Температура і теплова рівновага

Макроскопічні параметри

Стан макроскопічних тіл, зокрема газів, і процеси зміни їх станів можна охарактеризувати небагатьом числом фізичних величин, які відносяться не до окремих молекул, з яких складаються тіла, а до всіх молекул в цілому. До числа таких величин відносяться:

  • Об `єм V;
  • Тиск р;
  • Температура t.

Так, газ даної маси, що знаходиться в посудині, завжди займає об `єм цієї посудини і має певний тиск і температуру. Об `єм і тиск являють собою механічні величини, які допомагають описувати стан газу. Температура в механіці не розглядається, оскільки вона характеризує внутрішній стан тіла.

Запам’ятай

Величини, що характеризують стан макроскопічних тіл без урахування їх молекулярної будови (V, р, t), називають макроскопічними параметрами.

Однак макроскопічні параметри не вичерпуються об’ємом, тиском і температурою.

Наприклад, для опису стану суміші газів потрібно ще знати концентрації окремих компонентів або їх маси. Звичайний атмосферне повітря являє собою суміш газів.

Холодні і гарячі тіла

Центральне місце у всьому вченні про теплові явища займає поняття температура. Всі ми добре знаємо відмінність між холодними і гарячими тілами. На дотик ми визначаємо, яке тіло підігріте сильніше, і говоримо, що це тіло має більш високу температуру.

Важливо

Температура характеризує ступінь нагрітості тіла (холодне, тепле, гаряче).

Для її (температури) виміру був створений прилад, який називається термометр. Його пристрій засноване на властивості тіл змінювати свій об `єм при нагріванні або охолодженні.

Теплова рівновага

Термометр ніколи не покаже температуру тіла відразу ж після того, як він стикнувся з ним. Необхідно якийсь час для того, щоб температури тіла і термометра стали рівні і між тілами встановилася теплова рівновага, при якій температура перестає змінюватися.

Теплова рівновага з часом встановлюється між будь-якими тілами, що мають різну температуру.

Киньте в склянку з водою шматочок льоду і закрийте склянку щільною кришкою. Лід почне плавитися, а вода охолоджуватися. Коли лід розтане, вода почне нагріватися. Виміряйте кілька разів температуру повітря і температуру води в склянці. Коли закінчиться зміна стану води у склянці?

З простих спостережень можна зробити висновок про існування дуже важливого загального властивості теплових явищ.

Важливо

Будь-яке макроскопічне тіло або група макроскопічних тіл при незмінних зовнішніх умовах мимоволі переходить в стан теплової рівноваги.

Запам’ятай

Тепловим рівновагою називають такий стан тіл, при якому температура у всіх точках системи однакова.

Але мікроскопічні процеси всередині тіла не припиняються і при тепловій рівновазі: змінюються положення молекул, їх швидкості при зіткненнях.

Температура

Система макроскопічних тіл може перебувати в різних станах. У кожному з цих станів температура має своє строго певне значення. Інші фізичні величини в стані теплової рівноваги системи можуть мати різні значення, які з часом не змінюються. Так, наприклад, обсяги різних частин системи і тиску всередині їх при наявності твердих перегородок можуть бути різними. Якщо ви внесете з вулиці м’яч, наповнений стисненим повітрям, то через деякий час температура повітря в м’ячі і температура в кімнаті вирівняються. Тиск же повітря в м’ячі все одно буде більшим, ніж у кімнаті.

Важливо

Температура характеризує стан теплової рівноваги системи тіл: все тіла системи, що знаходяться один з одним в тепловій рівновазі, мають одну і ту ж температуру.

При однакових температурах двох тіл між ними не відбувається теплообміну. Якщо ж температури тіл різні, то при встановленні між ними теплового контакту відбуватиметься обмін енергією. При цьому досвід вчить, що тіло з більшою температурою буде віддавати енергію тілу з меншою температурою. Різниця температур тіл вказує напрямок теплообміну між ними – від більш нагрітого тіла до менш нагрітого.

Вимірювання температури. Термометри

Для вимірювання температури можна скористатися зміною будь-якої макроскопічної величини в залежності від температури:

  • обсягу;
  • тиску;
  • електричного опору і т. д.

Найчастіше на практиці використовують залежність об’єму рідини (ртуті або спирту) від температури. При градуюванні термометра зазвичай за початок відліку (0) приймають температуру танучого льоду; другою постійною точкою (100) вважають температуру кипіння води при нормальному атмосферному тиску (шкала Цельсія). Шкалу між точками 0 і 100 ділять на 100 рівних частин, які називаються градусами. Переміщення стовпчика рідини на одну поділку відповідає зміні температури на 1°С.

У 1742 р. А. Цельсій опублікував роботу з описом стоградусною шкали термометра, в якій температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску була прийнята за 0°, а температура танення льоду – за 100°. Пізніше шведський біолог К. Лінней «перевернув» цю шкалу, прийнявши за 0° температуру танення льоду. Цією шкалою ми користуємося й досі, називаючи її шкалою Цельсія.

Так як різні рідини розширюються при нагріванні неоднаково, то встановлена ​​таким чином шкала буде залежати від властивостей даної рідини і відстані на шкалі між 0 і 100°С будуть різні. Тому градуси (відстань між двома сусідніми відмітками) спиртового та ртутного термометрів будуть різними.

Наповніть частково вузьку посудину соняшниковою олією і відзначте верхній рівень олії. Виміряйте термометром температуру повітря. Потім помістіть посудину в гарячу воду і знову відзначте верхній рівень масла. Виміряйте температуру води тим же термометром. Потім наповніть цю ж посудину іншою рідиною і проведіть аналогічні вимірювання. Порівняйте відстані між відмітками на посудині в двох дослідах. Зробіть висновок.

Важливо

Було відмічено, що на відміну від рідин все розріджені гази – водень, гелій, кисень – розширюються при нагріванні однаково і однаково змінюють свій тиск при зміні температури.

З цієї причини у фізиці для встановлення раціональної температурної шкали використовують зміну тиску певної кількості розрідженого газу при постійному об’ємі або зміні обсягу газу при постійному тиску. Таку шкалу іноді називають ідеальною газової шкалою температур.

При встановленні ідеальної газової шкали температур вдається позбутися ще від одного істотного недоліку шкали Цельсія – довільності вибору початку відліку, обто нульової температури.

Питання для самоперевірки

  • Які величини характеризують стани макроскопічних тіл?
  • Які відмінні ознаки станів теплової рівноваги?
  • Чи спостерігали ви приклади встановлення теплової рівноваги тіл, оточуючих вас в повсякденному житті?
  • У чому перевага використання розріджених газів для вимірювання температури?
  • 5. Як залежить інтенсивність теплообміну між двома тілами від різниці їх температур?
Посилання на основну публікацію