Фізика. 8 клас. Головко

§ 3. Тепловий стан тіла та температура. Вимірювання температури

• Тепловий стан тіла та температура
• Теплообмін тіл і теплова рівновага
• Вимірювання температури

ТЕПЛОВИЙ СТАН ТІЛА ТА ТЕМПЕРАТУРА. Згідно з основними положеннями молекулярно-кінетичної теорії будови речовини, її частинки перебувають у постійному хаотичному русі та взаємодії. Інтенсивність руху частинок тіла визначається ступенем його нагрітості або тепловим станом. Тепловий стан тіла залежить від теплового руху його мікрочастинок. Чим вища швидкість хаотичного руху молекул, атомів та інших мікрочастинок тіла, тим більш нагрітим воно буде, і навпаки.

Зміна теплового стану тіла призводить до зміни його фізичних властивостей. Так, нагріте до високої температури залізо стає ковким, а охолодження аморфних тіл робить їх крихкими. Рідина, що кипить, перетворюється на пару, яка не зберігає форми та займає весь наданий об’єм.

Об’єктивна оцінка теплового стану тіл важлива як на виробництві, так і в побуті. З досвіду ви знаєте, людина здатна оцінювати теплові стани за власними відчуттями, як правило, на дотик: чашка з кавою гаряча, снігова грудка холодна тощо. Щоправда, така оцінка буде досить відносною, адже відчуття можуть не повністю відповідати справжньому станові. Наприклад, опускаючи змерзлі руки у воду, досить складно зробити висновок, наскільки вона нагріта. Крім того, якщо необережно доторкнутися до посудини на розігрітій плиті, можна отримати опіки.

Тому для достатньо точного опису теплового стану тіла використовують кількісну міру його нагрітості, яку називають температурою.

Спостереження дифузії показують, що швидкість руху частинок речовини залежить від температури. Але як співвідносяться швидкості теплового руху частинок різних речовин при одній і тій самій температурі? З’ясувалося, що за певної температури речовини однаковими є не середні швидкості руху молекул або атомів, а середні значення їх кінетичних енергій. У частинок із порівняно малими масами (наприклад, атоми або молекули водню, гелію) швидкості теплового руху більші. У частинок із більшою масою (наприклад, молекули кисню або води) швидкості теплового руху менші.

Отже, температура тіла безпосередньо пов’язана з тепловим рухом мікрочастинок речовини, зокрема з їхньою кінетичною енергією. Чим вища температура тіла, тим більша середня кінетична енергія його мікрочастинок, і навпаки.

Температура — це фізична характеристика теплового стану речовини, що визначається середньою кінетичною енергією хаотичного руху її частинок.

Молекули та атоми нагрітішого тіла мають більшу середню кінетичну енергію теплового руху порівняно з молекулами й атомами менш нагрітого тіла. Так, молекули води кімнатної температури взимку рухаються значно швидше, ніж молекули води в річці під кригою.

ТЕПЛООБМІН ТІЛ І ТЕПЛОВА РІВНОВАГА. З досвіду ви знає те, що чашку з щойно приготованим чаєм ставлять на блюдце, аби не зіпсувати поверхню столу внаслідок її різкого нагрівання. Гаряча чашка передає своє тепло поверхні столу, на якій стоїть. Крижана бурулька швидко тане в руках, які водночас охолоджуються. Тобто більш нагріті тіла віддають тепло менш нагрітим і при цьому охолоджуються — між тілами відбувається теплообмін.

Під час теплообміну більш нагріті тіла віддають тепло менш нагрітим. При цьому кінетична енергія хаотичного руху молекул або атомів, а отже, і температура перших знижується (вони охолоджуються), а других — підвищується (вони нагріваються).

У природі процеси теплообміну, під час яких теплота переходить від більш нагрітих до менш нагрітих тіл, відбуваються постійно. За звичайних умов теплота самочинно не може переходити від менш нагрітих до більш нагрітих тіл. Гарячий чай у чашці через деякий час самочинно охолоджується до кімнатної температури, але не може самостійно нагрітися. Саме по собі тіло з вищою температурою не може нагрітися за рахунок охолодження тіла з нижчою температурою. Для цього потрібно виконати роботу. Така робота виконується під час охолодження продуктів у холодильнику. Температура продуктів, які кладуть до холодильника, поступово знижується до температури холодильної камери. З часом унаслідок теплообміну температура всередині холодильної камери дещо підвищується. Для підтримання певної температури в холодильній камері холодильник оснащують термореле, яке вмикає двигун холодильника у разі підвищення температури. Двигун працює доти, доки температура всередині холодильної камери знизиться до заданого значення, необхідного для зберігання продуктів.

Якщо тіла мають різну температуру, то самочинний обмін теплотою між ними відбувається в чітко визначеному напрямі: від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою.

У зворотному напрямі самочинний обмін теплотою не відбувається.

У три однакові склянки наллємо порівну води різної температури: кімнатної, нагрітої в чайнику та охолодженої в холодильнику (рис. 3.1, а).

Через певний час порівняємо тепловий стан води в кожній посудині. Помітимо, що температура води в усіх склянках буде однаковою, тобто встановиться теплова рівновага (рис. 3.1, б).

Рис. 3.1. Через певний час температура води в склянках стане однаковою, тобто встановиться теплова рівновага

Тіла з різною температурою, що перебувають у певному обмеженому просторі, з часом самочинно переходять у стан теплової рівноваги — їх температури зрівнюються.

Будь-яке тіло або система тіл, що перебувають в обмеженому просторі, з часом самочинно переходять у стан, за якого всі частини тіла або всі тіла системи мають однакову температуру, тобто у стан теплової рівноваги.

Молекули гарячого тіла мають більшу кінетичну енергію поступального руху, тому рухаються швидше, ніж молекули холодного тіла. Під час контакту тіл (дотику твердих тіл або змішування рідин і газів) швидші молекули гарячого тіла співударяються з повільнішими молекулами холодного тіла й віддають їм частину своєї кінетичної енергії, починаючи рухатися повільніше. Середня кінетична енергія хаотичного руху частинок усіх тіл, що взаємодіють і перебувають у стані теплової рівноваги, стає однаковою.

ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ. Теплові явища та процеси відіграють важливу роль у житті й діяльності людини. Тому постійно виникає потреба визначати теплові стани різноманітних тіл та їх систем. Як це можна зробити? Насамперед вимірюючи таку важливу кількісну характеристику теплового стану, як температура. Вам, напевне, доводилося вимірювати температуру власного тіла, повітря в кімнаті та на вулиці. Потрібно вимірювати температуру всередині газового духового шкафа чи електричної плити для вибору оптимального режиму приготування страв, температуру води в системі охолодження теплових двигунів, температуру, при якій відбуваються різні технологічні процеси.

Вимірювати температуру навчилися раніше, ніж з’ясували її фізичний зміст. Для вимірювання використовують спосіб, який ґрунтується на залежності певних властивостей тіла від зміни його температури.

Важливе правило вимірювання температури випливає з умови теплової рівноваги: потрібний деякий час для встановлення теплової рівноваги між термометричним тілом і тілом, температуру якого вимірюють.

Прилади, використовувані для вимірювання температури шляхом контакту з досліджуваним середовищем, називають термометрами.

Перший прилад для оцінювання температури — термоскоп — сконструював видатний італійський учений Галілео Галілей у 1592 р. Термометричним тілом у термоскопі було повітря. Термоскоп Г. Галілея був дуже чутливим до зміни температури, але оскільки прилад не мав шкали, він не використовувався для кількісних вимірювань.

Андерс Цельсій (1701—1743)

Видатний шведський фізик та астроном. У 1742 р. сконструював перший рідинний термометр

Рис. 3.2. Будова рідинного термометра

Найпоширеніші, зокрема у побуті, рідинні термометри. Вони досить прості за конструкцією та зручні у використанні. В основу принципу дії рідинного термометра шведський учений А. Цельсій поклав властивість рідини змінювати свій об’єм залежно від температури (під час нагрівання розширюватися, а під час охолодження стискатися).

У 1742 р. А. Цельсій створив прилад, який назвали термометром. Рідинний термометр складається з невеликого резервуара (скляної колбочки) 1, заповненого рідиною (наприклад, спиртом, пентаном, толуолом). Резервуар з’єднаний зі скляною капілярною трубкою 2, запаяною згори. Трубка кріпиться до температурної шкали 3 (рис. 3.2).

Для зменшення зовнішніх впливів елементи термометра вміщують у прозорий корпус. Рідинні термометри можна застосовувати для вимірювання діапазону температур, за яких рідина зберігає свої властивості. Крім того, висота піднімання стовпчика рідинного термометра залежить від властивостей самої рідини та скла, з якого виготовлено трубку. З огляду на це, наприклад, вода практично не використовується як термометричне тіло, оскільки замерзає при температурі 0 °С і закипає при 100 °С. Тривалий час для побутових і технічних потреб використовували ртутні термометри. Діапазон вимірюваних ними температур значно ширший. Зокрема, ртутним термометром можна вимірювати температури до -39 °С (температура тверднення ртуті).

Розглянемо принцип вимірювання температури рідинним термометром. Під час контакту резервуара, де міститься рідина (термометричне тіло), з тілами, температуру яких потрібно виміряти (тілом людини, повітрям у кімнаті), температура рідини поступово збільшуватиметься. Внаслідок теплового розширення зростатиме її об’єм: стовпчик рідини в капілярній трубці підніматиметься. Якщо потім термометр залишити на столі, він почне охолоджуватися до кімнатної температури. Температура рідини, а отже, і її об’єм, зменшуватиметься. Стовпчик рідини опускатиметься. Збільшення та зменшення температури рідини термометра, а також її об’єму відбувається поступово — потрібен певний час для встановлення теплової рівноваги між тілом і термометром.

Термометри показують власну температуру. Для вимірювання температури тіла потрібно забезпечити контакт між ним і термометром протягом певного часу, поки встановиться теплова рівновага і температура рідини термометра зрівняється з температурою тіла.

Тільки через певний час після встановлення теплової рівноваги температура, яку показує термометр, зрівнюється з температурою навколишнього середовища. Тобто термометрам властива певна інерційність.

На практиці застосовують різні види термометрів. У них використовуються різні термометричні тіла, а також залежність властивостей тіла від температури, наприклад, зміна об’єму тіла або електричного опору. Для вимірювання температури повітря в кімнаті використовують рідинні термометри (рис. 3.3, а), температур у котлах опалення та духовках кухонних плит — металеві термометри (рис. 3.3, б). Термометричним тілом тут є біметалева пластинка у вигляді спіралі зі стрілкою.

Для технічних потреб використовують також електричні термометри, принцип дії яких ґрунтується на вимірюванні залежності електричного опору тіла від температури. Дедалі більшого поширення набувають електронні термометри з цифровою індикацією (рис. 3.3, в), які можна застосовувати й для вимірювання температури власного тіла. Це мініатюрні пристрої, чутливі до найменших змін температури. Вимірювання температури інфрачервоними термометрами не потребує їх безпосереднього контакту з тілами (рис. 3.3, г). Достатньо зручними у використанні є високочутливі смужкові термометри для вимірювання температури тіла людини (рис. 3.3, д).

Оскільки температура є кількісною характеристикою, замало зафіксувати зміни рівнів стовпчика рідини термометра. Потрібно поставити їм у відповідність числові значення, які залежали б не від особливостей вимірювання, а лише від температури тіла, тобто проградуювати температурну шкалу. З цією метою на ній вибирають дві фіксовані (так звані реперні) точки, що відповідають значенням температури, які легко відтворюються і за якими можна перевіряти точність термометрів і порівнювати їх між собою. Температурну шкалу, використовувану в сучасних рідинних термометрах, запропонував шведський учений А. Цельсій у 1742 р.

Рис. 3.3. Термометри різних типів

За фіксовані точки температурної шкали він узяв точки, що відповідають температурам танення льоду (замерзання води) та кипіння води за нормального тиску (1 атмосфера, що відповідає 760 мм рт. ст., або 101 292,8 Па). Інтервал між фіксованими точками Цельсій поділив на 100 однакових частин і встановив розмір одиниці температурної шкали — градус (рис. 3.4).

На честь ученого одиниці температури назвали градусами Цельсія. Виміряні значення температури позначають значком °С (наприклад, 22 °С — 22 градуси Цельсія).

Одиниця вимірювання температури 1 °С (один градус Цельсія ) — це одна сота температурного інтервалу між температурою плавлення льоду та температурою кипіння дистильованої води за нормального атмосферного тиску.

Раніше використовувалася шкала Реомюра, запропонована французьким природодослідником Р. Реомюром у 1730 р. Температура танення льоду за цією шкалою 0 °R, а кипіння води 80 °R.

У окремих країнах світу (наприклад, Англії та Сполучених Штатах Америки) дотепер використовується температурна шкала Фаренгейта, яку запропонував німецький фізик Д. Фаренгейт у 1714 р. За шкалою Ференгейта температура танення льоду 32 °F, температура людського тіла 98 °F, а температура кипіння води 212 °F.

Рис. 3.4. Градуювання шкали рідинного термометра

Вільям Томсон, лорд Кельвін (1824—1907)

Видатний англійський фізик, відомий фундаментальними працями з термодинаміки

У 1848 р. англійський фізик В. Томсон (лорд Кельвін) запропонував так звану термодинамічну шкалу температур (її також називають абсолютною).

За цією шкалою відлік температури починають від абсолютного нуля — гранично низької, недосяжної температури (за якої мав би повністю припинитися хаотичний рух молекул). Поблизу абсолютного нуля частинки речовини здійснюють так звані нульові коливання, енергія яких не залежить від температури.

Одиницею термодинамічної шкали температур є Кельвін.

За основну одиницю температури Міжнародної системи одиниць (СІ) прийнято Кельвін (К). Інтервал температур 1 кельвін дорівнює інтервалу температур 1 градус Цельсія:

1 К = 1 °С.

Нульовий рівень абсолютної шкали температур прийнято за -273,15 °С. Температура плавлення льоду або замерзання води (0 °С) за абсолютною шкалою температур дорівнює 273,15 К.

Шкала Цельсія та термодинамічна шкала зміщені між собою на 273,15 К. Тобто:

Т_к = t °С + 273,15 К.

де t °С — температура за шкалою Цельсія; Т_к — температура за шкалою Кельвіна (термодинамічною шкалою).

Головне в цьому параграфі

Тепловий стан тіла залежить від теплового руху його мікрочастинок. Чим більша швидкість хаотичного руху молекул, атомів та інших мікрочастинок тіла, тим нагрітішим воно буде, і навпаки.

Температура — фізична характеристика теплового стану речовини, з якої складається тіло, що визначається середньою кінетичною енергією хаотичного руху частинок речовини.

Під час теплообміну більш нагріті тіла віддають тепло менш нагрітим. При цьому кінетична енергія хаотичного руху молекул або атомів, а отже, і температура перших знижується (вони охолоджуються), а других — підвищується (вони нагріваються). У природі під час теплообміну теплота переходить від більш нагрітих до менш нагрітих тіл. За звичайних умов теплота самочинно не може переходити від менш нагрітих до більш нагрітих тіл.

Тіла з різною температурою, що перебувають у певному обмеженому просторі, з часом самочинно переходять у стан теплової рівноваги, тобто їхні температури стають однаковими.

Температуру вимірюють спеціальними приладами — термометрами, що показують власну температуру. Для вимірювання температури тіла потрібно забезпечити контакт між ним і термометром протягом певного часу, поки встановиться теплова рівновага і температура рідини термометра зрівняється з температурою тіла.

За основну одиницю температури Міжнародної системи одиниць (СІ) прийнято Кельвін (К); інтервал температури 1 К = 1 °С.

Шкала Цельсія та термодинамічна шкала зміщені між собою на 273,15 К. Тобто: Т_к = t °С + 273,15 К.

Запитання для самоперевірки

1. Поясніть, якими характеристиками мікрочастинок речовини визначається тепловий стан тіла.

2. Чим можна пояснити, що за однієї й тієї самої температури атоми та молекули різних речовин мають різні середні швидкості теплового руху?

3. Який фізичний зміст поняття «температура»?

4. Поясніть, що означає теплова рівновага з позицій молекулярно-кінетичної теорії.

5. За яких умов можуть відбуватися процеси, коли менш нагріті тіла віддають теплоту більш нагрітим?

6. Які теплообмінні процеси відбуваються в чашці з гарячим чаєм, до якого додали лід із холодильника?

7. Який принцип покладено в основу дії термометрів?

8. Що є одиницею температурної шкали Цельсія?

Вправа до § З

• 1(п). Поясніть поширення в повітрі запахів бензину, диму, нафталіну, парфумів та інших пахучих речовин.
• 2(п). Запропонуйте методи прискорення дифузії речовин.
• 3(c). Чи може перебувати в тепловій рівновазі з навколишнім середовищем вода у водоймі?
• 4(c). Відкриту посудину з водою зрівноважено на терезах. Чому з часом рівновага терезів порушилася?
• 5(д). Визначте, у скільки разів середня швидкість теплового руху молекули водню більша за середню швидкість молекули гелію за однієї і тієї самої температури, якщо маса молекули гелію вдвічі більша за масу молекули водню.
• 6(д). Унаслідок нагрівання певного газу середня швидкість руху його молекул збільшилася втричі. Визначте, у скільки разів змінилася кінетична енергія поступального руху його молекул.
• 7(д). Розгляньте рисунок, на якому зображено медичний термометр (рис. а) та побутовий термометр (рис. 6).

Визначте межі вимірювання цих термометрів та їхні покази. Спробуйте пояснити, яка особливість будови медичного термометра забезпечує точне визначення температури тіла людини навіть через деякий час після того, як припиняють вимірювання.

• 8(д). Чи можна звичайним ртутним термометром виміряти температуру краплини води. Відповідь поясніть.
• 9(в). Температура речовини збільшилася від 25 до 75 °С. Визначте, у скільки разів змінилася середня кінетична енергія частинок цієї речовини.
• 10(в). Визначте середню швидкість теплового руху молекули водню та води за температури 20 °С, якщо середня швидкість теплового руху молекул кисню за цієї температури становить 478 м/с.

Це цікаво

ТЕМПЕРАТУРНІ РЕКОРДИ В УКРАЇНІ, СВІТІ ТА ВСЕСВІТІ

Абсолютний максимум температури повітря в Україні, який становив +42 °С, був зафіксований 12 серпня 2010 р. на метеостанції в Луганську.

Максимальну температуру + 80 °С, до якої прогрівалася поверхня ґрунту, було зафіксовано 2 червня 1995 р. на метеостанції Вознесенськ (Миколаївська область). Абсолютний мінімум температури повітря -41,9 °С спостерігався 8 січня 1935 р. в Луганську. Найнижчу температуру на поверхні ґрунту -46 °С було зафіксовано 31 січня 1987 р. на метеостанції Куп’янськ (Харківська область).

Найхолодніше місце Землі розташоване на її Південному полюсі, у центрі Антарктики. 10 серпня 2010 р. за допомогою супутникових інфрачервоних датчиків тут було зафіксовано температуру -93,2 °С. Найвища температура повітря +70,7 °С була зафіксована в серпні 2005 р. у пустелі на півдні Ірану.

Температура сонячної поверхні становить близько +6000 °С. У надрах Сонця температура сягає +15 000 000 °С. Одним із найхолодніших місць у Сонячній системі є темний бік Місяця, у кратерах якого температура не піднімається вище -238 °С.

Учені доводять, що в момент Великого вибуху температура Всесвіту становила приблизно +4 000 000 000 °С. Найхолоднішим об’єктом Всесвіту, відкритим на сьогодні, вважається Туманність Бумеранга в сузір’ї Кентавра, розташована від Землі на відстані 5000 світлових років (приблизно 4,73 • 10²⁰ м). Її температура становить -272,15 °С. При цій температурі замерзає Гідроген — найлегший хімічний елемент.

В Україні фундаментальні дослідження з фізики низьких і наднизьких температур виконуються з 1928 р. в Українському фізико-технічному інституті (м. Харків), де під керівництвом І. В. Обреїмова було засновано одну з найпотужніших в Європі кріогенну лабораторію (лабораторію низьких температур). Вже у 1931 р. в ній було створено технологію отримання рідкого гелію, який має температуру кипіння -268,96 °С. Із 1960 р. ця проблематика вивчається у Фізико-технічному інституті низьких температур імені Б. І. Вєркіна НАН України (м. Харків). Зокрема, науковці провели унікальні у світовій фізичній науці експериментальні дослідження фізичних властивостей гелію при температурах близько тисячних градуса Цельсія.