02. Тепловое движение. Температура

Тепловые явления и температура

Определение. Тепловые явления – это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, а также с изменением их агрегатного состояния (рис. 1).

Все тепловые явления связаны с температурой.

Все тела характеризуются состоянием своего теплового равновесия. Главной характеристикой теплового равновесия является температура.

Определение. Температура – это мера «нагретости» тела.

Поскольку температура является физической величиной, то ее можно и нужно измерить. Для измерения температуры используется прибор, который называется термометр (от греч. термо – «тепло», метрео – «измеряю») (рис. 2).

Термоскоп Галилея

Первый термометр (а точнее, его аналог) изобрел Галилео Галилей (рис. 3).

Изобретение Галилея, которое он представил своим студентам на лекциях в университете в конце XVI века (1597 г.), было названо термоскопом. Действие любого термометр основано на следующем принципе: физические свойства вещества изменяются в зависимости от температуры.

Опыт Галилея состоял в следующем: он взял колбу с длинной ножкой и наполнил ее водой. Затем взял стакан с водой и перевернул колбу ножкой вниз, поставив в стакан. Часть воды, естественно, вылилась, однако в результате в ножке остался определенный уровень воды. Если теперь нагревать колбу (в которой находится воздух), то уровень воды будет опускаться, а если охлаждать, то, наоборот, повышаться. Это связано с тем, что при нагревании вещества (в частности, воздух) имеют свойство расширяться, а при охлаждении – сужаться (именно поэтому рельсы делают несплошными, а провода между столбами иногда немного провисают).

Эта идея и легла в основу первого термоскопа (рис. 5), который позволял оценивать изменение температуры (точно измерить температуру таким термоскопом нельзя, так как его показания будут сильно зависеть от атмосферного давления).

Градусные шкалы

В это же время была введена так называемая градусная шкала. Само слово градус в переводе с латинского означает «ступень».

На сегодняшний день сохранились три основные шкалы.

1. Шкала Цельсия

Наибольшее распространение получение шкала, которая с детства известна каждому – шкала Цельсия.

Андерс Цельсий (рис. 6) – шведский астроном, который предложил следующую шкалу температур: 0℃ – температура кипения воды; 100 ℃ – температура замерзания воды. В настоящее время все мы привыкли к перевернутой шкале Цельсия.

Примечание: сам Цельсий говорил, что такой выбор шкалы вызван простым фактом: зато зимой не будет отрицательной температуры.

2. Шкала Фаренгейта

В Англии, США, Франции, Латинской Америке и некоторых других странах популярностью пользуется шкала Фаренгейта.

Габриель Фаренгейт (рис. 7) – немецкий исследователь, инженер, который впервые применил свою собственную шкалу для изготовления стекла. Шкала Фаренгейта более тонкая: по размерности градус шкалы Фаренгейта меньше градуса шкалы по Цельсию.

3. Шкала Реомюра

Техническая шкала придумана французским исследователем Р.А. Реомюром (рис. 8). По этой шкале 0 соответствует температуре замерзания воды, а вот в качестве температуры кипения воды Реомюром была выбрана температура в 80 градусов.

В физике в основном используется так называемая абсолютная шкала – шкала Кельвина (рис. 8). 1 градус по Цельсию равен 1 градусу по Кельвину, однако температура в 0 ℃ соответствует приблизительно 273 K (рис. 9).

Тепловое и броуновское движение

Напомним, что при изменении температуры тела изменяются его линейные размеры (при нагревании тело расширяется, при охлаждении – сужается). Это связано с поведением молекул. При нагревании увеличивается скорость движения частиц, соответственно, они начинают чаще взаимодействовать и объем увеличивается (рис. 11).

Из этого можно сделать вывод, что температура связана с движением частиц, из которых состоят тела (это относится и к твердым, и к жидким, и к газообразным телам).

Движение частиц в газах (рис. 12) является беспорядочным (так как молекулы и атомы в газах практически не взаимодействуют).

Движение частиц в жидкостях (рис. 13) является «скачкообразным», то есть молекулы ведут «оседлый образ жизни», но способны «перепрыгивать» с одного места на другое. Этим определяется текучесть жидкостей.

Движение частиц в твердых телах (рис. 14) называется колебательным.

Таким образом, все частицы находятся в непрерывном движении. Это движение частиц называется тепловым движением (беспорядочное, хаотическое движение). Это движение никогда не останавливается (пока у тела есть температура). Подтвердил наличие теплового движения в 1827 году английский ботаник Роберт Броун (рис. 15), по имени которого данное движение называют броуновским движением.

На сегодняшний день известно, что самая низкая температура, которая может быть достигнута, составляет приблизительно - 273 ℃. Именно при такой температуре замирает движение частиц (однако не замирает движение внутри самих частиц).

Опыты Галилея и Амонтона

Об опыте Галилея было рассказано ранее, а в заключении рассмотрим еще один опыт – опыт французского ученого Гильома Амонтона (рис. 15), который в 1702 году изобрел так называемый газовый термометр. С небольшими изменениями этот термометр дошел и до наших дней.

Опыт Амонтона

Возьмем колбу с водой и заткнем ее пробкой с тонкой трубкой. Если теперь нагревать воду, то за счет расширения воды ее уровень в трубке будет повышаться. По уровню поднятия воды в трубке можно сделать вывод об изменении температуры. Преимущество термометра Амонтона состоит в том, что он не зависит от атмосферного давления.

На этом уроке мы рассмотрели такую важную физическую величину, как температура. Изучили способы ее измерения, характеристики и свойства. На дальнейших уроках мы изучим понятие внутренняя энергия.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.

2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. № 1–4 (параграф 1). Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

2. Почему нельзя проградуировать термоскоп Галилея?

3. Железный гвоздь нагрели на плите:

• Как изменилась скорость движения молекул железа?

• Как изменится скорость движения молекул, если гвоздь опустить в холодную воду?

• Как при этом изменится скорость движения молекул воды?

• Как меняется объем гвоздя при этих опытах?

1. Воздушный шарик перенесли из комнаты на мороз:

• Как изменится объем шарика?

• Как изменится скорость движения молекул воздуха внутри шарика?

• Как изменится скорость молекул внутри шарика, если его вернуть в комнату и вдобавок положить к батарее?