устройства, но и обеспечивает кипение воды в котле при определенной температуре.

12. КОНДЕНСАЦИЯ.

 

После изучения парообразования логично поставить вопрос о противоположном процессе — конденсации пара.

Вновь проводят кипячение воды в колбе и наблюдают образование пара. Ставят на пути струи пара холодный предмет, например лист железа, и наблюдают появление на его нижней поверхности капелек воды.

Далее следует показать конденсацию паров, находящихся в воздухе. С этой целью наливают эфир в пробирку или стакан и продувают воздух, пока на стенках пробирки или стакана не появятся капельки воды.

Наблюдаемые явления используют для объяснения круговорота воды в природе, образования тумана, выпадения росы.

Проще продемонстрировать наличие теплоты конденсации, чем парообразования, поэтому изложение вопроса начинают с демонстрации следующего опыта. Конец резиновой трубки, присоединенной к колбе с кипящей водой, опускают в стакан с холодной водой. Пар, попадая в стакан, охлаждается и конденсируется, о чем свидетельствует повышение уровня воды в стакане. Нагревание воды в стакане обнаруживают с помощью термометра. Налив в стакан столько же кипятка, сколько сконденсировалось пара, мы получим значительно меньшее повышение температуры.

Рассказывают о проявлении этого явления в природе и использовании в технике. Обращают внимание на данные таблицы зависимости удельной теплоты парообразования от температуры. Эти сведения окажутся полезными при изучении темы «Тепловые двигатели». В заключение решают задачи. Приемы решения задач на парообразование и конденсацию аналогичны решению задач на нахождение теплоты плавления. Теплоту парообразования выражают формулой Q = Lm, где L — удельная теплота парообразования.

В качестве примера использования энергии, выделяющейся при конденсации пара, рассматривают систему парового отопления.

13. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ.