Фізика. Рівень стандарту. Повторне видання. 10 клас. Бар’яхтар

§ 29. Температура. Температурна шкала Кельвіна

Перш ніж, наприклад, піти на пляж, багато хто цікавиться прогнозом погоди. І якщо очікується температура повітря 10 °С, то, найімовірніше, плани буде змінено. А чи варто відмовлятися від прогулянки, якщо прогнозується температура 300 К (кельвінів)? І що насправді вкладають фізики в поняття «температура»?

1. Що таке температура

Експерименти показують, що в цілій низці випадків макроскопічна система переходить із одного стану в інший. Наприклад, якщо в морозний день занести в кімнату кульку, наповнену гелієм, то гелій у кульці буде поступово нагріватись і при цьому змінюватимуться тиск, об’єм і деякі інші параметри газу. Після того як кулька пробуде в кімнаті певний час, зміни припиняться. Один із постулатів молекулярної фізики і термодинаміки — його ще називають нульове начало термодинаміки — стверджує: будь-яке макроскопічне тіло або система тіл за незмінних зовнішніх умов самочинно переходять у термодинамічний рівноважний стан (стан теплової рівноваги), після досягнення якого всі частини системи мають однакову температуру.

Нульове начало термодинаміки фактично вводить і визначає поняття температури.

Температура — фізична величина, яка характеризує стан теплової рівноваги макроскопічної системи.

Стан теплової рівноваги — це такий стан макроскопічної системи, коли всі макроскопічні параметри системи залишаються незмінними як завгодно довго.

Зверніть увагу! У стані теплової рівноваги всі частини системи мають однакову температуру, при цьому їхні інші макроскопічні параметри можуть бути різними. Згадайте приклад із кулькою: після того як встановиться теплова рівновага, температура навколишнього повітря і температура гелію в кульці будуть однаковими, а тиск, густина та об’єм — різними.

2. Як працюють термометри

Температура — це фізична величина, отже, її можна вимірювати. Для цього треба встановити шкалу температур. Найпоширенішими температурними шкалами є шкали Цельсія, Кельвіна, Фаренгейта (рис. 29.1).

Рис. 29.1. Сучасні температурні шкали

Побудова шкали температур починається з вибору реперних (опорних) точок, що мають бути однозначно пов’язані з якимись фізичними процесами, які легко відтворити. Наприклад, за нульову точку температурної шкали Цельсія взято температуру танення льоду за нормального атмосферного тиску (t = 0 °С). Температурі кипіння води за нормального атмосферного тиску приписують значення t = 100 °С. Одиниця температури за шкалою Цельсія — градус Цельсія:

[t] = 1 °С (°С).

Прилади для вимірювання температури — термометри (рис. 29.2). Основними частинами термометра є термометричне тіло (ртуть або спирт у рідинному термометрі, біметалева пластина в металевому деформаційному термометрі тощо) і шкала або цифрове табло. Якщо термометричне тіло привести в тепловий контакт із тілом, температуру якого потрібно виміряти, то система набуде нерівноважного стану. У процесі переходу в рівноважний стан змінюватимуться деякі макроскопічні параметри термометричного тіла (об’єм, електричний опір тощо). Знаючи, як ці параметри залежать від температури, визначають температуру тіла.

Рис. 29.2. Різні види термометрів: а — рідинний (принцип дії: зміна об'єму рідини зі зміною температури); б — термометр опору (зміна опору провідника зі зміною температури); в — біметалевий деформаційний (зміна довжин двох різних металевих пластин зі зміною температури)

Зверніть увагу!

• Контактний термометр фіксує власну температуру, що дорівнює температурі тіла, з яким термометр перебуває в термодинамічній рівновазі.

• Термометричне тіло контактного термометра не має бути масивним, інакше воно суттєво змінить температуру тіла, з яким контактує.

3. Температура і середня кінетична енергія молекул

Те, що температура тіла має бути пов’язана з кінетичною енергією його молекул, випливає з простих міркувань. Наприклад, зі збільшенням температури збільшується швидкість руху броунівських частинок, прискорюється дифузія, збільшується тиск газу, а це означає, що молекули рухаються швидше і їх кінетична енергія стає більшою. Можна припустити: якщо гази перебувають у стані теплової рівноваги, то середні кінетичні енергії молекул цих газів будуть однаковими. Але як це довести, адже безпосередньо виміряти ці енергії неможливо?

Щоб забезпечити однакову температуру, можна, наприклад, занурити балони з різними газами в посудину з водою і дочекатися стану теплової рівноваги (рис. 29.3).

Рис. 29.3. Дослід, який дозволяє встановити зв'язок між температурою і середньою кінетичною енергією поступального руху молекул газу. Гази в посудинах перебувають у стані теплової рівноваги із середовищем, а отже, й один з одним

4. Абсолютна шкала температур

Зрозуміло, що в джоулях подавати температуру незручно (передусім тому, що значення θ дуже малі), до того ж незручно й повністю відмовлятися від шкали Цельсія. У 1848 р. англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) (1824-1907) запропонував абсолютну шкалу температур (зараз її називають шкалою Кельвіна).

Температуру Т, виміряну за шкалою Кельвіна, називають абсолютною температурою.

Одиниця абсолютної температурикельвіносновна одиниця СІ:

[Т] = 1 К (К).

Шкала Кельвіна побудована таким чином, що:

• зміна температури за шкалою Кельвіна дорівнює зміні температури за шкалою Цельсія: ΔΤ = Δt , тобто ціна поділки шкали Кельвіна дорівнює ціні поділки шкали Цельсія: 1 °С = 1 К; температури, виміряні за шкалами Кельвіна і Цельсія, пов’язані співвідношеннями:

Τ = t + 273; t = Τ - 273

Абсолютна температура має глибокий фізичний зміст.

Середня кінетична енергія поступального руху молекул ідеального газу прямо пропорційна абсолютній температурі:

Абсолютну нижню межу температури, за якої рух молекул і атомів має припинитися, називають абсолютним нулем температури.

Тиск р газу повністю визначається його абсолютною температурою Т і концентрацією n молекул газу: р = nkT (2).

Підбиваємо підсумки

• Фізична величина, яка характеризує стан теплової рівноваги макроскопічної системи, називається температурою. Абсолютну нижню межу температури, за якої рух молекул і атомів має припинитися, називають абсолютним нулем температури. Шкала, за нульову точку якої взято абсолютний нуль температури, називається абсолютною шкалою температур (шкалою Кельвіна). Одиниця абсолютної температури — кельвін (К) — основна одиниця СІ. Температури за шкалами Кельвіна і Цельсія пов’язані співвідношеннями: T = t + 273; t = T - 273.

Контрольні запитання

1. Сформулюйте нульове начало термодинаміки. 2. За яких умов система перебуває в стані теплової рівноваги? 3. Дайте означення температури. 4. Що таке термометр? Яким є принцип його дії? Які види термометрів ви знаєте? 5. Охарактеризуйте температурні шкали Цельсія та Кельвіна. Як вони пов’язані? 6. Доведіть, що температура — міра середньої кінетичної енергії руху молекул. 7. Як пов’язані тиск газу та абсолютна температура?

Вправа № 29

1. Чому на шкалі Кельвіна відсутні від’ємні температури?

2. У 1983 р. в Антарктиді було зафіксовано температуру -89 °С. Подайте цю температуру в кельвінах; у градусах Фаренгейта.

3. Абсолютна температура газу, який міститься в закритому балоні, збільшилася в 4 рази. Як при цьому змінилися тиск і середня квадратична швидкість руху молекул газу?

4. Скільки молекул газу міститься в кімнаті об’ємом 150 м3 за тиску 1 атм і температури 27 °С?

5. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся: 1) якими були перші термометри; 2) чому після вимірювання температури медичний термометр слід струшувати; 3) з якою точністю можна вимірювати температуру сучасними термометрами.