На что влияет температура физика
Молекулярная физика. Температура и ее измерение.
Температура — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тел.
В окружающем нас мире происходят различные явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел. Их называют тепловыми явлениями. Так, при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей; вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается и т. д. Степень нагретости тела, или его тепловое состояние, мы обозначаем словами «теплый», «холодный», «горячий», Для количественной оценки этого состояния и служит температура.
Температура — один из макроскопических параметров системы. В физике, тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул, называют макроскопическими. Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Все окружающие тела — от стола или газа в воздушном шарике до песчинки — макроскопические тела.
Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами. К ним относятся объем, давление, температура, концентрация частиц, масса, плотность, намагниченность и т. д. Температура — один из важнейших макроскопических параметров системы (газа, в частности).
Температура — характеристика теплового равновесия системы.
Известно, что для определения температуры среды следует поместить в эту среду термометр и подождать до тех нор, пока температура термометра не перестанет изменяться, приняв значение, равное температуре окружающей среды. Другими словами, необходимо некоторое время для установления между средой и термометром теплового равновесия.
Тепловым, или термодинамическим, равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что не меняются объем и давление в системе, не происходят фазовые превращения, не меняется температура.
Однако микроскопические процессы при тепловом равновесии не прекращаются: скорости молекул меняются, они перемещаются, сталкиваются.
Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел — термодинамическая система — может находиться в различных состояниях теплового равновесия. В каждом из этих состояний температура имеет свое вполне определенное значение. Другие величины могут иметь разные (но постоянные) значения. Например, давление сжатого газа в баллоне будет отличаться от давления в помещении и при температурном равновесии всей системы тел в этом помещении.
Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы: во всех частях системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение (это единственный макроскопический параметр, обладающий таким свойством).
Если два тела имеют одинаковую температуру, между ними не происходит теплообмен, если разную — теплообмен происходит, причем тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до полного выравнивания температур.
Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (например, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термометра — прибора, служащего для измерения температуры.
Действие термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С).
А. Цельсий (1701-1744) — шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за 100 градусом — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
Поскольку различные жидкости расширяются с повышением температуры по-разному, то температурные шкалы в термометрах с разными жидкостями различны.
Поэтому в физике используют идеальную газовую шкалу температур, основанную на зависимости объема (при постоянном давлении) или давления (при постоянном объеме) газа от температуры.
Тепловое движение. Температура
1. Понятие о тепловом явлении
В окружающем нас мире происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел. Словами холодный, теплый, горячий, мы указываем на степень нагревания тела. То есть указываем на различную температуру тел. Следовательно температурой называют физическую величину которая определяет степень нагревания тела. Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, то есть изменением температуры, называют тепловыми. К тепловым явлениям относятся, например нагревания и охлаждения воздуха, таянии льда, плавления металлов, испарение воды и другие.
2. Понятие о температуре. Виды термометров
Температурой называют физическую величину, которая определяет степень нагревания тела.
Температура измеряется разными термометрами:
Температуру измеряют в градусах по Цельсию. Кроме шкалы по Цельсию существуют еще шкала по Кельвину и шкала по Фаренгейту.
3. Зависимость кинетической энергии движения молекул от температуры
Молекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном беспорядочном движении. Их количество, в окружающих телах очень велико. Так как движение частиц связано с температурой, то чем выше температура, тем скорость движения молекул или атомов больше. Чем меньше температура, тем скорость движения частиц меньше. Поэтому скорость движения молекул зависит от температуры. Температура тела находится в тесной связи со средней кинетической энергией молекул. Чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. При понижении температуры тела, средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.
В тепловом движении участвуют все молекулы тела, поэтому с изменением теплового движения, изменяется и состояние тела, его свойства. Так, при повышении температуры, лед начинает таять, превращаясь в жидкость. Если понижать температуру, например ртути, то она из жидкости превращается в твердое состояние.
4. Понятие теплового движения частиц
Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением.
Молекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном беспорядочном движении. Их количество в окружающих нас телах очень велико. Например, в одном кубическом сантиметре воды содержится 3,34*10 в 22 степени. И поэтому изучить движение молекул, очень сложно.
На что влияет температура физика
Тепловые явления – это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, а также с изменением их агрегатного состояния.
Все тепловые явления связаны с температурой.
Все тела характеризуются состоянием своего теплового равновесия. Главной характеристикой теплового равновесия является температура.
Температура – это мера «нагретости» тела.
Поскольку температура является физической величиной, то её можно и нужно измерить. Для измерения температуры используется прибор, который называется термометр (от греч. термо – тепло, метрео – измеряю).
Первый термометр (а, точнее, его аналог) изобрёл Галилео Галилей. Изобретение Галилея, которое он представил своим студентам на лекциях в университете в конце XVI века (1597 г.), было названо термоскопом.
Любой термометр основан на следующем принципе: изменение физических свойств веществ в зависимости от температуры.
Опыт Галилея
Рис. 1. Опыт Галилея
Опыт Галилея (см. Рис. 1) состоял в следующем: он взял колбу с длинной ножкой и наполнил её водой. Затем взял стакан с водой и перевернул колбу ножкой вниз, поставив в стакан. Часть воды, естественно, вылилась, однако, в результате, в ножке остался определённый 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 – наоборот, сужаться (именно поэтому рельсы делают несплошными, а провода между столбами иногда немного провисают).
Эта идея и легла в основу первого термоскопа, который позволял оценивать изменение температуры (точно измерить температуру таким термоскопом нельзя, так как его показания будут сильно зависеть от атмосферного давления).
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 – шведский астроном, который предложил следующую шкалу температур: 0 о С – температура кипения воды; 100 о С – температура замерзания воды. В настоящее время все мы привыкли к перевёрнутой 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 – 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. По этой шкале 0 соответствует температуре замерзания воды, а вот в качестве температуры кипения воды Реомюром была выбрана температура в 80 градусов.
Кем и
когда
введена.
А. Цельсия
шведский
астроном, физик
1742 г.
Фаренгейт
стеклодув из Голландии
1724 г.
Реомюр французский физик
1726 г.
Томсон
(лорд Кельвин)
английский физик
1848 г.
Наличие положительных и отрицательных температур
0 о C
– температура таяния льда,
100 о C
– температура кипения воды.
32F
– температура таяния льда,
212F
– температура кипения воды.
0R
– температура таяния
льда,
80R
– температура кипения воды.
0K – абсолютный нуль,
273К
– температура таяния льда
Т = t + 273
Самая высокая температура.
Она получена в центре взрыва термоядерной бомбы – около 300. 400 млн °C. Максимальная температура, достигнутая в ходе управляемой термоядерной реакции на испытательной термоядерной установке ТОКАМАК в Принстонской лаборатории физики плазмы, США, в июне 1986г., составляет 200 млн °C.
Самая низкая температура.
Напомним, что при изменении температуры тела изменяются его линейные размеры (при нагревании – расширяются, при охлаждении – сужаются). Это связано с поведением молекул. При нагревании увеличивается скорость движения частиц, соответственно, они начинают чаще взаимодействовать, и объём увеличивается.
Из этого можно сделать вывод, что температура связана с движением частиц, из которых состоят тела (это относится и к твёрдым, и к жидким, и к газообразным телам).
Движение частиц в газах является беспорядочным (так как молекулы и атомы в газах практически не взаимодействуют).
Движение частиц в жидкостях является «скачкообразным», то есть: молекулы ведут «осёдлый образ жизни», но способны «перепрыгивать» с одного места на другое. Этим определяется текучесть жидкостей.
Движение частиц в твёрдых телах называется колебательным.
Таким образом, все частицы находятся в непрерывном движении. Это движение частиц называется тепловым движением (беспорядочное, хаотическое движение).
Это движение никогда не останавливается (до тех пор, пока у тела есть температура).
Подтвердил наличие теплового движения в 1827 году английский ботаник Роберт Броун, по имени которого данное движение называют броуновским движением.
Рассмотрим в заключении ещё один опыт – опыт французского учёного Гильома Амонтона, который в 1702 году изобрёл так называемый газовый термометр. С небольшими изменениями этот термометр дошёл и до наших дней.
Опыт Амонтона
Рис. 2. Опыт Амонтона
Возьмём колбу с водой и заткнём её пробкой с тонкой трубкой (см. Рис. 2). Если теперь нагревать воду, то за счёт расширения воды, её 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 её измерения, характеристики и свойства. На дальнейших уроках мы изучим такое понятие, как внутренняя энергия.
Содержание:
Температура:
Перед тем как, например, пойти на пляж, многие интересуются прогнозом погоды. И если ожидается температура воздуха 10 °С, то, скорее всего, планы будут изменены. А стоит ли отказываться от прогулки, если прогнозируется температура 300 К (кельвинов)? И что на самом деле вкладывают физики в понятие «температура»?
Что такое температура
Эксперименты показывают, что макроскопическая система может переходить из одного состояния в другое. Например, если в морозный день занести в комнату шарик, наполненный гелием, то гелий в шарике будет нагреваться и при этом будут изменяться давление, объем и некоторые другие параметры газа. После того как шарик пробудет в комнате некоторое время, изменения прекратятся. Один из постулатов молекулярной физики и термодинамики — его еще называют нулевое начало термодинамики — гласит: любое макроскопическое тело или система тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в термодинамическое равновесное состояние (состояние теплового равновесия), после достижения которого все части системы имеют одинаковую температуру. Нулевое начало термодинамики фактически вводит и определяет понятие температуры.
Температура — физическая величина, характеризующая состояние теплового равновесия макроскопической системы.
Состояние теплового равновесия — это такое состояние макроскопической системы, при котором все макроскопические параметры системы остаются неизменными сколь угодно долго.
В состоянии теплового равновесия все части системы имеют одинаковую температуру; другие макроскопические параметры неизменны, но могут быть разными. Вспомните пример с шариком: после того как установится тепловое равновесие, температура окружающего воздуха и температура гелия в шарике будут одинаковыми, а давление, плотность и объем — разными.
Как работают термометры
Температура — это физическая величина, и ее можно измерять. Для этого нужно установить шкалу температур. Самые распространенные температурные шкалы — шкалы Цельсия, Кельвина, Фаренгейта (рис. 29.1).
Построение шкалы температур начинается с выбора реперных (опорных) точек, которые должны быть однозначно связаны с какими-либо физическими процессами, которые легко воспроизвести. Например, за нулевую точку температурной шкалы Цельсия принята температура таяния льда при нормальном атмосферном давлении ( t = 0 °С). Температуре кипения воды при нормальном атмосферном давлении приписывают значение t =100 °С. Единица температуры по шкале Цельсия — градус Цельсия: 
.
Рис. 29.2. различные виды термометров: а — жидкостный (принцип действия: изменение объема жидкости при изменении температуры); б — термометр сопротивления (изменение электрического сопротивления проводника при изменении температуры); в — биметаллический деформационный (изменение длин двух разных металлических пластин при изменении температуры)
Приборы для измерения температуры — термометры (рис. 29.2). Основные части любого термометра — термометрическое тело (ртуть или спирт в жидкостном термометре, биметаллическая пластина в металлическом деформационном термометре и т. д.) и шкала. Если термометрическое тело привести в контакт с телом, температуру которого нужно измерить, система придет в неравновесное состояние. При переходе в равновесное состояние будут изменяться некоторые параметры термометрического тела (объем, сопротивление и т. п.). Зная, как эти параметры зависят от температуры, определяют температуру тела.
Температура и средняя кинетическая энергия молекул
То, что температура тела должна быть связана с кинетической энергией его молекул, следует из простых соображений. Например, с увеличением температуры увеличивается скорость движения броуновских частиц, ускоряется диффузия, повышается давление газа, а это значит, что молекулы движутся быстрее и их кинетическая энергия становится больше. Можно предположить: если газы находятся в состоянии теплового равновесия, средние кинетические энергии молекул этих газов одинаковы. Но как это доказать, ведь непосредственно измерить эти энергии невозможно?
Обратимся к основному уравнению МКТ идеального газа: 
. По определению 
, поэтому 
. После преобразований получим: 
.
Таким образом, чтобы экспериментально убедиться в равенстве средних кинетических энергий молекул различных газов при одинаковой температуре, нужно измерить объемы (V), давления (p) и массы (m) газов и, зная их молярную массу (M), найти число молекул каждого газа (N) по формуле 
.
Чтобы обеспечить одинаковую температуру, можно, например, погрузить баллоны с различными газами в сосуд с водой и дождаться состояния теплового равновесия (рис. 29.3).
Рис. 29.3. опыт, позволяющий установить связь между температурой и средней кинетической энергией поступательного движения молекул газа. Газы в сосудах находятся в состоянии теплового равновесия со средой, а следовательно, и друг с другом
Эксперименты показывают, что для всех газов в состоянии теплового равновесия отношение 
одинаково, а следовательно, одинаковыми являются и средние кинетические энергии молекул газов. (Отношение 
часто обозначают символом θ (тета).)
Например, при температуре 0 °С (сосуды с газами погрузили в тающий лед) 
, Дж, то есть 
Дж; при температуре 100 °С (сосуды погрузили в кипящую воду) 
Дж. Так как в состоянии теплового равновесия значение θ для любых газов одинаково, то температуру можно измерять в джоулях.
Абсолютная шкала температур
Понятно, что в джоулях представлять температуру неудобно (прежде всего потому, что значения θ очень малы), к тому же неудобно полностью отказываться от шкалы Цельсия. В 1848 г. английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824–1907) предложил абсолютную шкалу температур (сейчас ее называют шкалой Кельвина).
Температуру Т, измеренную по шкале кельвина, называют абсолютной температурой.
Единица абсолютной температуры — кельвин — основная единица СИ: [T] = 1 К (К).
Шкала Кельвина построена следующим образом:
Абсолютный нижний предел температуры, при котором движение молекул и атомов должно прекратиться, называют абсолютным нулем температуры. Давление p газа полностью определяется его абсолютной температурой T и концентрацией n молекул газа: p=nkT (2).
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
Тепловое движение. Температура
Содержание
В жизни мы постоянно сталкиваемся с тепловыми явлениями. Например, перемена времен года, ежедневная смена погоды. Чтобы заварить утром чай, мы кипятим чайник – здесь тоже присутствует тепловое явление.
В промышленности и технике с тепловыми явлениями связаны создание новых материалов, сгорание топлива, плавление металлов и др. В данном уроке мы рассмотрим как физика описывает такие явления, дадим определения новым понятиям, установим зависимости и закономерности одних величин от других.
Температура и тепловые явления
Мы постоянно используем такие слова как “теплый”, “горячий”, “прохладный”, “холодный”. Так мы говорим о температуре физических тел.
Температура – это физическая величина, определяющая степень нагретости газа, жидкости или твердого тела.
Используя это определение, мы можем заявлять, что температура холодной воды ниже температуры горячей. Или говорить о том, что температуры воздуха этой зимой ниже, чем предыдущей.
Единица измерения температуры – градус Цельсия ($\degree C$). Измеряют температуру с помощью термометра.
Вы уже знаете, что процесс диффузии напрямую зависит от температуры. При более высокой температуре диффузия происходит быстрее. Значит, температура и скорость движения молекул связаны между собой:
Температура тела зависит от скорости движения молекул.
Теперь мы можем дать определение тепловым явлениям:
Тепловые явления – это явления, связанные с изменением температуры (нагреванием или охлаждением тел).
Тепловое движение
Тела состоят из вещества, а вещество – из молекул и атомов, которые находятся в непрерывном и беспорядочном движении. Скорость их движения связана с температурой, поэтому такое движение называют тепловым.
Тепловое движение – это процесс беспорядочного движения частиц, образующих вещество.
Если мы возьмем отдельную молекулу какого-либо вещества, то ее движение будет являться механическим. Мы можем сказать про выбранную молекулу, что у нее есть определенная скорость движения, направление и пройденный путь.
Это делает наблюдение со стороны механики сложным, а зачастую – просто невозможным. Поэтому мы используем понятие теплового движения молекул.
Вещество может находиться в разных агрегатных состояниях:
В этом состоянии молекулы и атомы колеблются около около некоторых определенных позиций (рисунок 1, 3) – своих положениях в узлах кристаллической решетки (рисунок 2).
Молекулы могут колебаться, вращаться и перемещаться относительно друг друга (рисунок 1, 2).
Молекулы двигаются хаотично, имеют очень сложные траектории (рисунок 1, 1) вследствие больших скоростей и постоянных столкновений с другими молекулами или стенками сосуда.
Все эти движения молекул в разных состояниях вещества являются тепловым движением. Характер этого движения изменяется при изменении температуры – вещество переходит из одного агрегатного состояния в другое.
Например, если понижать температуру воды, то она превратится в лед (из жидкого состояния переходит в твердое) (рисунок 3). Если же мы будем повышать температуру, то вода станет водяным паром (превратится из жидкости в газ).
Так как молекулы движутся, они обладают кинетической энергией. А скорость их движения связана с температурой. Поэтому температура тела тесно связана со средней кинетической энергией молекул. При повышении температуры, увеличивается средняя кинетическая энергия, а при понижении – средняя кинетическая энергия уменьшается.