§ 2. Температура

Який характер має тепловий рух молекул?

Поняттям «температура» люди почали користуватись ще до визнання теорії атомної та молекулярної будови речовини. Тепловий стан тіла характеризували за відчуттям тепла чи холоду при дотику. Але чи є об’єктивними такі відчуття?

Торкаючись снігу взимку ми говоримо, що «сніг холодний», оскільки температура снігу менша за температуру руки. Тобто поняття температури в даному випадку можна визначити як ступінь нагрітості тіла. Проте не завжди за відчуттям можна визначити гаряче тіло, чи холодне. Наприклад, металеві предмети здаються холоднішими дерев’яних за однакової кімнатної температури. Тому для порівняння температури тіл потрібно використовувати об’єктивні чинники, які ми розглянемо далі.

Досліди показують, що однаково нагріті тіла, які контактують між собою, не змінюють свої властивості як завгодно довго при відсутності зовнішніх впливів. Цей стан називають тепловою рівновагою.

Так, наприклад, температура рідини в посудині, що перебуває в тепловій рівновазі з повітрям у кімнаті, не змінюється, якщо для цього не буде будь-яких зовнішніх причин. Звичайно, якщо в кімнаті температура повітря 20 °С, а на вулиці —10 °С і ви відкриєте вікно, то зовнішні умови зміняться і температура рідини в посудині теж буде змінюватися. Проте з плином часу знову встановиться теплова рівновага (якщо не буде інших змін), і температура змінюватися не буде.

Якщо опустити в склянку з гарячим чаєм металеву ложку, то ложка буде нагріватися, а чай — остигати. Це буде відбуватися до тих пір, поки не настане теплова рівновага, при якій температура ложки і чаю стане однаковою. У будь-якому випадку, якщо взяти два нагрітих тіла, нагрітих по-різному, і привести їх у зіткнення, то більш нагріте тіло буде остигати, а менш нагріте — нагріватися. Через деякий час система, що складається з цих двох тіл, прийде в теплову рівновагу, і температура цих тіл стане однаковою.

Частинки тіла завжди перебувають в тепловому русі, а значить мають кінетичну енергію. Чим швидше рухаються частинки, тим більша температура тіла, і навпаки: збільшення температури призводить до збільшення швидкості руху частинок та, відповідно, до збільшення кінетичної енергії. Кінетична енергія частинок речовини постійно змінюється, оскільки змінюються швидкості частинок. Але середня кінетична енергія частинок всіх тіл, що перебувають в тепловій рівновазі, є однаковою.

Отже, температура — це фізична величина, що характеризує стан теплової рівноваги системи тіл і є мірою середньої кінетичної енергії хаотичного руху частинок речовини.

її особливістю є те, що значення температури у всіх тіл, що перебувають у стані теплової рівноваги, однакове. Так, однаковою стане температура предмета, внесеного в кімнату, і повітря в ній, коли вони прийдуть в теплову рівновагу.

Температуру вимірюють термометром. Дія термометра ґрунтується на залежності властивостей тіл від температури: теплове розши-

рення тіл, зміні електричних властивостей речовини від температури і т.д. Різні типи термометрів зображено на рис. 3. Вам добре відомо, що тіла при нагріванні розширюються. На залежності об’єму тіла від температури ґрунтується будова найпоширеніших термометрів. У термометрах можуть бути використані різні тіла: і рідкі (спирт, ртуть), і тверді (метали), і газоподібні.

Найчастіше використовують рідину або газ.

Рідинний термометр (рис. 4) складається з колби (1), наповненої рідиною і яка з’єднана з довгою тонкою трубкою (2). За довжиною стовпчика рідини в трубці визначають температуру. Для того, щоб за допомогою термометра можна було проводити вимірювання, термометр повинен мати шкалу (3).

Щоб виміряти температуру за допомогою рідинного термометра, його колбу розміщують в тому середовищі, температуру якого хочуть виміряти. Коли встановиться теплова рівновага між рідиною в колбі і середовищем (довжина стовпчика рідини в трубці перестане змінюватися) за шкалою визначають значення температури.

При побудові шкали вибирають дві основні (реперні, опорні) точки, яким приписують певні значення температури, й інтервал між ними ділять на кілька рівних частин. Значення кожної частини відповідає одиниці температури за даною шкалою.

Рідинні термометри мають ряд недоліків. Наприклад, використовуючи в термометрах властивість теплового розширення, ми вважаємо, що об’єм рідини змінюється однаково (рівномірно) на як завгодно великому температурному інтервалі. Насправді це не так. Причому в різних речовин ця нерівномірність проявляється різною мірою.

Існують різні температурні шкали. Однією з найбільш поширених у практиці і добре відомих вам шкал є шкала Цельсія. Основними точками цієї шкали є температура танення чистого льоду за нормального атмосферного тиску і температура кипіння дистильованої води за нормального атмосферного тиску. Першій точці приписали значення 0 °С, а другий — 100 °С.

Відстань між цими точками розділили на 100 рівних частин і отримали шкалу Цельсія. За одиницю температури за цією шкалою прийнятий 1 °С.

Один градус Цельсія (1 °С) — це одна сота частини інтервалу між температурою плавлення льоду і температурою кипіння води за нормального атмосферного тиску.

Зрозуміло, що, вибираючи в якості основних різні точки і ділячи відстань між ними на різну кількість частин, можна отримати різні температурні шкали. Так, у США та Великобританії досі застосовують термометри зі шкалою Фаренгейта.

За 0° у цій шкалі Фаренгейт прийняв температуру найхолоднішої зими в Голландії в 1709 р. Таку температуру мала, складена ним, суміш льоду з нашатирем чи кухонною сіллю. Другу точку він отримав, занурюючи термометр у суміш льоду і води. Відстань між цими точками він розділив на 32 частини. Таким чином, за цією шкалою вода замерзає при 32 °F.

Свою шкалу Фаренгейт перевіряв, вимірюючи температуру людського тіла. Нову точку, що відповідає нормальній температурі тіла, він позна-

чив 98 °F. Пізніше він увів четверту точку — температуру кипіння води, яка дорівнює 212 °F.

У Франції використовувалася шкала Реомюра, запропонована в 1730 р. Основні точки цієї шкали — температура танення льоду (0 °R) і температура кипіння води (80 °R).

Існує ще шкала Кельвіна, де за початковою точкою є абсолютний нуль. Одиницею температури є Кельвін, який дорівнює градусу за шкалою Цельсія. Нулю за шкалою Кельвіна відповідає -273,15 °С.

Найбільш поширені температурні шкали наведені на рисунку 5.

Запитання для самоперевірки

1.    Наведіть приклади, коли тіла перебувають у стані теплової рівноваги і коли не перебувають у тепловій рівновазі.

2.    Сформулюйте означення температури тіла.

3.    Яку властивість тіл покладено в основу вимірювання температури?

4.    Яка будова рідинного термометра?

5.    Як будується шкала Цельсія?

1.    Чи перебуває полум’я багаття в тепловій рівновазі з навколишнім повітрям?

2.    Чому трубка, яка використовується у рідинному термометрі має бути тонкою?

3.    Яку рідину використовують у побутових термометрах?

4.    Накресліть шкалу термометра, межі вимірювання якого — від -5 °С до +10 °С, а ціна поділки дорівнює 0,5 °С. Позначте на шкалі температуру 8,5 °С.

4*. Температура повітря в кімнаті 18 °С. Яка температура повітря за шкалою Фаренгейта та за шкалою Реомюра?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Пістун