§ 1. Тепловое состояние тел. Температура и ее измерение

Всем с детства знакомы слова: горячее, теплое, холодное. «Осторожно, чашка горячая, обожжешься», — предостерегали нас взрослые. Мы не понимали, что значит «горячая», прикасались к чашке — и обжигались. «Снег холодный, не снимай рукавички, пальцы замерзнут», — уговаривала бабушка. нам очень хотелось узнать, а как это — «холодный», мы снимали рукавички и вскоре понимали значение этого слова. «Придется побыть в постели. Температура высокая», — настаивал врач...

А что такое температура с точки зрения физики?

знакомимся с понятием «температура»

Первые представления о температуре человек приобрел с помощью осязания. Характеризуя, например, тепловое состояние очень холодного тела, можно сказать о нем «ледяное», то есть сравнить свои ощущения от прикосновения к этому телу с ощущениями, возникающими при прикосновении ко льду.

Определяя, насколько нагреты те или иные тела, мы сравниваем их температуры. Когда говорят: «Сегодня на улице теплее, чем вчера», — это означает, что температура воздуха на улице сегодня выше, чем была вчера; фраза «Снег на ощупь холодный» означает, что температура снега ниже температуры руки. Таким образом, на интуитивном уровне мы определяем

температуру тела как физическую величину, характеризующую степень нагретости тела.

Однако, определяя степень нагретости тел на ощупь (прикосновением), можно дать лишь приблизительную оценку их температуры. К тому же не всегда можно прикоснуться к телу и оценить, насколько оно горячее или холодное. Более того, ощущения могут нас обманывать. Действительно, при одной и той же комнатной температуре металлические предметы кажутся холоднее деревянных или пластмассовых, а шершавые — теплее гладких (рис. 1.1, а). И даже одно тело в один и тот же момент может иметь на ощупь разную степень нагретости (рис. 1.1, б).

Вводим понятие теплового равновесия

- Опыты показывают: если более нагретое

тело контактирует с менее нагретым, то более нагретое тело всегда охлаждается, а менее нагретое — нагревается. К тому же могут изменяться и другие свойства тел: тела могут увеличиться или уменьшиться в объеме, начать лучше или хуже проводить электрический ток, могут перейти в другое агрегатное состояние, начать излучать свет другого цвета и т. д. А вот одинаково нагретые тела, контактируя друг с другом, не изменяют свои свойства. В этом случае говорят, что тела находятся в состоянии теплового равновесия (рис. 1.2).

Температура — это физическая величина, характеризующая состояние теплового равновесия системы тел.

Выясняем физический смысл температуры

Из курса физики 7 класса вы знаете, что температура тела тесно связана со скоростью хаотического движения его частиц (атомов, молекул, ионов). Это движение так и называют — тепловое.

Частицы тела всегда движутся, следовательно, всегда обладают кинетической энергией. Чем быстрее движутся частицы, тем выше температура тела.

Скорость движения отдельных частиц (а значит, их кинетическая энергия) постоянно изменяется. Однако в состоянии теплового равновесия во всех телах системы средняя кинетическая энергия частиц (то есть кинетическая энергия, приходящаяся в среднем на одну частицу) одинакова. Поэтому с точки зрения молекулярно-кинетической теории можно дать следующее определение температуры:

Температура — мера средней кинетической энергии хаотичного движения частиц, из которых состоит тело.

Итак, существует объективный фактор для определения температуры тела — средняя кинетическая энергия его частиц. Этот фактор не зависит от наших ощущений, но он никак не поможет измерить температуру.

Как вы считаете, почему невозможно непосредственно измерить среднюю кинетическую энергию движения частиц, из которых состоит тело?

Измеряем температуру

Приборы для измерения температуры называют термометрами.

Действие термометров основано на том, что с изменением температуры тела изменяются некоторые свойства этого тела (рис. 1.3).

Рассмотрим, например, жидкостный термометр, действие которого основано на расширении жидкости при нагревании (подробнее об этом вы узнаете из § 2). Простейший жидкостный термометр состоит из резервуара, наполненного жидкостью (чаще спиртом или ртутью), длинной тонкой трубки, в которую выступает столбик этой жидкости, и шкалы (рис. 1.4). Высота столбика жидкости является мерой температуры: чем выше температура тела, тем выше столбик жидкости в термометре.

Чтобы по высоте столбика жидкости можно было определять температуру, следует построить шкалу, прежде всего обозначив на ней так называемые реперные точки. Такие точки должны быть связаны с какими-то физическими процессами, которые происходят при неизменной температуре

Рис. 1.3. Разные виды термометров: а — жидкостный(мерой температуры является высота столбика жидкости); б — металлический(биметаллическая пластина, соединенная со стрелкой термометра, выгибается в результате нагревания); в— термометр сопротивления(с изменением температуры изменяется сопротивление рабочей части термометра); г — жидкостно-кристаллический(при изменении температуры изменяется цвет соответствующего участка термометра)

и которые легко воссоздать. Так, для построения наиболее распространенной шкалы Цельсия в качестве реперных точек берут:

0    °С — температуру таяния чистого льда при нормальном атмосферном давлении. Для этого резервуар будущего термометра опускают в тающий лед и, дождавшись, когда столбик жидкости прекратит движение, напротив поверхности жидкости в столбике ставят отметку 0 °С (рис. 1.5, а);

100 °С — температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Резервуар будущего термометра погружают в кипящую воду и положение столбика жидкости обозначают как 100 °С (рис. 1.5, б).

Разделив расстояние между отметками 0 и 100 °С на сто равных частей, получим термометр, проградуированный по шкале Цельсия, и единицу температуры по этой шкале — градус Цельсия (°С).

1    °С равен одной сотой части изменения температуры воды при ее нагревании от температуры плавления до температуры кипения при нормальном атмосферном давлении.

Температуру, измеренную по шкале Цельсия, обозначают символом t:

[t] = 1 °С.

Единица температуры в СИ — кельвин (K). Температура, измеренная по шкале Цельсия (t), связана с температурой, измеренной по шкале Кельвина (T), соотношением: t = T - 273.

Обратите внимание: термометр всегда показывает свою собственную температуру, поэтому, измеряя температуру тела, следует дождаться состояния теплового равновесия между телом и термометром.

Почему для измерения температуры врач советует держать термометр несколько минут?

Подводим итоги

Состояние теплового равновесия — это такое состояние контактирующих тел, при котором физические свойства этих тел остаются неизменными сколь угодно долго. Физическую

величину, характеризующую состояние теплового равновесия, называют температурой. Температура — это мера средней кинетической энергии движения частиц, из которых состоит тело. Приборы для измерения температуры называют термометрами. Действие термометров основано на том, что при изменении температуры изменяются и некоторые свойства тел.

Контрольные вопросы    —

1. Почему не всегда можно оценить температуру тела на ощупь? 2. Что такое тепловое равновесие? 3. Приведите два определения температуры. 4. Почему хаотичное движение частиц тела называют тепловым движением? 5. Приведите примеры различных термометров. 6. Опишите принцип действия жидкостного термометра. 7. Назовите реперные точки шкалы Цельсия. 8. Температуру какого тела всегда показывает термометр?

Упражнение № 1

1.    Приведите примеры тел, находящихся в состоянии теплового равновесия. Поясните свой ответ.

2.    Вспомните устройство и принцип действия жидкостного термометра и объясните, что больше расширяется при нагревании — стекло или жидкость?

3.    Почему размеры термометра должны быть небольшими по сравнению с размерами тела, температуру которого измеряют?

4.    Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте об истории создания термометров и разных температурных шкал (Фаренгейта, Реомюра и т. д.). Подготовьте краткое сообщение.

5.    Определите цену деления шкал и показания термометров на рис. 1.3, а, б.

Экспериментальное задание

Проведите опыт с теплой и холодной водой, описанный в пункте 1 § 1. Опишите последовательность своих действий, сделайте вывод.

Физика и техника в Украине

Физико-технический институт низких температур им. Б. И. Веркина НАН Украины (Харьков) был основан в I960 г. для изучения физических явлений при низких температурах. Эти исследования были чрезвычайно важны для освоения космического пространства.

Задания, поставленные перед учеными, предусматривали исследование тепловых свойств газов, жидкостей и твердых тел в условиях космоса. Опыта таких исследований в мире не было, поэтому пришлось начинать с методов измерения температуры, теплопроводности, изучения особенностей конвекции и излучения. Во всех направлениях сотрудники института достигли выдающихся научных результатов. об этом свидетельствуют и многочисленные научные премии, в том числе международные.

В 1991 г. институту было присвоено имя его основателя и первого директора — академика Бориса Иеремиевича Веркина(1919-1990). Сейчас институт возглавляет академик НАН Украины Сергей Леонидович Гнатченко.