Тепловые явления
Для решения задания № 8 необходимо понимание процессов, происходящих с веществом (с физическим телом) на молекулярном уровне. В условии задания речь может идти: о броуновском движении молекул, о силах, связывающих молекулы в веществе, о скорости их перемещения, о видах теплопередачи в физ.теле и т.д. Вся полезная для решения информация содержится в разделе теории к данному заданию.
Теория к заданию №8 ОГЭ по физике
Броуновское движение
Броуновским называют хаотичное (беспорядочное) движение частиц газа или жидкости. Броуновское движение имеет место как для взвешенных, видимых микроскопических частиц, так и для молекул. Это движение имеет тепловую природу, оно никогда не прекращается. Скорость движения частиц при этом напрямую зависит от их размера и, соответственно, от массы (чем крупнее частица, тем меньше скорость).
Хаотичность траекторий частиц связана с тем, что они произвольно сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда, а также с тем, что кроме поступательного движения они совершают еще и вращательное.
Скорость движения молекул
В целом скорость молекул во многом зависит от температуры физ.тела: чем выше температура, тем больше скорость, и наоборот. А поскольку эти величины напрямую связаны между собой, то движение молекул часто называют тепловым.
Скорость, которую в состоянии развивать молекулы того или иного физ.тела, зависит от его агрегатного состояния. Так, в твердых телах она ограничена и, по сути, сводится к колебательным движениям молекул в ограниченном пространстве (объеме). Такое ограничение, естественно, основано на значительной силе их взаимодействия. Молекулы жидкостей и газов имеют намного большую «свободу» движения. Соответственно, и скорость они в состоянии развивать существенно большую. Зависимость скорости молекул от агрегатного состояния можно переформулировать как зависимость от плотности вещества.
Поскольку молекулы движутся хаотично (см. Броуновское движение), то определить скорость каждой из них не представляется возможным. Поэтому всегда говорят об их средней скорости, на основании которой рассчитывают, в частности, среднюю кинетич.энергию молекул конкретного физ.тела.
Диффузия
Диффузией называют процесс взаимного проникновения веществ при их соприкосновении. Причиной диффузии является тепловое движение молекул, которое направлено в сторону снижения концентрации вещества и стремления к равномерному его распределению по всему доступному объему.
Явление диффузии свойственно веществам как в твердом, так и в жидком и газообразном состоянии. Скорость диффузии максимальна для газов. В жидкостях она меньше, а в твердых телах по сравнению с газами и вовсе минимальна. Зависит скорость в первую очередь от температуры – с повышением температуры скорость диффузии увеличивается.
Теплоемкость
Теплоемкостью называют кол-во теплоты, которое поглощает тело в процессе его нагрева на 10. Иначе говоря, теплоемкость – это кол-во теплоты, требуемое для того, чтобы температура тела повысилась на 10. Эта величина обозначается лат.буквой «С» и в СИ измеряется в Дж/К (джоуль на кельвин).
Соответственно, теплоемкость может быть найдена по формуле:
В физике широко используется понятие удельной теплоемкости. Под этой величиной понимают теплоемкость единицы массы данного физ.тела. Она обозначается «с» и вычисляется из соотношения:
Плавление веществ
Плавлением называют процесс перехода вещества из твердого в жидкое. Он происходит при определенной температуре, которая разнится для различных твердых тел. Для того, чтобы плавление начало происходить, тело необходимо разогреть до этой температуры. Самый процесс плавления происходит в течение некоторого времени, и температура тела при этом не меняется. После того, как плавление завершено, а тело продолжают нагревать, его температура снова увеличивается.
В общем случае процесс плавления отображает график:
Здесь обозначение tп означает «температура плавления», а участок ВС отображает промежуток времени, в течение которого процесс плавления происходит.
Постоянная величина температуры во время плавления объясняется тем, что получаемая им при этом энергия затрачивается на разрушение кристаллической решетки тв.тела. Кроме того, часть поглощаемой энергии накапливается молекулами в виде потенциальной энергии.
Виды теплопередачи
Теплопередача (процесс обмена энергией) может осуществляться одним из 3-х способов – в виде теплопроводности, излучения или конвекции.
Под теплопроводностью при этом понимают передачу теплоты менее нагретым участкам физ.тела от более нагретых. Теплопроводность обычно имеет место в телах, характеризующихся неоднородным распределением температуры. Осуществляется она вследствие хаотического движения молекул (атомов, электронов и т.д.), которые являются носителями тепла (энергии). Механизм ее зависит от агрегатного состояния физ.тела.
Излучение подразумевает передачу теплоты с помощью электромагнитных волн. Этот вид теплопередачи не связан с необходимостью движения материальных частиц. Количество передаваемого таким способом тепла пропорционально температуре тела.
Конвекцией называют передачу теплоты посредством струи газа либо жидкости. Т.е. при этом способе передачи происходит механический перенос частиц тела, являющихся носителями тепла (энергии).
Влияние цвета на количество теплоты
Цвет является одним из свойств физ.тел, имеющих влияние на получение и отдачу ими теплоты. Цвет способствует отражению или поглощению поверхностью светового (или теплового) излучения. Эта особенность является избирательной и различается для разных цветов. Например, оранжевая поверхность отражает оранжевые и голубые лучи, поглощая лучи всего остального видимого спектра, т.е. поглощает тепло света частично. Для большинства других цветовых лучей тоже имеет место частичное поглощение. Исключение – черные поверхности, поглощающие свет полностью, и белые, которые полностью отражают его.
Взаимодействие молекул в веществе
Между молекулами любого вещества действуют силы электромагнитного взаимодействия. Причем взаимодействие может быть выражено как силами притяжения, так и силами отталкивания. Преобладание первых или вторых зависит от расстояния между молекулами. На относительно больших расстояниях молекулы притягиваются, а при их приближении друг к другу начинают проявляться силы отталкивания. При уменьшении расстояния между молекулами примерно до 2-3-х их диаметров силы отталкивания существенно увеличиваются. Но в то же время увеличиваются и силы притяжения, поскольку уменьшается расстояние между молекулами.
Когда удается достичь расстояния, равного 1 диаметру молекул, эти силы уравновешиваются. В таком состоянии молекулы оказываются в устойчивом положении, и их движение сводится к колебаниям вокруг своего положения равновесия. Это состояние свойственно твердым телам.
В жидкостях расстояния между молекулами несколько больше, обычно они составляют несколько их диаметров, поэтому в разные моменты времени преобладание сил притяжения сменяется преобладанием сил отталкивания. Попадание в состояние равновесия осуществляется случайно, и в нем молекула не может находиться стабильно.
В газах расстояния между молекулами значительно больше диаметров самих молекул. Поэтому их взаимодействие хаотично.
Разбор типовых вариантов заданий №8 ОГЭ по физике
Демонстрационный вариант 2018
[su_note note_color=»#defae6″]
Одно из положений молекулярно-кинетической теории строения вещества заключается в том, что «частицы вещества (молекулы, атомы, ионы) находятся в непрерывном хаотическом движении». Что означают слова «непрерывное движение»?
- Частицы всё время движутся в определённом направлении.
- Движение частиц вещества не подчиняется никаким законам.
- Частицы все вместе движутся то в одном, то в другом направлении.
- Движение молекул никогда не прекращается.
[/su_note]
Алгоритм решения:
1. Определяем содержание понятия «непрерывное движения» в контексте 1-го утверждения-ответа. Выясняем его истинность.
2–4. Проделываем аналогичный анализа 2–4-го утверждений-ответов.
Решение:
- Понятие «непрерывность» можно рассматривать как «постоянность». В нем нет никакого указания на какое-либо направление движения. Следовательно, утверждение 1 не является верным.
- В условии говорится о хаотическом движении. Это соответствует утверждению 2. Однако указание на хаотичность никак не связано с понятием непрерывности. Поэтому утверждение 2 нельзя считать верным.
- В утверждении 3 не содержится никакого указания на непрерывность движения, а потому не позволяет оценить, является ли оно таковым. Кроме того оно противоречит указанию в условии на то, что каждая из частиц движется хаотично. Значит, утверждение 3 не является верным ответом.
- 4-е утверждение указывает на непрерывность, потому что означает отсутствие времени, когда частицы находятся в состоянии покоя. Поэтому оно является верным ответом.
Ответ: 4
Первый вариант (Камзеева, № 5)
[su_note note_color=»#defae6″]
В два чайника, белого (1) и черного (2) цвета (см. рис.), наливают одинаковое количество воды и ставят на одинаковые газовые горелки. Исследуют процесс нагревания и дальнейшего охлаждения воды в чайниках.
В белом чайнике по сравнению с черным при прочих равных условиях вода будет
- и нагреваться, и охлаждаться быстрее
- и нагреваться, и охлаждаться медленнее
- нагреваться быстрее, а охлаждаться медленнее
- нагреваться быстрее, а охлаждаться быстрее
[/su_note]
Алгоритм решения:
- Определяем значение цвета для процесса нагревания.
- Выясняем значение цвета для охлаждения чайников.
- Определяем правильный вариант ответа.
Решение:
- Цвет влияет на интенсивность теплового излучения, а следовательно, на получение физ.телом кол-ва теплоты. Известно, что черный цвет способствует полному поглощению тепла, т.е. поглощению излучения света всего видимого светового диапазона. Белый же цвет, напротив, целиком рассеивает его. Это означает, что помимо основных источников тепла (в данном случае – от газовых горелок), черный цвет обеспечивает дополнительно некоторый приток тепла от окружающей среды. Отсюда: черный чайник за одинаковое время получит больше тепла, чем белый, и, значит, вода в нем будет нагреваться быстрее.
- Белый цвет – плохой проводник тепла. Черный – наоборот хороший. Поэтому в белом чайнике вода будет медленнее отдавать тепло, чем в черном, т.е. в черном вода охладится быстрее.
- Делаем общий вывод: в белом чайнике вода медленнее нагревается и медленнее охлаждается. Этот вывод соответствует варианту ответа №2.
Ответ: 2
Второй вариант (Камзеева, № 13)
[su_note note_color=»#defae6″]
Для охлаждения компота в кастрюле используют лед: в первом случае лед кладут вниз, под дно кастрюли, во втором случае – вверх, на крышку кастрюли (см. рис.).
Компот в кастрюле будет охлаждаться
- быстрее в первом случае и в основном за счет конвекции
- быстрее во втором случае и в основном за счет конвекции
- быстрее в первом случае и в основном за счет теплопроводности
- быстрее во втором случае и в основном за счет теплопроводности
[/su_note]
Алгоритм решения:
- Анализируем суть процесса охлаждения жидкости и выясняем, при каком варианте размещения льда охлаждение происходит быстрее.
- Определяем вид теплопередачи, с помощью которой осуществляется охлаждение.
- Находим правильный вариант ответа.
Решение:
- С момента начала охлаждения жидкости наиболее нагретые частицы будут перемещаться вверх, т.е. внизу жидкости начнут скапливаться наименее нагретые. Наиболее эффективно процесс охлаждения происходит в случае снижения температуры самых разогретых частиц, поскольку теряя свое тепло, они будут становиться тяжелее и опускаться вниз, уступая свое место более разогретым. После чего этот цикл повторится снова и снова. Это означает, что более оправданным является размещение льда сверху кастрюли.
- В процессе охлаждения происходит движение потоков жидкости вверх-вниз. Такие движения масс вещества являются конвекционными потоками, т.е. охлаждение осуществляется за счет конвекции.
- Итак, имеем ситуацию, когда: для более быстрого охлаждения требуется размещения льда на крышке, а охлаждение при этом происходит за счет конвекции. Это соответствует ответу под номером 2.
Ответ: 2