§ 2. Температура. Внутрішня енергія тіла

У житті ми часто зустрічали термін «тепле», «холодне», «гаряче». Чи для всіх людей ці терміни означають одне і те ж? Якщо хтось сказав: «У кімнаті тепло», чи означає це, що у цій кімнаті буде тепло всім? Можливо, ви зустрічали випадки, коли хворому у кімнаті холодно, в той час як здоровим людям у ній достатньо тепло.

Для виявлення змісту понять «тепле» і «холодне» проведемо декілька дослідів. Нехай однакова кількість води знаходиться у трьох посудинах (мал. З). В одній з них (А) налита підігріта до вода. У другій (В) знаходиться вода при , а в третій (C) — вода, нагріта до . Опустимо палець, наприклад лівої руки, у склянку А, а палець правої руки у склянку В. Палець лівої руки відчує тепло, а правої — прохолоду. Потім опустимо обидва пальці у посудину С. Палець лівої руки відчує прохолоду, а правої — тепло. З досліду видно, що одна

і та ж вода одному пальцю «здається» теплою, а іншому — холодною. Звідси можна зробити висновок, що тепле і холодне є поняттями суб’єктивними.

Підтвердженням цьому може бути ще один дослід. Покладемо на стіл два невеликі стержні — дерев’яний і металевий.

Нехай ці предмети полежать у кімнаті достатньо довго. Доторкнемося до них по черзі рукою. Металевий стержень буде здаватися холоднішим від дерев’яного. Покладемо ці стержні на щось тепле (тепліше, ніж повітря у кімнаті) і через деякий час знову доторкнемося до стержнів рукою. Тепер металевий стержень буде здаватись теплішим від дерев’яного. Отже, відчуття «теплого» і «холодного» уданій ситуації залежить від речовини, з якої виготовлений предмет.

Таким чином, відчуття «тепле» і «холодне» є суб’єктивними і не можуть слугувати для об’єктивної оцінки теплових характеристик системи.

Отже, потрібно шукати іншу, об’єктивну характеристику системи, яка б однозначно вказувала, що дане тіло більш нагріте від іншого. Такою характеристикою є температура — фізична величина, що визначає стан нагрітості тіла.

Тіла можна нагріти різними способами. У випадку, який зображений на мал. 4 а> вода нагрілася внаслідок виконання роботи (шнур терся об стінки посудини). У другому випадку (мал. 4 б) вода нагрілася електричним струмом. У третьому випадку (мал. 4 в) причиною нагрівання є хімічна реакція (горіння). У всіх цих випадках ми бачимо, що існує причина (виконання роботи, проходження електричного струму, хімічна реакція), що спричинює зміну температури і внутрішньої енергії води. Зміна внутрішньої енергії тіла може відбуватися унаслідок виконання над ним роботи чи передачі йому теплоти. У процесі теплопередачі енергія передається від одних частинок тіл до інших. Зміну внутрішньої енергії в процесі теплопередачі називають кількістю теплоти і позначають буквою Q (кю). Одиницею кількості теплоти, як і одиницею енергії чи роботи, є один джоуль (1 Дж).

Внутрішньою енергією називають енергію руху і взаємодії частинок, з яких складається тіло. При нагріванні тіла зростає швидкість руху частинок, з яких воно складається (молекул, атомів, йонів). Це приводить до росту їхньої середньої кінетичної енергії. Частинки гарячого тіла мають більшу кінетичну енергію, ніж частинки такого ж холодного тіла. До розуміння поняття внутрішньої енергії вчені прийшли

не відразу. Довгий час вважалося, що існує невагома речовина — теплець. У гарячому тілі її багато, а в холодному мало. Коли холодне тіло привести в контакт з гарячим, то теплець буде переливатися з теплого тіла у холодне.

Вперше на недоліки цього вчення звернув увагу німецький природодослідник граф Д. Румфорд (1753— 1814), який обіймав пост військового міністра у місті Мюнхен. Спостерігаючи за процесом свердління стволів у гармат, він помітив, що нагріваються ствол та свердло, які спочатку були холодними. Румфорд помітив, що затуплене свердло гріється сильніше, ніж гостре. Викликало сумнів, що кількість теплецю залежить від того, чи нагострили свердло. Дослідник висловив сумнів у існуванні теплецю.

У результаті багатьох дослідів було доведено, що теплота пов’язана зі змінами у характері руху частинок, з яких складається тіло.

У фізиці почали використовуватися такі поняття як температура, тепловий рух, термодинамічна рівновага, внутрішня енергія, способи зміни внутрішньої енергії

1)    температура — міра нагрітості тіла (відповідно до певної шкали);

2)    температура — міра середньої кінетичної енергії руху частинок, з яких складається дане тіло (система тіл);

3)    тепловий рух — невпорядкований рух частинок речовини, пов’язаний з температурою тіла;

4)    внутрішня енергія тіла — сума кінетичної енергії всіх частинок, з яких складається речовина, та енергії їх взаємодії;

5)    можливі два способи зміни внутрішньої енергії тіла — за рахунок виконання роботи та теплопередачі.

На підтвердження останнього положення ви можете навести різні приклади зміни внутрішньої енергії. Наприклад, деталі автомобіля під час його руху

нагріваються (мал. 5), метал під ударами молота коваля розігрівається, ми тремо захололі руки одну об другу нагрівається вода у яку занурили гаряче тіло і т. д.

Повітряний океан навколо нас — водночас і «океан» внутрішньої енергії. Кінетична енергія однієї молекули

водню при 20°С дорівнює 5*HT²¹ Дж. Сума кінетичних енергій усіх молекул водню, що містяться в Im^{1 2 3} за нормального атмосферного тиску і кімнатній температурі, становить -135 000 Дж. Багато це чи мало? Приблизно таку ж енергію має плита масою 5 т, піднята на висоту 2,8 м. Але як використати внутрішню енергію 1 м³ газу при кімнатній температурі для того, щоб він виконав таку ж роботу, яку може виконати плита при падінні? Подумайте.

Температура — міра нагрітості тіла та міра середньої кінетичної енергії руху його молекул. Невпорядкований рух молекул (частинок) у тілі називають тепловим рухом. Енергія руху і взаємодії частинок, з яких складається тіло, становить внутрішню енергію тіла.

1. Що таке температура? 2. Який рух називають тепловим рухом? 3. Що таке внутрішня енергія? 4. Наведіть приклади зміни внутрішньої енергії.

? 1. Чим внутрішня енергія відрізняється від механічної енергії? 2. Чи можна визначити внутрішню енергію води у склянці?

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Гуз