§ 3. Рух молекул і тепловий стан тіла.

Температура

З дитинства нам відоме слово «температура». Під час хвороби ми вимірюємо температуру термометром, і, якщо вона значно перевищує 36,6 градусів, то доводиться викликати лікаря.

Шкала Цельсія

Ми зазвичай користуємося термометром, шкала якого проградуйована у градусах Цельсія (°С): 25-30°С - це спека, при 10-15°С уже прохолодно, а взимку при мінус 5-20°С холодно (мол. 3.1). Температуру за шкалою Цельсія позначають літерою t° і вимірюють у градусах. Інколи замість °С будемо писати просто град.

У шкалі Цельсія використовуються дві фіксовані (реперні) точки: температура танення льоду t° = O⁰C і температура кипіння води t⁰ = 10O⁰C (при нормальному атмосферному тиску 760 мм рт. ст.). Проміжок між цими точками на шкалі ділиться на сто рівних частин, і одна така частина називається градусом.

Зручність побудови температурної шкали за точкою танення льоду чи кипіння води полягає в тому, що температура льоду залишається сталою, поки він повністю не розтане. Так само залишається сталою температура води, доки вся вода не википить. Фіксувати ці точки легко, і якою 6 не була конструкція термометра, він буде показувати температуру правильно. Так було не завжди - коли з'явилися перші термометри, кожен майстер встановлював свою шкалу і за власною методикою. Навіть два термометри, виготовлені одним майстром, вимірювали температуру по-різному.

У звичайному побутовому термометрі для вимірювання температури використовують теплове розширення рідини (ртуть чи підфарбований спирт). Рідина міститься в невеликому скляному резервуарі, який переходить у вузьку довгу трубку, запаяну зверху (мал. 3.1). Над рідиною у трубці знаходиться повітря (і, частково, пара рідини). При нагріванні рідина розширюється і піднімається трубкою. Чим вища температура, тим вище піднімається стовпчик рідини в трубці. Чим тонша трубка, тим помітніша зміна об'єму рідини в ній і тим чутливіший термометр.

Вибір робочої рідини в термометрі залежить від практичних потреб. Зокрема, необхідно, щоб температури тверднення і кипіння робочої рідини були за межами діапазону вимірюваних температур.

Зараз існує багато різних конструкцій термометрів: рідинні, твердотільні, газові сталого об'єму і сталого тиску, електричні термометри опору, термоелектричні, магнітні, спектральні. Завдяки появі рідких кристалів значення вимірюваної температури можна виводити на дисплей (мал. 3.2).

Використовуються також різні температурні шкали (мал. 3.3). У США, Канаді, Англ Γι' традиційно користуються шкалою Фаренгейта, у більшості країн світу - шкалою Цельсія, а фізики застосовують шкалу Кельвіна.

Нуль шкали Кельвіна встановлено в точці -273,15°С і в цій шкалі немає від'ємних температур, оскільки англійський фізик Вільям Томсон (Кельвін) довів, що менших температур в природі бути не може. Ціна поділки шкали Цельсія і шкали Кельвіна однакова, лише початок відліку відрізняється на 273,15 градусів.

Температуру за шкалою Кельвіна позначають літерою T і називають абсолютною температурою, оскільки від'ємних температур в цій шкалі не існує. В

подальшому цифру 273,15 ми заокруглюватимемо до цілих. Перехід від градусів Цельсія до градусів Кельвіна дає формула:

ІСТОРИЧНА ДОВІДКА

Першу термометричну шкалу з двома реперними точками увів данський астроном Олаф Ремер.

Видатний англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) вступив до університету у 10 років.

Перший зручний для практичного використання термометр виготовив голландський майстер Даніель Фаренгейт. Він взяв дві реперні точки - температуру тіла здорової людини і температуру танення суміші льоду, солі та нашатирю і розділив цей проміжок на 96 частин. Третьою (контрольною) точкою була температура танення льоду, яка становила 32 градуси Фаренгейта. У1709 році Фаренгейт виготовив спиртовий термометр, а в 1714 році -ртутний. Температура кипіння води в цій шкалі становить 212 градусів. До речі, точку нуля Фаренгейт переніс на 32 нижче точки танення льоду саме для того, щоб у побуті не використовувати від'ємних значень температури, оскільки в Голландії рідко бувають сильні морози.

Температуру за шкалою Цельсія і Фаренгейта позначають однаково - літерою t°. Щоби їх розрізняти, ми використали позначення: t°C - температура за шкалою Цельсія, t°F - за шкалою Фаренгейта. Формули для переходу з однієї шкали в іншу мають вигляд:

ПРИКЛАД 3.1

Нехай температура за Цельсієм становить t⁰ = 27°С. Тоді за Фаренгейтом це буде t° = 80,6°F, а за шкалою Кельвіна T = 300 К.

ЦІКАВО ЗНАТИ

•    Найвища температураповітря +58,2°С спостерігалася в Лівії. У Каліфорнії в Долині Смерті температура досягала +56,7°С. Найнижча температуразафіксована в Антарктиді -89,2°С.

•    Нормальна температура людського тіла 36,6°С насправді коливається протягом дня на 0,5°С в більшу чи меншу сторону в залежності від фізичного навантаження чи прийому їжі.

•    Температура не є адитивною величиною(не додається). Якщо змішати 20 літрів води, що має 40°С з ЗО літрами води при тій же температурі, то отримаємо 50 літрів води при 40°С. Тобто, літри додалися, а градуси - ні.

•    Сучасні термометри можуть вимірювати температуру від однієї мільйонної кельвіна і до 10 000 К.

ДОСЛІД 3.Ί

У пластиковому стаканчику змішайте однакові кількості снігу (чи дрібно наколотого льоду) і солі. Помістіть туди термометр, шкала якого сягає -25°С, і спостерігайте за зниженням температури. Ви будете дуже здивовані результатом!

Процедура вимірювання температури

Термометр показує не температуру тіла, як це може здатися на перший погляд, а свою власну, точніше, температуру робочого тіла термометра (ртуті, спирту тощо). Опишемо детально процедуру вимірювання температури.

1.    Спочатку приводимо термометр у тепловий контакт із тілом, температуру якого треба виміряти. Якщо нам потрібно, наприклад, виміряти температуру води у ванні, то для цього досить опустити резервуар термометра у воду.

2.    Далі - треба почекати, поки температура робочого тіла термометра зрівняється з температурою води у ванні. Тут є ще один нюанс, над яким ми в більшості випадків не замислюємося: при встановленні теплової рівноваги робочого тіла термометра і води - вода охолоджується, а термометр - нагрівається. Проте води у ванні так багато, що зміна її температури в процесі вимірювання дуже мала. Тому можна сказати, що ми виміряли температуру води. Насправді ми дізналися про температуру термометра, яка встановилася при тепловому контакті його з водою.

А як нам виміряти температуру краплі води?

Мікросвіт відрізняється від звичного для нас оточення не тільки малими розмірами, а й неперервним рухом «жителів» цього світу - атомів і молекул. Молекули (атоми), з яких складається тіло, рухаються по-різному (коливаються чи рухаються поступально залежно від агрегатного стану речовини). Вони мають різну швидкість (за значенням і напрямом), яка постійно змінюється при зіткненнях (за одну секунду відбувається близько мільярда зіткнень). Рух молекул неперед-бачуваний, заплутаний або, як кажуть, хаотичний (грецьке слово хаос означає -«безпорядок», від цього слова походить також ще один термін: «газ»).

Хаотичний неперервний рух молекул називають тепловим рухом, оскільки відчуття тепла чи холоду ми пов'язуємо з температурою.

Температура тіла пов'язана зі швидкістю руху молекул. Це випливає з дослідження дифузії, яка відбувається тим швидше, чим вища температура, саме тому, що молекули рухаються швидше.

Інтенсивність броунівського руху збільшується з підвищенням температури, тому що молекули, рухаючись швидше, частіше і сильніше вдаряють по броунівській частинці.

Під час нагрівання тиск газу підвищується, оскільки молекули при великій швидкості частіше і сильніше вдаряють по стінках.

При нагріванні тіла розширюються, і це також пов'язано зі зростанням швидкості молекул.

Надамо поняттю «температура» більш строгого змісту. Оскільки різні молекули рухаються з різною швидкістю, яка ще й постійно змінюється, то можна говорити тільки про деяку середню швидкість руху, яку ми позначимо як v. Тоді середня кінетична енергія молекул становитиме

редня кінетична енергія молекул прямо пропорційна температурі тіла, обчисленій в абсолютній шкалі Кельвіна і визначається за формулою:

де к = 1,381(Ґ²³Дж/К - стала Больцмана.

При даній температурі можна говорити тільки про певну середню швидкість молекул (та середню кінетичну енергію), і вона тим більша, чим вища абсолютна температура тіла.

Коли вчені вперше обчислили швидкості молекул за формулою (3.4), то вони були дуже здивовані. Для молекул кисню та азоту, наприклад, це близько 500 м/с при кімнатній температурі. Були поставлені хитромудрі досліди для визначення швидкості молекул і виявилось, що вони дійсно літають зі швидкістю кулі. Якби всі молекули олівця, наприклад, раптом «вирішили» рухатися в одному напрямі, то олівець полетів би зі швидкістю снаряду. Добре, що молекули не вміють домовлятися, інакше довколишні предмети стали б небезпечними.

Теплова рівновага

Торкнувшись сильно нагрітого тіла можна обпектися. При наявності двох тіл із різною температурою енергія (теплота) може передаватися від одного тіла до іншого. При цьому температура вказує напрям передачі теплоти від більш нагрітого до менш нагрітого тіла. У процесі передачі теплоти більш нагріте тіло охолоджується, а менш нагріте - нагрівається. Врешті-решт температура тіл вирівнюється і наступає теплова рівновага.

«Нагріти» тіло можна, привівши його в тепловий контакт з іншим тілом, яке має вищу температуру, а «охолодити» - привівши його в тепловий контакт з тілом, яке має нижчу температуру. Процес передачі теплоти триватиме доти, доки температури тіл не вирівняються і не настане, як прийнято казати, теплова рівновага.

Перехід від нерівноважного стану (коли температури тіл різні) до стану теплової рівноваги потребує певного часу. Чим більша різниця температур тіл, тим швидше проходить теплообмін.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Невпорядкованість руху молекул повітря призводить до невеликих неоднорідностей густини атмосферного повітря. Цікаво, що цей незначний ефект зумовлює мерехтіння зір вночі і голубий колір неба вдень. Якби молекули припинили на деякий час свій рух, зорі перестали б мерехтіти, а денне небо стало б чорним, як уночі, і можна було б, крім Сонця, побачити ще й зорі. Саме таким бачать небо космонавти, які знаходяться на космічних станціях поза межами атмосфери.

ТВОРЧІ ЗАВДАННЯ

3.1.    Поясніть принцип дії одного з перших в історії термометрів - термометра Галілея (мал. 3.4).

3.2.    Температура здорової людини практично завжди постійна. Опишіть два механізми цієї термічної стабілізації.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

У шкалі Цельсія використовуються дві фіксовані точки: температура танення льоду 0°С і температура кипіння води 100°С при нормальному атмосферному тиску (760 мм рт. ст.). Проміжок між цими точками на шкалі ділиться на сто рівних частин, і одна така частина називається градусом. Температура за шкалою Кельвіна більша за температуру, виміряну за шкалою Цельсія на 273°: T= (ҐС+ 273)К, але ГС = 1 K- тобто ціна поділки цих шкал однакова.

ВПРАВА № З

1.    Чому говорять про середню швидкість молекул, а не просто про їх швидкість?

2.    Які досліди підтверджують зв'язок середньої швидкості молекул із температурою?

3.    Чому гарячою водою легше відмити блюдечко від варення, аніж холодною?

4.    Чому газ із підвищенням температури сильніше тисне на стінки посудини, в якій він знаходиться?

5.    З якими побутовими словами і поняттями ми пов'язуємо термін «температура»?

6.    Який зв'язок між напрямом передачі теплоти і температурою?

7.    Що означають терміни: а) «нагріти», б) «охолодити»?

8.    Від чого залежить тривалість процесу встановлення теплової рівноваги?

9.    Що знаходиться над ртуттю чи спиртом в термометрі?

10.    Чому в термометрах не застосовують воду як робоче тіло? Наведіть кілька вагомих причин.

11.    Скільки поділок має шкала Фаренгейта між точками танення льоду і кипіння води?

12.    Чому складно виміряти температуру краплі води?

13.    Один термометр знаходиться в метеорологічній будці, а інший - на відкритому місці, на вітрі. Який із них покаже нижчу температуру?

14.    Якщо термометр опустити в гарячу воду, то в перший момент часу стовпчик термометра може трохи опуститься. Поясніть ефект.

15.    Чи можна виготовити термометр, використовуючи в ньому не рідину, а тверде тіло?

16.    Укажіть основну перевагу шкали Кельвіна перед іншими шкалами.

17.    Чому взимку обледенілі ділянки дороги і тротуару посипають сіллю?

18.    Чому морська вода замерзає при -2 °С, а не при 0°С?

19.    При якій температурі покази термометрів Цельсія і Фаренгейта чисельно збігаються?

20.    Як зміняться маса, густина, об'єм і температура суміші, якщо узяти по одному літру води, кожен з яких має температуру 20°С, і змішати їх в одній посудині? Вважайте, що температура посудин і повітря також 20°С.

21.    Обчисліть середню швидкість молекул а) кисню та б) водню при 27°С, користуючись формулами (3.4) та (1.1).

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка