Народна Освіта » Фізика » § 1. Тепловий стан тіл. температура

НАРОДНА ОСВІТА

§ 1. Тепловий стан тіл. температура

ЧАСТИНА I. ТЕМПЕРАТУРА. ВНУТРІШНЯ

ЕНЕРГІЯ. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА та її вимірювання

Усім змалку є звичними слова: гаряче, тепле, холодне. «Обережно, чашка гаряча, обпечешся»,— застерігали нас дорослі. Ми не розуміли, що означає «гаряча», торкалися чашки — і обпікалися. «Сніг холодний, не знімай рукавичок, пальчики змерзнуть»,— умовляла бабуся. нам дуже хотілося дізнатись, а як це — «холодний», ми знімали рукавички й невдовзі розуміли значення цього слова. «Доведеться побути в ліжку. Температура висока»,— наполягав лікар... а що ж таке температура з погляду фізики?

Знайомимося з поняттям «температура»

Початкових уявлень про температуру людина набула за допомогою дотику. Характеризуючи, наприклад, тепловий стан дуже холодного тіла, можна сказати про нього «крижане», тобто порівняти свої відчуття від дотику до цього тіла з відчуттями, що виникають унаслідок дотику до криги.

Визначаючи, наскільки нагріті ті чи інші тіла, ми порівнюємо їхні температури. Коли говорять: «Сьогодні надворі тепліше, ніж учора», — це означає, що температура повітря на вулиці сьогодні вища, ніж учора; фраза «Сніг на дотик холодний» означає, що температура снігу нижча від температури руки. таким чином, на інтуїтивному рівні ми визначаємо

Рис. 1.1. Досліди на підтвердження суб'єктивності наших відчуттів: а — гладенький папір здається холоднішим, ніж шорсткий килимок; б — якщо занурити ліву руку в теплу воду, праву — в холодну, а через деякий час обидві руки помістити в посудину з водою кімнатної температури, то виникне дивне відчуття: ту саму воду ліва рука сприйме як холодну, а права — як теплу

температуру тіла як фізичну величину, що характеризує ступінь нагрітості тіла.

рис. 1.2. Однаково гарячі або однаково холодні тіла перебувають у стані теплової рівноваги: а— книжки перебувають у стані теплової рівноваги зі столом; б — дерево перебуває у стані теплової рівноваги з повітрям; в — іграшки перебувають у стані теплової рівноваги з водою

 

Однак, визначаючи ступінь нагрітості тіл на дотик, можна дати лише приблизну оцінку їхньої температури. Крім того, не завжди можна торкнутися тіла та оцінити, наскільки воно гаряче або холодне. Більш того, відчуття можуть нас обманювати. Справді, за тієї самої кімнатної температури металеві предмети здаються холоднішими від дерев’яних або пластмасових, а шорсткі — теплішими за гладенькі (рис. 1.1, а). І навіть одне тіло в той самий момент може мати на дотик різний ступінь нагрітості (рис. 1.1, б).

Вводимо поняття теплової рівноваги

Досліди показують: коли більш нагріте тіло контактує з менш нагрітим, то більш нагріте тіло завжди охолоджується, а менш нагріте — нагрівається. До того ж можуть змінюватися й інші властивості тіл: вони можуть стати більшими або меншими за розмірами, перейти в інший агрегатний стан, краще чи гірше проводити електричний струм, можуть випромінювати світло іншого кольору тощо. Натомість однаково нагріті тіла, контактуючи одне з одним, не змінюють своїх властивостей, і тоді кажуть, що ці тіла перебувають у стані теплової рівноваги (рис. 1.2).

Температура — це фізична величина, яка характеризує стан теплової рівноваги системи тіл.

Дізнаємось про фізичний зміст температури

Із курсу фізики 7 класу ви знаєте, що температура тіла тісно пов’язана зі швидкістю хаотичного руху його частинок (атомів, молекул, йонів). Цей рух так і називають — тепловий.

Частинки тіла завжди рухаються, отже, завжди мають кінетичну енергію. Чим швидше рухаються частинки, тим вища температура тіла.

Швидкість руху окремих частинок (а отже, їхня кінетична енергія) постійно змінюється. Але в стані теплової рівноваги середня кінетична енергія частинок усіх тіл системи (тобто кінетична енергія, що припадає в середньому на одну частинку) є однаковою. таким чином, з точки зору молекулярно-кінетичної теорії можна дати таке означення температури:

Температура — міра середньої кінетичної енергії хаотичного руху частинок, із яких складається тіло.

Отже, є об’єктивний чинник для визначення температури тіла — це середня кінетична енергія його частинок. Цей чинник не залежить від наших відчуттів, проте він аж ніяк не допоможе виміряти температуру.

Як ви вважаєте, чому неможливо безпосередньо виміряти середню кінетичну енергію руху частинок, з яких складається тіло?

Вимірюємо температуру

Прилади для вимірювання температури називають термометрами. Дія термометрів заснована на тому, що зі зміною температури тіла змінюються певні властивості цього тіла (рис. 1.3).

Розглянемо, наприклад, рідинний термометр, дія якого ґрунтується на розширенні рідини під час нагрівання (докладніше про це ви дізнаєтесь із § 2). Найпростіший рідинний термометр (рис. 1.4) складається з резервуара, наповненого рідиною, довгої тонкої трубки, в яку виступає стовпчик цієї рідини, і шкали. Довжина стовпчика рідини є мірою температури: чим вища температура тіла, тим вищим є стовпчик рідини в термометрі.

Щоб за довжиною стовпчика рідини можна було визначати температуру, слід нанести шкалу, насамперед позначивши на ній так звані реперні точки. Такі точки мають бути пов’язані з якимись фізичними

Рис. 1.3. Різні види термометрів: а — рідинний(мірою температури є довжина стовпчика рідини); б — металевий(біметалічна пластинка, яка з'єднана зі стрілкою термометра, вигинається в результаті нагрівання); в — термометр опору(зі зміною температури змінюється опір робочої частини термометра); г — медичний(унаслідок зміни температури змінюється колір відповідної ділянки термометра)

процесами, які легко відтворити. Так, для виготовлення найбільш використовуваної шкали Цельсія за реперні точки беруть:

 

—    температуру танення чистого льоду за нормального атмосферного тиску. Для цього резервуар майбутнього термометра опускають у лід, що тане, і, дочекавшись, коли стовпчик рідини припинить рух, навпроти поверхні рідини в стовпчику ставлять позначку 0 °С (рис. 1.5, а);

—    температуру кипіння води за нормального атмосферного тиску. Резервуар майбутнього термометра занурюють у киплячу воду і положення стовпчика рідини позначають як 100 °С (рис. 1.5, б).

Поділивши відстань між позначками 0 і 100 °С на сто рівних частин, дістанемо термометр, який проградуйовано за шкалою Цельсія, та одиницю температури за цією шкалою — градус Цельсія (°C).

1 °C дорівнює одній сотій частині зміни температури води під час її нагрівання від температури плавлення до температури кипіння за нормального атмосферного тиску.

Температуру, виміряну за шкалою Цельсія, позначають символом t:

[t] = °C.

У СІ за основну одиницю температури взято кельвін (K). Температура, виміряна за шкалою Цельсія (t), пов’язана з температурою, виміряною за шкалою Кельвіна (T), співвідношенням: t = T- 273; при цьому 1 °С = 1 К.

Зверніть увагу: термометр завжди показує свою власну температуру, отже, вимірюючи температуру будь-якого тіла, слід дочекатися стану теплової рівноваги між тілом і термометром.

Чому для вимірювання температури лікарі радять тримати термометр кілька хвилин?

Підбиваємо підсумки

Якщо в будь-який спосіб створити контакт між тілами і певний час почекати, врешті-решт їхні властивості припинять змінюватися. Тоді говорять, що тіла перебувають у стані теплової рівноваги. Фізичну величину,

яка характеризує стан теплової рівноваги, називають температурою. Температура — це міра середньої кінетичної енергії руху частинок, із яких складається тіло. Прилади для вимірювання температури називають термометрами. Дія термометрів ґрунтується на зміні у тіл їхніх властивостей, пов’язаних зі зміною температури.

Контрольні запитання

1. Чому не завжди можна оцінити температуру тіла на дотик? 2. У чому полягає стан теплової рівноваги? 3. Дайте означення температури тіла.

4.    Чому хаотичний рух частинок тіла називають тепловим рухом?

5.    Наведіть приклади різних термометрів. 6. Опишіть принцип дії рідинного термометра. 7. Назвіть реперні точки шкали Цельсія. 8. Температуру якого тіла завжди показує термометр?

Вправа № 1

1.    Наведіть приклади тіл, що перебувають у стані теплової рівноваги. Обґрунтуйте свою відповідь.

2.    Згадайте будову й принцип дії рідинного термометра та поясніть, що більше розширюється під час нагрівання: скло чи рідина?

3.    Чому розміри термометра мають бути невеликими порівняно з розмірами тіла, температуру якого вимірюють?

4.    Уявіть віконний термометр, який замість спирту заповнено водою. Чому такий термометр буде незручним?

5.    Скористайтесь додатковими джерелами інформації та дізнайтесь про історію створення термометрів і різних температурних шкал (Фаренгейта, Реомюра тощо). Підготуйте коротке повідомлення.

6.    Визначте ціну поділки та покази термометрів на рис. 1.3, а, б.

Експериментальне завдання

Проведіть дослід із теплою та холодною водою, описаний у пункті 1 параграфа. Опишіть послідовність своїх дій, зробіть висновок.

Фізика і техніка в Україні

 

Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. і. Вєркіна HAH України (Харків) був заснований у I960 р. для вивчення фізичних явищ за низьких температур. Ці дослідження були важливими для освоєння космічного простору.

Завдання, поставлені перед науковцями, передбачали дослідження теплових властивостей газів, рідин і твердих тіл в умовах космосу. Досвіду таких досліджень у світі не було, тому довелося починати з методів вимірювання температури, теплопровідності, вивчення особливостей конвекції та випромінювання. В усіх напрямах співробітники інституту досягли видатних наукових результатів. Про це свідчать і численні наукові премії, в тому числі міжнародні.

У 1991 р. інституту було присвоєно ім'я його засновника та першого директора — академіка Бориса Ієремійовича Вєркіна.

 

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар

 

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 7-08-2016, 19:12, посмотрело: 7595