Меню сайта

10 класс

§ 39. Температура. Измерение температуры

Макроскопические параметры термодинамической системы.

Из механики нам известно, что по начальным координатам и скоростям можно при заданных силах найти положение и скорости движения тел в любой последующий момент времени. Однако определить подобным образом внутреннее состояние макроскопических тел, состоящих из огромного числа частиц, невозможно. Teм не менее, для описания свойств макроскопических тел можно использовать физические величины, относящиеся не к отдельным молекулам, составляющим тела, а ко всему макроскопическому телу в целом. К числу таких величин относятся объём V, давление р, температура t (T).

Величины, характеризующие состояние термодинамической системы без учёта молекулярного строения тел, называют макроскопическими (или термодинамическими) параметрами. Макроскопические параметры не ограничиваются только объёмом, давлением и температурой. Например, для смеси газов нужно знать концентрации отдельных компонентов смеси.

Температура и её измерение.

Причину способности тел по-разному воздействовать на органы чувств можно связать с различной степенью нагретости тел — температурой. Но это только качественное, субъективное определение температуры, не содержащее указаний на способ её измерения.

Для того чтобы температуру измерить количественно, требуется установить температурную шкалу. К концу XVIII в. число температурных шкал достигало двух десятков. Чаще всего на практике используют зависимость объёма жидкости (ртути или спирта) от температуры.

В большинстве стран используется температурная шкала Цельсия, названная в честь её создателя — шведского астронома и физика Андерса Цельсия (1701 —1744). За начало отсчёта (0) на ней принимают температуру тающего льда; второй опорной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Шкалу между точками 0 и 100 делят на 100 равных частей, называемых градусами (1 °C). Перемещение столбика жидкости на одно деление соответствует изменению температуры на 1 °C.

В настоящее время существуют различные виды термометров: механический (рис. 6.5, а), электрический (рис. 6.5, б), ртутный медицинский (рис. 6.5, в), лабораторный (рис. 6.5, г). Их действие основано на зависимости свойств тел от температуры. Так как различные жидкости расширяются при нагревании не совсем одинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств жидкости.

Какое же вещество выбрать, чтобы избавиться от этой зависимости? Было замечено, что в отличие от жидкостей все разреженные газы — водород, гелий, кислород — расширяются при нагревании одинаковым образом и одинаково изменяют своё давление при изменении температуры. По этой причине в физике для установления температурной шкалы используют изменение объёма определённого количества разреженного газа при постоянном давлении или изменение давления при постоянном объёме. Это так называемая газовая шкала температур. В интервале от 0 до 100 °C ртутная и газовая шкалы температур практически совпадают.

Тепловое равновесие.

Экспериментально установлено, что с течением времени между любыми телами системы с различной температурой устанавливается тепловое (или термодинамическое) равновесие.

Это означает, что не изменяются объём и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют взаимные превращения газов, жидкостей, твёрдых тел и т. д. В частности, не меняется объём столбика ртути в термометре, т. е. температура системы остаётся постоянной. Если бросить в стакан кусочек льда и закрыть стакан плотной крышкой, то лёд начнёт плавиться, а вода охлаждаться. Когда лёд растает, вода станет нагреваться; после того как она примет температуру окружающего воздуха, никаких изменений внутри стакана с водой происходить не будет.

Состояние теплового равновесия макроскопической системы характеризует температура: во всех частях системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение, т. е. между всеми телами системы установилось тепловое равновесие. Тела А и В (вода в разных сосудах) имеют одинаковую температуру, если каждое из них находится в тепловом равновесии с телом C (этим телом может быть термометр) (рис. 6.6). И наоборот, если тела имеют одинаковую температуру, то можно утверждать, не приводя их в непосредственный контакт, что они находятся в состоянии теплового равновесия.

В результате экспериментов был установлен один из фундаментальных законов природы — нулевой закон термодинамики.

Если температуры тел различны, то при установлении между ними теплового контакта будет происходить обмен энергией. При этом тело с большей температурой будет отдавать энергию телу с меньшей температурой. Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними.

Молекулярно-кинетическое объяснение температуры.

Чему соответствует с микроскопической точки зрения равенство температур макроскопических тел при тепловом равновесии между ними? При столкновении быстро движущихся молекул с медленно движущимися молекулами такой же массы скорости быстрых молекул уменьшаются, а медленных — увеличиваются. За счёт многочисленных соударений средние кинетические энергии молекул выравниваются и при тепловом равновесии имеют одно и то же значение, как для молекул одинаковой массы, так и для молекул разных масс.

Другими словами, температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул в макроскопических телах. Это утверждение будет строго обосновано нами в дальнейшем.

Вопросы:

1. Что называют:

а) термодинамической системой;

б) макроскопическими параметрами термодинамической системы?

2. Какое состояние системы называют тепловым (термодинамическим) равновесием?

3. Как построена шкала Цельсия?

4. Сформулируйте нулевой закон термодинамики.

5. В чём заключается молекулярно-кинетический смысл температуры?

Вопросы для обсуждения:

1. Имеет ли смысл фраза: «Температура одной молекулы равна...»? Почему?

2. Как измерить медицинским термометром температуру тела человека, если температура окружающего воздуха равна 42 °C?