Теплові явища

Сонце – найбільше джерело тепла і світла для всього живого на Землі. Земля отримує тільки одну двохмільярдну частину всього тепла, яке виробляє Сонце. Сонячні промені, проходячи крізь атмосферу, потрапляють на Землю під різним кутом. Чим більший кут падіння сонячних променів, тим більше тепла отримує Земля. 1/3 сонячної енергії не доходить до Землі, а відбивається від атмосфери і знову потрапляє до космічного простору. 2/3 – проходить крізь атмосферу до поверхні нашої планети. Частина цієї енергії відбивається від земної поверхні, а інша частина – поглинається Землею, нагріває при цьому земну поверхню. Приземний шар повітря, нагріваючись, розширяється, його густина зменшується, і він піднімається вгору. Тепле повітря, піднімаючись на велику висоту, поступово охолоджується. Важчі шари холодного повітря переміщуються вниз, займаючи звільнене місце. Так, по черзі нагріваючись та охолоджуючись, постійно міняються місцями шари теплого та холодного повітря.

Одержуючи тепло, тіло нагрівається. Улітку під палючими променями Сонця каміння стає гарячим, але ледь Сонце сховається, вони охолоджуються. Біля палаючого вогнища тепло, але варто догоріти останньому поліну, як стає холодно. Явища, пов’язані з нагріванням і охолодженням тіл, називаютьтепловими явищами.

Різні джерела тепла здатні по-різному нагрівати тіла. Міру нагрітості тіл учені назвали температурою. Температуру вимірюють за допомогою термометра. Термометрами вимірюють температуру повітря в приміщенні і на вулиці, води в річках і ставках, ґрунту, тіла людини і тварини. Користуватися ними люди почали лише 400 років тому. Термометр складається з запаяної скляної трубки та шкали. Трубка частково заповнена підфарбованим спиртом, здатним змінювати свій об’єм під час нагрівання та охолодження. Шкала в термометрі потрібна для того, щоб фіксувати зміну об’єму рідини в трубці під впливом дії температури. Цю шкалу запропонував шведський учений Цельсій, тому температуру вимірюють у градусах Цельсія, скорочено записують °С. У медичному термометрі склянка трубка містить ртуть.

Температура тіл залежить від швидкості руху молекул речовини. Чим більшою є швидкість руху молекул, тим вища температура тіла. Чим менша швидкість руху молекул, тим температура тіла нижча. Швидкість нагрівання тіл залежить від агрегатного стану речовини.

Тепло завжди передається від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Різні тіла та речовини по-різному проводять тепло. Це залежить від того, з яких речовин вони складаються. Найкраще проводять тепло метали. Тому батареї опалення, радіатори автомобілів виготовляють саме з металів, а не з дерева чи пластмаси. Найпростіший спосіб швидко охолодити чай – занурити в склянку металеву ложку. Найгірше проводять тепло гази.

При нагріванні всі тіла здатні збільшувати свої розміри – розширюватися, а при охолодженні процес здійснюється в зворотному напрямі.

Теплові явища можна спостерігати в природі – це роса, сніг, іній, град, дощ, ожеледь, туман. У природі теплові явища повторюються. Наприклад, кожній порі року властиві різні явища: взимку – іній, сніг, ожеледь; навесні – дощ, град; влітку – туман, роса, дощ; восени – дощ, туман, ожеледь.

Фізичні явища в природі

Матерія навколо нас постійно змінюється. Деякі тіла переміщуються одне відносно одного, частина з них зіштовхуються й, можливо, руйнуються, з одних тіл утворюються інші... Перелік таких змін можна продовжувати й продовжувати — недарма ще в далеку давнину філософ Геракліт зауважив: «Усе тече, усе змінюється». Зміни в навколишньому світі, тобто в природі, учені називають спеціальним терміном —явища.

Все навколо живе в русі", —

Шепотів метелик мусі.

Он-де в'ється мошкара,

Жук наткнувсь на ліхтаря.

Відштовхніть всі охи-ахи,

Гляньте: бігають мурахи.

Черв'ячок повзе повільно,

Всі у русі — вільні-вільні!

Рис.2  Складне природне явище — гроза — являє собою поєднання цілого ряду фізичних явищ

Рис.1  Приклади природних явищ

 Схід і захід сонця, сходження снігової лавини, виверження вулкана, біг коня, стрибок пантери — усе це приклади різноманітних природних явищ (рис. 1).
  Щоб краще зрозуміти складні природні явища, учені розглядають їх як сукупність фізичних явищ — явищ, які можна описати за допомогою фізичних законів.
  На рис. 2 показано сукупність фізичних явищ, які утворюють складне природне явище — грозу. Так, блискавка — величезний електричний розряд — це електромагнітне явище. Якщо блискавка влучить у дерево, то воно спалахне й почне виділяти тепло — фізики в цьому випадку говорять про теплове явище. Гуркіт грому та потріскування охопленого вогнем дерева — звукові явища.
Приклади деяких фізичних явищ наведено в таблиці. Погляньте, наприклад, на перший її рядок. Що може бути спільного між польотом ракети, падінням каменя і обертанням цілої планети? Відповідь проста. Усі наведені в цьому рядку приклади явищ описуються одними й тими самими законами — законами механічного руху. За допомогою цих законів можна обчислити координати будь-якого тіла, що рухається (чи то камінь, чи ракета, чи планета), у будь-який момент, котрий цікавить нас.

Таблиця 1. Фізичні явища та їх приклади.

Теплові явища

Джерело енергії для Землі – Сонце. Сонячна енергія лежить в основі багатьох явищ, що відбуваються на поверхні і в атмосфері планети. Нагрівання, охолодження, випаровування, кипіння, конденсація – деякі приклади того, які теплові явища відбуваються навколо нас.

Ніякі процеси самі по собі не відбуваються. У кожного з них є своє джерело і механізм реалізації. Будь-які теплові явища в природі обумовлені отриманням тепла від зовнішніх джерел. Таким джерелом може виступати не тільки Сонце – вогонь теж з успіхом справляється з цією роллю.

Для подальшого розуміння того, що собою являють теплові явища, необхідно дати визначення теплоти. Теплота – енергетична характеристика теплообміну, іншими словами, того, скільки енергії віддає (отримує) тіло або система при взаємодії. Кількісно її можна охарактеризувати температурою: чим вона вища, тим більшою теплотою (енергією) володіє дане тіло.

У процесі взаємодії тіл один з одним відбувається передача тепла від гарячого до холодного тіла, тобто від тіла з більш високою енергією до тіла з меншою енергією. Цей процес називається теплопередачей. Як приклад можна розглянути окріп, налитий у склянку. Через деякий час стакан стане гарячим, тобто відбувся процес передачі тепла від гарячої води до холодного склянці.

Однак теплові явища характеризуються не тільки теплопередачей, а й таким поняттям, як теплопровідність. Що воно означає, можна пояснити на прикладі. Якщо поставити сковорідку на вогонь, то її ручка, хоч і не стикається з вогнем, нагріється так само, як і вся інша сковорода. Подібний нагрів забезпечується теплопровідністю. Нагрівання здійснюється в одному місці, а потім нагрівається все тіло. Або не нагрівається – це залежить від того, який теплопровідністю воно володіє. Якщо теплопровідність тіла висока, то тепло легко передається від однієї ділянки до іншого, якщо ж теплопровідність низька, то передачі тепла не відбувається.

До появи концепції теплоти фізика теплові явища пояснювала за допомогою поняття “теплород”. Вважалося, що кожна речовина володіє якоюсь субстанцією, аналогічної рідини, що виконує задачу, яку в сучасному поданні вирішує теплота. Але від ідеї теплорода відмовилися після того, як була сформульована концепція теплоти.

Тепер можна більш детально розглянути практичне застосування раніше введених визначень. Так, теплопровідність забезпечує теплообмін між тілами і всередині самого матеріалу. Високі значення теплопровідності властиві металам.
Для посуду, чайника це добре, оскільки дозволяє здійснювати підведення тепла до готуються продуктам. Однак і матеріали з низькою теплопровідністю теж знаходять своє застосування. Вони виступають у ролі теплоізоляторів, перешкоджаючи втраті тепла – наприклад, при будівництві. Завдяки застосуванню матеріалів з низькою теплопровідністю забезпечуються комфортні умови проживання в будинках.

Однак перерахованими вище способами теплопередача не обмежується. Є ще можливість передачі тепла без безпосереднього контакту тіл. Як приклад – потоки теплого повітря від обігрівача або радіатора системи опалення в квартирі. Від нагрітого предмета (обігрівача, радіатора) виходить потік теплого повітря, здійснюючи обігрів приміщення. Подібний спосіб обміну теплом називається конвекцією. У цьому випадку теплопередача здійснюється потоками рідини чи газу.

Якщо згадати, що теплові явища, що відбуваються на Землі, пов’язані з випромінюванням Сонця, то з’являється ще один спосіб теплопередачі – теплове випромінювання. Зумовлено воно електромагнітним випромінюванням нагрітого тіла. Саме так Сонце обігріває Землю.

У наведеному матеріалі розглянуті різні теплові явища, описаний джерело їх виникнення та механізми, завдяки яким вони відбуваються. Розглянуто питання практичного використання теплових явищ у повсякденній практиці.

Модуль 11. Демонстрація портфоліо.

Останній модуль присвячений переглядові та демонстрації Портфоліо. Я підготвав свої Портфоліо для усної презентації іншим учасникам. Демонстрація дає можливість отримати та надати коментарі на всі складові Портфоліо.

Вивчення Модуля допомогло мені попрактикувати надання конструктивних пропозицій та відгуків на демонстрацію робіт інших учасників. Події, такі як демонстрації, дозволяють ширшій аудиторії зробити свій внесок до робіт учнів та відзначити їхні досягнення, що сприятиме їх подальшому навчанню.

На мою думку найефективнішим для навчання моїх учнів буде вміння створювати власні проекти, мати можливість їх колективно обговорювати та самостійно оцінювати як свою роботу так і роботи інших учнів.