§ 2. Температура. Теплова рівновага

Думки вголос

Я дізнаюся, що таке теплова рівновага, дам визначення температури тіла як фізичної величини, зможу застосовувати висновки MKT до пояснення температури тіла.

Людина за допомогою відчуттів може оцінювати ступінь нагрітості тіл на дотик. Цього досить, наприклад, для того, щоб раптом не обпектися гарячою рідиною або подбати про одяг у холодну пору року. З часом із потреб медицини та з розвитком ремесел і виробництва виникла потреба точніше визначати нагрі-тість тіл, порівнювати її ступінь у різних випадках. Покладатися на відчуття тут вже було не можпа, оскільки вони могли відрізнятися у різних людей і залежати від умов визначення ступеня нагрітості тіла. Необхідним став об’єктивний (що не залежить від відчуттів людини) засіб вимірювання ступеня нагрітості тіла, спеціальний прилад.

Яку ж фізичну величину мав вимірювати такий прилад?

А ти знаєш?

Припускають, що саме давні лікарі були першими, кому знадобилася точна шкала ступеня нагрітості людського тіла. Оскільки вони помітили, що стан здоров’я людини пов’язаний з теплотою його тіла і на нього здатні впливати ліки. Для лікування різних хвороб їх змішували, отримані суміші мали різні градуси (латиною gradus — це сходинка). Тобто кожному з ліків відповідала своя температура (латиною temperatura — це суміш). За цією версією так з часом і виникли фізичні терміни, якими ми широко користуємося, виконуючи теплові виміри.

Відповісти на сформульоване вище запитання нам допоможе молекулярно-кінетична теорія і поняття внутрішньої енергії тіла, які обговорювалися у попередньому параграфі.

За сучасною термінологією температура — це ступінь нагрітості тіла. Цю фізичну величину позначають малою латинською літерою t. Якщо більш нагріте тіло має температуру t_l9 а менш нагріте — температуру t₂, то температура першого тіла буде вищою за температуру другого, тобто:

> t₂.

А чим відрізняються такі тіла з фізичної точки зору?

Дослід 1. Візьми два шматочки цукру, один із них поклади у холодну воду, а інший — в кип’яток.

Видно, що в кип’ятку цукор розчинився набагато швидше (мал. 9).

Розчинення відбувається за рахунок дифузії, яка за більшої температури відбувається швидше, ніж за нижчої. Але причиною дифузії є рух мікрочастинок (молекул або атомів). Отже, між швидкістю руху мікрочастинок і температурою тіла є зв’язок: у тілі з більшою температурою частинки рухаються швидше.

Швидкість руху окремих частинок тіла відрізняється одна від одної, тому температура тіла визначається середньою швидкістю його молекул або атомів. Оскільки різні речовини складаються з різних мікрочастинок, які мають різні маси, то можемо зробити висновок, що і маса мікрочастинок впливає на температуру тіла. Пам’ятаємо, що від маси і швидкості залежить кінетична енергія частинки. Англійський вчений Дж. Максвелл теоретично довів, що температура тіла визначається середньою кінетичною енергією мікрочастинок, із яких воно складається.

Температура є мірою середньої кінетичної енергії хаотичного руху молекул і атомів даного тіла, вона характеризує інтенсивність їх теплового руху.

Раніше ми відзначали, що енергія теплового руху є складовою внутрішньої енергії тіла. Звідси випливає, що зі зростанням внутрішньої енергії певного тіла також зростатиме його температура, і навпаки.

Тепер стає зрозумілим, чим різняться одне від одного гарячі й холодні тіла. Молекули гарячого тіла мають більшу кінетичну енергію хаотичного руху, тобто рухаються швидше, ніж молекули холодного тіла. Якщо ці тіла привести в контакт, притиснувши одне до одного, то більш швидкі молекули гарячого тіла співуда-рятимуться з повільними молекулами холодного тіла, віддаватимуть їм частину своєї енергії і самі почнуть рухатися повільніше. Гаряче тіло остигатиме, холодне нагріватиметься. Через деякий час внаслідок величезної кількості співударів в обох тілах встановиться однакова для них середня швидкість хаотичного руху молекул. Температура обох тіл стане однаковою.

Стан, коли в тілах, що перебувають у контакті, встановлюється спільна для їх молекул середня швидкість хаотичного руху, а тіла набувають однакової температури, називають станом теплової рівноваги.

За звичайних умов у природі теплова рівновага з часом встановлюється між будь-якими тілами або між частинами одного тіла, що мають різну температуру. Перебіг теплових явищ завжди відбувається у напрямі вирівнювання температур, при цьому' більш нагріті тіла віддають тепло, і їх температура знижується, а менш нагріті отримують тепло з підвищенням їх температури.

Дослід 2. Якщо покласти невеликий шматок льоду у склянку з теплою водою, через деякий час лід зникне, а вода стане

холоднішою (мал. 10). Лід (тверда вода) перетвориться на воду. При цьому відбувається самовільний процес переходу теплоти від більш нагрітого тіла (тепла вода) до менш нагрітого (лід), внаслідок чого лід з часом розтане.

Охолоджена вода почне нагріватися, доки не набуде кімнатної температури. Такий перехід відбуватиметься упродовж певного проміжку часу до встановлення стану теплової рівноваги, якому відповідає певне значення температури навколишніх тіл. Отже, можна дати ще таке означення температури.

Температура — це фізична величина, яка характеризує стан теплової рівноваги системи тіл або частин одного тіла.

Якби за допомогою гіпотетичного збільшувального приладу можна було б побачити окремі молекули, наприклад води, та простежити за їх рухом, то ми пересвідчилися б: якщо вода холодна — її молекули рухаються відносно повільно; якщо вода тепла —

швидше; якщо гаряча — дуже швидко. Тобто у мікрочастинок змінюються швидкість руху і середня кінетична енергія. Ці величини (се-

Інтерактивна модель «Рух мікрочастинок води за умови різних температур»

редня швидкість руху, середня кінетична енергія мікрочастинок тощо) називають мікропараметрами.

Важливо! Досліди зі встановлення теплової рівноваги показують, що в цьому стані припиняються зміни макроскопічних величин, які характеризують тіло. Наприклад, у тіл з однаковими температурами теплообмін не відбувається, вони перебувають у стані теплової рівноваги. Приклади макроскопічних величин — це температура тіла, його об’єм, маса, тиск.

Поміркуй і дай відповіді на запитання

1.    Знімаєш гарячий чайник, а за деякий час він охолоджується — віддає частину своєї внутрішньої енергії навколишньому повітрю (мал. 11). Назви процес, що відбувається між чайником і повітрям.

2.    Під час приготування чаю гарячу воду наливають у склянку. Які зміни відбуваються із внутрішньою енергією склянки і води?

3.    Якщо залишити гарячий чай на столі, чому він охолоджується? Як можна назвати цей процес?

Узагальнення міркувань

Усе це приклади самовільних процесів у природі — перехід частини внутрішньої енергії від більш нагрітих тіл до менш нагрітих. Різний ступінь «нагрітості» тіл, тобто різний тепловий стан, зумовлює існування теплообміну у природі.

Підсумки

•    Теплові явища поширені у природі, вони відіграють значну роль у житті людини.

•    Перехід «тепла» може відбуватися від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Зворотні процеси у природі неможливі.

•    Перехід частини внутрішньої енергії від більш нагрітих тіл до менш нагрітих — це самовільні процеси.

•    Тепловий стан тіла тісно пов’язаний із внутрішньою будовою речовини і пояснюється його молекулярною будовою.

•    Температура тіла — це міра середньої кінетичної енергії частинок тіла.

Перевір свої знання

1*. Які процеси в природі називають тепловими?

2*. Яка фізична величина називається температурою тіла?

З*. Який стан називають станом теплової рівноваги?

4*. Як залежить швидкість дифузії від температури тіла? Наведи приклади дослідів, які пояснюють цей факт.

5*. Наведи приклади теплових явищ у природі та в побуті.

6*. Чи може механічна енергія тіла перетворюватись у внутрішню енергію?

7*. Чи може внутрішня енергія перетворюватись у механічну? Наведи приклади.

8**. Розглянь процес перетворення енергії на прикладі гальмування автомобіля на дорозі (мал. 12).

9**. Чим відрізняється гаряча вода від холодної?

IO^iwi. Як відбувається дифузія за різних температур?

Наведи приклади.

Il^iwt*. У термосі лід плаває у воді. Чи відбуватиметься теплообмін між тілами, якщо:

а)    температура льоду і води однакова і дорівнює 0 °С;

б)    температура льоду дорівнює -8 ⁰C₁ а води 0 °С;

в)    температура льоду дорівнює 0 ⁰C₁ а води +4 °С?

12***. Як змінюється внутрішня і механічна енергія хокейної шайби, коли:

а)    її виносять із теплої кімнати на мороз;

б)    літак, на якому перевозять шайбу (разом із хокеїстами):

—    бере розгін на доріжці перед підйомом;

—    набирає висоту;

в)    по шайбі б’ють ключкою?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Сердюченко