Что такое тепло на самом деле? Если рассмотреть достаточно близко, все состоит из крошечных частиц, которые постоянно движутся. Нагрейте что-нибудь, и его частицы начнут двигаться быстрее. Охладите, и…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)
2.1
States of matter 物态 · Агрегатные состояния вещества
Syllabus · Программа
English
2.1.1 States of matter
Core
Supplement
1 Know the distinguishing properties of solids, liquids and gases
2 Know the terms for the changes in state between solids, liquids and gases (gas to solid and solid to gas transfers are not required)
2.1.2 Particle model
Core
Supplement
1 Describe the particle structure of solids, liquids and gases in terms of the arrangement, separation and motion of the particles and represent these states using simple particle diagrams
6 Know that the forces and distances between particles (atoms, molecules, ions and electrons) and the motion of the particles affects the properties of solids, liquids and gases
2 Describe the relationship between the motion of particles and temperature, including the idea that there is a lowest possible temperature ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), known as absolute zero, where the particles have least kinetic energy
3 Describe the pressure and the changes in pressure of a gas in terms of the motion of its particles and their collisions with a surface
7 Describe the pressure and the changes in pressure of a gas in terms of the forces exerted by particles colliding with surfaces, creating a force per unit area
4 Know that the random motion of microscopic particles in a suspension is evidence for the kinetic particle model of matter
8 Know that microscopic particles may be moved by collisions with light fast-moving molecules and correctly use the terms atoms or molecules as distinct from microscopic particles
5 Describe and explain this motion (sometimes known as Brownian motion) in terms of random collisions between the microscopic particles in a suspension and the particles of the gas or liquid
2.1.3 Gases and the absolute scale of temperature
Core
Supplement
1 Describe qualitatively, in terms of particles, the effect on the pressure of a fixed mass of gas of: (a) a change of temperature at constant volume (b) a change of volume at constant temperature
3 Recall and use the equation $pV = \text{constant}$ for a fixed mass of gas at constant temperature, including a graphical representation of this relationship
2 Convert temperatures between kelvin and degrees Celsius; recall and use the equation $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$
Русский
2.1.1 Агрегатные состояния вещества
Базовый
Дополнительно
1 Знать отличительные свойства твердых тел, жидкостей и газов
2 Знать термины для переходов между твердыми телами, жидкостями и газами (переходы газ-твердое тело и твердое тело-газ не требуются)
2.1.2 Молекулярная модель
Базовый
Дополнительно
1 Описывать структуру частиц твердых тел, жидкостей и газов с учетом их расположения, расстояния между ними и движения, а также представлять эти состояния с помощью простых схем частиц
6 Знать, что силы и расстояния между частицами (атомами, молекулами, ионами и электронами), а также движение частиц влияют на свойства твердых тел, жидкостей и газов
2 Описывать связь между движением частиц и температурой, включая идею о том, что существует минимально возможная температура ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), известная как абсолютный ноль, при которой частицы имеют наименьшую кинетическую энергию
3 Описывать давление и изменения давления газа с точки зрения движения его частиц и их столкновений со стенками сосуда
7 Описывать давление и изменения давления газа с точки зрения сил, создаваемых частицами при ударах о стенки, формируя силу на единицу площади
4 Знать, что хаотичное движение микроскопических частиц в суспензии является доказательством кинетической молекулярной теории вещества
8 Знать, что микроскопические частицы могут перемещаться под воздействием ударов быстрых молекул, и правильно использовать термины «атомы» или «молекулы» в отличие от термина «микроскопические частицы»
5 Описывать и объяснять это движение (иногда называемое броуновским движением) с точки зрения случайных столкновений между микроскопическими частицами в суспензии и частицами газа или жидкости
2.1.3 Газы и абсолютная шкала температуры
Базовый
Дополнительно
1 Качественно описывать с точки зрения частиц влияние на давление фиксированной массы газа: (a) изменения температуры при постоянном объеме (b) изменения объема при постоянной температуре
3 Вспомнить и использовать уравнение $pV = \text{constant}$ для фиксированной массы газа при постоянной температуре, включая графическое представление этой зависимости
2 Переводить температуры между кельвинами и градусами Цельсия; вспомнить и использовать уравнение $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Kinetic theory: gas pressure
Matter exists in three states: solid 固体, liquid 液体 and gas 气体.
State
Shape
Volume
Particles
Solid
fixed
fixed
close together, in a regular pattern, vibrating
Liquid
takes the shape of the container
fixed
close together, no pattern, can move past each other
Gas
fills the container
changes
far apart, fast, random motion
The changes of state are: melting (solid → liquid), boiling/evaporating (liquid → gas), condensation 凝结 (gas → liquid) and solidification 凝固 (liquid → solid). In condensation the gas particles slow down and come close together to form a liquid. In solidification the liquid particles lose energy and settle into fixed positions.
Русский
Кинетическая теория: давление газа
Вещество существует в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.
Состояние
Форма
Объем
Частицы
Твердое
постоянная
постоянный
расположены близко друг к другу, в регулярном порядке, колеблются
Жидкое
принимает форму сосуда
постоянный
расположены близко друг к другу, без порядка, могут перемещаться относительно друг друга
Газ
занимает весь сосуд
изменяется
расположены далеко друг от друга, быстрые, хаотичное движение
Изменения агрегатных состояний: плавление (твердое → жидкое), кипение/испарение (жидкое → газ), конденсация (газ → жидкое) и кристаллизация (жидкое → твердое). При конденсации частицы газа замедляются и сближаются, образуя жидкость. При кристаллизации частицы жидкости теряют энергию и занимают фиксированные позиции.
The kinetic particle model 分子动理论 · Кинетическая модель частиц
English
All matter is made of tiny particles 粒子 that are always moving. This is the kinetic particle model.
In a solid the particles only vibrate 振动 about fixed positions.
In a liquid they are still close but can slide past each other.
In a gas they are far apart and move quickly in random directions.
Temperature and particle energy
When you heat a substance, its particles move faster, so they have more kinetic energy 动能. Temperature 温度 is a measure of the average kinetic energy of the particles.
The lowest possible temperature is absolute zero 绝对零度, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. At this point the particles have the least possible energy.
Gas pressure
Gas particles hit the walls of their container. Each hit is a tiny push. The pressure 压强 of the gas is the total force of these hits per unit area.
Heating a gas (at constant volume) makes particles move faster and hit harder and more often, so the pressure rises.
Squeezing a gas into a smaller volume (at constant temperature) means more hits per second on each unit of area, so the pressure rises.
For a fixed mass of gas at constant temperature:
$$pV = \text{constant}$$
So if the volume halves, the pressure doubles.
Worked example. A gas has a volume of $200\ \text{cm}^3$ at a pressure of $100\ \text{kPa}$. It is squeezed to $50\ \text{cm}^3$ at constant temperature. Find the new pressure.
If you look at smoke in air under a microscope, you see tiny specks moving in a jerky, random way. This is Brownian motion 布朗运动. The specks are pushed by fast, invisible air particles hitting them. It is strong evidence for the kinetic particle model.
The kelvin scale
Scientists often use the kelvin 开尔文 (K) temperature scale, which starts at absolute zero. To convert:
$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$
So $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.
Worked example. Convert $25\,{}^{\circ}\text{C}$ to kelvin, and $200\ \text{K}$ to degrees Celsius.
Все вещества состоят из крошечных частиц, которые постоянно движутся. Это кинетическая модель частиц.
В твердом теле частицы только колеблются около фиксированных позиций.
В жидкости они все еще расположены близко друг к другу, но могут скользить друг относительно друга.
В газе они находятся далеко друг от друга и быстро движутся в случайных направлениях.
Одни и те же частицы в трех состояниях: зафиксированы и упорядочены в твердом теле, расположены близко, но беспорядочно в жидкости, далеко друг от друга и быстро движутся в газе
Температура и энергия частиц
При нагревании вещества его частицы движутся быстрее, поэтому их кинетическая энергия увеличивается. Температура — это мера средней кинетической энергии частиц.
Наименьшая возможная температура — абсолютный ноль, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. В этот момент частицы имеют наименьшую возможную энергию.
Цифровой термометр измеряет температуру, регистрируя кинетическую энергию частиц, с которыми он соприкасается
Давление газа
Частицы газа ударяются о стенки своего сосуда. Каждый удар — это крошечное толчок. Давление газа — это суммарная сила этих ударов на единицу площади.
Давление газа — это суммарная сила бесчисленных ударов частиц на каждую единицу площади стенки
Нагревание газа (при постоянном объеме) заставляет частицы двигаться быстрее, ударяться сильнее и чаще, поэтому давление возрастает.
Сжатие газа до меньшего объема (при постоянной температуре) означает больше ударов в секунду на каждую единицу площади, поэтому давление возрастает.
Для фиксированной массы газа при постоянной температуре:
$$pV = \text{constant}$$
Поэтому, если объем уменьшается вдвое, давление удваивается.
При постоянной температуре график зависимости давления от объема представляет собой кривую: уменьшите объем вдвое, и давление удвоится, так что $pV$ остается постоянным
Разобранный пример. Газ занимает объем $200\ \text{cm}^3$ при давлении $100\ \text{kPa}$. Его сжимают до $50\ \text{cm}^3$ при постоянной температуре. Найдите новое давление.
Поскольку $pV$ остается постоянным, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:
Если посмотреть на дым в воздухе под микроскопом, вы увидите крошечные крупинки, движущиеся неровными, хаотичными рывками. Это броуновское движение. Крупинки толкаются быстрыми невидимыми частицами воздуха, ударяющимися о них. Это сильное доказательство кинетической модели частиц.
Случайные удары быстрых частиц воздуха толкают частицу дыма по неровному, хаотичному пути
Шкала Кельвина
Ученые часто используют шкалу температур кельвины (K), которая начинается с абсолютного нуля. Для перевода:
$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$
Squeeze a gas (Boyle's law) · Сжатие газа (закон Бойля)
Slide the piston in to shrink the volume. The same particles get crammed into less space, so they hit the walls more often and the pressure climbs — while pressure × volume stays constant. · Вдвиньте поршень, чтобы уменьшить объем. Те же самые частицы упаковываются в меньшем пространстве, поэтому они чаще ударяются о стенки, и давление растет — пока произведение давления на объем остается постоянным.
transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/
передача тепловой энергии
2.2
Thermal expansion 热膨胀 · Тепловое расширение
Syllabus · Программа
English
2.2.1 Thermal expansion of solids, liquids and gases
Core
Supplement
1 Describe, qualitatively, the thermal expansion of solids, liquids and gases at constant pressure
3 Explain, in terms of the motion and arrangement of particles, the relative order of magnitudes of the expansion of solids, liquids and gases as their temperatures rise
2 Describe some of the everyday applications and consequences of thermal expansion
2.2.2 Specific heat capacity
Core
Supplement
1 Know that a rise in the temperature of an object increases its internal energy
2 Describe an increase in temperature of an object in terms of an increase in the average kinetic energies of all of the particles in the object
3 Define specific heat capacity as the energy required per unit mass per unit temperature increase; recall and use the equation
$$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
4 Describe experiments to measure the specific heat capacity of a solid and a liquid
2.2.3 Melting, boiling and evaporation
Core
Supplement
1 Describe melting and boiling in terms of energy input without a change in temperature
6 Describe the differences between boiling and evaporation
2 Know the melting and boiling temperatures for water at standard atmospheric pressure
3 Describe condensation and solidification in terms of particles
4 Describe evaporation in terms of the escape of more-energetic particles from the surface of a liquid
7 Describe how temperature, surface area and air movement over a surface affect evaporation
5 Know that evaporation causes cooling of a liquid
8 Explain the cooling of an object in contact with an evaporating liquid
Русский
2.2.1 Тепловое расширение твердых тел, жидкостей и газов
Базовый
Дополнительно
1 Описывать качественно тепловое расширение твердых тел, жидкостей и газов при постоянном давлении
3 Объяснять, исходя из движения и расположения частиц, относительный порядок величин расширения твердых тел, жидкостей и газов при повышении их температуры
2 Описывать некоторые бытовые применения и последствия теплового расширения
2.2.2 Удельная теплоемкость
Базовый
Дополнительно
1 Знать, что повышение температуры тела увеличивает его внутреннюю энергию
2 Описывать повышение температуры тела с точки зрения увеличения средней кинетической энергии всех частиц в этом теле
3 Давать определение удельной теплоемкости как количества энергии, необходимого на единицу массы на единицу повышения температуры; знать и использовать уравнение
$$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
4 Описывать опыты по измерению удельной теплоемкости твердого тела и жидкости
2.2.3 Плавление, кипение и испарение
Базовый
Дополнительно
1 Описывать плавление и кипение с точки зрения подвода энергии без изменения температуры
6 Описывать различия между кипением и испарением
2 Знать температуру плавления и кипения воды при стандартном атмосферном давлении
3 Описывать конденсацию и затвердевание с точки зрения частиц
4 Описывать испарение с точки зрения выхода более энергичных частиц с поверхности жидкости
7 Описывать, как температура, площадь поверхности и движение воздуха над поверхностью влияют на испарение
5 Знать, что испарение вызывает охлаждение жидкости
8 Объяснять охлаждение тела, находящегося в контакте с испаряющейся жидкостью
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
When matter is heated, its particles move more and take up more space, so the material expands. Gases expand the most, then liquids, then solids. This order comes from the forces between the particles: in a solid the particles are held tightly in a lattice 晶格 (a fixed pattern), so they can only vibrate a little more; in a liquid they are held less strongly; in a gas the forces are very weak, so the particles spread out much more.
Everyday examples: gaps are left between railway lines; bridges sit on rollers; a tight metal lid loosens when heated.
Русский
При нагревании вещества его частицы начинают двигаться активнее и занимают больше места, поэтому материал расширяется. Газы расширяются больше всего, затем жидкости, затем твердые тела. Этот порядок обусловлен силами между частицами: в твердом теле частицы удерживаются плотно в кристаллической решетке (фиксированном узоре), поэтому они могут лишь немного больше колебаться; в жидкости они удерживаются слабее; в газе силы очень слабы, поэтому частицы рассеиваются гораздо сильнее.
Примеры из повседневной жизни: оставлены зазоры между рельсами; мосты стоят на роликах; тугая металлическая крышка ослабевает при нагревании.
Небольшой зазор оставляется между рельсами в холодном состоянии, чтобы при расширении от жары зазор закрылся, а не деформировался путь
Explore · Исследовать
Heating and specific heat capacity · Нагревание и удельная теплоемкость
Q = mcΔT
The heat energy needed is proportional to the temperature rise for a given mass of material. · Необходимая тепловая энергия пропорциональна повышению температуры для данного количества вещества.
Internal energy and specific heat capacity · Внутренняя энергия и удельная теплоемкость
English
The internal energy 内能 of an object is the total energy of all its particles. Heating an object raises its internal energy and usually its temperature.
The specific heat capacity 比热容 is the energy needed to raise the temperature of 1 kg of a material by 1 °C.
$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$
A material with a high specific heat capacity (like water) needs a lot of energy to warm up and cools down slowly.
Worked example. How much energy is needed to heat $2.0\ \text{kg}$ of water from $20\,{}^{\circ}\text{C}$ to $70\,{}^{\circ}\text{C}$? The specific heat capacity of water is $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.
Rearranging $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ gives $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, with $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:
Measuring specific heat capacity. For a solid, use a metal block with two holes: one for an electric heater 加热器 and one for a thermometer 温度计. Measure the mass $m$ of the block. Switch on the heater for a measured time $t$ and record the current $I$ and the voltage $V$, so the energy supplied is $E = IVt$ (or read the energy from a joulemeter). Record the temperature rise $\Delta\theta$. Then $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. For a liquid, heat a measured mass of the liquid in a container and stir it, so the temperature is the same all through. Wrap the block or the container in insulating material 隔热材料, so less energy escapes to the air.
Русский
Внутренняя энергия объекта — это полная энергия всех его частиц. Нагревание объекта повышает его внутреннюю энергию и обычно его температуру.
Удельная теплоемкость — это энергия, необходимая для повышения температуры 1 кг материала на 1 °C.
$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$
Материал с высокой удельной теплоемкостью (например, вода) требует много энергии для нагрева и медленно остывает.
Разобранный пример. Сколько энергии нужно, чтобы нагреть $2.0\ \text{kg}$ воды от $20\,{}^{\circ}\text{C}$ до $70\,{}^{\circ}\text{C}$? Удельная теплоемкость воды составляет $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.
Выразив $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$, получаем $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, где $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:
Измерение удельной теплоемкости. Для твердого тела используйте металлический блок с двумя отверстиями: одно для электрического нагревателя, другое для термометра. Измерьте массу $m$ блока. Включите нагреватель на измеренное время $t$ и запишите силу тока $I$ и напряжение $V$, так что подведенная энергия равна $E = IVt$ (или прочитайте энергию с джоулеметра). Запишите повышение температуры $\Delta\theta$. Затем рассчитайте $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. Для жидкости нагрейте измеренную массу жидкости в контейнере и перемешивайте ее, чтобы температура была одинаковой по всему объему. Оберните блок или контейнер теплоизоляционным материалом, чтобы меньше энергии выходило в воздух.
Кипячение воды: внутренняя энергия растет вместе с температурой; удельная теплоемкость — это энергия на кг на °C
Melting, boiling and evaporation · Плавление, кипение и испарение
English
Melting 熔化 and boiling 沸腾 need energy, but the temperature stays the same while the state changes. This energy breaks the forces between particles. For water at normal air pressure, melting is at $0\,{}^{\circ}\text{C}$ and boiling at $100\,{}^{\circ}\text{C}$.
Evaporation 蒸发 is when a liquid changes to a gas at its surface, below the boiling point. The fastest particles escape from the surface. Because the fastest (most energetic) particles leave, the average energy of those left behind falls, so the liquid cools down 冷却. An object touching an evaporating liquid also cools, because the liquid takes energy from it: this is why sweat cools your skin.
Evaporation is faster when the temperature is higher, the surface area is larger, and there is more air movement over the surface.
Русский
Плавление и кипение требуют энергии, но температура остается неизменной во время изменения агрегатного состояния. Эта энергия разрывает связи между частицами. Для воды при нормальном атмосферном давлении плавление происходит при $0\,{}^{\circ}\text{C}$, а кипение — при $100\,{}^{\circ}\text{C}$.
Во время плавления и кипения температура остается постоянной, хотя энергия продолжает поступать
Испарение — это переход жидкости в газ с ее поверхности ниже температуры кипения. Наиболее быстрые частицы вылетают с поверхности. Поскольку уходят самые быстрые (самые энергичные) частицы, средняя энергия оставшихся снижается, поэтому жидкость охлаждается. Предмет, соприкасающийся с испаряющейся жидкостью, также охлаждается, так как жидкость забирает энергию у него: именно поэтому пот охлаждает кожу.
Испарение происходит быстрее при более высокой температуре, большей площади поверхности и большем движении воздуха над поверхностью.
Explore · Исследовать
The heating curve — watch the temperature pause · График нагрева — обратите внимание на паузу температуры
While the substance is melting or boiling the temperature stays flat, even though heat is still going in — the energy breaks bonds instead of warming it. · Пока вещество плавится или кипит, температура остается неизменной, хотя тепло все еще подводится — энергия расходуется на разрыв связей, а не на нагрев.
2.3
Transfer of thermal energy 热能传递 · Передача тепловой энергии
Syllabus · Программа
English
2.3.1 Conduction
Core
Supplement
1 Describe experiments to demonstrate the properties of good thermal conductors and bad thermal conductors (thermal insulators)
2 Describe thermal conduction in all solids in terms of atomic or molecular lattice vibrations and also in terms of the movement of free (delocalised) electrons in metallic conductors
3 Describe, in terms of particles, why thermal conduction is bad in gases and most liquids
4 Know that there are many solids that conduct thermal energy better than thermal insulators but do so less well than good thermal conductors
2.3.2 Convection
Core
Supplement
1 Know that convection is an important method of thermal energy transfer in liquids and gases
2 Explain convection in liquids and gases in terms of density changes and describe experiments to illustrate convection
2.3.3 Radiation
Core
Supplement
1 Know that thermal radiation is infrared radiation and that all objects emit this radiation
2 Know that thermal energy transfer by thermal radiation does not require a medium
4 Know that for an object to be at a constant temperature it needs to transfer energy away from the object at the same rate that it receives energy
3 Describe the effect of surface colour (black or white) and texture (dull or shiny) on the emission, absorption and reflection of infrared radiation
5 Know what happens to an object if the rate at which it receives energy is less or more than the rate at which it transfers energy away from the object
6 Know how the temperature of the Earth is affected by factors controlling the balance between incoming radiation and radiation emitted from the Earth’s surface
7 Describe experiments to distinguish between good and bad emitters of infrared radiation
8 Describe experiments to distinguish between good and bad absorbers of infrared radiation
9 Describe how the rate of emission of radiation depends on the surface temperature and surface area of an object
2.3.4 Consequences of thermal energy transfer
Core
Supplement
1 Explain some of the basic everyday applications and consequences of conduction, convection and radiation, including: (a) heating objects such as kitchen pans (b) heating a room by convection
2 Explain some of the complex applications and consequences of conduction, convection and radiation where more than one type of thermal energy transfer is significant, including: (a) a fire burning wood or coal (b) a radiator in a car
Русский
2.3.1 Теплопроводность
Базовый
Дополнительно
1 Описывать опыты для демонстрации свойств хороших теплопроводников и плохих теплопроводников (теплоизоляторов)
2 Описывать тепловую проводимость во всех твердых телах с точки зрения колебаний атомной или молекулярной решетки, а также с точки зрения движения свободных (делокализованных) электронов в металлических проводниках
3 Описывать с точки зрения частиц, почему теплопроводность плоха в газах и большинстве жидкостей
4 Знать, что существуют многие твердые тела, которые проводят тепловую энергию лучше, чем теплоизоляторы, но хуже, чем хорошие теплопроводники
2.3.2 Конвекция
Базовый
Дополнительно
1 Знать, что конвекция является важным методом передачи тепловой энергии в жидкостях и газах
2 Объяснять конвекцию в жидкостях и газах с точки зрения изменений плотности и описывать опыты для иллюстрации конвекции
2.3.3 Излучение
Базовый
Дополнительно
1 Знать, что тепловое излучение — это инфракрасное излучение, и что все тела испускают это излучение
2 Знать, что передача тепловой энергии путем теплового излучения не требует среды
4 Знать, что для поддержания постоянной температуры тело должно отдавать энергию с той же скоростью, с которой оно её получает
3 Описывать влияние цвета поверхности (черный или белый) и текстуры (матовая или блестящая) на испускание, поглощение и отражение инфракрасного излучения
5 Знать, что происходит с телом, если скорость поступления в него энергии меньше или больше скорости отвода энергии
6 Знать, как температура Земли зависит от факторов, регулирующих баланс между incoming radiation и излучением, испускаемым поверхностью Земли
7 Описывать опыты для различения хороших и плохих излучателей инфракрасного излучения
8 Описывать опыты для различения хороших и плохих поглотителей инфракрасного излучения
9 Описывать, как скорость излучения зависит от температуры поверхности и площади поверхности тела
2.3.4 Последствия передачи тепловой энергии
Базовый
Дополнительно
1 Объяснять некоторые базовые бытовые применения и последствия теплопроводности, конвекции и излучения, включая: (a) нагрев предметов, таких как кухонные сковороды (b) обогрев помещения конвекцией
2 Объяснять некоторые сложные применения и последствия теплопроводности, конвекции и излучения, где значимо более одного типа передачи тепловой энергии, включая: (a) горение дров или угля в огне (b) радиатор в автомобиле
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Thermal energy moves from hotter places to colder places in three ways.
Conduction
Conduction 热传导 is the transfer of thermal energy through a material without the material moving. The particles in a solid sit in a lattice. Heated particles vibrate more and pass the energy to their neighbours. In metals, free electrons (delocalised electrons 自由电子) carry energy quickly, so metals are good thermal conductors 热导体.
Materials that conduct badly (like air, wood and plastic) are thermal insulators 热绝缘体.
Testing conductors. Fix a drawing pin with a little wax to one end of rods of copper, iron, glass and wood, and heat the other ends equally. The pin drops first from the copper rod, then from the iron rod, and last (or never) from the glass and the wood: metals are the best conductors. A metal rod held in a flame soon feels hot; a wooden rod does not.
Gases and most liquids are bad conductors because their particles are far apart and only pass on energy when they happen to collide. There is no lattice and there are no free electrons.
Convection
Convection 对流 happens in liquids and gases. When a fluid is heated it expands, becomes less dense, and rises. Cooler, denser fluid sinks to take its place. This circle of moving fluid is a convection current.
Showing convection. Drop a crystal of purple potassium permanganate 高锰酸钾 into a beaker of water and heat the beaker gently under the crystal. A coloured stream rises above the heat, spreads across the top and sinks at the sides. In air, a lit candle under one chimney of a smoke box pulls smoke down the other chimney and up above the flame.
Convection cannot happen in a solid because the particles cannot move from place to place.
Radiation
Thermal radiation 热辐射 is energy carried by infrared 红外线 waves. All objects emit it, and it needs no material to travel through — it can cross empty space (this is how energy reaches us from the Sun).
A surface that is dull 暗淡 and black is a good emitter 发射体 and a good absorber 吸收体 of infrared. A surface that is shiny and white is a poor emitter and a good reflector 反射体.
Comparing surfaces. Fill two cans, one dull black and one shiny silver, with hot water at the same temperature, and put a thermometer in each. The black can cools faster, so it is the better emitter. Then put the same two cans, full of cold water, at equal distances from a heater. The black can warms faster, so it is the better absorber. A Leslie cube 莱斯利立方体 (a metal box with one side of each finish) shows the same thing.
An object stays at a constant temperature when it emits energy at the same rate as it absorbs energy. The rate of emission is greater when the surface is hotter and larger. If an object absorbs energy faster than it emits it, its temperature rises; if it emits faster than it absorbs, its temperature falls.
The Earth's temperature. The Earth absorbs radiation from the Sun and emits infrared radiation back into space. Its average temperature stays constant only when the two rates are equal. Anything that changes this balance changes the temperature. Gases in the atmosphere 大气 such as carbon dioxide absorb some of the emitted infrared and send part of it back down, so more of these gases warms the Earth. Clouds and ice reflect incoming sunlight, so less ice means more energy is absorbed, and the Earth warms further.
Everyday examples
A kitchen pan has a metal base that conducts energy quickly to the food, and a plastic or wooden handle that is an insulator, so you can hold it.
A radiator 散热器 heats a room by convection: the air next to it warms, rises, and cooler air flows in to take its place, so the whole room warms.
Sitting near a fire you feel its radiation on your face at once; the air between you and the fire is a poor conductor.
A vacuum flask 保温瓶 keeps a drink hot by stopping all three transfers: the vacuum between its double walls stops conduction and convection, and its shiny silver surfaces stop radiation.
Русский
Тепловая энергия передается из горячих мест в холодные тремя способами.
Теплопроводность
Теплопроводность — это передача тепловой энергии через тело без движения самого тела. Частицы в твердом теле образуют кристаллическую решетку. Нагретые частицы начинают колебаться сильнее и передают энергию соседним частицам. В металлах свободные электроны (делокализованные электроны) быстро переносят энергию, поэтому металлы являются хорошими теплопроводниками.
Материалы, которые плохо проводят тепло (например, воздух, дерево и пластик), называются теплоизоляторами.
Проверка проводников. Прикрепите булавку с помощью небольшого количества воска к одному концу стержней из меди, железа, стекла и дерева, а другие концы нагревайте одинаково. Булавка падает первой с медного стержня, затем с железного, и последней (или вовсе не падает) со стеклянного и деревянного: металлы — лучшие проводники. Металлический стержень, удерживаемый в пламени, быстро становится горячим; деревянный — нет.
Газы и большинство жидкостей являются плохими проводниками, потому что их частицы находятся далеко друг от друга и передают энергию только при столкновении. В них отсутствует кристаллическая решетка и нет свободных электронов.
При теплопроводности колеблющиеся частицы передают энергию соседям, поэтому энергия течет от горячего конца к холодному
Конвекция
Конвекция происходит в жидкостях и газах. Когда жидкость нагревается, она расширяется, становится менее плотной и поднимается вверх. Более холодная и плотная жидкость опускается вниз, занимая освободившееся место. Этот поток движущейся жидкости называется конвекционным током.
Нагретая жидкость поднимается, а холодная опускается, создавая конвекционный ток
Демонстрация конвекции. Опустите кристалл фиолетового перманганата калия в стакан с водой и осторожно нагревайте стакан под кристаллом. Цветная струя поднимается над источником тепла, распространяется по верхней поверхности и опускается по бокам. В воздухе зажженная свеча под одной трубкой дымовой коробки затягивает дым через другую трубку и поднимается вверх над пламенем.
Конвекция не может происходить в твердых телах, поскольку частицы не могут перемещаться из места в место.
Излучение
Тепловое излучение — это энергия, переносимая инфракрасными волнами. Все тела испускают его, и оно не требует среды для распространения — может穿过 пустоту (таким образом энергия достигает нас от Солнца).
Поверхность, которая матовая и черная, является хорошим излучателем и хорошим поглотителем инфракрасного излучения. Поверхность, которая блестящая и белая, является плохим излучателем и хорошим отражателем.
Матовая черная поверхность излучает (и поглощает) инфракрасное излучение гораздо лучше, чем блестящая белая
Сравнение поверхностей. Налейте горячую воду одинаковой температуры в две банки: одну матово-черную, другую блестящую серебряную, и поместите в каждую термометр. Черная банка остывает быстрее, значит, она лучший излучатель. Затем поместите те же две банки, наполненные холодной водой, на равном расстоянии от нагревателя. Черная банка нагревается быстрее, значит, она лучший поглотитель. Кубик Лесли (металлический куб с гранями разной обработки) демонстрирует то же самое.
Тепловизионная (инфракрасная) камера преобразует инфракрасное излучение, исходящее от теплой руки, в изображение; яркость означает высокую температуру
Объект сохраняет постоянную температуру, когда испускает энергию с той же скоростью, какой он ее поглощает. Скорость испускания больше, если поверхность горячее и больше. Если объект поглощает энергию быстрее, чем испускает, его температура повышается; если испускает быстрее, чем поглощает, — понижается.
Температура Земли. Земля поглощает излучение Солнца и испускает инфракрасное излучение обратно в космос. Ее средняя температура остается постоянной только тогда, когда эти два процесса уравновешены. Любое нарушение этого баланса меняет температуру. Газы в атмосфере, такие как углекислый газ, поглощают часть испускаемого инфракрасного излучения и возвращают его часть обратно, поэтому увеличение содержания этих газов приводит к потеплению Земли. Облака и лед отражаютincoming солнечный свет, поэтому уменьшение ледяного покрова означает большее поглощение энергии и дальнейшее потепление Земли.
Повседневные примеры
У кухонной сковороды металлическое дно быстро проводит тепло к еде, а ручка сделана из пластика или дерева, что является теплоизолятором, поэтому ее можно держать в руке.
Радиатор нагревает комнату за счет конвекции: воздух рядом с ним прогревается, поднимается вверх, а на его место поступает более холодный воздух, благодаря чему прогревается вся комната.
Сидя у костра, вы чувствуете его излучение на лице мгновенно; воздух между вами и огнем является плохим проводником.
Термос сохраняет напиток горячим, предотвращая все три вида теплопередачи: вакуум между двойными стенками исключает теплопроводность и конвекцию, а блестящие серебристые поверхности отражают излучение.
Explore · Исследовать
Heat transfer lab · Лабораторная работа по теплообмену
Compare the routes by which thermal energy moves. · Сравните пути переноса тепловой энергии.
In the kinetic particle model, heating a gas makes its particles move faster and hit the walls harder and more often, so the pressure rises. The particles themselves do not get bigger.
Evaporation happens only at the surface and at any temperature; boiling happens throughout the liquid at one fixed temperature. Evaporation cools the liquid left behind, because the fastest particles escape.
During melting and boiling the temperature stays constant even though energy is still being supplied — that energy breaks the forces between particles.
For specific heat capacity use $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, where $\Delta\theta$ is the change in temperature, not the final temperature.
Dull black surfaces are the best emitters and absorbers of infrared; shiny, light surfaces are the best reflectors. Convection needs a fluid to flow, so it cannot happen in a solid.
Русский
В кинетической модели частиц нагревание газа заставляет его частицы двигаться быстрее, ударяться о стенки сильнее и чаще, поэтому давление возрастает. Сами частицы при этом не увеличиваются в размерах.
Испарение происходит только на поверхности и при любой температуре; кипение происходит по всему объёму жидкости при одной фиксированной температуре. Испарение охлаждает оставшуюся жидкость, так как улетают самые быстрые частицы.
Во время плавления и кипения температура остаётся постоянной, хотя энергия всё ещё подводится — эта энергия разрывает связи между частицами.
Для расчёта удельной теплоёмкости используйте $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, где $\Delta\theta$ — это изменение температуры, а не конечная температура.
Матовые чёрные поверхности являются лучшими излучателями и поглотителями инфракрасного излучения; блестящие светлые поверхности лучше всего отражают. Конвекция требует движения жидкости или газа, поэтому она не может происходить в твёрдых телах.
Interactive lessons on this topic · Интерактивные уроки по этой теме
Work through it step by step, with instant-check exercises. · Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Выберите один, и сайт будет вести вас — конспекты, работы, видео и практика откроются там.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Введите запрос для поиска заметок, уроков, кода, словаря и вопросов с реальных экзаменов по всем предметам.
