Физика

Тепловые явления и температура

 

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

 

Рис. 1. Плавление льда, нагревание и испарение воды

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).

Рис. 2. Термометр

 

Термоскоп Галилея

 

 

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

 

Рис. 3. Галилео Галилей (1564-1642)

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).

Рис. 4. Опыт Галилея

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).

Рис. 5. Копия термоскопа Галилея

 

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:  – температура кипения воды;  – температура замерзания воды. В настоящее время все мы привыкли к перевернутой шкале Цельсия.

Рис. 6. Андрес Цельсий (1701-1744)

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.

Рис. 7. Габриель Фаренгейт (1686-1736)

3. Шкала Реомюра

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

Рис. 8. Рене Антуан Реомюр (1683-1757)

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  соответствует приблизительно  (рис. 9).

Рис. 9. Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824-1907)

Рис. 10. Температурные шкалы

 

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).

 

Рис. 11. Изменение линейных размеров

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).

Рис. 12. Движение частиц в газах

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.

Рис. 13. Движение частиц в жидкостях

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

Рис. 14. Движение частиц в твердых телах

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.

 

Рис. 15. Роберт Броун (1773-1858)

На сегодняшний день известно, что самая низкая температура, которая может быть достигнута, составляет приблизительно . 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.

 

Рис. 15. Гийом Амонтон (1663-1705)

 

Опыт Амонтона

Рис. 16. 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)
2. Интернет-портал «school.xvatit.com» (Источник)
3. Интернет-портал «ponimai.su» (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?

4. 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?