Народна Освіта » Фізика » § 1. Тепловий рух. Температура тіла. Вимірювання температури

НАРОДНА ОСВІТА

§ 1. Тепловий рух. Температура тіла. Вимірювання температури

З уроків фізики в 7 класі ви знаєте, що тіла складаються з молекул. Молекули перебувають у безперервному хаотичному (безладному) русі й взаємодіють між собою. Кожна окрема молекула здійснює механічний рух, подібний до того, що ми вивчали. Рухаючись із великою швидкістю, вона зіштовхується з іншими молекулами й при цьому змінює напрямок руху. З малюнка 1 видно, що траєкторією окремої молекули є складна ламана лінія, однак, пройдений молекулою шлях і швидкість її руху можна визначити. Спостерігати такий рух, навіть озброєним оком, неможливо через надзвичайно малі розміри частинок, що рухаються. Тільки проводячи спеціальні складні досліди, можна побачити наявний результат механічного руху груп молекул.

Дослідження руху молекул, використовуючи закони механіки, ще більше ускладнюється через надзвичайно велику кількість рухливих частинок у звичних тілах. Практично неможливо простежити за всіма «учасниками» руху: мільярди мільярдів маленьких частинок рухаються з великими швидкостями в різних напрямках, зіштовхуються одна з одною та зі стінками посудини, змінюють власні швидкості руху (мал. 2). Отже, можливості вивчення руху молекул засобами механіки дуже обмежені.

Яким же способом можна дослідити механічні характеристики рухомих молекул у тілах: оцінити швидкості молекул, шляхи, які вони проходять між зіткненнями тощо?

Виявляється, що результатом безладного механічного руху молекул є не тільки переміщення їх у просторі, а й тепловий стан тіла, ступінь його нагрітості. Що швидше рухаються молекули, то вища температура тіла, і навпаки: якщо підвищується температура тіла, то збільшується й швидкість руху молекул. Тому хаотичний рух величезних кількостей молекул вивчають методами фізики теплових явищ, а сам такий рух називають тепловим.

 

 

Тепловий рух — це безладний рух молекул і атомів, який визначає температуру тіла.

Знання про будову речовини та тепловий рух дають змогу пояснити різні теплові явища.

Припустимо, що є дві посудини, у яких містяться гази, молекули яких мають різну масу, наприклад, в одній - кисень, а в другій - азот. Досліди свідчать, що за однакової температури молекули обох речовин мають однакові середні кінетичні енергії, а значення середніх швидкостей молекул виявляються різними.

Таким чином, доходимо висновку, що температура тіла — це фізична характеристика теплового стану речовини (з якої складається тіло), ступінь нагрітості тіла, що визначається середньою кінетичною енергією хаотичного руху частішок речовини.

Кілька століть тому наука ще не визнавала теорію молекулярної і атомної будови речовини, тому уявлення про температуру тіла виникло не у зв’язку з рухом молекул і атомів у ньому, а від порівняння відчуття тепла або холоду, хоча вони неточні й часто суб’єктивні. Для об’єктивних вимірювань температури під час контакту з досліджуваним середовищем було створено спеціальні прилади - термометри. Дія термометрів ґрунтується на різних фізичних явищах, які залежать від температури: тепловому розширенні рідин, газів, твердих тіл, зміні з температурою електричних властивостей речовини тощо. Найчастіше використовують рідинні термометри, за допомогою яких можна вимірювати температуру в широких межах.

Досліди свідчать: під час контакту двох тіл, з яких одне гаряче, а друге холодне, їхні температури із часом вирівнюються, тобто гаряче тіло охолоджується, а холодне - нагрівається. Установлення теплової рівноваги між кількома тілами означає, що їхні температури стають однаковими і надалі вже не різнитимуться. З молекулярної точки зору це означає, що в стані теплової рівноваги в усіх тілах, що контактують, кінетична енергія безладного руху частинок речовини однакова.

Звідси випливає, що під час вимірювання температури рідинним термометром слід дотримуватися таких правил: треба помістити колбу

 

термометра в те середовище, температуру якого вимірюють; зачекати певний час, доки стовпчик рідини в трубці термометра зупиниться, тобто доки встановиться теплова рівновага між колбою і середовищем; не виймаючи термометр із середовища, визначити за шкалою значення його температури.

У 1597 р. Галілео Галі лей сконструював прилад-прототип термометра, який назвав термоскопом. Термоскоп Галілея (мал. 3) складався з тонкої скляної трубки з невеличкою колбою на верхньому кінці. Відкритий нижній кінець трубки опускали в посудину з водою, яка заповнювала й частину трубки. Коли повітря в колбі нагрівалося чи охолоджувалося, то стовпчик води у трубці опускався чи піднімався.

Оскільки висота стовпчика залежала як від температури, так і від атмосферного тиску, вимірювати температуру термоскопом було неможливо, проте він давав змогу порівнювати температуру різних тіл в один і той самий час та в одному' й тому самому місці. Уже тоді лікар і анатом Санкторіус із Падуанського університету, не знаючи про термоскоп Галілея, сконструював власний подібний термометр і застосовував його для вимірювання температури тіла людини.

 

Перший, майже аналогічний до сучасного, термометр (мал. 4, а) описав у 1724 р. Габріель Фаренгейт склодув із Голландії. Він запропонував шкалу, яка й нині використовується в Англії і, особливо, в США. У цій шкалі на 100 градусів розділений інтервал від температури найхолоднішої зими у місті, де жив Фаренгейт, до температури людського тіла. Нуль градусів Цельсія - це 32 градуси Фаренгейта, а градус Фаренгейта дорівнює 5/9 градуса Цельсія. На сьогодні прийняте таке визначення шкали Фаренгейта: температурна шкала, 1 градус якої (I cF) дорівнює 1/180 різниці температур кипіння води і танення льоду за атмосферного тиску, а точка танення льоду має температуру +32 lF. Температура за шкалою Фаренгейта пов’язана з температурою за шкалою Цельсія (t cC) співвідношенням t сC = 5/9 (t 0F - 32),

uF - 5/9 uC.

У Франції у практику ввійшла пікала Реомюра (мал. 4, б) (близько 1740 р.), побудована на точках замерзання води (0 uR) та її кипіння (80 cR). Реомюр на підставі вимірювань вивів, що вода розширюється між цими двома точками на 80 тисячних свого об’єму (правильне значення 0,084). Спиртові термометри Реомюра згодом було замінено ртутними термометрами Делюка (1740 р.), оскільки коефіцієнт розширення ртуті меншою мірою змінювався з температурою, порівняно зі спиртом.

Звичну для нас температурну шкалу (мал. 4, в) запропонував ще в 1742 р. шведський фізик Андерс Цельсій, який у своїх ртутних термометрах запровадив 100-градусну шкалу, яка широко використовується в побуті. У ній за 0 °С приймають точку замерзання води, а за 100 °С - точку кипіння води за атмосферного тиску. Оскільки температура замерзання і кипіння води недостатньо добре визначена, шкалу Цельсія визначають через шкалу Кельвіна: 1 градус Цельсія дорівнює 1 кельвіну (I cC = I К), абсолютний нуль 0 K приймається за -273,15 cC (Т = {t + 273,15) К). Нуль Цельсія - особлива точка для метеорології, оскільки замерзання атмосферної води істотно змінює навколишнє середовище.

Сьогодні прийнято, що одиниця температури I cC (один градус Цель-сія) — це одна сота частіша інтервалу між температурами плавлення льоду і кипіння дистильованої води за нормального атмосферного тиску (101 325 Па).

ЦЕ ЦІКАВО ЗНАТИ

На Землі е багато спекотних і холодних місць. У Долині смерті (Каліфорнія, США) зафіксовано спеку +56,7 tC1 але рекорд належить пустелі Сахара (Африка) - +63 cC у тіні. Найхолоднішими місцями Північної півкулі є Якутія і Гренландія, де температура сягає -70 vC. Але найхолодніше місце планети - це Антарктида. В її глибинних районах зафіксована температура -94,5 '-С. На такому морозі метал стає крихким, гас перетворюється на густу желеподібну масу і не спалахує навіть під час контакту з полум’ям.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1.    Який рух називають тепловим?

2.    Чим тепловий рух відрізняється від механічного?

3.    Що таке теплова рівновага?

4.    Назвіть авторів різних конструкцій термометрів.

5.    Які правила вимірювання температури середовища термометром?

 

Це матеріал з підручника фізика 8 клас Сиротюк

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 12-08-2016, 10:40, посмотрело: 2090