Что меняется внутри вещества, когда оно нагревается?

Стакан холодной воды и стакан горячей выглядят почти одинаково: та же прозрачная жидкость, тот же объём. Но на уровне частиц между ними есть важное различие — и именно его описывает температура.

Посмотреть на частицы

Шаг 1

Снаружи одинаково — внутри по-разному

Перед вами три одинаковых сосуда с водой: очень холодной, комнатной и горячей. Снаружи разницы почти нет. Нажмите кнопку и посмотрите, что происходит внутри.

Три сосуда интерактив

Холодная · 5 °C

Комнатная · 20 °C

Горячая · 80 °C

Частицы движутся во всех трёх сосудах — и в холодном тоже. Различается интенсивность этого движения.

При повышении температуры тепловое движение частиц становится интенсивнее. При понижении — менее интенсивным, но никогда не прекращается совсем.

Шаг 2

Управляйте температурой сами

Здесь одно и то же вещество: число частиц не меняется, меняется только температура. Двигайте ползунок и следите за движением. Обратите внимание: частицы движутся по-разному — одни быстрее, другие медленнее.

Модель теплового движения главный интерактив

Температура: 20 °C

−50 °C+100 °C

Движение умеренное

20 °C

Частиц в модели: 90 Быстрых сейчас: — Медленных: —

Модель учебная: она показывает не настоящие молекулы воды, а сам характер движения. Главное здесь — что при нагревании движение в среднем становится интенсивнее, а разброс скоростей сохраняется.

Шаг 3

Все ли частицы движутся одинаково?

Если температура воды 40 °C, значит ли это, что все её молекулы движутся совершенно одинаково?

Остановим модель и посмотрим на пять отдельных частиц. Длина стрелки показывает, насколько быстро частица движется в этот момент.

Пять частиц крупным планом стоп-кадр

В любой момент одни частицы движутся быстрее, другие медленнее — и через мгновение они поменяются местами. Это и есть хаотическое движение.

Температура характеризует движение огромного количества частиц, а не одной выбранной частицы.

Так с чем же связана температура?

Выберите формулировку, которая описывает температуру правильно.

Кинетическая энергия — это энергия движения. Чем интенсивнее в среднем движутся частицы вещества, тем выше его температура. Поэтому температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц — а не со скоростью какой-то одной молекулы.

Шаг 4

Краситель в холодной и горячей воде

Два одинаковых стакана: слева вода 10 °C, справа 70 °C. В оба одновременно капнем краситель.

Как думаете, в каком стакане краситель распространится быстрее?

Опыт с красителем прогноз и проверка

Холодная вода · 10 °C

Горячая вода · 70 °C

Перемешалось слева: 0 % Справа: 0 %

Повышение температуры усиливает тепловое движение частиц, поэтому перемешивание идёт быстрее. Скорость диффузии зависит не только от температуры, но в этом опыте различие даёт именно она.

Шаг 5

Можно ли доверять руке?

Классический опыт. Одну руку на минуту опускают в холодную воду, другую — в горячую. А потом обе переносят в один и тот же сосуд с тёплой водой.

Опыт с тремя сосудами по шагам

Наши ощущения зависят не только от температуры воды, но и от того, в каком состоянии была рука до этого. Поэтому «на ощупь» температуру точно не определить — нужен термометр.

Шаг 6

Что показывает термометр

В стакане вода 60 °C, термометр комнатный — 20 °C. Опустим его в воду и посмотрим, что покажет прибор.

Термометр в воде интерактив

Термометр показывает

20 °C

Вода

60 °C

Термометр холоднее воды. Пока он нагревается, его показание ещё не равно температуре воды.

Термометр не «узнаёт» температуру мгновенно: он сам участвует в теплообмене и должен прийти в тепловое равновесие с телом, температуру которого измеряют.

Шаг 7

Тепловое равновесие

Два одинаковых металлических бруска: один нагрет до 80 °C, другой комнатный — 20 °C. Приведём их в контакт.

Два бруска модель

В этой модели бруски одинаковые

Через некоторое время температуры выравниваются, и направленная передача энергии между брусками прекращается.

Тепловое равновесие — состояние, при котором соприкасающиеся тела имеют одинаковую температуру и направленный теплообмен между ними прекращается.

Шаг 8

Тепловое движение есть везде

Температура бывает не только у газов и жидкостей. Тепловое движение частиц существует во всех трёх состояниях вещества — различается только его характер.

Твёрдое тело

Частицы колеблются около устойчивых положений и почти не меняют соседей.

Жидкость

Частицы беспорядочно перемещаются и постоянно меняют соседей.

Газ

Частицы быстро летят между редкими столкновениями.

При повышении температуры тепловое движение становится интенсивнее во всех трёх случаях.

А при 0 °C частицы останавливаются?

Нет. Ноль градусов Цельсия — это не отсутствие теплового движения, а просто отметка на шкале, привязанная к замерзанию воды. При 0 °C вода может превращаться в лёд, но частицы продолжают двигаться: в кристалле льда они колеблются около своих положений.

В физике есть и другая температурная шкала — шкала Кельвина, у которой ноль выбран иначе: 0 °C = 273,15 K. С ней вы познакомитесь позже.

Не путай

Четыре частые ошибки

Температура — это скорость молекул

Температура связана с интенсивностью хаотического теплового движения и со средней кинетической энергией частиц, а не со скоростью одной молекулы.

При одной температуре все молекулы движутся одинаково

Скорости отдельных частиц различаются: одни быстрее, другие медленнее, и постоянно меняются местами.

При 0 °C молекулы останавливаются

Тепловое движение продолжается. Ноль по Цельсию — просто отметка на шкале, а не остановка частиц.

Рукой можно точно измерить температуру

Ощущения субъективны и зависят от предыдущего состояния руки. Для измерения нужен термометр.

Проверка

Проверьте себя

Семь коротких вопросов. После каждого ответа — короткое пояснение.

Итоговая проверка

Итог

Главное одной схемой

Температура выше

↓

тепловое движение частиц интенсивнее

↓

средняя кинетическая энергия хаотического движения больше

Температура ниже

↓

тепловое движение менее интенсивно

↓

средняя кинетическая энергия меньше

Температура характеризует тепловое состояние тела и связана с движением огромного числа его частиц.

Важно

Температура — не скорость одной молекулы.

Материал подготовил: Безносов М.Н., учитель математики и физики.
Объяснение адаптировано для учеников 8 класса.