1. Температура та її вимірювання
2. Абсолютна шкала температур
1. ТЕМПЕРАТУРА ТА ЇЇ ВИМІРЮВАННЯ
У побуті температуру розуміють як «міру нагрітості» тіл: «гарячі» тіла мають більш високу температуру, ніж «холодні».
Однак таке уявлення про температуру дуже суб'єктивне, адже навіть одній людині той самий предмет може одночасно здаватися теплим і холодним. Щоб переконатися в цьому, проведіть такий простий дослід. Помістіть на кілька хвилин палець лівої руки в склянку з холодною водою, а палець правої — у склянку з теплою водою. Потім одночасно занурте пальці обох рук у склянку з водою кімнатної температури.
Ваша ліва рука «скаже» вам, що ця вода тепла, а права — що та сама вода холодна!
Отже, довіряти суб'єктивним відчуттям, визначаючи температуру, не можна: треба визначити температуру так, щоб її можна було вимірювати.
ТЕПЛОВА РІВНОВАГА І ТЕМПЕРАТУРА
Якщо привести в контакт (стикання) два тіла — холодне і гаряче, то холодне тіло почне нагріватися, а гаряче — остигати. Температура кожного з цих тіл змінюватиметься доти, доки їхні температури не зрівняються.
Отже, температура характеризує стан теплової рівноваги: тіла, що перебувають у тепловій рівновазі, мають однакову температуру.
Як ви вже знаєте, температура характеризує кінетичну енергію хаотичного руху молекул: чим вища температура, тим більша кінетична енергія хаотичного руху.
ВИМІРЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ
Практично всі тіла під час нагрівання розширюються. Це використовують при виготовленні термометрів — приладів для вимірювання температури. У побуті часто користуються рідинними термометрами (рис. 20.1). Щоб розширення рідини було більш помітним, рідина в термометрі піднімається під час розширення по дуже тонкій трубці.
Шкала Цельсія. Визначаючи температурну шкалу, спочатку вибирають дві так звані «опорні точки» — температури, за яких відбуваються певні явища при визначених температурах (наприклад, танення льоду і кипіння води за атмосферного тиску). Потім на трубку термометра наносять шкалу, поділяючи відстань між «опорними точками» на рівні частини. Наприклад, за температурною шкалою Цельсія1 температурі танення льоду відповідає 0 градусів, а температурі кипіння води за атмосферного тиску відповідає 100 градусам. Температуру за шкалою Цельсія1 позначають маленькою літерою t і записують, наприклад, так: t = 20 °С.
Який термометр показує «правильну» температуру? Якщо на термометрах з різними рідинами розділити шка
лу між О °С і 100 °С на рівні частини, то покази цих термометрів можуть суттєво відрізнятися, адже різні рідини розширюються по-різному. Наприклад, коли ртутний термометр за рівномірної розмітки шкали показує 50 градусів, гліцериновий покаже 47,6 градусів. І немає ніяких аргументів на користь того, який термометр вважати «правильним»!
Ще значнішими будуть відмінності в показах кожного з цих термометрів і водяного термометра. Річ у тім, що вода під час нагрівання та охолодження поводиться незвичайно: під час нагрівання від 0 °С до 4 °С вона не розширюється, а стискується1. І тому покази водяного термометра під час нагрівання від 0 °С до 4 °С не збільшуватимуться, а зменшуватимуться!
По-різному розширюються унаслідок нагрівання і тверді тіла.
На щастя, є багато речовин, які під час нагрівання розширюються однаково. Зараз ми про них розповімо.
2. АБСОЛЮТНА ШКАЛА ТЕМПЕРАТУР
У багатьох дослідах було встановлено, що гази під час нагрівання розширюються однаково2.
ГАЗОВИЙ ТЕРМОМЕТР
ПОСТАВИМО ДОСЛІД
Візьмемо циліндричну посудину, у якій газ під поршнем нагрівається за постійного тиску. Відзначимо на стінці посудини «опорні точки», що відповідають 0 °С і 100 °С, а потім нанесемо між ними мітки на рівних відстанях одна від одної (рис. 20.2).
1 Тому річки й озера в середніх широтах не промерзають узимку до дна.
2 Досить точно ця залежність виконується для розріджених газів. Оскільки індивідуальні властивості газів за таких умов не виявляються, у фізиці використовують фізичну модель — ідеальний газ. Реальні гази практично не відрізняються від ідеального газу за невеликих тисків та температур, які значно більші за абсолютний нуль.
Ми зробили таким чином газовий термометр, визначивши температуру як величину, що лінійно залежить від об’єму газу за постійного тиску.
Відзначимо на шкалі газового термометра опорні точки, що відповідають температурам 0 °С і 100 °С. Співвідношення між об’ємом газу і температурою за шкалою Цельсія в цьому інтервалі температур показано на графіку, наведеному на рисунку 20.3, а.
Якщо ми продовжимо цей графік убік від’ємних температур, то побачимо, що об’єм газу мав би перетворитися в нуль за t = -273 °С (рис. 20.3, б)\
Насправді цього не відбувається, оскільки під час охолодження до дуже низьких температур усі гази перетворюються спочатку в рідини, а потім — у тверді тіла (тому ділянку графіка в області низьких температур намічено пунктиром).
Проте виявилося, що температура t = -273 °С дійсно є «абсолютним холодом»: у наступному параграфі ми побачимо, що така температура відповідає «припиненню» теплового руху молекул.
АБСОЛЮТНА ТЕМПЕРАТУРА
У середині 19-го століття англійський учений Кельвін запропонував нову шкалу температур, нуль якої відповідає «абсолютному холоду», тобто t = -273 °С, а зміна температури на один градус дорівнює зміні температури на один градус за шкалою Цельсія.
Цю шкалу температур називають шкалою Кельвіна або абсолютною шкалою, а температуру, що виміряють за дією шкалою, — абсолютною температурою'.
Нуль за абсолютною шкалою температур називають абсолютним нулем температури. Як уже говорилося, це найнижче можливе значення абсолютної температури2.
Абсолютну температуру позначають великою літерою Т.
Одиницю абсолютної температури називають кельвін і позначають К.
Розглядаючи процеси, що відбуваються з газами, ми користуватимемось переважно абсолютною температурою.
Співвідношення між шкалою Цельсія та абсолютною шкалою температур. З означення абсолютної температури випливає, що абсолютна температура Т і температура t за шкалою Цельсія пов’язані співвідношенням: Т = t + 273 (рис. 20.4).
На рисунку позначено характерні точки: абсолютний нуль температури, температура танення льоду та температура кипіння води за атмосферного тиску. Забарвлений стовпчик схематично показує кімнатну температуру: температурі 20 °С відповідає 293 К.
Співвідношення між об’ємом газу та абсолютною температурою. Щоб
зобразити графічно співвідношення між об’ємом газу V та його абсолютною температурою Т, досить зсунути шкалу температур на графіку, наведеному вище (рис. 20.3, б), на 273 градуси ліворуч.
Для наочності обидва графіки — з температурою за шкалою Цельсія та з температурою за шкалою Кельвіна — зображено поряд на рис. 20.5.
1 Абсолютну шкалу температур ще називають термодинамічною шкалою, оскільки її чітке визначення дається в термодинаміці.
2 Дослідження процесів у різних системах за температури, близької до абсолютного нуля, займається кріофізика. Одним із провідних наукових центрів кріофізики є Фізико-технічиий інститут низьких температур — ФТІНТ (Харків, Україна).
Зверніть увагу: за постійного тиску об'єм даної маси газу прямо пропорційний абсолютній температурі. Ми повернемося до цього в наступному параграфі.
ПРО ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ
Температура характеризує стан теплової рівноваги: тіла, що перебувають у тепловій рівновазі, мають однакову температуру.
Абсолютною температурою називають температуру за абсолютною шкалою температур (шкалою Кельвіна), а нуль за цією шкалою — абсолютним нулем температури. Він відповідає -273 °С за шкалою Цельсія. Абсолютну температуру позначають Т.
Абсолютна температура Т і температура t за шкалою Цельсія пов'язані співвідношенням: Т = t + 273.
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
Перший рівень
1. Чому не завжди можна довіряти визначенню температури на дотик? Наведіть приклади на підтвердження вашої відповіді.
2. Тіло А перебуває в тепловій рівновазі з тілом Б, а тіло Б — з тілом В. Що можна сказати про температури тіл А і В?
3. Як визначають шкалу температур за Цельсієм?
4. Як визначають абсолютну температуру за допомогою газового термометра?
5. Яким є співвідношення між абсолютною температурою і температурою за шкалою Цельсія?
6. Чому дорівнює абсолютна температура повітря в кімнаті, якщо термометр на стіні кімнати показує 20 °С?
7. Ртутний термометр показує температуру 37 °С. Якій абсолютній температурі це відповідає?
8. Чи може людина витримувати температуру 300 К? Якій температурі за Цельсієм вона відповідає?
9. Температура повітря збільшилася на 5 °С. На скільки кельвінів змінилася вона при цьому?
10. Чи існує найнижча температура? Якщо так, то чому вона дорівнює? Другий рівень
11. Як пов'язане поняття температури з поняттям теплової рівноваги?
12. Унаслідок нагрівання стовпчик рідинного термометра в скляній трубці піднімається. Яка речовина розширюється під час нагрівання більше — рідина в трубці чи скло, з якого виготовлено трубку?
13. Під час нагрівання рівень рідини в скляній посудині знижується. Яка це може бути рідина? У якому інтервалі температур рідини проводили цей дослід?
14. Чим відрізняється розширення газів від розширення рідин і твердих тіл?
15. Зобразіть графічно, як пов'язані температура за шкалою Цельсія з абсолютною температурою.
16. Чим зумовлене існування найнижчої температури?
17. Складіть задачу за темою «Температура», відповіддю якої було б «373 К».
Це матеріал з підручника Фізика 10 клас Генденштейн, Ненашев