§ 3. Температура.

Тут ти дізнаєшся, який фізичний зміст поняття температури ,як проводяться вимірювання температури, які прилади для цього застосовуються та яка будова найпоширеніших із них.

Доторкуючись послідовно до деяких тіл, ми можемо сказати, яке із них нагріте більшою мірою, а яке - меншою. Так само можна визначити, яке із досліджуваних тіл «холодне» більшою мірою, а яке - меншою. Зрозуміло, що для такої точної науки як фізика, подібних порівнянь недостатньо. Адже так не можна порівняти нагрітість розплавленого свинцю чи парафіну, холодність льоду і рідкого азоту. Тим більше, нічого не можна сказати про кількісну міру таких відмінностей. Але вчені виявили, що в теплових процесах змінюються деякі фізичні властивості фізичних тіл. Так, при нагріванні повної пляшки води, вийнятої з холодильника, остання через деякий час почне виливатися, що однозначно свідчить про збільшення її об’єму. Залитий у земляну форму розплавлений чавун легко відділяється від форми внаслідок того, що при охолодженні його об’єм зменшуєтьсяся. При охолодженні і нагріванні змінюються також електричні властивості металів і напівпровідників. При охолодженні металевого провідника спостерігається збільшення сили струму в ньому. У напівпровідниках, речовинах, які широко застосовуються в сучасній електронній техніці, спостерігається зворотнє явище: сила струму в таких речовинах збільшується при нагріванні і зменшується при охолодженні. Існує багато інших властивостей, які змінюються в процесі нагрівання чи охолодження тіл. При цьому зміни відбуваються однозначно, відповідно до рівня нагрітості тіла. Тому про нагрітість тіла можна судити не тільки

за суб’єктивним відчуттям тепла чи холоду, а вимірюючи якісь інші, пов’язані з теплотою властивості тіла, яке в даному випадку називається термометричним. На цьому принципі побудовані прилади, які дозволяють кількісно, незалежно від відчуття, вимірювати рівень нагрітості тіла. Вони отримали назву термометрів (з лат. termo термо - тепло; meter- метр - вимірюю). Фізична величина, яка характеризує теплові процеси і показує рівень нагрітості тіла називається темпера турою.

Щоб зрозуміти принцип дії найбільш поширених типів термометрів, виконаємо дослід. Наповнену водою скляну колбу закриємо корком з довгою трубкою так, щоб в ній була деяка кількість води. Поставимо колбу на пальник і спостерігатимемо за рівнем води в трубці (мал. 8).

Нагріваючись, вода деякий час буде підійматися, а потім рівень води залишиться незмінним.

Між пальником і колбою встановиться теплова рівновага, коли вода в колбі не охолоджується і не нагрівається, або охолоджується рівно настільки, наскільки нагрівається. Відмітимо рівень води в трубці і перенесемо колбу нагріту електро плитку. Якщо рівень води не зміниться, тобто, сталим буде її об’єм, то можна сказати, що обидва нагрівники нагріті однаково. Отже, побудований нами прилад може служити для порівняння рівнів нагрітості тіл. Вперше придатний для практичного застосування прилад (термоскоп), побудований подібно до установки, описаної тут, виготовив італійський вчений Галілео Галілей у 1592 році.

Це була невелика скляна колбочка з довгою тонкою трубкою. Колбочку нагрівали від тіла, рівень нагрітості якого визначали, і трубку опускали в холодну воду. Зрозуміло, що вода заходила в трубку при охолодженні колби, і до-

вжина стовпчика залежала від рівня на-грітості колби на початку дослідумал. 9. Повторивши дослід з іншим нагрівачем, можна було сказати, який з них нагрітий більшою мірою. Пізніше термоскоп удосконалив учень Галілея Еванджеліс-та Торрічеллі, додавши до нього шкалу. Зовнішній вигляд його зображений на мал. 9

Таким чином він показав, що порівняння можна звести до рівня вимірювання, тобто, вираження результатів порівняння в кількісній, числовій формі. Для цього потрібно установку вдосконалити, ввівши в неї шкалу - лінійку, яка дозволить вимірювати зміну довжини стовпчика води. Це вже буде прилад, який дозволяє порівнювати рівень нагрітості тіл - термометр. Термометричним тілом може бути будь-яка речовина - газ, рідина, чи тверде тіло.

У багатьох термометрах промислового виготовлення, які використовуються в наукових дослідженнях теплових процесів і в побутових умовах, використовують спирт або ртуть. Відповідно термометри називають спиртовими або ртутними.

У сучасних термометрах, де застосовується зміна електрних властивостей при нагріванні, теромометричним тілом є металеві провідники або напівпровідники.

Для побудови шкали термометрів використовують характеристики теплових станів речовин, які добре вивчені і доступні для використання. Для побудови найбільш поширеної шкали Цельсія використано теплові властвості води і льоду. Згідно з такою шкалою лід за нормальних умов тане за температури 0 . а вода кипить за температути 100 . Тому при градуюванні шкали термометра і побудови шкали Цельсія його спочатку занурюють у посудину з танучим льодом, і коли встановиться теплова рівновага, відмічають її рівень на шкалі. Другу опорну (реперну) точку отримують при

зануренні термометра у дистильовану воду, що кипить за нормального атмосферного тиску. Над цією точкою встановлюють число 100.

Результати вимірювань за такою шкалою записують зі значком °С, наприклад 5 С. Другою реперною (опорною) точкою цієї шкали є температура кипіння води, яка вважається рівною 100 С. З певним наближенням можна вважати, що термометричне тіло за нормальних умов змінює свої властивості пропорціонально зміні температури. Тому вся шкала між відмітками 0 і 100 поділена на 100 рівних частин, які називаються градусами. Часто такі ж за розміром поділки наносять на шкалу в частині шкали ниже нуля і вище 100. Зрозуміло, що в особливо точних і чутливих термометрах кожну поділку ціною 1 градус можна поділити на певну кількість рівних частин. Таку шкалу має медичний термометр, ціна поділки якого становить 0,1 градуса.

Таблиця. Значенння температури в природі:

Надра найгарячіших зір - IO¹⁰⁰C

Сонячна корона - 10“ ⁰C

Електрична дуга - 6 · IO^{3 0}C

Гази в камері реактивного двигуна - 3 · IO^{3 0}C

Розжарена нитка електричної лампи розжарення - 2 500 ⁰C

Гази у циліндрі ДВЗ - 2 · IO^{3 0}C

Полум’я побутової газової плити - 750 ⁰C

Кипіння води - 100 ⁰C

Зрідження гелію - (-268,8) ⁰C

Екскурсія в техніку.

Рідинний термометр. Головною частиною кожного рідинного термометра (мал. 10) є скляна трубка (1) з резервуаром (2). При виготовленні резервуар заповнюється рідиною так, щоб частина її знаходилася в трубці. Повітря з трубки відкачується і вона запаюється. Щоб описаний пристрій міг бути вимірювальним приладом, трубку закріплюють на дерев’яній або пластмасовій основі (3), яка має шкалу (4). У деяких термометрів (мал. 10) шкала і трубка з резервуаром розміщується всередині прозорого скляного корпуса. У медичних термометрів (мал. 11) капілярна трубка біля виходу з резервуара має невелике звуження, яке заважає рідині повертатися в резервуар при зниженні температури, коли термометр не дотикається тіла людини. Це створює умови для тривалого спостерігання за результатами одного вимірювання.

Як термометричне тіло в рідинних термометрах застосовують ртуть або підфарбований етиловий спирт. Читач може самостійно визначити верхню і нижню межі вимірювань кожного рідинного термометра, користуючись таблицями з температурами кристалізації і кипіння для ртуті і спирту (див. далі).

Біметалевий термометр. Головною частиною біметалевого термометра (мал. 11) є спіраль (мал. 12), виготовлена з двох металевих смужок із металів, які по-різному розширюються при нагріванні. При нагріванні і охолодженні спіраль внаслідок різного розширення чи стискання смужок розкручується або скручується. Приєднана до кінця спіралі стрілка зміщується і показує на шкалі значення температури. Металеві термометри можуть застосовуватися при температурах значно вищих, ніж рідинні. Верхня межа таких термометрів обмежуеть точкою плавлення одного з металів біметалевої спіралі. Металеві термометри значно міцніші за рідинні, які виготовляються, як правило, в скляних корпусах.

Будова електричного термометра. Останнім часом широкого застосування не тільки в наукових дослідженнях, але і побуті на-

булл термометри, в яких використовується зміна електричних властивостей речовини при зміні температури. Найбільшого поширення набули термометри, в яких термометричним тілом є напівпровідник. Для вимірювання його електричних властивостей застосовується електронна схема, яка подає результати вимірювань відразу на дисплеї в числовій формі. На мал. 12 показаний один з електричних термометрів, який застосовується в медицині.

Рідкокристалічні термометри. У таких термометрах термометричним тілом є спеціальна плівка, яка змінює свою прозорість або колір при зміні температури.

Екскурсія в історію.

Процес створення термометрів має довгу історію. Вчені і винахідники пропонували різні термометричні тьта, різні температурні шкали. Крім шкали Цельсія у наш час найбільш відомі дві інші шкали: Реомюра і Фаренгейта (мал. 13)

У шкалі Фаренгейта за 0 вважається температура повітря найхолоднішої зими, яка була в Голландії в 1709 році. Таку ж температуру мала суміш льоду з кухонною сіллю. Другу точку шкали Фаренгейт отримав, занурюючи термометр в суміш чистої води і льоду. Відстань між отриманими точками він поділив на 32 частини. Таким чином, точкою замерзання чистої води є 32Т.

Температура тіла людини за шкалою Фаренгейта 96 F. Точка кипіння води за шкалою Фаренгейта - 212 F.

У наукових дослідженнях використовують абсолютну шкалу температур, яку називають шкалою Кельвіна або термодинамічною. Підставою для її побудови стали результати дослідження властивостей газів при невисокому тиску. Для таких випадків залежність тиску газу при сталому об’ємі лінійно залежить від температури (мал. 14).

Якщо продовжити графік ліворуч ві точки 0 'C, то отримана пряма перетне вісь в точці, для якої температура дорівнює -273°С

і тиск дорівнює нулю. Отже, шкалу, в якій нуль буде розміщений на поділці -273 С, назвали абсолютною. У такій шкалі поділки називаються кельвінами, а результати вимірювань записуються у наступному вигляді - 137 К. Зрозуміло, що в абсолютній шкалі I K = ҐС.

Така шкала виявилася особливо зручною для наукових досліджень. Тому Кельвін як одиниця температури увійшов як основна у Міжнародну систему одиниць (SI).

Домашній практикум.

Будь дослідником.

Одним з винаходів Галілея є термометр з кульками (мал. 15).

У високій посудині знаходиться вода, у якій плавають скляні кульки, кожна з яких заповнена певною кількістю зафарбованої рідинич. Коли температура в приміщенні (і відповідно води в посудині) збільшується, густина води зменшується. Унаслідок цього зменшується Архімедова сила і деякі з кульок тонуть. Скориставшись домашніми предметами, сконструюй подібний термо-мехп_

Прочитай і з*ясуй, що ти знаєш.

1. Для чого користуються фізичною величиною, яка називається температурою?

2.    Які фізичні явища використовують для порівняння рівня нагрітості тіл?

3.    Яке фізичне явище використовується в рідинному термометрі?

4.    Як будується температурна шкала Цельсія?

5.    Як потрібно розміщувати термометр при вимірювання температури тіла?

6.    Як правильно відчитувати покази термометра?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Савченко