§ 3. Температура

Температура

Тепловий стан тіла. Для людини важливо вміти правильно оцінювати тепловий стан тіл. Якщо необережно доторкнутися до посудини на розігрітій плиті, можна отримати опіки; якщо залишити залізне відро з водою на морозі — воно може деформуватись; якщо залишити морозиво в теплій кімнаті — воно розтане.

Ми можемо оцінити теплові стани деяких тіл за власними відчуттями: чашка з кавою є гарячою, сніг — холодним. Але відчуття тепла або холоду є суб’єктивними. Наприклад, зануримо на кілька хвилин одну руку в гарячу воду, а іншу — в холодну. Після цього зануримо обидві руки в посудину з водою кімнатної температури і спробуємо за своїм відчуттям встановити, яка в ній вода — холодна чи гаряча? На диво, ми це не зможемо зробити, оскільки рука, що була в гарячій воді, відчуватиме холод, і навпаки, рука, що була в холодній воді, відчуватиме тепло.

Щоб однозначно визначити тепловий стан тіла, треба знати фізичну величину, за якою можна об’єктивно встановити, яке з тіл і на скільки є теплішим чи холоднішим від іншого. Для характеристики теплового стану тіла використовують поняття температури. З цим поняттям ви вже знайомі. Спробуємо пояснити його з точки зору молекулярно-кінетичного вчення про будову речовини.

Тепловий стан тіла визначається тепловим рухом його мікрочастинок: чим більшою є швидкість хаотичного руху мікрочастинок тіла, тим більш нагрітим воно буде, і навпаки. Пригадайте, підтвердженням цього є спостереження за явищем дифузії: при збільшенні температури речовини швидше проникають одна в одну.

Швидкість руху молекул і температура тіла взаємопов’язані: чим вищою є температура тіла, тим більш інтенсивно рухаються його молекули. Проте, як виявилося, не лише швидкість руху молекул речовини впливає на 'її температуру. За нормальних умов у частинок із порівняно малими масами (наприклад, атоми або молекули водню, гелію) швидкості теплового руху більші, ніж у частинок з більшою масою (наприклад, моле-кули кисню або води). Тому визначальною величиною, з якою пов’язана температура, є не швидкість, а кінетична енергія руху молекул: чим вищою є температура тіла, тим більша середня кінетична енергія руху його мікрочастинок, і навпаки.

Таким чином, з точки зору молекулярно-кінетичного вчення, температура тіла характеризує середню кінетичну енергію руху часток речовини, з якої воно складається.

Температура — це фізична величина, що характеризує тепловий стан речовини і визначається середньою кінетичною енергією хаотичного руху частинок речовини.

Теплова рівновага. З досвіду ми знаємо, що чайник з окропом, щойно знятий із плити, ставлять на спеціальну підставку, щоб не зіпсувати поверхню столу внаслідок 'її нагрівання. Гарячий чайник передає своє тепло поверхні, на якій стоїть. Якщо цей самий чайник поставити на сніг, то він швидко охолоне, а сніг під ним розтане.

Досліди показують, що у природі існує важлива закономірність теплових процесів. Якщо тіла мають різну температуру, то обмін теплотою між ними відбувається в чітко визначеному напрямі: від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою. Під час контакту більш нагріті тіла віддають тепло менш нагрітим і при цьому охолоджуються, а менш нагріті тіла приймають тепло й нагріваються. До того ж, під час такого теплового контакту можуть змінюватися й інші властивості тіл: вони можуть стати більшими або меншими за розмірами, почати краще або гірше проводити електричний струм, змінити свій агрегатний стан, випромінювати світло тощо.

Проте передача теплоти продовжується не безкінечно. Будь-яке тіло або система тіл, що перебувають в обмеженому просторі, з часом самочинно переходять у стан, у якому всі частини тіла або всі тіла системи мають однакову температуру, тобто у стан теплової рівноваги.

З’ясуємо, у чому причина такого явища. Молекули гарячого тіла мають більшу кінетичну енергію, тому рухаються швидше, ніж молекули холодного тіла. Під час контакту тіл (дотику твердих тіл або змішування рідин і газів) більш швидкі молекули гарячого тіла співударяються з повільнішими молекулами холодного тіла й віддають їм частину своєї кінетичної енергії. У результаті швидкі молекули починають

рухатися повільніше, а повільні — швидше. Гаряче тіло поступово охолоджується, а холодне — нагрівається. З точки зору молекулярно-кінетичного вчення, у стані теплової рівноваги в усіх тіл, що контактують між собою, середня кінетична енергія хаотичного руху частинок речовини, а отже і температура, є однаковою.

Температура всіх тіл у стані теплової рівноваги набуває однакового значення.

Вимірювання температури. Термометри. Тіла, що перебувають у стані теплової рівноваги, мають однакову температуру. Це й покладено в основу її вимірювання. Прилад для вимірювання температури називають термометром. Щоб виміряти температуру певного тіла, його приводять у контакт із термометром і чекають, поки теплообмін між тілом і термометром припиниться. Термометр фіксує власну температуру, що дорівнює температурі тіла, з яким він перебуває в тепловій рівновазі.

Вимірювання температури має деякі особливості: для температури не існує еталона, з яким би ми могли її порівнювати, як, наприклад, для маси чи довжини. Про зміну температури тіла судять за зміною інших фізичних параметрів тіл: об’єму, тиску, електричного опору тощо.

Усі термометри складаються з вимірювального елемента і температурної шкали. В основу дії вимірювального елемента покладено певну його властивість, що залежить від температури. Наприклад, для рідинних термометрів (мал. 16, а) — це залежність об’єму рідини від температури, для електричних термометрів

(мал. 16, б) — залежність сили струму від температури, для біметалевих (мал. 16, в) — залежність ступеня деформації металевої пластинки від температури.

Найчастіше на практиці використовують залежність об’єму рідини (ртуті або спирту) від зміни температури. Такий спосіб вимірювання температури запропонував у 1742 р. шведський учений Андерс Цельсій. Для того щоб кількісно визначити температуру тіла, необхідно встановити одиницю температури і проградуювати температурну шкалу.

Для градуювання рідинного термометра скляний балон, що переходить у капіляр і заповнений зафарбованим спиртом або ртуттю, опускають у лід, який тане за нормальних умов (t = 0 °С, р = 1,01-10⁵ Па = 760 мм рт. ст.). Після того як між термометром і льодом наступає теплова рівновага, рух рідини в капілярі припиняється. Навпроти цього рівня на шкалі роблять позначку 0 °С. Після цього термометр переносять у киплячу дистильовану воду за нормального тиску. Після припинення підняття рідини в капілярі термометра роблять позначку 100 °С, потім відрізок між нанесеними поділками ділять на 100 рівних відрізків. Це так звана температурна шкала Цельсія.

Температуру за цією шкалою позначають малою літерою t. Одиницю температури позначають символом °С (градус Цельсія).

Абсолютна шкала температур. Поряд зі шкалою Цельсія у фізиці застосовують абсолютну шкалу температур, запропоновану англійським ученим Вільямом Томсоном, лордом Кельвіном (мал. 17).

Нуль цієї шкали є умовною точкою відліку й відповідає такому тепловому стану тіла, за якого припинився б тепловий рух атомів і молекул. Теоретично доведено, що це було б можливо за температури -273,15 °С. Цю температуру називають абсолютним нулем температури, а одиницею такої шкали є 1 K (кельвін). Міжнародною системою одиниць 1 K визнано основною одиницею температури.

Зауважимо, що зміна температури, виміряна за шкалою Цельсія і шкалою Кельвіна, є однаковою. Наприклад, кімнатна температура t = 20 °С. За абсолютною шкалою температур це значення відповідає 293,15 K. Переведення температури з однієї шкали в іншу здійснюється за формулою: T = t + 273,15. Якщо температура в кімнаті підвищилась на 5 °С і становить 25 °С, то за

абсолютною шкалою температур це значення відповідатиме 298,15 K, тобто збільшилось на 5 K.

У побуті ми, як правило, користуємось температурною шкалою Цельсія, оскільки вона зручніша для вимірювання температури в межах значень, що є звичними для життєдіяльності людини (погодні умови, температура людського тіла тощо). У фізичних дослідженнях частіше користуються шкалою Кельвіна.

Ви, можливо, чули, що існують й інші температурні шкали, наприклад, шкала Фаренгейта, яку використовують у побуті в англомовних країнах.

Температура — це фізична характеристика теплового стану речовини, з якої складається тіло, що визначається середньою кінетичною енергією хаотичного руху частинок речовини.

У природі теплові процеси підпорядковуються закону теплової рівноваги: тіла з більш високою температурою віддають менш нагрітим тілам, з якими контактують, теплоту, допоки їхні температури із часом стануть однаковими. Температура у стані теплової рівноваги набуває для всіх тіл однакового значення.

Температуру вимірюють термометрами. У побуті користуються термометрами, проградуйованими за шкалою Цельсія.

Я знаю, вмію та можу пояснити ⁴

Температурні рекорди у природі та техніці

Найхолодніше місце на Землі знаходиться на Південному полюсі нашої планети . Тут 10 серпня 2010 р . за допомогою обладнання космічного супутника Landsat-8 було зафіксовано температуру -93,2 °С . Для порівняння: одним із найхолодніших місць у Сонячній системі є темний кратер на Місяці (-238 °С) .

Найхолодніший об’єкт, що відомий ученим, розташований у сузір’ї Кентавра на відстані 5000 світлових років від Землі . Температура там становить усього 1 Кельвін, або -272,15 °С, що на один градус вище абсолютного нуля . За цієї температури замерзає навіть водень — найлегший із усіх відомих газів .

За низьких та наднизьких температур речовини мають унікальні властивості, що збільшує перспективи їхнього використання в сучасній науці та техніці . Отримання речовин за наднизьких температур та дослідження їхніх властивостей здійснюють у кріогенних лабораторіях .

В Україні дослідження речовин в умовах наднизьких температур розпочалося у створеному в Харкові в 1928 р . Українському фізико-технічному інституті (УФТІ) . Завдяки першому директору УФТІ І . В . Обреїмову було засновану одну з найпотужніших у Європі кріогенну лабораторію . У 1930 р . лабораторію очолив Л . В . Шубніков . За часів його керівництва розпочато дослідження проблем надпровідності, магнетизму, термодинамічних властивостей речовин в умовах наднизьких температур . Уже в 1930 р . співробітники лабораторії розробили технологію отримання рідкого азоту, у 1931-му — рідкого водню, у 1932-му — рідкого гелію .

Найвища температура на Землі — в пустелі на півдні Ірану, де у 2005 р . температура піднялася до 70,7 °С .

На глибині 30-50 км надра Землі нагріті до 1000-1200 °С .

Установлено, що поміж зірок найвища температура — на так званих блакитних зорях, температура їх поверхні 10 000 - 30 000 °С . У надрах зорі мають ще вищу температуру. За підрахунками вчених, ця температура становить кілька мільйонів градусів Цельсія .

Як не дивно, але температурний рекорд із найвищих температур у Всесвіті (близько 10 трильйонів °С) було встановлено 7 листопада 2011 р . в Швейцарії під час експерименту на Великому адронному колайдері (найпотужнішому прискорювачеві найдрібніших часток) .

Середня температура людського тіла зазвичай коливається в діапазоні між 36,5 і 37,2 °С .

Критично висока температура тіла — 42 °С, за неї відбувається порушення обміну речовин у тканинах мозку.

Вважається, що організм людини краще пристосований до холоду. Наприклад, зниження температури тіла до 32 °С викликає озноб, але не становить серйозної небезпеки . За температури 27 °С настає кома, відбувається порушення серцевої діяльності та дихання . Температура тіла нижче 25 °С є критичною . Проте відомі випадки, коли деяким людям вдалося вижити, перебуваючи тривалий час у сніговому заметі .

Виявлено, що за короткотривалого контакту з дуже низькими температурами організм людини миттєво мобілізує свої захисні сили, прискорює обмінні процеси й запускає механізми самолікування . Таку процедуру здійснюють у кріосаунах, де використовується повітряно-азотна суміш, що має температуру -140 °С . Триває ця процедура близько 2-3 хвилин .

Дівчатка можуть хизуватися термолаком для нігтів . Він має властивість змінювати свій колір залежно від температури . За його відтінками можна оцінити, чи холодно рукам . Якщо відтінок світлий — руки теплі, якщо темний — то треба хутчіше зігрітися .

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Засєкіна