Интуитивное представление о тепле и температуре
Тепло кофе, холод льда и работа холодильника объединены ключевым понятием: тепло и его связь с температурой. На этом уроке мы исследуем, как термодинамика соединяет интуитивное и научное через практические эксперименты и повседневные примеры. Эти материалы помогут вам понять потоки тепловой энергии, естественные тепловые процессы и как их можно обратить в системах, таких как холодильники. С понятными примерами и практическими расчетами этот материал изменит ваше представление о тепле и его влиянии на нашу повседневную жизнь.
Цели обучения:
После этого урока студенты смогут:
- Понять термодинамическое понятие тепла как «тепловой энергии в процессе переноса».
- Идентифицировать естественное направление потока тепла от горячего тела к холодному.
- Анализировать как поток тепла может быть обращен в определённых условиях, например, в холодильнике.
- Изучить интуитивные явления, связанные с теплом и температурой, например, эксперимент с тремя ведрами воды.
- Различать тепловое восприятие материалов с различной теплопроводностью, таких как металл и дерево.
- Применять концепции термодинамики для расчета энергии, преобразованной в тепло, в практических ситуациях.
СОДЕРЖАНИЕ:
Эксперименты, помогающие понять понятие тепла
Эксперимент с тремя ведрами воды
Контакт с деревом и металлом
Термодинамическое понятие тепла
В термодинамике существует «естественное направление» для потока тепла
В термодинамике тепло — это величина в процессе переноса
Для понимания термодинамического понятия тепла, полезно сначала обратиться к интуитивному восприятию, а затем перейти к более формальному определению. Когда мы держим чашку кофе или умываемся утром, мы ощущаем нечто, связанное с теплом или холодом. Но что означает это тепловое ощущение? Оказывается, оно не сводится только к измерению температуры, а представляет собой сочетание различных данных.
Эксперименты, помогающие понять понятие тепла
Эксперимент с тремя ведрами воды
Возьмите три ведра: одно с холодной водой, другое с горячей, и третье с равными частями воды из первых двух ведер. Таким образом, в третьем ведре вода будет иметь промежуточную температуру, то есть будет теплой. Опустите одну руку в ведро с горячей водой, а другую — в ведро с холодной. Подождите несколько секунд, а затем поместите обе руки в ведро с теплой водой. Рука, которая была в горячей воде, почувствует холод, а та, что была в холодной воде, — тепло.
Почему так происходит? Тепловое восприятие нашей кожи связано не только с измерением температуры, но и с разницей температур (относительно нашей собственной). Мы ощущаем тепло от объектов с температурой выше нашей, а холод — от объектов с температурой ниже нашей.
Контакт с деревом и металлом
Эксперимент можно повторить с небольшим изменением: поместите металлическую ложку и деревянную ложку в ведро с горячей водой на несколько минут, затем выньте их и прикоснитесь. Вы заметите, что металлическая ложка кажется намного горячее деревянной. Почему? Обе ложки имеют одинаковую температуру, но металл проводит тепло гораздо лучше дерева, поэтому он кажется «горячее».
Термодинамическое понятие тепла
В физике, когда мы говорим о тепле, мы имеем в виду «тепловую энергию в процессе переноса». Конечно, для принятия этого как определения необходимо сначала уточнить, что такое «тепловая энергия», но это мы оставим на потом. Сейчас мы интуитивно понимаем тепловую энергию как энергию, пропорциональную температуре. А что такое температура? Это мы тоже обсудим позже. Пока сосредоточимся на том, что тепло — это определённый поток энергии, обладающий некоторыми свойствами:
В термодинамике существует «естественное направление» для потока тепла
Эксперименты показывают, что при контакте двух объектов тепло спонтанно переходит от горячего объекта к более холодному и никогда в обратном направлении. 
Однако, в определённых условиях поток тепла может быть обратным, как, например, в холодильниках; конечно, это достигается за определённую цену: для этого требуется подача энергии холодильнику. Этот пример показывает, что «естественный поток тепла» может быть изменён, но только при условии затрат энергии.
В термодинамике тепло — это величина в процессе переноса
Фраза «в процессе переноса», которая используется при определении тепла, имеет важное значение. Хотя мы можем «добавить» тепло к определённому объекту, мы не можем сказать, что объект «имеет тепло», как если бы мы говорили, что сосуд содержит определённое количество воды или батарея хранит определённое количество электрической энергии. Не существует «измерителя», который мог бы указать, «сколько тепла находится в объекте», потому что тепло имеет смысл только тогда, когда оно «в процессе переноса». Похожая ситуация возникает с работой. Мы можем выполнить работу над объектом, изменив его состояние, но не можем сказать, что работа была «сохранена» в системе. Вместо этого мы говорим, что в процессе выполнения работы состояние системы изменилось, и с теплом происходит то же самое.
Пример
Электрический чайник мощностью 1[kW] был включён на 5 минут. Какое количество энергии было преобразовано в тепло?
Количество энергии, преобразованное в тепло:
E=1[kW] \cdot 5[min]= 1000 \left[\dfrac{J}{s}\right] \cdot 5 \left[60 [s] \right] = 30.000[J]