Кастрюля долго греется
Что ты замечаешь
Чтобы нагреть кастрюлю с водой, нужно несколько минут; та же пустая кастрюля раскаляется гораздо раньше.
Что нужно принести
С прошлого урока — одна идея: молекулы воды сцеплены друг с другом водородными связями. Сегодня посмотрим, сколько энергии нужно, чтобы их преодолеть, и к чему это приводит — от кастрюли до климата города.
Объяснение
Читать объяснение
Что мы видим
Три наблюдения, которые ты, наверное, уже делал, не задумываясь.
Потоотделение охлаждает
Что ты замечаешь
Когда пот испаряется, тебе становится холодно. А при ветре — ещё сильнее.
На побережье нет крайностей
Что ты замечаешь
В приморском городе летом не так жарко, а зимой не так холодно, как в глубине материка.
Все три — одно и то же свойство в трёх масштабах: вода — терморегулятор. Она поглощает и отдаёт много энергии, не сильно меняя свою температуру.
Теплоёмкость: сколько стоит нагреть
Удельная теплоёмкость — это энергия, которую нужно передать одному килограмму вещества, чтобы нагреть его на один градус. У воды она одна из самых высоких среди известных веществ.
| Вещество | Теплоёмкость | По сравнению с водой |
|---|---|---|
| Жидкая вода | $4180$ | — |
| Песок | около $800$ | в 5 раз меньше |
| Алюминий | $900$ | в 4,6 раза меньше |
| Железо | $450$ | в 9 раз меньше |
Первую строку нужно читать внимательно: чтобы нагреть килограмм воды на один градус, нужно передать ей $4180$ джоулей; чтобы нагреть на градус килограмм железа — $450$. Почти в десять раз меньше.
Подсказка: поэтому на пляже песок обжигает, а вода прохладная, хотя солнце светит на них одинаково. Песку нужно мало энергии, чтобы сильно нагреться.
Почему это так трудно
Передать теплоту жидкости — значит заставить её молекулы двигаться быстрее. В воде часть этой энергии идёт не на ускорение молекул: она тратится на преодоление водородных связей, которые их сцепляют.
В железе ничего подобного преодолевать не нужно, поэтому почти вся энергия превращается в движение, и температура сразу растёт.
Скрытая теплота: сколько стоит изменить агрегатное состояние
Есть момент, когда ты передаёшь воде теплоту, а температура не растёт: пока она кипит. Вся эта энергия идёт на то, чтобы отделить молекулы друг от друга, а не на то, чтобы их ускорить.
Эта энергия называется скрытой теплотой (удельной теплотой фазового перехода), и у воды она тоже огромна.
| Фазовый переход | При какой температуре | Энергия на килограмм |
|---|---|---|
| Плавление (лёд → вода) | $0\ \mathrm{^\circ C}$ | $334\,000$ |
| Парообразование (вода → пар) | $100\ \mathrm{^\circ C}$ | $2\,260\,000$ |
Сравни с предыдущим: нагреть килограмм воды от $0$ до $100\ \mathrm{^\circ C}$ стоит около $418\,000$ джоулей. Испарить тот же килограмм, когда он уже достиг $100$, — более чем в пять раз больше.
$$Q = m \cdot L$$
где $Q$ — энергия, $m$ — масса, а $L$ — удельная теплота того фазового перехода, который ты рассматриваешь.
Почему потоотделение охлаждает
Теперь понятна вторая карточка из начала урока. Чтобы испариться, каждой капле пота нужно очень много энергии, и она берёт её из того, что ближе всего: из твоей кожи. Кожа отдаёт эту энергию и при этом охлаждается.
Подумай, прежде чем открыть: почему влажный день кажется более душным, чем сухой при той же температуре?
Посмотреть ответ, чтобы сравнить со своим
Потому что если воздух уже насыщен водяным паром, поту гораздо труднее испариться: воздух почти не может принять больше пара. А если пот не испаряется, он не забирает у тебя энергию, и механизм, которым охлаждается тело, перестаёт работать.
Дело не в том, что жарче: дело в том, что ты не можешь остыть. Поэтому в прогнозе кроме температуры сообщают ощущаемую температуру.
То же свойство в масштабе планеты
В океане огромная масса воды, а у воды та теплоёмкость, которую ты видел. Вместе это превращает океан в буфер климата.
- Днём и летом он поглощает очень много энергии, а его температура растёт мало.
- Ночью и зимой он медленно её отдаёт.
- Поэтому у приморского города амплитуда температур меньше, чем у города в глубине материка, и поэтому море долго прогревается, хотя на улице уже жарко.
Это прямо связано с модулем D: значительная часть дополнительной теплоты, которую удерживает планета, в итоге оказывается в океане, и это задерживает эффекты, заметные в воздухе. Система реагирует медленно, потому что на пути много воды.
Анимация
Описание анимации
У воды очень высокая удельная теплоёмкость: 4180 джоулей на каждый килограмм и каждый градус. Для сравнения: алюминию нужно 900, сухому песку около 800, а железу 450.
Это значит, что если передать одинаковую энергию килограмму каждого из них, температура воды вырастет меньше всего, а железа — больше всего: почти в десять раз больше, чем у воды.
Ты это чувствуешь каждое лето. В полдень песок на пляже обжигает, а морская вода остаётся прохладной, хотя Солнце всё утро светило на них одинаково. Меняется не то, сколько энергии они получили, а то, насколько трудно им нагреться от этой энергии.
А есть кое-что ещё более затратное: изменение агрегатного состояния. Чтобы растопить килограмм льда, который уже при нуле градусов, нужно 334 000 джоулей. Чтобы испарить килограмм воды, которая уже при ста градусах, — 2 260 000. И в обоих случаях термометр за это время не сдвигается ни на градус.
Это происходит потому, что вся эта энергия идёт не на то, чтобы молекулы двигались быстрее, — а именно это измеряет термометр, — а на то, чтобы отделить их друг от друга, разрывая водородные связи.
Следствие огромное. Море поглощает гигантское количество энергии, не нагреваясь резко, и отдаёт её ночью, не остывая резко: поэтому климат побережья гораздо ровнее, чем в глубине материка. И поэтому потоотделение охлаждает: испарение пота очень дорого обходится твоему телу, и эта энергия уходит из него.
Источники анимации: CRC Handbook of Chemistry and Physics, таблицы тепловых свойств — удельные теплоёмкости и удельные теплоты фазовых переходов. Схема, не в реальном масштабе: длина столбцов показывает, насколько повышается температура, а не измеренное значение.
Листы для скачивания (на испанском)
Сколько стоит нагреть воду
Скрытая теплота
Задания
1. Две кастрюли
У тебя есть килограмм воды и килограмм алюминия, оба при $20\ \mathrm{^\circ C}$, и ты передаёшь им одинаковое количество энергии.
- Что в итоге окажется горячее? Обоснуй числами из таблицы.
- Если передать килограмму воды $41\,800\ \mathrm{J}$, на сколько градусов она нагреется? Запиши расчёт с единицами.
- На сколько градусов нагрелся бы килограмм алюминия от той же энергии?
2. Кривая, которая стоит на месте
В разделе 2 ты строил кривую охлаждения. Теперь наоборот: ты нагреваешь лёд при $-10\ \mathrm{^\circ C}$, пока всё не превратится в пар.
- Нарисуй от руки график зависимости температуры от времени.
- Отметь два участка, на которых температура не меняется, и рядом напиши, что происходит с молекулами на каждом из них.
- Один из этих двух участков намного длиннее другого. Какой и почему? Используй данные таблицы скрытой теплоты.
3. Город на побережье
Напиши ответ, разделённый на три части.
Самопроверка
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение — и при верном, и при неверном ответе: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…