§ 1. Тепловий стан тіл. температура. теплова рівновага

У повсякденному житті нам часто доводиться враховувати тепловий стан тіл, що нас оточують. Своїми органами чуття ми оцінюємо тепловий стан тіл і можемо розрізняти теплі, гарячі, холодні тіла. Проте наші органи чуття дають змогу лише порівнювати теплові стани, до того ж не досить точно. Коли ви заходите взимку знадвору в приміщення, вам здається, що в ньому тепло. Проте через деякий час ви почнете відчувати, що замерзаєте. Якщо ваші руки замерзли і ви обіллєте їх холодною водою з-під крана, вода здаватиметься теплою.

Як же можна охарактеризувати той чи інший тепловий стан тіла? Візьмемо колбу й закриємо її корком із вставленою в нього скляною трубкою. З’єднаємо колбу за допомогою гумової трубки з водяним манометром. Тиск повітря в колбі до з’єднання з манометром був такий самий, як і навколишнього атмосферного повітря. Якщо колбу залишити в спокої на поверхні стола, то ніяких змін, принаймні протягом кількох хвилин, ви не помічатимете.

Охопіть колбу долонями. Ви відразу побачите, що рівень води в коліні манометра, приєднаного до колби, знижується, а у відкритому коліні підвищується. Ваші теплі долоні нагрівають колбу, і об’єм повітря в ній збільшується. Разом із збільшенням об’єму зростає й тиск повітря, про що свідчить різниця рівнів води в колінах манометра. Через деякий час розширення повітря припиниться. Щоб ще збільшити об’єм повітря і тиск, колбу можна занурити в гарячу воду або скористатися спиртівкою (мал. 1.1).

Нагріваючи повітря, ви змінюєте його тепловий стан. Свідченням зміни теплового стану повітря, яке міститься в колбі, є зміни його об’єму й тиску. Рідини й тверді тіла внаслідок нагрівання чи охолодження теж змінюють свій об’єм. Зміна тиску, об’єму тіл — це прояви зміни їхнього теплового стану.

Чому ж відбуваються ці зміни? Що визначає тепловий стан тіла? Ви вже здогадалися, що тепловий стан тіла визначається рухом і взаємодією молекул і атомів, з яких воно складається. Чим швидше рухаються молекули тіла, тим тепліше тіло. Якщо газ у закритій посудині нагрівають, збільшується швидкість його молекул і зростає сила їхнього удару під час зіткнення із стінкою посудини. Кількість таких зіткнень за одиницю часу теж зростає. Тому внаслідок зміни теплового стану змінюється тиск газу на стінки посудини. Зміна теплового стану твердих тіл спричиняє зміну їхнього об’єму. У цьому випадку не лише зростає швидкість руху молекул (атомів, йонів), а й збільшуються проміжки між молекулами.

Для характеристики ступеня “нагрітості” тіл здавна використовують поняття “температура”. Наше розуміння температури пов’язане із суб’єктивним сприйняттям “тепла” і “холоду”. Теплі тіла мають вищу температуру, холодні — нижчу. Температура (від лат. temperatura — належне змішування, нормальний стан) — фізична величина, яку застосовують для порівняння теплових станів тіл. Якщо температура двох тіл, що контактують, стає однаковою, їхні тиски й об’єми перестають змінюватися. Такий стан називають тепловою рівновагою.

Об’єм, тиск і температура визначають тепловий стан тіл. Особливістю температури є те, що температура всіх тіл, які перебувають у стані теплової рівноваги, однакова. Тиски і об’єми тіл, між яким встановилася теплова рівновага, можуть бути різними, але залишаються незмінними як завгодно довго.

Якщо температури тіл різні, то під час контакту тіло з вищою температурою охолоджується, а з нижчою — нагрівається. У такому випадку кажуть, що гаряче тіло віддало тепло, а холодне його одержало. Цей процес називають теплообміном або теплопередачею. Температура тіл визначає напрямок теплообміну між ними. Тепло завжди передається від тіла з більшою температурою до тіла, температура якого нижча.

На тому, що тіла, між якими встановилася теплова рівновага, мають однакову температуру, а їхні тиски, об’єми й інші властивості перестають змінюватися, ґрунтується вимірювання температури. Вимірюючи температуру свого тіла, ви підкладаєте термометр під руку, притискаєте його до тіла й чекаєте п’ять хвилин. За цей час між вашим тілом і термометром встановлюється теплова рівновага, і його показання перестають змінюватися.

Вимірюючи температуру, слід пам’ятати, що будь-який термометр завжди показує власну температуру, що збігається з температурою середовища, в якому він знаходиться. У разі контакту термометра з фізичним тілом між ним і тілом відбувається теплообмін. Досить скоро між термометром і тілом встановлюється теплова рівновага, і всі фізичні величини, які характеризують тіла (термометр і, наприклад, вода, температуру якої вимірюють), перестають змінюватися. З цього моменту температури термометра і тіла, що контактує з ним, однакові. Тому термометр, показуючи власну температуру, одночасно показує температуру тіла, яке контактує з ним.

Температура — фізична величина, вимірювана термометром. Температура ° однаковою в усіх тілах або частинах тіла, які перебувають у стані теплової рівноваги одне з одним.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Зміна яких фізичних величин свідчить про зміну теплового стану тіла?

2.    Як пов’язаний тепловий стан тіла із рухом молекул, з яких воно складається?

3.    Що таке теплова рівновага? Які особливості притаманні тілам, що перебувають у стані теплової рівноваги?

4.    Чому можна казати, що температура характеризує стан теплової рівноваги?

5.    Як за температурою тіл можна визначити напрямок теплообміну між ними?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко