Фізика. Повторне видання. 8 клас. Засєкіна (2025)

§ 3. Досліджуємо тепловий рух частинок речовини

- Рух частинок речовини легко дослідити. Наприклад, під час дифузії. Але чому саме тепловий рух? Чим він відрізняється від механічного руху молекул?

ДОСЛІДЖУЙ

Виконай дослід або поясни за малюнками, що відбувається із температурою холодної і гарячої води при їх змішуванні (мал. 3.1). Чому на початку досліду графіки зміни температури більш вигнуті? Чому в кінці досліду графік температури знову вигинається? Спрогнозуй, як змінюється, на твою думку, рух молекул води у склянці із холодною водою.

Мал. 3.1

ДІЗНАВАЙСЯ

Чому рух частинок речовини називають тепловим? Ми з’ясували, що частинки речовини рухаються і взаємодіють. Рух окремої частинки ми можемо описувати механічними величинами — швидкістю, кінетичною енергією. Але у речовині величезна кількість частинок, і щоб відрізнити механічний рух однієї частинки від руху їх великої кількості, застосовують термін тепловий рух.

Описуючи тепловий рух молекул, використовують середні значення: середню швидкість руху молекул, середню кінетичну енергію молекул, середню потенціальну енергію взаємодії молекул. Від значень цих величин (тобто від особливостей теплового руху та взаємодії молекул) залежить тепловий стан тіла, тому рух і назвали тепловим.

Тепловим рухом (thermal movement) називають безперервний, невпорядкований (хаотичний) рух молекул.

- Ми у попередніх параграфах з’ясували, що від руху і взаємодії частинок залежить агрегатний стан речовини. А тепер мова йде про тепловий стан тіла. Це якісь різні стани?

- Думаю, що так. У дослідах зі змішування води, нагрівання повітря та металевої кульки агрегатний стан не змінювався, а от температура цих тіл і тепловий стан — так. Давай з’ясовувати разом, що таке температура і тепловий стан тіла.

Що таке температура і тепловий стан тіла? Для людини важливо вміти правильно оцінювати ступінь нагрітості тіла. І як ти уже знаєш, щоб оцінити якесь явище або процес, потрібна фізична величина, що його характеризує. Для характеристики ступеня нагрітості тіла використовують поняття температури. Із цим поняттям ти вже знайомий/знайома. Спробуємо пояснити його з точки зору молекулярно-кінетичного вчення про будову речовин.

Тепловий рух молекул і температура тіла взаємопов’язані. Проте, як виявилося, за нормальних умов у частинок із порівняно малими масами (наприклад, атоми або молекули водню, гелію) швидкості теплового руху більші, ніж у частинок з більшою масою (наприклад, молекули кисню або води). Тому величина, з якою пов’язана температура, — це кінетична енергія руху молекул: що більшою є кінетична енергія руху мікрочастинок тіла, то вищою є його температура.

• Переглянь в е-додатку анімаційну модель теплового руху частинок речовини (3.1).

Досліди показують, що у природі існує важлива закономірність теплових процесів. Якщо тіла мають різну температуру, то обмін теплотою між ними відбувається в чітко визначеному напрямку: від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою.

Будь-яке тіло або система тіл, що перебувають в обмеженому просторі, з часом самочинно переходять у стан, у якому всі частини тіла або всі тіла системи мають однакову температуру, тобто у стан теплової рівноваги (мал. 3.2).

Температура (temperature) — це фізична величина, що характеризує середню кінетичну енергію руху частинок речовини, з якої воно складається.

Мал. 3.2. Процес установлення теплової рівноваги

З’ясуємо, у чому причина такого явища. Молекули гарячого тіла мають більшу кінетичну енергію, тому рухаються швидше, ніж молекули холодного тіла. Під час контакту тіл (дотику твердих тіл або змішування рідин і газів) більш швидкі молекули гарячого тіла взаємодіють з повільнішими молекулами холодного тіла й віддають їм частину своєї кінетичної енергії. У результаті швидкі молекули починають рухатися повільніше, а повільні — швидше. Гаряче тіло поступово охолоджується, а холодне — нагрівається.

З точки зору молекулярно-кінетичного вчення, у стані теплової рівноваги в усіх тіл, що контактують між собою, середня кінетична енергія хаотичного руху частинок речовини, а отже і температура, є однаковими.

Як вимірюють температуру тіл? Вимірювання температури має деякі особливості: для температури не існує еталона, з яким би ми могли її порівнювати, як, наприклад, для маси чи довжини. Про зміну температури тіла судять за зміною інших фізичних параметрів тіл: об’єму, тиску, електричного опору тощо. Усі термометри складаються з термометричної речовини і температурної шкали. В основу дії термометричної речовини покладено певну її властивість, що залежить від температури. Наприклад, для рідинних термометрів (мал. 3.3, а) — це залежність об’єму рідини від температури, для електричних термометрів (мал. 3.3, б) — залежність сили струму від температури, для біметалевих (мал. 3.3, в) — залежність ступеня деформації металевої пластинки від температури, для інфрачервоних (мал. 3.3, г) — залежність від температури кількості інфрачервоної енергії, яку випромінює об’єкт.

Теплова рівновага (thermal equilibrium) — це стан тіл, за якого між ними не відбувається передачі тепла, і вони мають однакову температуру.

Мал. 3.3

Найчастіше на практиці використовують залежність об’єму рідини (ртуті або спирту) від зміни температури. Такий спосіб вимірювання температури запропонував у 1742 р. шведський учений Андерс Цельсій. Для того щоб кількісно визначити температуру тіла, необхідно встановити одиницю температури та проградуювати температурну шкалу. Для градуювання рідинного термометра скляний балон, що переходить у капіляр і заповнений зафарбованим спиртом або ртуттю, опускають у лід, який тане за нормальних умов (t = 0 °С, р = 1,01 • 10⁵ Па = 760 мм рт. ст.). Після того як між термометром і льодом наступає теплова рівновага, рух рідини в капілярі припиняється. Навпроти цього рівня на шкалі роблять позначку 0 С. Після цього термометр переносять у киплячу дистильовану воду за нормального тиску. Після припинення підняття рідини в капілярі термометра роблять позначку 100 °С, потім відрізок між нанесеними поділками ділять на 100 рівних відрізків. Це так звана температурна шкала Цельсія. Температуру за цією шкалою позначають малою літерою t. Одиницю температури позначають символом °С (градус Цельсія).

Поряд зі шкалою Цельсія у фізиці застосовують абсолютну шкалу температур, запропоновану англійським ученим Вільямом Томсоном, лордом Кельвіном (мал. 3.4). Нуль цієї шкали є умовною точкою відліку й відповідає такому тепловому стану тіла, за якого припинився б тепловий рух атомів і молекул. Теоретично доведено, що це було б можливо за температури -273,15 °С. Цю температуру називають абсолютним нулем (absolute zero). Одиницею такої шкали є 1 К (кельвін). Міжнародною системою одиниць 1 К визнано основною одиницею температури. Зауважимо, що зміна температури, виміряна за шкалою Цельсія і шкалою Кельвіна, є однаковою, бо в них однакова ціна поділки. Наприклад, кімнатна температура t = 20 °С. За абсолютною шкалою температур це значення відповідає 293,15 К. Переведення температури з однієї шкали в іншу здійснюється за формулою: Т = t + 273,15. Якщо температура в кімнаті підвищилась на 5 °С і становить 25 °С, то за абсолютною шкалою температур це значення відповідатиме 298,15 К, тобто збільшилось на 5 К. У побуті ми, як правило, користуємось температурною шкалою Цельсія, оскільки вона зручніша для вимірювання температури в межах значень, що є звичними для життєдіяльності людини (погодні умови, температура людського тіла тощо). У фізичних дослідженнях частіше користуються шкалою Кельвіна. Існують й інші температурні шкали, наприклад, шкала Фаренгейта. За шкалою Фаренгейта температура танення льоду становить 32 °F, а її температура кипіння — 212 °F. Отже, різниця між цими двома температурами становить 180 °F, а за шкалою Цельсія ця сама різниця складає 100 °С. З цього можна зробити висновок, що

Мал. 3.4

ДУМАЙ

1. Чому хаотичний рух молекул називають тепловим?

2. Що відрізняє тепловий рух від механічного?

3. На малюнку 3.5 показано напрям обміну теплотою між тілами. Температура якого тіла найбільша? Найнижча?

Мал. 3.5

4. Доведи або спростуй твердження: якщо дві системи одночасно знаходяться в тепловій рівновазі з третьою системою, вони перебувають у тепловій рівновазі одна з одною. Схематично проілюструй твердження.

5. Дано три однакові мідні куби, температура яких дорівнює відповідно 200 °С, 0 °С, °0 С. Запропонуй спосіб, як за допомогою лише теплообміну між ними охолодити перший куб до 50 °С, а інші нагріти до 75 °С. Теплові втрати відсутні.

6. За якої температури і метал, і дерево здаватимуться на дотик однаково нагрітими?

7. Одна молекула кисню у повітрі рухається в заданий момент зі швидкістю 900 м/с, а інша — зі швидкістю 1200 м/с. Чи правильним буде твердження, що температура другої молекули вища?

8. Відомо, що чим більша швидкість руху молекул тіла, тим вища його температура. Чому ж не нагрівається куля під час пострілу в тирі з пневматичної рушниці, хоча всі її молекули рухаються до мішені з великою швидкістю?

9. Чи є обмеження для максимальної і мінімальної температури речовини (мал. 3.6)?

Мал. 3.6

ДІЙ

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Воду нагріли від 20 °С до 48 °С. На скільки змінилась температура води в процесі нагрівання? Дай відповідь у градусах Цельсія і в Кельвінах.

2. Накресли в зошиті і заповни таблицю, указавши відповідне значення температури в одиницях °С, К та °F. Дізнайся, що означає вираз «Fahrenheit 451».

За Цельсієм	0 °С			-10 °С
За Фаренгейтом		451 °F
За Кельвіном			293 °К

3. Визнач ціну поділки, межі та покази термометрів (мал. 3.7).

Мал. 3.7

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

Виконуй досліди з дотриманням правил безпеки життєдіяльності!

1. Обладнання: три посудини — з гарячою водою, холодною водою і водою кімнатної температури. Опусти спочатку праву руку у посудину з холодною водою, а ліву — з гарячою. Опусти згодом обидві руки у посудину із кімнатною температурою. Укажи, якою відчуватиметься вода кожною рукою. Поясни результати досліду на основі молекулярно-кінетичного учення будови речовини.

2. Виміряй температуру тіл. Обладнання: термометр, склянки із холодною і теплою водою.

Визнач ціну поділки термометра і межі вимірювання температури. Накресли у зошиті і заповни таблицю.

Найменування термометра	Нижня межа вимірювання	Верхня межа вимірювання	Ціна поділки

Виміряй температуру і запиши її значення у таблицю в одиницях °С та К.

Середовище	Показники термометра, °С	Показники термометра, К
Холодна вода
Гаряча вода
Суміш
Повітря в класі

3. Скористайся додатковими джерелами та сконструюй два термометри. Проведи вимірювання температури, опиши свої дії та поясни отримані результати. Порівняй дію термометрів.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

Візьми участь у груповій роботі

Об’єднайтесь у п’ять груп. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та виконайте завдання під номером своєї групи.

Упорядкуйте шкали температур: 1) живих істот; 2) космічних об’єктів; 3) географічних об’єктів; 4) природних явищ; 5) технічних пристроїв.

Підготуйте повідомлення про: 1) пристосування організмів до різних температур; принцип дії термометрів різних конструкцій: 2) рідинний, 3) електричний, 4) інфрачервоний, 5) біметалевий.

Підготуйте повідомлення про: 1) Андерса Цельсія; 2) Данієля Фаренгейта; 3) Вільяма Кельвіна; 4) Людвіга Больцмана; 5) Краковську Світлану Володимирівну.

• Переглянь в е-додатку симуляції «Теплова рівновага» (3.2).

ОЦІНИ СЕБЕ

• Виконай у е-додатку завдання для самооцінювання (3.3).