Абсолютная температура формула физика: Физика. 10 класс. Основы молекулярно-кинетической теории. Урок 5.

Содержание

Физика. 10 класс. Основы молекулярно-кинетической теории. Урок 5.

Физика. 10 класс.

Урок 5.

Температура. Абсолютная шкала температур.

    Молекулярно-кинетическая теория позволяет нам понять, что представляет собой физическая сущность такого сложного понятия, как температура. Когда соприкасаются два тела (или несколько тел), между ними происходит теплообмен. Если система тел изолирована (т.е. не взаимодействует с окружающими телами и внешней средой), теплообмен будет длиться до тех пор, пока температуры тел не выравняются и не установится тепловое равновесие.
Тепловым или термодинамическим равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры в системе сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что в системе не меняются объем и давление, не изменяются агрегатные состояния вещества, концентрации веществ. Но микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии: меняются положения молекул, их скорости при столкновениях. В системе тел, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, объемы и давления могут быть различными, а температуры обязательно одинаковы. Таким образом, температура характеризует состояние термодинамического равновесия изолированной системы тел.

Для измерения температуры служат специальные приборы — термометры. Их действие основано на том факте, что при изменении температуры, изменяются и другие физические параметры тела, например, такие, как давление и объем.
В 1787 году Ж. Шарль из эксперимента установил прямую пропорциональную зависимость давления газа от температуры. Из опытов следовало, что при одинаковом нагревании давление любых газов изменяется одинаково. Использование этого экспериментального факта легло в основу создания газового термометра. Если использовать температурную шкалу Цельсия, то экспериментально установленный Шарлем закон имеет вид: P = Po(1+at), где Рo — давление газа при температуре 0
o
С, a — установленный из опытов температурный коэффициент давления газа. Можно преобразовать формулу, выражающую зависимость давления от температуры, используя абсолютную температурную шкалу (Т), предложенную Кельвином: P=T· const. (T=t + 273 K). Измеряемая по шкале Цельсия температура может быть как положительной, так и отрицательной, в то время как абсолютная температура всегда неотрицательна. Наименьшая температура по абсолютной шкале — это абсолютный нуль. При такой температуре P=0, что согласно МКТ возможно, если средняя кинетическая энергия молекулы равна нулю.
Таким образом, при абсолютном нуле температуры прекращается тепловое движение частиц вещества. Ниже этой температуры быть уже не может. Эта температура приблизительно равна — 273oС. Единица абсолютной температуры называется кельвином (K).
Опытным путем было установлено, что при постоянном объеме и температуре давление газа прямо пропорционально его концентрации. Объединяя экспериментально полученные зависимости давления от температуры и концентрации, получаем уравнение: р = nkT, где — k коэффициент пропорциональности — постоянная Больцмана. Постоянная Больцмана связывает температуру со средней кинетической энергией движения молекул в веществе. Это одна из наиболее важных постоянных в МКТ. Температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии теплового движения частиц вещества. Следовательно, температуру можно назвать мерой средней кинетической энергии частиц, характеризующей интенсивность теплового движения молекул. Этот вывод хорошо согласуется с экспериментальными данными, показывающими увеличение скорости частиц вещества с ростом температуры.
Рассуждения, которые мы проводили для выяснения физической сущности температуры, относятся к идеальному газу. Однако выводы, полученные нами, справедливы не только для идеального, но и для реальных газов. Справедливы они и для жидкостей и твердых тел. В любом состоянии температура вещества характеризует интенсивность теплового движения его частиц.

Иллюстрации и основные итоги.

Давление газа. Абсолютная температура. Молекулярно-кинетическое обоснование абсолютной температуры и давления. Измерение давления и температуры.

Предмет молекулярной физики. Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ) вещества и их экспериментальное обоснование. Статистический и термодинамический подходы к изучению макроскопических систем. Флуктуации и их проявления.

 

В данном разделе курса общей физики, в отличие от раздела «Механика», рассматриваются закономерности, присущие большому количеству частиц. Как мы увидим в дальнейшем, количественное увеличение числа частиц в системе обуславливает качественные изменения ее свойств. Молекулярная физика и термодинамика изучают поведение макросистем.

Макросистемой называется система, состоящая из очень большого числа частиц.

 

Область физики, в которой изучаются физические свойства тел в различных агрегатных состояниях на основе рассмотрения их микроскопического (молекулярного) строения, называется молекулярной физикой.

В этом разделе физики рассматриваются строение и свойства газов, жидкостей и твердых тел, изменения, которые в них происходят при изменении внешних условий, фазовые превращения, явления переноса и др.

 

Молекулярно-кинетической теорией вещества называется учение, которое объясняет строение и свойства тел движением и взаимодействием атомов и молекул, из которых состоят тела.

Основоположником молекулярно-кинетической теории (МКТ) является М.В. Ломоносов (1711-1765 г.г.), который сформулировал ее основные положения и применил их к объяснению различных явлений.

Основные положения МКТ заключаются в следующем:

1. Все тела в природе состоят из мельчайших частиц (атомов и молекул), в состав которых входят более мелкие элементарные частицы;

2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, которое называется тепловым движением;

3. Между частицами вещества действуют силы притяжения и отталкивания, зависящие от расстояния между частицами.

Рассмотрим явления экспериментально подтверждающие МКТ:

1. Наличие молекул подтверждается возможностью механического дробления вещества, растворением веществ в воде и других растворителях. Очевидно, что при дроблении вещества можно получить очень маленькие частички. Наименьшая, электрически нейтральная частица вещества, сохраняющая все его химические свойства, называется молекулой. Молекулы складываются из более простых частичек – атомов. Атомом называют наименьшую частицу данного химического элемента.

Существует очень много молекул (~7000000), в то время как число атомов небольшое. В настоящее время известно 113 разных атомов. В природе существует 88 атомов, 25 получены искусственно с помощью ядерных реакций. Эти 113 атомов называются химическими элементами. Атомы химических элементов, комбинируясь друг с другом, создают миллионы существующих молекул.

2. Диффузия – самопроизвольное взаимное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей или твердых тел. Наиболее интенсивно она протекает в газах и менее интенсивно в жидкостях и твердых телах, особенно при низких температурах. Явление диффузии свидетельствует о том, что между молекулами газов, жидкостей и твердых тел есть промежутки, т.е. вещество дискретно.

Рис.1. Легкие молекулы диффундируют быстрее тяжелых

3. Смешивание разных жидкостей, растворение твердых тел в жидкостях объясняется перемешиванием молекул разного рода. При этом объем смеси может отличаться от суммарного объема компонентов смеси, что свидетельствует о разной компактности молекулярных систем:

4. Газ занимает любой предоставленный ему объем. Это значит, что молекулы газа двигаются независимо одна от другой, хаотично, беспрерывно. При этом движение молекул в любом направлении равновероятно. Это очевидно, потому что давление газа в закрытом сосуде одинаковое во всех точках объема.

5. Наиболее ярким экспериментальным подтверждением представлений МКТ о беспорядочном движении атомов и молекул является броуновское движение. Это тепловое движение мельчайших микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе. Явление впервые наблюдал ботаник Броун в 1827 г., рассматривая в микроскоп взвешенные в воде споры плауна. Скорость броуновской частицы беспорядочно меняется по модулю и направлению, а ее траектория представляет собой сложную зигзагообразную кривую (рис. 2.). Теория броуновского движения была создана А. Эйнштейном (1905 г.) и М Смолуховским (1906г.). Экспериментально теория Эйнштейна была подтверждена в опытах французского физика Ж. Перрена (1908–1911 гг.). Это способствовало превращению молекулярно-кинетической гипотезы в теорию.

Рис.2. Траектория броуновской частицы

 

Было установлено, что скорость броуновской частички увеличивается с увеличением температуры, с уменьшением вязкости жидкости и массы частички. Броуновские частички окружены молекулами жидкости, которые движутся беспрерывно и хаотично (тепловое движение). При размерах частичек порядка 10-4 – 10-5 м число ударов молекул жидкости о них не будет слишком большим. В этом случае начинают проявляться отклонения числа ударов молекул в отдельные стороны частички от средних значений.

 

Отклонение тех или иных величин от их средних значений, которые происходят в малых объемах или на протяжении малых промежутков времени, называются флуктуациями.

Флуктуации скорости молекул и числа ударов приводят к тому, что импульсы, которые получает броуновская частичка с разных сторон, оказываются некомпенсированными. Частичка перемещается, изменяя величину и направление скорости.

 

Также как и броуновское движение, ряд физических явлений обусловлен флуктуациями соответствующих величин, которые характеризуют это явление. Так флуктуациями плотности воздуха объясняется голубой цвет неба. В атмосфере, в малых объемах беспрерывно возникают сгущения и разряжения молекул воздуха, на которых рассеивается солнечный свет. Согласно закону Релея голубые и синие лучи рассеиваются сильнее, чем желтые и красные. Поэтому цвет неба голубой, а восходящее и заходящее солнце красное. Флуктуации плотности наблюдаются вблизи критического состояния вещества. На этих флуктуациях плотности происходит интенсивное рассеяние света, получившее название критическая опалесценция.

6. В любом, даже очень маленьком объеме вещества находится огромное число молекул. Так при нормальных условиях, (p=1,01*105Па, Т=273К) в 1см3 воздуха находится n

o=2.69*1019 молекул – так называемое число Лошмидта.

В молекулярно-кинетической теории количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Единица количества вещества называется молем (моль).

Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц (молекул, атомов), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода 6C12.

Таким образом, в одном моле любого вещества содержится одно и то же число частиц (молекул). Это число называется числом Авогадро NA:

NA = 6,02·1023 моль–1.

Число Авогадро – одна из важнейших постоянных в физике.

Количество вещества ν определяется как отношение числа N частиц (молекул) вещества к постоянной Авогадро NA:

Массу одного моля вещества принято называть молярной массой μ. Молярная масса равна произведению массы m0 одной молекулы данного вещества на число Авогадро:

Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль). Для веществ, молекулы которых состоят из одного атома, часто используется термин атомная масса.

За единицу массы атомов и молекул принимается 1/12 массы атома изотопа углерода 6C12 (с массовым числом 12). Она называется атомной единицей массы (а. е. м.):

1 а. е. м. = 1,66·10–27 кг.

Эта величина практически совпадает с массой протона или нейтрона.

Относительная атомная масса, или атомная масса химического элемента — это отношение массы атома этого элемента к 1/12 массы атома 6C12. Относительные атомные массы химических элементов приводятся в таблице Менделеева.

Относительная молекулярная масса вещества — это отношение массы молекулы этого вещества к 1/12 массы атома углерода 6C12. Зная химическую формулу вещества можно найти молекулярную массу как сумму атомных масс элементов, составляющих данное вещество. Например, у воды химическая формула H2O, атомная масса водорода равна 1, умножаем ее на 2 и прибавляем атомную массу кислорода, 16, получаем, что молекулярная масса воды равна 18. Это безразмерное число, т. к. речь идет об относительной молекулярной массе.

Можно говорить и просто о массе атома, о массе молекулы, которые измеряют обычно в атомных единицах массы (а.е.м.). Таким образом, масса молекулы воды равна 18 а.е.м. Из определения моля следует, что молярная масса μ, выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе. Так масса одного моля воды равна 18 г.

Количество вещества (число молей) может быть рассчитано по формуле:

,

где N — число молекул в веществе массой m.

7. В конце XIX века были получены фотографии отдельных молекул и атомов Выполненные с помощью туннельного электронного микроскопа.

На рисунке слева: дефект в кристалле при разрешении в 2 ангстрема(0.2 нм). На рисунке справа — то же, но при разрешении в 1 ангстрем.

 

Фото атомов германия на сапфировой подложке:

Сегодня многие связывают рождение новой эпохи с 1981 годом, когда немецкие физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали зондовый туннельный микроскоп, позволяющий не только видеть, но и переносить с места на место отдельные атомы. Но порой нужны годы, чтобы научный прибор стал инструментом технолога. Только в 1989 году сканирующий туннельный микроскоп удалось использовать как наноманипулятор, сложив с его помощью регулярную структуру из атомов. Сотрудниики IBM Дональд Эйглер и Эрхард Швейцер выложили название своей компании 35 атомами ксенона на поверхности кристалла никеля. Эта операция заняла 22 часа и проходила при температуре вблизи абсолютного нуля (–273°С). После нагрева кристалла до –230°С буквы IBM испарились.

 

8. Упругость газов, очень малая сжимаемость жидкостей и твердых тел подтверждают наличие сил отталкивания между молекулами. Сохранение твердыми телами формы, необходимость приложения силы для отрыва тел от поверхности жидкости свидетельствуют о наличии сил притяжения между молекулами. На расстояниях порядка ~10-9м между молекулами начинают действовать силы притяжения. Эти силы короткодействующие, они быстро уменьшаются с увеличением расстояния r между молекулами по закону:

,

где – a коэффициент, зависящий от строения молекул, n ≈ 7.

На расстояниях r между центрами молекул порядка ~10-10м заметно начинают действовать силы отталкивания, которые изменяются по закону:

,

где – m ≥ 9.

Очевидно, что силы отталкивания изменяются с расстоянием быстрее, чем силы притяжения. При некотором r = rо силы притяжения уравновешивают силы отталкивания, и их равнодействующая становится равной нулю:

.

 

Рис.3.Сила взаимодействия (равнодействующая) F, силы притяжения и отталкивания двух молекул. F > 0 – преобладают силы отталкивания, F < 0 – преобладают силы притяжения.

 

Таким образом, наиболее устойчиво молекулы размещаются на некотором минимальном расстоянии ro. Это расстояние условно можно принять за диаметр молекулы. Потенциальная энергия взаимодействия при r = ro минимальна. Если расстояние между молекулами достаточно велико, то преобладают силы межмолекулярного притяжения. На малых расстояниях преобладают силы отталкивания.

 

Число атомов и молекул в любом теле огромно. Например, в 1 м3газа при обычных условиях содержится ~1025 молекул, а в жидких и твердых телах ~1028 молекул. Если считать, что движение каждого атома или молекулы подчиняется законам классической механики, то практически даже невозможно написать систему дифференциальных уравнений движения такого множества молекул (бумаги на Земле для этого не хватило бы) и решить эту систему. Поэтому поведение отдельной молекулы или атома тела не может быть изучено методами классической механики, тем более что это поведение (траектория, скорость и другие характеристики движения молекулы) изменяются со временем случайным образом.

Физические свойства макроскопических систем, состоящих из большого числа частиц, изучаются двумя взаимно дополняющими методами: статистическим и термодинамическим.

Статистический метод основан на использовании теории вероятностей и определенных моделей строения изучаемых систем. В совокупном поведении большого числа частиц, координаты и импульсы которых случайны в любой момент времени, проявляются особые статистические закономерности. Статистический метод истолковывает физические свойства макросистем, непосредственно наблюдаемые на опыте (давление, температура и т.д.) как суммарный, усредненный результат действия отдельных частиц. Например, в газах можно определить средние значения скоростей молекул и их энергий, однозначно связанных с температурой. Раздел физики, который изучает физические свойства макроскопических систем с помощью статистического метода, называется статистической физикой. Статистическая физика базируется на основных положениях молекулярно кинетической теории и изучает те параметры систем (давление, температура и т.д.), которые наблюдаются на опыте.

Термодинамика изучает свойства макроскопических систем и протекающие в них процессы, не вдаваясь в микроскопическую природу тел. Не рассматривая поведение отдельных микроскопических частиц, термодинамика позволяет сделать ряд выводов относительно протекания процессов в макросистеме, оперируя некими интегральными понятиями — параметрами (давление, температура, объем) и функциями состояния (внутренняя энергия и энтропия и др.).

Термодинамический метод основан на анализе условий и количественных соотношений, возникающих в системе при различных превращениях энергии. Соотношения между разными видами энергии позволяют изучать физические свойства исследуемых систем при самых разнообразных процессах и предсказать направления изменения состояния макросистем.

В основе термодинамики лежат несколько фундаментальных законов, называемых началами термодинамики, которые были установлены путем обобщения большого количества опытных фактов.

У статистической физики и термодинамики общий предмет изучения — свойства макросистем (веществ) и происходящие в них процессы. Подходя к изучению этих свойств и процессов с различных точек зрения, статистическая физика и термодинамика взаимно дополняют друг друга, образуя, по существу, единое целое.

 

Лекция 2

Давление газа. Абсолютная температура. Молекулярно-кинетическое обоснование абсолютной температуры и давления. Измерение давления и температуры.

Газ, который находится в сосуде, оказывает давление на его стенки и тела находящиеся в нем. Именно своим давлением газ и обнаруживает свое присутствие. Давление газа можно объяснить на основе молекулярно кинетической теории. Так при каждом ударе молекула действует на стенку с некоторой силой. Когда число молекул очень велико, то очень большим будет и число ударов о стенки. Очень малые силы отдельных ударов складываются в конечную, практически постоянную силу, которая действует на стенки.

Сила, действующая на единицу площади поверхности, и будет давлением, которое и создает газ. По определению:

где F – сила, которая действует со стороны молекул на площадку S сосуда с газом.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ.

1. Система СИ: паскаль (Па) [1 Па = 1 Н/м2]

2. Внесистемные единицы:

1 (нормальная, физическая) атмосфера. (атм.) = 760 мм ртутного столба (мм.рт.ст.) (при t = 0оС) = 1,01·105 Па = 1,01 бар.

1 бар = 105 Па

1 мм. рт. ст. = 1,00000014 Торр = 133,3 Па

Диапазон давлений, которые приходится измерять на практике, очень велик – от 10-14Па до 10+12Па.

Не существует устройств, которые одновременно точно измеряли бы такие низкие и высокие давления. Поэтому приборы для измерения давления подразделяются на вакуумметры – устройства для измерения давлений ниже атмосферного, барометры – для измерения атмосферных давлений и сравнимых с ними и манометры – для измерения высоких и сверхвысоких давлений.

Простейшим манометром для измерения давлений больших и меньших атмосферного служит открытый жидкостный манометр – U – образный сосуд с жидкостью (рис.1):

Рис.1 Жидкостный манометр

 

Одно из колен соединяют с сосудом, где измеряется давление, второе соединяется с атмосферой. При разности уровней жидкости в коленах манометра Δh давление в сосуде можно рассчитать по формуле:

где pа– атмосферное давление, ρ – плотность жидкости.

Если манометр заполнить водой, либо более легкой жидкостью, то им можно измерять малые разности давлений: 1-103 Па. При заполнении манометра ртутью можно измерять давления сравнимые с атмосферным.

Для измерения высоких давлений (до ~ 109Па) используются механические манометры с упругими элементами (манометры Бурдона) (рис.2). Главная его часть металлическая трубка, имеющая форму витка (B). Один конец трубки присоединен к корпусу прибора и соединен с сосудом, в котором измеряется давление. Другой, закрытый конец трубки соединен со стрелкой прибора. При увеличении давления виток распрямляется и перемещает стрелку вдоль шкалы. Прибор предварительно градуируется.

Рис.2 Манометр Бурдона

 

Для измерения малых давлений используются манометры Мак-Леода, Пирани, ионизационные и др.

 

Другой макроскопической величиной, характеризующей состояние системы, является температура. Под температурой понимают величину, которая характеризует тепловое состояние системы (тела). Она определяет, будет ли эта система предавать тепло другой системе с другой температурой, либо получать от нее тепло.

Своеобразность температуры как физической величины в том, что она в отличие от многих других величин не аддитивная. Это значит, что если мысленно разбить систему (тело) на части, то температура системы не будет равна сумме температур ее частей. Этим она отличается от других физических величин, таких как масса, объем и т.д. Поэтому температуру тела (системы) нельзя измерить непосредственно, т.е. методом сравнения с эталоном.

Для измерения температуры пользуются тем, что при изменении температуры тела изменяются его физические свойства: длина, объем, плотность электропроводность и т.д.

Для создания устройства для измерения температуры (термометр) выбирают какое-нибудь вещество – так называемое термометрическое вещество и определенную величину, характеризующую свойства тела – термометрическую величину. Выбор одного и второго абсолютно произвольный. Например, в технике и в быту широко используется ртутный термометр, где термометрической величиной является ртуть, а термометрической величиной – длина ртутного столба.

Для получения температурной шкалы выбирают реперные точки, установленные международным соглашением. Например, температура плавления льда и температура кипения воды. Полученный промежуток делят на 100 равных частей (шкала Цельсия). Одна часть называется градусом Цельсия. Пользуясь этим способом можно получить множество температурных шкал: разные термометрические вещества – разные шкалы.

Современная термометрия базируется на шкале идеального газа, которая устанавливается с помощью газового термометра (рис.3).

Рис. 3. Газовый термометр постоянного объема

1 — сосуд с газом, 2 — соединительные трубки,

3- манометр, 4 — постоянный уровень

 

Газовый термометр представляет собой закрытый сосуд, заполненный идеальным газом и снабженный манометром. Термометрическим веществом является идеальный газ, термометрической величиной – давление газа при постоянном объеме. Постоянство объёма достигается тем, что вертикальным перемещением левой трубки уровень в правой трубке манометра доводится до одного и того же значения (опорной метки) и в этот момент производится измерения разности высот уровней жидкости в манометре. Учет различных поправок (например, теплового расширения стеклянных деталей термометра, адсорбции газа и т.д.) позволяет достичь точности измерения температуры газовым термометром постоянного объема, равной одной тысячной кельвина.

Зависимость давления газа от температуры линейная. Следовательно, отношение давлений при температуре кипения воды pк и таяния льда p0 равно отношению этих температур:

Отношение pк/p0 находится опытным путем:

Следовательно:

(1)

Единица измерения температуры находится делением разности TкT0 на 100 частей и называется Кельвином:

(2)

Из равенств (1) и (2) получаем, что температура таяния льда по этой шкале равна:

,

 

а температура кипения воды Tк = 373,15K.

При определении температуры тела с помощью газового термометра, необходимо привести это тело в контакт с газовым термометром, дождаться теплового равновесия, затем измерить давление p в термометре. Температура тела определяется из соотношения:

(3)

где p0 – давление газа при температуре таяния льда T0.

Пользоваться газовым термометром не совсем удобно. У газовых термометров другое назначение. Их используют при градуировке других термометров, используемых на практике.

Температура, которая равна нулю по этой шкале – это температура, при которой давление идеального газа равно нулю (3).

Если при нуле температурной шкалы термометрическая величина обращается в нуль, то такая шкала называется абсолютной шкалой.

Температура, которая отсчитывается по такой шкале, называется абсолютной температурой. Рассмотренная шкала называется шкалой Кельвина.

Температура одна из основных величин в системе CI, а единица температуры – Кельвин – одна из основных единиц этой системы.

В международной системе единиц принята термодинамическая шкала температур, которая не зависит от свойств термометрического вещества. За нулевую температуру принята температура, при которой давление идеального газа равно нулю.

Это самая низкая из всех возможных температур. Поэтому на абсолютной шкале температур отрицательных температур не существует. Достигнуть абсолютного нуля невозможно, к нему можно только приблизиться. В настоящее время получены температуры порядка ~10-6K.

За вторую реперную точку принята температура тройной точки воды. Тройная точка воды это температура, при которой вода, ее пар и лед находятся в динамическом равновесии. По шкале Цельсия она равна 0,01оС. Температуру тройной точки воды по термодинамической шкале температур приняли равной точно 273,16 K. Выбор такого численного значения температуры тройной точки воды сделан для того, чтобы 1K был точно равен 1оС.

Таким образом, 1K равен 1/273,16 части температурного интервала от абсолютного нуля температуры до температуры тройной точки воды.

Так как температура тройной точки воды по международной шкале термодинамической шкале температур Tт = 273,16K, а по шкале Цельсия tт = 0,01оС и 1оС = 1K, то соотношение между температурами этих шкал имеет вид:

Отсюда следует:

Для измерения температуры наибольшее распространение получили жидкостные термометры, термометры сопротивления и термопары.

В жидкостном термометре термометрическим веществом является ртуть, спирт, толуол, пентан и т.д. Диапазон измерения температуры жидкостными термометрами от -125оС до +900оС.

Жидкостные термометры бывают разного назначения: обычные термометры, максимальные и минимальные термометры, контактные термометры. Максимальные и минимальные термометры – приборы, показывающие максимальную и минимальную температуру в течение определенного промежутка времени.

В термометрах сопротивления термометрическим веществом является металл или полупроводник, сопротивление которых изменяется с изменением температуры. Изменение сопротивления измеряется с помощью мостовых схем. Диапазон измерения температуры 4 – 1300 K.

В термопарах чувствительными элементами являются спаи двух металлов A и B (рис.4).

Рис.4 Схема включения термопары

 

Один спай должен находиться в тепловом равновесии с телом, температура которого измеряется, другой при известной постоянной температуре (чаще всего при температуре таяния льда). Если спаи находятся при разной температуре, то в такой цепи возникает так называемая термоэлектродвижущая сила (термо — ЭДС), которая измеряется микровольтметром, или гальванометром. Величина термо ЭДС пропорциональна разности температур спаев. Диапазон измерения температур -200 – 2200оС.

Для измерения очень высоких температур используют радиационные пирометры. Они измеряют энергию, которую излучают нагретые тела. Эта энергия связана с температурой тела законом Стефана – Больцмана.

Лекция 3


Физика 10 класс. Законы, правила, формулы

Физика 10 класс. Законы, правила, формулы | Задачи по физике Перейти к содержимому
    Свойства паров, жидкостей и твердых тел
  • Давление насыщенного пара
    Давление насыщенного пара (p0) не зависит от объёма, а зависит от температуры (T) и концентрации молекул пара (n)
    ,
    где k – постоянная Больцмана
    СИ: Па
  • Относительная влажность воздуха
    Относительной влажностью воздуха (φ) называют отношение парциального давления (р) водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению (р0) насыщенного пара при той же температуре, выраженной в процентах.
    %
    СИ: %
  • Абсолютная влажность воздуха
    Абсолютная влажность воздуха (ρ):
    1) давление, оказываемое водяным паром при данных условиях: ;
    2) это масса (m) водяного пара в единице объёма (V = 1 м3) воздуха: ;
    СИ: Па, кг/м3
  • Коэффициент поверхностного натяжения жидкости
    Коэффициент поверхностного натяжения (σ) жидкости равен отношению модуля силы поверхностного натяжения (F) к длине (l) границы поверхности натяжения, на которую действует эта сила.

    СИ: Н/м
  • Высота поднятия жидкости в капилляре
    Высота (h) поднятия жидкости в капиллярной трубке (капилляре) прямо пропорциональна коэффициенту поверхностного натяжения (σ) и обратно пропорциональна плотности жидкости (ρ) и радиусу (r) капиллярной трубки.
  • Капиллярное давление
    Капиллярное давление (p) жидкости в капилляре пропорционально коэффициенту поверхностного натяжения (σ) и обратно пропорционально радиусу капиллярной трубки (r).

    СИ: Па
  • Абсолютная деформация (удлинение — сжатие)
    Абсолютная деформация (Δl) — разность линейных размеров (l0 и l) твердого тела до и после приложения к нему силы.

    СИ: мм
  • Относительная деформация (удлинение — сжатие)
    Относительная деформация (ε) — отношение абсолютной деформации (Δl) к начальной длине твердого тела (l0).
  • Механическое напряжение
    Механическое напряжение (σ) — это отношение модуля силы упругости (F) к площади поперечного сечения (S) тела.

    СИ: Па
  • Закон Гука для твердого тела
    При малых деформациях напряжение (σ) прямо пропорционально относительному удлинению (ε)

    СИ: Па
  • Модуль упругости (модуль Юнга)
    Модуль продольной упругости (Е) — постоянная для данного материала величина, численно равная механическому напряжению (σ), которое необходимо создать в теле, чтобы его относительное удлинение (ε) достигло единицы

    СИ: Па
  • Коэффициент запаса прочности
    Коэффициент запаса прочности (n) — это величина, показывающая во сколько раз напряжение (σпч), соответствующее пределу прочности, превышает напряжение (σдоп), допустимое для твердого тела в данных условиях нагружения.
    n=σпчдоп
    Основы термодинамики
  • Внутренняя энергия одноатомного газа
    Внутренняя энергия (U) идеального одноатомного газа прямо пропорциональна количеству вещества (m/М) и его абсолютной температуре (T)

    СИ: Дж
  • Внутренняя энергия многоатомного газа
    Внутренняя энергия (U) идеального многоатомного газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре (Т) и определяется числом степеней свободы (i) идеального газа.
    ,
    где i=3 – одноатомного;
    i=5 – двухатомных;
    i=6 – трехатомных и более.
    СИ: Дж
  • Работа внешних сил над газом
    Работа (А) внешних сил, изменяющих объём газа при изобарном процессе, равна произведению давления (p) на изменение объёма (ΔV) газа.

    СИ: Дж
  • Первый закон термодинамики
    1) Изменение внутренней энергии (ΔU) системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил (А) и количества теплоты (Q), переданного системе: ;
    2) Количество теплоты (Q), переданное системе, идет на изменение её внутренней энергии (ΔU) и на совершение системой работы (А’) над внешними телами: .
    СИ: Дж
  • Применение первого закона термодинамики
    1) При изохорном процессе изменение внутренней энергии (ΔU) равно количеству переданной теплоты (Q): , (при V=const)
    2) При изотермическом процессе все переданное газу количество теплоты (Q) идет на совершение работы (А’): , (при T=const)
    3) При изобарном процессе передаваемое газу количество теплоты (Q) идет на изменение его внутренней энергии (ΔU) и на совершение работы (А’): , (при p=const)
    4) При адиабатном процессе изменение внутренней энергии (ΔU) происходит только за счет совершение работы (А): , (при Q=0)
    СИ: Дж
  • Работа теплового двигателя
    Работа (А’), совершаемая тепловым двигателем, равна разности количества теплоты (Q1), полученного от нагревателя, и количества теплоты (Q2), отданного холодильнику

    СИ: Дж
  • КПД теплового двигателя
    Коэффициентом (η) полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы (А’), совершаемой двигателем, к количеству теплоты (Q1), полученному от нагревателя.
    ;

    СИ: Дж
  • КПД идеальной Тепловой машины
    Реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру (T1), и холодильником с температурой (Т2), не может иметь КПД, превышающий КПД (7 тах) идеальной тепловой машины.
    Электростатика
  • Закон сохранения заряда
    В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов (q1, q2,…, qn,) всех частиц остается неизменной.

    СИ: Кл
  • Закон Кулона
    Сила взаимодействия (F) двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда (q1 и q2) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
    ,
    где k=9×109 (Н×м2)/Кл2 — коэффициент пропорциональности.
    СИ: Н
  • Заряд электрона
    Заряд электрона (е) — минимальный, механически неделимый, отрицательный заряд, существующий в природе.
    e=1,6×10-19
    СИ: Кл
  • Напряженность электрического поля
    Напряженность электрическою поля () равна отношению силы (), с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду (q).

    СИ: Н/Кл; В/м
  • Напряженность поля точечного заряда (в вакууме)
    Модуль напряженности (Е) поля точечного заряда (q0) на расстоянии (r) от него равен: ,
    где k=9×109 (Н×м2)/Кл2 — коэффициент пропорциональности.
    СИ: Н/Кл
  • Принцип суперпозиции полей
    Если в данной точке пространства заряженные частицы создают электрические поля, напряженности которых ( ), то результирующая напряженность поля в этой точке равна геометрической (векторной) сумме напряженностей.

    СИ: Н/Кл
  • Диэлектрическая проницаемость
    Диэлектрическая проницаемость (ε) — это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль напряженности (Е) электрического поля внутри однородного диэлектрика меньше модуля напряженности (Е0) поля в вакууме.
  • Работа при перемещении заряда в однородном электростатическом поле
    Работа (А) при перемещении заряда (q) в однородном электростатическом поле напряженностью (Е) не зависит от формы траектории движения заряда, а определяется величиной перемещения (Δd=d2-d1) заряда вдоль силовых линий поля.

    СИ: Дж
  • Потенциальная энергия заряда
    Потенциальная энергия (Wp) заряда в однородном электростатическом поле равна произведению величины заряда (q) на напряженность (Е) поля и расстояние (d) от заряда до источника поля.

    СИ: Дж
  • Потенциал электростатического поля
    Потенциал (φ) данной точки электростатического поля численно равен:
    1) потенциальной энергии (Wp) единичного заряда (q) в данной точке: ;
    2) произведению напряженности (Е) поля на расстояние (d) от заряда до источника поля:
    СИ: В
  • Напряжение (разность потенциалов)
    Напряжение (U) или разность потенциалов (φ12) между двумя точками равна отношению работы поля (А) при перемещении заряда из начальной точки в конечную к этому заряду (q).

    СИ: В
  • Связь между напряженностью и напряжением
    Чем меньше меняется потенциал () на расстоянии (Δd), тем меньше напряженность (Е) электростатического поля.

    СИ: В/м
  • Электроёмкость
    Электроёмкость (C) двух проводников — это отношение заряда (q) одного из проводников к разности потенциалов (U) между этим проводников и соседним.

    СИ: Ф
  • Электроёмкость конденсатора
    Электроёмкость плоского конденсатора (C) прямо пропорциональна площади пластин (S), диэлектрической проницаемости (ε) размещенного между ними диэлектрика, и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами (d).
    ,
    ε0=8,85×10-12 Кл2/(Н×м2) – электрическая постоянная
    СИ: Ф
  • Энергия заряженного конденсатора
    Энергия (W) заряженного конденсатора равна:
    1) половине произведения заряда (q) конденсатора на разность потенциалов (U) между его обкладками: ;
    2) отношению квадрата заряда (q) конденсатора к удвоенной его ёмкости (С): ;
    3) половине произведения ёмкости конденсатора (C) на квадрат разности потенциалов (U) между его обкладками: .
    СИ: Дж
  • Электроёмкость шара
    Электроёмкость шара радиусом R, помещенного в диэлектрическую среду с проницаемостью ε, равна:
    СИ: Ф
  • Параллельное соединение конденсаторов
    Общая ёмкость (Cобщ) конденсаторов, параллельно соединенных на участке электрической цепи, равна сумме ёмкостей (C1, C2, C3,…) отдельных конденсаторов.
    Cобщ=C1+C2+C3+…+ Cn
    СИ: Ф
  • Последовательное соединение конденсаторов
    Величина, обратная общей ёмкости (Cобщ) конденсаторов, последовательно соединенных на участке электрической цепи, равна сумме величин, обратных ёмкостям (C1, C2, C3,…) отдельных конденсаторов.
    1/Cобщ= 1/C1+1/C2+1/C3+…+ 1/Cn
    СИ: Ф
    Законы постоянного тока
  • Сила тока
    Сила тока (I) равна:
    1) отношению заряда (Δq), переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени (Δt), к этому интервалу времени;
    2) произведению концентрации (n) заряженных частиц в проводнике, заряду каждой частицы (q0), скорости (v) движения заряженных частиц в проводнике и площади поперечного сечения (S) проводника.
    ,

    СИ: A
  • Закон Ома для участка цепи
    Сила тока (I) прямо пропорциональна приложенному напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (R)

    СИ: A
  • Сопротивление проводника
    Сопротивление (R) проводника зависит от материала проводника (удельного сопротивления ρ) и его геометрических размеров (длины l и площади поперечного сечения S).

    СИ: Ом
  • Удельное сопротивление проводника
    Удельное сопротивление (ρ) проводника — величина, численно равная сопротивлению проводника длиной (l) один метр и площадью поперечного сечения (S) один квадратный метр.

    СИ: Ом×м
  • Работа постоянного тока
    Работа (А) постоянного тока на участке цепи:
    1) равна произведению силы тока (I), напряжения (U) и времени (t), в течение которого совершалась работа: ;
    2) равна произведению квадрата силы тока (I), сопротивления участка цепи (R) и времени (t): ;
    3) пропорциональна квадрату напряжения (U), времени (t) и обратно пропорционально сопротивлению (R) участка цепи: .
    СИ: Дж
  • Мощность тока
    Мощность (Р) постоянного тока на участке цепи равна:
    1) работе (А) тока, выполняемой за единицу времени (t): ;
    2) произведению напряжения (U) и силы тока (I): ;
    3) произведению квадрата силы тока (I) и сопротивления (R): ;
    4) отношению квадрата напряжения (U) к сопротивлению (R):
    СИ: Вт
  • Электродвижущая сила (ЭДС)
    Электродвижущая сила в замкнутом контуре (ξ) представляет собой отношение работы сторонних сил (Аст) при перемещении заряда внутри источника тока к заряду (q).
    ξ=Аст/q
    СИ: В
  • Закон Ома для полной цепи
    Сила тока (I) в полной цепи равна отношению ЭДС(ξ) цепи к её полному сопротивлению (внутреннему сопротивлению r и внешнему R).

    СИ: A
  • Последовательное соединение источников тока
    Если цепь содержит несколько последовательно соединенных элементов с ЭДС (ξ1, ξ2, ξ3,…), то полная ЭДС цепи (ξ) равна алгебраической сумме ЭДС отдельных элементов.
    ξ=ξ123+…
    СИ: В
  • Параллельное соединение источников тока
    Если цепь содержит несколько параллельно соединенных элементов с равными ЭДС (ξ123=…), то полная ЭДС цепи (ξ) равна ЭДС каждого элемента.
    ξ=ξ123=…
    СИ: В


Лучшие индивидуалки москвы

урок физики в 10 классе по теме «Температура. Абсолютная шкала темеператур» | Методическая разработка по физике (10 класс) на тему:

Приложение №1.

Технологическая карта к модульному уроку физики в

10 классе по теме:

“ Температура. Основное уравнение МКТ.».

(Урок усвоения новых знаний.)

Цели урока:

образовательная – формирование понятия температуры, теплового равновесия, абсолютный ноль температур, добиться понимания учащимися физического смысла постоянной Больцмана, закона Авогадро, обобщить знания учащихся по теме за 8 и 10 класс;
развивающая — развитие логического мышления, памяти, умения анализировать тепловые явления , выделять причинно-следственные связи между температурой и кинетической энергией;
воспитательная — воспитание познавательных интересов, самостоятельности, самооценки, раскрыть целесообразность межпредметной связи с математикой и химией.

Тип учебного занятия:
урок изучения нового материала.

Применяемые технологии:
блочно-модульная технология, технология развития критического мышления, информационно-коммуникативная.

Методы обучения:

по источнику приобретения знаний: словесные, наглядные, практические,
по дидактическим целям: метод приобретения новых знаний
по уровню познавательной деятельности: исследовательский,
на бинарной основе: информационно-поисковые,
по уровню высокой активности учащихся: «записки на полях…», проблемные задания.

Оборудование:

1. молоток, наковальня проволока,

2. термометр,

3. презентация «Температура»

4. компьютер, мультимедиа-проектор

Дополнительная литература:

Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Т.2.

Ход урока.

Входной контрольУЭ-0. Средняя кинетическая энергия меняется из-за чего?
Актуализация знаний УЭ – 1. Мини-эксперименты. Формулировка темы урока. Объяснение результатов мини-экспериментов. Заполнить УЭ-1. 
Теоретический блок УЭ – 2. Рассмотрение § 65 учебника. Установление причинно-следственных связей между температурой и энергией.
Генерализация знаний УЭ – 3. Обобщение знаний путём сжатия информации.
Закрепление знаний. УЭ-4 решение задач по аналогии.
Рефлексия УЭ – 5. Заполнения кластера «Температура».
Домашнее задание УЭ -6. Производится подсчёт баллов и по результатам задание дифференцируется.
Подведение итогов в листе контроля УЭ – 7. При использовании модульной технологии удобнее использовать накопительную систему баллов.

содержание

комментарии

УЭ-0

Дидактическая задача: проверить усвоение материала «Основное уравнение МКТ».
методический прием: «Найди свою половину…»Дидактическое оснащение (слайд презентации, опытная установка, учебник)

.«Найди свою половинку…»

Ответить на вопросы, за правильный ответ – 0,5 балла (до 3 баллов)

  1. Идеальный газ – это
  1.  = υ 2  
  1. Давление газа – это
  1. p=
  1. Формула среднего квадрата скорости
  1. =
  1. взаимодействие между частицами которого пренебрежимо мало.
  1. Формула средней кинетической энергии молекулы
  1. столкновение молекул газа со стенками сосуда.
  1. Формула давления идеального газа
  1. произведению концентрации молекул и средней кинетической энергии поступательного движения молекул
  1. Давление идеального газа пропорционально

.

УЭ-1

Дидактическая задача: актуализация опорных знаний , необходимых для усвоения  данного модуля, введение макроскопических параметров:
методические приёмы: 1. исследовательский: анализ  результатов  мини-исследования и формулирование темы и задач урока. 2. «заметки на полях…»

Выписать макроскопические параметры. Чем отличаются теплые и горячие тела? Для чего требуется время при  измерения температуры тела ? Температура – это…. Тепловое равновесие — …

Читать  §64 , ответить на вопросы УЭ — 1

УЭ-2

Дидактическая задача: обеспечить понимание содержания учебного материала, развить культуру мышления
Методические приёмы: 1. работа с учебником 2. информационно-исполнительные:  контрольный тест. 3. информация слайда

1)Какие величины характеризуют состояния макроскопических тел?

А. p,V,T;            Б. p,T,m;                 В. p,V,E.

2)Каковы признаки теплового равновесия?

А. в системе не меняются объём и давление;

Б. в системе не происходит теплообмен,  отсутствуют взаимные превращения газов, жидкостей, твёрдых тел;

В.  в системе не меняются объём и давление;  не происходит теплообмен, отсутствуют взаимные превращения газов, жидкостей, твёрдых тел.

3)Как зависит интенсивность теплообмена между телами от разности температур?

А. не зависит

Б.тело с большей температурой отдаёт энергию телу с меньшей температурой

 В. тело с меньшей температурой отдаёт энергию телу с большей температурой

Выполняйте самостоятельно. Проверьте правильность выполнения

задания с помощью

кода ответов на слайде(за правильный ответ-1

балл)

УЭ-3

Дидактическая задача:  

Обобщение теоретических знаний  путём сжатия информации.

Методические приёмы: 1. «заметки на полях…» 2. Приобретения новых знаний 3.метод контроля эффективности учебно-познавательной деятельности

1)Внимательно прослушай рассказ учителя.

2)Найди в § 65 и 66 ответы на вопросы:

1. На каком основании можно предполагать существование связей между температурой и кинетической энергией?

2. Как связаны V,p,N в различных газах  при тепловом равновесии?

3. Что называется постоянной Больцмана? Какой буквой она обозначается? В каких единицах измеряется?

4. Каков физический смысл постоянной Больцмана?

5.Что называется абсолютной шкалой температур и абсолютным нулём температур?

6. Какова формула средней кинетической энергии молекул? Что является мерой средней кинетической энергии молекул?

7. Как формулируется закон Авогадро? Какова его математическая формула?

Вывод:

Ответь на вопросы,

запиши обозначения

величин и их единицы в тетрадь, запиши

полученные баллы в

карту самоконтроля.

(всего-7 баллов)

УЭ-4

Дидактическая задача: обеспечить применение знаний на практике в стандартной ситуации.
Методические приёмы:
1.объяснительно –иллюстративный 2.репродуктивный 3.метод контроля эффективности учебно-познавательной деятельности

Запиши решение в

тетрадь.

Проверь правильность выполнения

задачи по образцу.

(2 балла за правильный ответ)

Дано:

Т=290 К,

р=0,8МПа

СИ:

8·105 Па

Решение:

Е=

3

kT=

3

·1,38·10-23Дж/К·290К≈6·10-21 Дж

2

2

Найти:

Е,n

р=nkT; n=

p

=

8·105Па

≈2·1026м-3

kT

1,38·10-23Дж/К·290К

Ответ: Е=6·10-21 Дж, n=2·1026м-3

2)Реши задачу самостоятельно:

Найти температуру газа при давлении 100кПа и концентрации молекул 1025м-3

Вывод:

УЭ-5

Дидактическая задача:
1. выполняет функцию обратной связи.
Методический приём: составление кластера «Температура»

Проверьте ответы по коду на слайде. За правильный ответ 1 балл.

УЭ-6

Дидактическая задача: обеспечить повторение и закрепление знаний полученных в ходе урока.
Методический приём: дифференцировать домашнее задание по результатам работы на уроке,  с учетом накопительной системы
оценивания.

Д/З. § 64, 65, 66 читать ответить на вопросы в конце параграфа упр. 12 задачи 1-4

Запишите в дневниках.

УЭ-7

Дидактическая задача:
выяснить уровень усвоения учебного материала по рассматриваемой теме через
Методический приём:
самооценка по листу учёта контроля

Подведение итога. Самооценка.

Найди сумму полученных баллов за урок, поставь оценку в лист самоконтроля и сдай учителю.

«5»- 24-25

«4»-21-24

«3»-17-21

«2»- менее 17

Лист учѐта контроля.

Лист учѐта контроля учитель раздаѐт каждому ученику перед началом урока (или в конце изучения целого блока). По этому листу ученик сам выставляет себе оценку по количеству набранных им баллов.

Учебный элемент (этапы работы)

Количество баллов по номерам заданий.

Итого (кол-во баллов)

УЭ- 0. проверка домашнего задания

УЭ-2.Изучение нового материала

УЭ-3. Обобщение изученного теоретического материала

УЭ-4. Формирование навыков решения задач.

УЭ-5 Закрепление. Контроль.

Итого:

Оценка:

Каждый ученик получает памятку, которая помогает ему при работе с модулем.

Памятка для учащегося.

Помни, что работу с учебными элементами (УЭ) необходимо начинать с осознанного восприятия цели, иметь еѐ в виду во время работы над (УЭ) и возвращаться к ней в конце каждого (УЭ).

У тебя есть право получить консультацию в учебнике, а также учителя. Используй это рано!

Помни о критериях выставления оценки за работу по предмету, используй их в самопроверке и взаимопроверке!

Работа в парах требует взаимоуважения, внимания друг к другу, умения выслушивать каждого. Не забывай об этом! Фраза ―работа в парах‖ означает, что при выполнении этой работы тебе придѐтся, если не трудно, помочь своему товарищу, сидящему рядом, или обратиться к нему за помощью. Не спеши задавать вопросы учителю: внимательно прочитай пояснения к заданию.

Не торопись, думай…

Что называется абсолютным нулем. Абсолютный нуль. Температура измеряется по разным шкалам

Предельную температуру, при которой объем идеального газа становится равным нулю, принимают за абсолютный нуль температуры. Однако объем реальных газов при абсолютном нуле температуры обращаться в нуль не может. Имеет ли смысл тогда это предельное значение температуры?

Предельная температура, существование которой вытекает из закона Гей-Люссака, имеет смысл, так как практически можно приблизить свойства реального газа к свойствам идеального. Для этого надо брать все более разреженный газ, так чтобы его плотность стремилась к нулю. У такого газа действительно объем с понижением температуры будет стремиться к предельному, близкому к нулю.

Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Приравнивая объем V в формуле (3.6.4) нулю и учитывая, что

Отсюда абсолютный нуль температуры равен

* Более точное значение абсолютного нуля: -273,15 °С.

Это предельная, самая низкая температура в природе, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказал Ломоносов.

Шкала Кельвина

Кельвин Уильям (Томсон У.) (1824- 1907) — выдающийся английский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории газов.

Кельвин ввел абсолютную шкалу температур и дал одну из формулировок второго начала термодинамики в форме невозможности полного превращения теплоты в работу. Он произвел расчет размеров молекул на основе измерения поверхностной энергии жидкости. В связи с прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля Кельвин разработал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу для периода свободных колебаний в контуре. За научные заслуги У. Томсон получил титул лорда Кельвина.

Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой

(3.7.6)

На рисунке 3.11 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия.

Единица абсолютной температуры в СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.

Таким образом, абсолютная температура по определению, даваемому формулой (3.7.6), является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения а. Однако она имеет фундаментальное значение.

С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул. При Т = О К тепловое движение молекул прекращается. Подробнее об этом пойдет речь в главе 4.

Зависимость объема от абсолютной температуры

Применяя шкалу Кельвина, закон Гей-Люссака (3.6.4) можно записать в более простой форме. Так как

(3.7.7)

Объем газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре.

Отсюда следует, что отношение объемов газа одной и той же массы в различных состояниях при одном и том же давлении равно отношению абсолютных температур:

(3.7.8)

Существует минимально возможная температура, при которой объем (и давление) идеального газа обращаются в нуль. Это абсолютный нуль температуры: -273 °С. Удобно отсчитывать температуру от абсолютного нуля. Так строится абсолютная шкала температур.

Термин «температура» появился во времена, когда ученые-физики думали, что теплые тела состоят из большего количества специфической субстанции — теплорода, — чем такие же тела, но холодные. А температура трактовалась как величина, соответствующая количеству теплорода в теле. С тех пор температуру любых тел измеряют в градусах. Но на самом деле это мера кинетической энергии движущихся молекул, и, исходя из этого, ее следует измерять в Джоулях, в соответствии с Системой единиц Си.

Понятие «абсолютный ноль температуры» исходит из второго начала термодинамики. По нему процесс перехода тепла от холодного тела к горячему невозможен. Это понятие введено английским физиком У. Томсоном. Ему за достижения в физике было даровано дворянское звание «лорд» и титул «барон Кельвин». В 1848 г. У.Томсон (Кельвин) предложил использовать температурную шкалу, в которой за начальную точку принял абсолютный ноль температуры, соответствующий предельному холоду, а ценой деления взял градус Цельсия. Единицей Кельвина является 1/27316 доля температуры тройной точки воды (около 0 град. С), т.е. температуры, при которой чистая вода сразу находится в трех видах: лед, жидкая вода и пар. температуры — это минимально возможная низкая температура, при которой движение молекул останавливается, и из вещества уже невозможно извлечь тепловую энергию. С тех пор шкала абсолютных температур стала называться его именем.

Температура измеряется по разным шкалам

Наиболее употребляемая шкала температуры носит название «шкала Цельсия». Она построена на двух точках: на температуре фазового перехода воды из жидкости в пар и воды в лед. А. Цельсий в 1742 г. предложил расстояние между опорными точками разделить на 100 промежутков, а воды принять за ноль, при этом точку замерзания за 100 градусов. Но швед К. Линней предложил сделать наоборот. С тех пор вода замерзает при ноле градусов А. Цельсия. Хотя точно по Цельсию она должна кипеть. Абсолютный ноль по Цельсию соответствует минус 273,16 градусов Цельсия.

Есть еще несколько температурных шкал: Фаренгейта, Реомюра, Ранкина, Ньютона, Рёмера. Они имеют разные и цену деления. Например шкала Реомюра тоже построена на реперах кипения и замерзания воды, но она имеет 80 делений. Шкала Фаренгейта, появившаяся в 1724 г., используется в быту только в некоторых странах мира, в т. ч. США; одна — температура смеси водяной лед — нашатырь и другая — человеческого тела. Шкала делится на сто делений. Ноль Цельсия соответствует 32 Перевод градусов в фаренгейты можно сделать по формуле: F = 1,8 C + 32. Обратный перевод: С = (F — 32)/1,8, где: F — градусы Фаренгейта, С — градусы Цельсия. Если вам лень считать, сходите в онлайн-сервис по переводу Цельсия в Фаренгейты. В рамочке наберите число градусов Цельсия, нажмите «Рассчитать», выберите «Фаренгейт» и нажмите «Пуск». Результат появится сразу.

Названа в честь английского (точнее шотландского) физика Уильяма Дж. Ранкина, бывшего современником Кельвина и одним из создателей технической термодинамики. В его шкале важных точек три: начало — абсолютный ноль, точки замерзания воды 491,67 градус Ранкина и закипания воды 671,67 град. Число делений между замерзанием воды и ее закипанием и у Ранкина, и у Фаренгейта равно 180.

Большинством этих шкал пользуются исключительно физики. А 40% опрошенных в наши дни американских школьников выпускных классов сказали, что они не знают, что такое абсолютный ноль температуры.

Любое физическое тело, включая все объекты во Вселенной, имеет минимальный показатель температуры или ее предел. За точку отсчета любой температурной шкалы и принято считать значение абсолютного нуля температур. Но это только в теории. Хаотичное движение атомов и молекул, которые отдают в это время свою энергию, остановить пока на практике не удалось.

Это и есть основная причина, почему нельзя достичь абсолютного нуля температур. До сих пор ведутся споры и о последствиях этого процесса. С точки зрения термодинамики этот предел недостижим, так как тепловое движение атомов и молекул прекращается полностью, образуется кристаллическая решетка.

Представители квантовой физики предусматривают наличие при абсолютном нуле температур минимальных нулевых колебаний.

Какое значение абсолютного нуля температур и почему его нельзя достичь


На генеральной конференции по мерам и весам была установлена впервые реперная или точка отсчета для измерительных приборов, определяющих показатели температуры.

В настоящее время в Международной системе единиц реперная точка для шкалы Цельсия составляет 0°C при замерзании и 100°C в процессе кипения, значение абсолютного нуля температур приравнивается к −273,15°C.

Используя температурные значения по шкале Кельвина по той же Международный системе измерения единиц, кипение воды будет происходить при реперном значении 99,975°C, абсолютный нуль приравнивается к 0. По Фаренгейту на шкале соответствует показателю -459,67 градусов.

Но, если эти данные получены, почему тогда нельзя на практике достичь абсолютного нуля температур. Для сравнения можно взять известную всем скорость света, которая равна постоянному физическому значению 1 079 252 848,8 км/ч.

Однако эту величину достичь не удается на практике. Она зависит и от длины волны передачи, и от условий, и от необходимого поглощения большого количества энергии частицами. Чтобы получить значение абсолютного нуля температур, необходима большая отдача энергии и отсутствие ее источников для предотвращения попадания ее в атомы и молекулы.

Но даже в условиях полного вакуума ни скорости света, ни абсолютного нуля температур ученым получить так и не удалось.

Почему можно достичь приблизительного нуля температур, но нельзя абсолютного


Что же будет происходить, когда наука сможет вплотную приблизиться к достижению предельно низкого показателя температуры абсолютного нуля, пока остается только в теории термодинамики и квантовой физики. В чем причина, почему нельзя достичь абсолютного нуля температур на практике.

Все известные попытки охладить вещество до самой низкой предельной границы за счет максимальной потери энергии приводили к тому, что значение теплоемкости вещества так же достигало минимального значения. Отдавать оставшуюся часть энергии молекулы уже были просто не в состоянии. В результате процесс охлаждения прекращался, так и не достигнув абсолютного нуля.

При изучении поведения металлов в условиях, приближенных к значению абсолютного нуля температур, ученые установили, что максимальное понижение температуры должно спровоцировать потерю сопротивления.

Но прекращение движения атомов и молекул привело только к образованию кристаллической решетки, через которую проходящие электроны передавали часть своей энергии неподвижным атомам. Достичь абсолютного нуля опять не удалось.

В 2003 году до температуры абсолютного нуля не хватило всего лишь половины миллиардной доли 1°C. Исследователи «NASA» использовали для проведения опытов молекулу Na, которая все время находилась в магнитном поле и отдавала свою энергию.

Ближе всех стало достижение ученых Йельского университета, которое в 2014 году добилась показателя в 0,0025 Кельвинов. Полученное соединение монофторид стронция (SrF) существовало всего лишь 2,5 секунды. И в итоге все равно распалось на атомы.

Температура является количественной мерой «нагретости» тела. Понятие температуры занимает особое место в ряду физических величин, определяющих состояние системы. Температура не только характеризует состояние теплового равновесия данного тела. Она является также тем параметром, который принимает одинаковое значение для любых двух или большего числа тел, находящихся в тепловом равновесии друг с другом, т.е. характеризует тепловое равновесие системы тел. Это значит, что если два или несколько тел, имеющих разные температуры, привести в контакт, то в результате взаимодействия между молекулами эти тела примут одинаковое значение температуры.

Молекулярно-кинетическая теория позволяет выяснить физический смысл температуры. Сравнивая выражения (2.4) и (2.7), видим, что они совпадают, если положить

(2.9)

Эти соотношения называют вторыми основными уравнениями молекулярно-кинетической теории газов. Они показывают, что абсолютная температура есть величина, определяющая среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул; она является мерой энергии поступательного движения молекул, а тем самым и интенсивности теплового движения молекул. В этом состоит молекулярно-кинетический смысл абсолютной температуры. Как видим, процесс нагревания тела непосредственно связан с увеличением средней кинетической энергии частиц тела. Из (2.9) видно, что абсолютная температура – величина положительная: Значение называется абсолютным нулем температуры. Согласно (2.8) при абсолютном нуле должно полностью прекращаться поступательное движение частиц (). Следует, однако, отметить, что при низких температурах газ переходит в конденсированное состояние. Следовательно, теряют смысл и все выводы, сделанные на основе кинетической теории газов. И при абсолютном нуле температуры движение не исчезает. Движение электронов в атомах, движение свободных электронов в металлах полностью сохраняются и при температуре абсолютного нуля. Кроме того, даже при абсолютном нуле сохраняется некоторое колебательное движение атомов внутри молекул и атомов в узлах кристаллической решетки. Существование этих колебаний связано с наличием нулевой энергии у квантового гармонического осциллятора (), в качестве которого можно рассматривать указанные выше колебания атомов. Эта энергия не зависит от температуры, а значит, не обращается в нуль и при . При низких температурах классические представления о движении перестают выполняться. В этой области действуют квантовые законы, в соответствии с которыми движение частиц не прекращается, даже если понизить температуру тела до абсолютного нуля. Но скорость этого движения уже не зависит от температуры и это движение не является тепловым. Это подтверждается и принципом неопределенности. Если бы частицы тела покоились, то их положения (координаты x , y , z) и импульсы (проекции импульса p x , p y , p z ) были бы точно определены и т.д., а это противоречит соотношениям неопределенностей и т.д. Абсолютный нуль не достижим. Ниже будет показано, что абсолютный нуль температуры означает такое состояние системы, при котором система находится в состоянии с наименьшей энергией, и поэтому дальнейшее уменьшение интенсивности движения ее частиц за счет отдачи его энергии окружающим телам не возможно.

Формулу (2.7) можно записать в виде.

Эта формула может служить определением понятия абсолютной температуры для одноатомного газа. Температуру любой другой системы можно определить как величину, равную температуре одноатомного газа, находящегося в тепловом равновесии с этой системой. Определение температуры с помощью этой формулы верно вплоть до температур, при которых уже нельзя пренебречь вероятностью возникновения электронно-возбужденных состояний атомов газа.

Соотношение (2.8) позволяет ввести так называемую среднюю квадратичную скорость молекулы , определив ее как

Тогда получим

Понятие абсолютной температуры можно более строго ввести в статистической физике, где ее можно рассматривать как модуль статистического распределения частиц по энергиям. Отметим также, что поскольку температура, так же как и давление, как видно из формул (2.7) и (2.8), определяется средней кинетической энергией молекулы идеального газа, то тони представляют собой статистические величины и, следовательно, бессмысленно говорить о температуре или давлении одной или небольшого числа молекул.

Наука

До недавних пор, самой холодной температурой, которую могло иметь физическое тело, считалась температура «абсолютного нуля» по шкале Кельвина. Это соответствует −273,15 градусам по Цельсию или −460 градусам по Фаренгейту.

Теперь же физики из Германии смогли достичь температуры ниже абсолютного нуля. Такое открытие поможет ученым понять такие явления, как темная энергия и создать новые формы вещества.

Абсолютный ноль температуры

В середине 19-го века, британский физик лорд Кельвин создал шкалу абсолютной температуры и определил, что ничто не может быть холоднее, чем абсолютный ноль . Когда частицы находятся при температуре абсолютного нуля, они перестают движение и у них отсутствует энергия.

Температура объекта — это мера того, насколько атомы движутся. Чем холоднее объект, тем медленнее движутся атомы. При температуре абсолютного нуля или -273,15 градусах по Цельсию, атомы перестают двигаться.

В 1950-х годах, физики начали утверждать, что частицы не всегда теряют энергию при абсолютном нуле.

Ученые из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене и Институте квантовой оптики Макса Планка в Гархинге создали газ, который стал холоднее абсолютного нуля на несколько нанокельвинов .

Они охладили около 100 000 атомов до положительной температуры нескольких нанокельвинов (нанокельвин – одна миллиардная часть кельвина) и использовали сеть лазерных лучей и магнитных полей, чтобы контролировать поведение атомов, и подтолкнуть их к новому пределу температуры.-42 секунд после Большого взрыва, когда родилась Вселенная.

Самая низкая температура на Земле

Самая низкая температура на Земле была зафиксирована 21 июля 1983 году на станции Восток в Антарктиде, и она составила -89,2 градуса по Цельсию .

Станция Восток – самое холодное постоянное населенное место на Земле. Она была основана Россией в 1957 году и расположена на высоте 3488 метров над уровнем моря.

Самая высокая температура на Земле

Самая высокая температура на Земле была зарегистрирована 10 июля 1913 года в Долине Смерти в Калифорнии и она составила 56,7 градусов по Цельсию .

Предыдущий рекорд самой высокой температуры мире в городе Эль-Азизия в Ливии, составивший 57,7 градусов по Цельсию, был опровергнут Всемирной метеорологической организацией из-за ненадежности данных.

Формулы по физике 10 класс

Старшие классы школы в рамках курса обучения переходят к познанию по-настоящему глубинных законов, связанных с пониманием энергии молекул и атомов. Формулы по физике 10 класса уже касаются не только общих характеристик среды, например, газа. Они описывают энергию вещества по составляющей энергии его молекул. Появляются основы молекулярно-кинетической теории, неравномерного движения, ускорения и сохранения импульса. Рассмотрим некоторые базовые формулы.

Тепловые свойства и энергия молекул

В рамках формул по физике 10 класса изучаются базовые характеристики газов, которыми они обладают при определенной температуре. Начинает широко использоваться шкала Кельвина и понятие абсолютной температуры.

Шкала Кельвина — основа для описания всех физических процессов. Любое значение температуры в разных шкалах оценки может быть приведено к абсолютному показателю шкалы Кельвина. Например, градусы Цельсия переводятся в Кельвины следующим образом:

T = t+273

Здесь

Т — абсолютная температура по шкале Кельвина, в системе СИ, К;

t — температура в градусах Цельсия.

Постоянная Больцмана

Формулы по физике за 10 класс широко используют понятия абсолютных энергий. Для понимания значения этого термина, следует попытаться представить, что такое физическая температура. Сложно подобрать однозначное определение этого слова и явления, даже не прибавляя к нему второе — «физическая».

Ученый физик Больцман впервые ввел понятие температуры как количества энергии, которым обладает любое тело. Эта энергия может передаваться от более нагретого объекта холодному, расходоваться с помощью излучения и других процессов. Понятие температурной энергии тесно связано со шкалой абсолютной температуры Кельвина — при 0К объект не обладает никакой энергией.

Постоянная Больцмана характеризует количество энергии, которое имеет объект, состоящий из материала однородных характеристик. Она измеряется в джоулях на градус Кельвина и отвечает за энергетическое выражение характеристики «температура». Значение табличное и может быть выбрано для нужного материала или газа из справочников.

Энергия молекул

К постоянной Больцмана в формулах по физике 10 класса привязано несколько ключевых понятий. Одно из них — средняя кинетическая энергия молекул газа. В формульном выражении она записывается следующим образом:

E=3/2 * k * T

Здесь

E — средний показатель кинетической энергии;

k — постоянная Больцмана, выбранная из справочников для конкретного газа;

Т — абсолютная температура согласно шкале Кельвина.

Использованные величины в стандартах СИ

  • Кинетическая энергия — джоули, Дж.
  • Постоянная Больцмана k — джоулей на градус Кельвина, дж/К.
  • Абсолютная температура Т — градусов Кельвина, К.

В словесном описании формула средней кинетической энергии может быть выражена следующим образом: это основная характеристика поступательного движения молекул. Хотя в газе они двигаются хаотично в полном беспорядке, по средней оценке энергии можно делать выводы о действии, которое будет оказывать газ в целом.

Использование постоянной Больцмана для пояснения взаимосвязи показателей газа

Процессы, которые раньше пояснялись упрощенно и «на пальцах», с помощью формул по физике 10 класса могут быть описаны более четко и однозначно. Постоянная Больцмана связывает между собой такие характеристики газа, как давление, температуру и концентрацию молекул.

Правило гласит, что все газы будут иметь одинаковое число молекул в единице объема, если соблюдается условие равенства давления при одинаковой абсолютной температуре в ходе проведения эксперимента. На основании такого допущения появляется формульное выражение давления:

P = n * k * T

Здесь

Р — давление газа, выраженное в Паскалях;

k — постоянная Больцмана для конкретного газа;

n — концентрация молекул.

Из такого формульного выражения легко найти любой из параметров, когда известны остальные.

Законы взаимодействия газов

В дополнение газовых изохорных процессов, рассмотренных, например, в статье «формулы для 9 класса», вводятся еще несколько понятий. Формулы по физике 10 класса позволяют объединить все три изохорных процесса и описать комплексное поведение идеального газа при изменениях состояния. Это делается с помощью уравнения Клапейрона, которое в формульном выражении выглядит так:

P1 * V1/T1 = P2 * V2/T2 = const

Здесь

Р1, Р2 — начальное и конечное давление в ходе эксперимента;

Т1, Т2 — соответствующие температуры;

V1, V2 — занимаемые объемы.

Используемые величины в стандартах СИ

  • Давление Р — Паскали, Па.
  • Абсолютные температуры Т — градусов Кельвина, К.
  • Объемы V — кубические метры, м3.

Уравнение Клайперона соединяет воедино все три изохорных газовых закона и позволяет легко определять новое состояние газовой среды, если известно начальное. Таким образом, нужный параметр нового состояния может быть найден, даже его значение невозможно определить по изохорным законам.

Закон Дальтона

Вводится еще одно понятие, касающееся смеси газов. Оно относится к разреженным состояниям газовых сред, поскольку не учитывает ни изменение температуры, ни объема. Давление конечной смеси при ничтожно малом изменении температуры и огромном занимаемом объеме может быть записано следующим образом:

P = P1+P2+…Pn

Здесь

  • Р — парциальное давление полученной смеси;
  • Р1, Р2, …, Pn — давление каждого из газов — компонентов.

Физика пара

В формулах по физике 10 класса начинается использование понятия «насыщенный пар». Это не то понятие пара из элементарной теплотехники, которое связано с процессом парообразования и количествами теплоты. Насыщенный пар представляет собой взвешенные молекулы воды, которым присущи характеристики и поведение газовой смеси.

Базовая характеристика — давление насыщенного пара — описывается с помощью постоянной Больцмана и формулы давления молекул газа на основе абсолютной температуры, которая была описана выше.

Температура | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определить температуру.
  • Преобразование температуры между шкалами Цельсия, Фаренгейта и Кельвина.
  • Определение теплового равновесия.
  • Сформулируйте нулевой закон термодинамики.

Понятие температуры развилось из общепринятых понятий горячего и холодного. Человеческое восприятие того, что ощущается горячим или холодным, является относительным.Например, если вы поместите одну руку в горячую воду, а другую в холодную, а затем обе руки в теплую воду, теплая вода будет казаться прохладной для руки, которая была в горячей воде, и теплой для той, которая была в воде. холодная вода. Научное определение температуры менее двусмысленно, чем ваши ощущения тепла и холода. Температура определяется как то, что мы измеряем с помощью термометра. (Многие физические величины определяются исключительно с точки зрения того, как они измеряются. Позже мы увидим, как температура связана с кинетическими энергиями атомов и молекул, что является более физическим объяснением.) Два точных термометра, один из которых помещен в горячую воду, а другой в холодную, покажут, что горячая вода имеет более высокую температуру. Если их затем поместить в теплую воду, оба дадут идентичные показания (в пределах погрешности измерений). В этом разделе мы обсудим температуру, ее измерение термометрами и ее связь с тепловым равновесием. Опять же, температура – ​​это величина, измеряемая термометром.

Предупреждение о неправильном представлении: человеческое восприятие против реальности

Холодным зимним утром дерево на крыльце кажется теплее, чем металл вашего велосипеда.Дерево и велосипед находятся в тепловом равновесии с наружным воздухом и, следовательно, имеют одинаковую температуру. Они ощущаются по-другому из-за разницы в том, как они отводят тепло от вашей кожи. Металл отводит тепло от вашего тела быстрее, чем дерево (подробнее о проводимости см. в разделе «Проводимость»). Это всего лишь один пример, демонстрирующий, что человеческое чувство тепла и холода определяется не только температурой.

Еще одним фактором, влияющим на наше восприятие температуры, является влажность.Большинству людей жарче в жаркие и влажные дни, чем в жаркие и сухие дни. Это связано с тем, что во влажные дни пот не так эффективно испаряется с кожи, как в сухие дни. Нас охлаждает испарение пота (или воды из разбрызгивателя или бассейна).

Рис. 1. Кривизна биметаллической полосы зависит от температуры. (a) Полоса прямая при начальной температуре, когда две ее части имеют одинаковую длину. (б) При более высокой температуре эта полоса изгибается вправо, потому что металл слева расширился больше, чем металл справа.

Любое физическое свойство, которое зависит от температуры и чья реакция на температуру воспроизводима, может быть использовано в качестве основы термометра. Поскольку многие физические свойства зависят от температуры, разнообразие термометров впечатляет. Например, для большинства веществ объем увеличивается с температурой. Это свойство лежит в основе обычного спиртового термометра, старого ртутного термометра и биметаллической полоски (рис. 1).

Другие свойства, используемые для измерения температуры, включают электрическое сопротивление и цвет, а также испускание инфракрасного излучения.

Одним из примеров электрического сопротивления и цвета является пластиковый термометр. Каждый из шести квадратов на пластиковом (жидкокристаллическом) термометре на рисунке 2 содержит пленку из другого термочувствительного жидкокристаллического материала. При температуре ниже 95ºF все шесть квадратов окрашены в черный цвет. Когда пластиковый термометр подвергается воздействию температуры, повышающейся до 95ºF, первый жидкокристаллический квадрат меняет цвет. Когда температура поднимается выше 96,8ºF, второй квадрат жидкого кристалла также меняет цвет и так далее.

Рис. 2. Пластиковый (жидкокристаллический) термометр. (кредит: Аркришна, Викисклад)

Рис. 3. Пожарный Джейсон Орманд использует пирометр для проверки температуры вентиляционной системы авианосца. (кредит: Ламел Дж. Хинтон/ВМС США)

Пример излучения показан при использовании пирометра (рис. 3). Инфракрасное излучение (излучение которого зависит от температуры) от вентиляционного отверстия на рис. 3 измеряется, и быстро выводятся показания температуры.Инфракрасные измерения также часто используются для измерения температуры тела. Эти современные термометры, помещаемые в слуховой проход, более точны, чем спиртовые термометры, помещаемые под язык или в подмышечную впадину.

Температурные весы

Термометры используются для измерения температуры в соответствии с четко определенными шкалами измерения, которые используют заранее определенные контрольные точки для облегчения сравнения величин. Тремя наиболее распространенными температурными шкалами являются шкалы Фаренгейта, Цельсия и Кельвина.Температурную шкалу можно создать, идентифицируя две легко воспроизводимые температуры. Обычно используются температуры замерзания и кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Шкала по Цельсию (которая заменила слегка отличающуюся шкалу по Цельсию ) имеет точку замерзания воды при 0ºC и точку кипения при 100ºC. Его единицей измерения является градусов Цельсия (ºC). По шкале по Фаренгейту (до сих пор наиболее часто используемой в Соединенных Штатах) точка замерзания воды составляет 32ºF, а точка кипения — 212ºF.Единицей измерения температуры по этой шкале является градусов по Фаренгейту (ºF). Обратите внимание, что разница температур в один градус Цельсия больше, чем разница температур в один градус Фаренгейта. Только 100 градусов Цельсия охватывают тот же диапазон, что и 180 градусов по Фаренгейту, таким образом, один градус по шкале Цельсия в 1,8 раза больше, чем один градус по шкале Фаренгейта 180/100=9/5.

Шкала Кельвина — это температурная шкала, которая обычно используется в науке. Это шкала абсолютной температуры , определенная как 0 K при самой низкой возможной температуре, называемой абсолютным нулем .Официальной единицей измерения температуры по этой шкале является кельвинов , что обозначается аббревиатурой K и не сопровождается знаком градуса. Температура замерзания и кипения воды составляет 273,15 К и 373,15 К соответственно. Таким образом, величина разности температур одинакова в единицах кельвинов и градусов Цельсия. В отличие от других температурных шкал, шкала Кельвина является абсолютной шкалой. Он широко используется в научной работе, потому что ряд физических величин, таких как объем идеального газа, напрямую связаны с абсолютной температурой.Кельвин — это единица СИ, используемая в научной работе.

Рис. 4. Соотношение температурных шкал Фаренгейта, Цельсия и Кельвина, округленное до ближайшего градуса. Также показаны относительные размеры весов.

Соотношения между тремя распространенными температурными шкалами показаны на рисунке 4. Температуры на этих шкалах можно преобразовать с помощью уравнений, приведенных в таблице 1.

Пример 1. Преобразование температурных шкал: Комнатная температура

«Комнатная температура» обычно определяется как 25ºC.

  1. Что такое комнатная температура в ºF?
  2. Что это в К?
Стратегия

Чтобы ответить на эти вопросы, все, что нам нужно сделать, это выбрать правильные уравнения преобразования и подставить известные значения.{\ circ} \ text {F} \\ [/ латекс]

Решение для части 2
  1. Выберите правильное уравнение. Чтобы преобразовать ºC в K, используйте уравнение T K = T ºC  + 273,15
  2. Подставьте известное значение в уравнение и решите: T K = 25ºC + 273,15 = 298 K.

Пример 2. Преобразование между температурными шкалами: шкала Реомюра

Шкала Реомюра — это температурная шкала, которая широко использовалась в Европе в восемнадцатом и девятнадцатом веках.По шкале Реомюра температура замерзания воды равна 0°Р, а температура кипения равна 80°Р. Если «комнатная температура» равна 25ºC по шкале Цельсия, то какова она по шкале Реомюра?

Стратегия

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сравнить шкалу Реомюра со шкалой Цельсия. Разница между точкой замерзания и точкой кипения воды по шкале Реомюра составляет 80ºR. По шкале Цельсия это 100ºC. Следовательно, 100ºC=80ºR. Обе шкалы начинаются с 0 º для замерзания, поэтому мы можем вывести простую формулу для преобразования между температурами по двум шкалам.{\ circ} \ text {R} \\ [/ латекс]

Температурные диапазоны во Вселенной

На рисунке 6 показан широкий диапазон температур во Вселенной. Известно, что люди выживают при температуре тела в небольшом диапазоне от 24ºC до 44ºC (от 75ºF до 111ºF). Средняя нормальная температура тела обычно составляет 37,0ºC (98,6ºF), и колебания этой температуры могут указывать на заболевание: лихорадку, инфекцию, опухоль или проблемы с кровообращением (см. рис. 5).

Рисунок 5.Это изображение излучения тела человека (инфракрасная термограмма) показывает расположение температурных аномалий в верхней части тела. Темно-синий соответствует холодным областям, а красный цвет соответствует теплым областям. Повышенная температура может быть признаком злокачественной ткани (например, раковой опухоли в молочной железе), тогда как пониженная температура может быть связана с уменьшением кровотока из сгустка. В этом случае аномалии вызваны состоянием, называемым гипергидрозом. (кредит: Porcelina81, Wikimedia Commons)

Самые низкие из когда-либо зарегистрированных температур были измерены в ходе лабораторных экспериментов: 4.5 × 10 90 231 −10 90 232 К в Массачусетском технологическом институте (США) и 1,0 × 10 90 231 −10 90 232 К в Хельсинкском технологическом университете (Финляндия). Для сравнения, самым холодным зарегистрированным местом на поверхности Земли является Восток в Антарктиде с температурой 183 К (–89ºC), а самым холодным местом (за пределами лаборатории), известным во Вселенной, является туманность Бумеранг с температурой 1 К.

Рисунок 6. Каждое приращение на этой логарифмической шкале указывает на увеличение в десять раз и, таким образом, иллюстрирует огромный диапазон температур в природе.Обратите внимание, что ноль в логарифмическом масштабе будет находиться внизу страницы в бесконечности.

Установление связей: Абсолютный ноль

Что такое абсолютный ноль? Абсолютный ноль – это температура, при которой прекращается всякое молекулярное движение. Концепция абсолютного нуля возникает из поведения газов. На рисунке 7 показано, как давление газов при постоянном объеме уменьшается с понижением температуры. Различные ученые отмечали, что давление газов экстраполируется до нуля при той же температуре -273.15ºС. Эта экстраполяция подразумевает, что существует самая низкая температура. Эта температура называется абсолютным нулем . Сегодня мы знаем, что большинство газов сначала сжижаются, а затем замерзают, и достичь абсолютного нуля на самом деле невозможно. Числовое значение температуры абсолютного нуля равно –273,15ºC или 0 K.

Тепловое равновесие и нулевой закон термодинамики

Рис. 7. График зависимости давления от температуры для различных газов при постоянном объеме. Обратите внимание, что все графики экстраполированы на нулевое давление при одной и той же температуре.

Термометры на самом деле измеряют свою собственную температуру, а не температуру объекта, который они измеряют. В связи с этим возникает вопрос, как мы можем быть уверены, что термометр измеряет температуру объекта, с которым он находится в контакте. Он основан на том факте, что любые две системы, помещенные в термоконтакт (имеется в виду, что между ними может происходить теплообмен), достигнут одной и той же температуры. То есть тепло будет перетекать от более горячего объекта к более холодному до тех пор, пока они не будут иметь точно одинаковую температуру.Затем объекты находятся в тепловом равновесии , и никаких дальнейших изменений не произойдет. Системы взаимодействуют и изменяются, потому что их температуры различаются, и изменения прекращаются, когда их температуры становятся одинаковыми. Таким образом, если дано достаточно времени для того, чтобы эта передача тепла прошла своим чередом, температура, которую регистрирует термометр , действительно представляет систему, с которой она находится в тепловом равновесии. Тепловое равновесие устанавливается, когда два тела соприкасаются друг с другом и могут свободно обмениваться энергией.

Кроме того, эксперименты показали, что если две системы, А и В, находятся в тепловом равновесии друг с другом, а В находится в тепловом равновесии с третьей системой С, то А также находится в тепловом равновесии с С. Этот вывод может показаться очевидным. , потому что все три имеют одинаковую температуру, но это основа термодинамики. Он называется нулевым законом термодинамики .

Нулевой закон термодинамики

Если две системы, А и В, находятся в тепловом равновесии друг с другом, а В находится в тепловом равновесии с третьей системой, С, то А также находится в тепловом равновесии с С.

Этот закон был постулирован в 1930-х годах, после того как были разработаны и названы первый и второй законы термодинамики. Он называется нулевым законом , потому что он логически предшествует первому и второму законам (обсуждаемым в термодинамике). Пример действия этого закона можно увидеть у младенцев в инкубаторах: на младенцах в инкубаторах обычно очень мало одежды, поэтому для наблюдателя они выглядят так, как будто им недостаточно тепло. Однако температура воздуха, кроватки и ребенка одинакова, потому что они находятся в тепловом равновесии, которое достигается за счет поддержания температуры воздуха для обеспечения комфорта ребенка.

Проверьте свое понимание

Зависит ли температура тела от его размера?

Решение

Нет, систему можно разделить на более мелкие части, каждая из которых имеет одинаковую температуру. Мы говорим, что температура есть интенсивная величина. Интенсивные количества не зависят от размера.

Резюме раздела

  • Температура – ​​это величина, измеряемая термометром.
  • Температура связана со средней кинетической энергией атомов и молекул в системе.{\circ}\text{F}}-32\right)\\[/латекс]
  • T K = T ºC + 273,15
  • T ºC = T K − 273,15
  • Системы находятся в тепловом равновесии, когда они имеют одинаковую температуру.
    Тепловое равновесие возникает, когда два тела соприкасаются друг с другом и могут свободно обмениваться энергией.
    Нулевой закон термодинамики гласит, что когда две системы, А и В, находятся в тепловом равновесии друг с другом, а В находится в тепловом равновесии с третьей системой, С, то А также находится в тепловом равновесии с С.
  • Концептуальные вопросы

    1. Что значит сказать, что две системы находятся в тепловом равновесии?
    2. Приведите пример физического свойства, которое зависит от температуры, и опишите, как оно используется для измерения температуры.
    3. Когда холодный спиртовой термометр помещают в горячую жидкость, столбик спирта немного опускается, прежде чем подняться. Объяснить, почему.
    4. Если вы добавите кипящую воду в чашку комнатной температуры, какой, по вашему мнению, будет конечная равновесная температура устройства? Вам нужно будет включить окружение как часть системы.Рассмотрим нулевой закон термодинамики.

    Задачи и упражнения

    1. Какова температура по Фаренгейту у человека с лихорадкой 39,0ºC ?
    2. Повреждение большинства растений морозом происходит при температуре 28,0ºF или ниже. Чему равна эта температура по шкале Кельвина?
    3. В целях экономии энергии температура в помещении поддерживается на уровне 68,0ºF зимой и 78,0ºF летом. Каковы эти температуры по шкале Цельсия?
    4. Вольфрамовая нить накаливания может работать при температуре 2900 К.Какова его температура по Фаренгейту? Что это по шкале Цельсия?
    5. Температура поверхности Солнца составляет около 5750 К. Какова эта температура по шкале Фаренгейта?
    6. Одна из самых высоких температур, когда-либо зарегистрированных на поверхности Земли, была 134ºF в Долине Смерти, Калифорния. Чему равна эта температура в градусах Цельсия? Чему равна эта температура в Кельвинах?
    7. (a) Предположим, что в вашу местность дует холодный фронт, и температура падает на 40,0 градусов по Фаренгейту. На сколько градусов по Цельсию уменьшится температура при +40.0ºF снижение температуры? (b) Покажите, что любое изменение температуры в градусах Фаренгейта составляет девять пятых изменения в градусах Цельсия.
    8. а) При какой температуре шкалы Фаренгейта и Цельсия имеют одинаковое числовое значение? б) При какой температуре шкалы Фаренгейта и Кельвина имеют одинаковое численное значение?

    Глоссарий

    температура:  величина, измеренная термометром

    Шкала Цельсия:  температурная шкала, в которой точка замерзания воды равна 0ºC, а точка кипения воды равна 100ºC

    градусов Цельсия: единиц шкалы температуры Цельсия

    Шкала Фаренгейта:  температурная шкала, в которой точка замерзания воды составляет 32ºF , а точка кипения воды составляет 212ºF

    градусов по Фаренгейту:  единиц по шкале Фаренгейта

    Шкала Кельвина:  температурная шкала, в которой 0 К – это самая низкая возможная температура, представляющая абсолютный ноль

    .

    абсолютный ноль:  самая низкая возможная температура; температура, при которой прекращается всякое молекулярное движение

    тепловое равновесие:  состояние, при котором тепло больше не течет между двумя соприкасающимися объектами; два объекта имеют одинаковую температуру

    нулевой закон термодинамики: закон, утверждающий, что если два объекта находятся в тепловом равновесии, а третий объект находится в тепловом равновесии с одним из этих объектов, он также находится в тепловом равновесии с другим объектом

    Избранные решения задач и упражнений

    1.{\circ}\text{C}\right)\end{массив}\\[/латекс]

    11.1 Температура и тепловая энергия. Физика

    Раздел Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

    • Объясните, что температура является мерой внутренней кинетической энергии
    • Преобразование температуры между шкалами Цельсия, Кельвина и Фаренгейта

    Поддержка учителей

    Поддержка учителей

    Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие стандарты:

    • (6) Научные концепции.Учащийся знает, что изменения происходят в физической системе, и применяет законы сохранения энергии и импульса. Ожидается, что студент:
      • (Э) описывают, как макроскопические свойства термодинамической системы, такие как температура, удельная теплоемкость и давление, связаны с молекулярным уровнем материи, включая кинетическую или потенциальную энергию атомов.

    Кроме того, руководство по физике для средней школы рассматривает содержание этого раздела в лаборатории под названием «Термодинамика», а также следующие стандарты:

    • (6) Научные концепции.Учащийся знает, что изменения происходят в физической системе, и применяет законы сохранения энергии и импульса. Ожидается, что студент:
      • (Э) описать, как макроскопические свойства термодинамической системы, такие как температура, удельная теплоемкость и давление, связаны с молекулярным уровнем материи, включая кинетическую или потенциальную энергию атомов;
      • (ГРАММ) анализировать и объяснять повседневные примеры, иллюстрирующие законы термодинамики, в том числе закон сохранения энергии и закон энтропии.

    Основные термины раздела

    абсолютный ноль Шкала Цельсия градус Цельсия (°C)(°C) тепловая энергия
    градус по Фаренгейту (°F)(°F) Шкала Фаренгейта тепло
    кельвин (К) Шкала Кельвина температура

    Поддержка учителей

    Поддержка учителей

    [БЛ] [OL][AL] Проверьте предварительное знание таких терминов, как теплота, температура и температурные шкалы.

    [ПР] Спросите учащихся, в чем больше тепла: в ведре теплой воды или в ложке кипятка. Исходя из этого попросите их определить теплоту. Спросите их, у кого из них более высокая температура.

    Предупреждение о заблуждении

    Развейте любые представления о том, что теплоемкость зависит исключительно от температуры.

    Температура

    Что такое температура? Это одно из тех понятий, которые настолько укоренились в нашей повседневной жизни, что, хотя мы интуитивно понимаем, что оно означает, определить его бывает трудно.Заманчиво сказать, что температура измеряет тепло, но это не совсем так. Тепло – это передача энергии за счет разницы температур. Температура определяется с помощью инструмента, который мы используем, чтобы сказать нам, насколько горячий или холодный объект, на основе механизма и шкалы, изобретенных людьми. Температура буквально определяется как то, что мы измеряем термометром.

    Тепло часто путают с температурой. Например, мы можем сказать, что жара была невыносимой, когда на самом деле имеем в виду, что температура была высокой.Это потому, что мы чувствительны к потоку энергии в виде тепла, а не температуры. Поскольку теплота, как и работа, передает энергию, она имеет единицу СИ джоуль (Дж).

    Атомы и молекулы постоянно находятся в движении, отталкиваясь друг от друга в случайных направлениях. Напомним, что кинетическая энергия — это энергия движения, и что она увеличивается пропорционально квадрату скорости. Не вдаваясь в математические подробности, можно сказать, что тепловая энергия — энергия, связанная с теплом, — это средняя кинетическая энергия частиц (молекул или атомов) в веществе.Более быстро движущиеся молекулы имеют большую кинетическую энергию, поэтому вещество имеет большую тепловую энергию и, следовательно, более высокую температуру. Полная внутренняя энергия системы представляет собой сумму кинетической и потенциальной энергий ее атомов и молекул. Тепловая энергия является одной из подкатегорий внутренней энергии, как и химическая энергия.

    Поддержка учителей

    Поддержка учителей

    Демонстрация учителя

    Вы можете показать, что температура связана с кинетической энергией молекул, простой демонстрацией.Возьмите ластик и энергично потрите им любую поверхность. Затем почувствуйте его на своей коже. Горячо?

    Для измерения температуры необходимо использовать какую-либо шкалу в качестве эталона измерения. Тремя наиболее часто используемыми температурными шкалами являются шкалы Фаренгейта, Цельсия и Кельвина. И шкала Фаренгейта, и шкала Цельсия являются относительными температурными шкалами, что означает, что они построены вокруг точки отсчета. Например, шкала Цельсия использует в качестве точки отсчета точку замерзания воды; все измерения либо ниже точки замерзания воды на заданное число градусов (и имеют отрицательный знак), либо выше точки замерзания воды на заданное число градусов (и имеют положительный знак).Температура кипения воды составляет 100 °C°C по шкале Цельсия, а ее единицей измерения является градус Цельсия (°C(°C ).

    ).

    По шкале Фаренгейта точка замерзания воды составляет 32 °F°F, а точка кипения — 212 °F°F. Единицей измерения температуры по этой шкале является градус Фаренгейта (°F(°F ). Обратите внимание, что разница в градусах между точками замерзания и кипения больше для шкалы Фаренгейта, чем для шкалы Цельсия. Следовательно, разница температур в один градусов Цельсия больше, чем разница температур в один градус Фаренгейта.Поскольку 100 градусов Цельсия охватывают тот же диапазон, что и 180 градусов по Фаренгейту, один градус по шкале Цельсия в 1,8 раза больше, чем один градус по шкале Фаренгейта (поскольку 180100=95=1,8180100=95=1,8). Это соотношение можно использовать для преобразования температуры в градусы Фаренгейта и Цельсия (см. рис. 11.2).

    Фигура 11.2 Соотношения между температурными шкалами Фаренгейта, Цельсия и Кельвина, округленные до ближайшего градуса. Также показаны относительные размеры весов.

    Шкала Кельвина — это температурная шкала, которая обычно используется в науке, потому что это абсолютная температурная шкала. Это означает, что теоретически минимально возможной температуре присваивается нулевое значение. Нуль градусов по шкале Кельвина известен как абсолютный ноль; теоретически это точка, в которой нет молекулярного движения для производства тепловой энергии. В оригинальной шкале Кельвина, впервые созданной лордом Кельвином, все температуры имеют положительные значения, что делает ее полезной для научной работы.Официальной единицей измерения температуры по этой шкале является кельвин, который обозначается аббревиатурой К. Температура замерзания воды составляет 273,15 К, а точка кипения воды — 373,15 К.

    Поддержка учителей

    Поддержка учителей

    [BL][OL][AL] Спросите учащихся, в каком случае каждая шкала будет наиболее удобной для использования.

    Хотя абсолютный нуль возможен в теории, на практике его достичь невозможно. Самая низкая температура, когда-либо созданная и измеренная в ходе лабораторного эксперимента, равнялась 1.0×10−101,0×10−10 K в Хельсинкском технологическом университете в Финляндии. Для сравнения, самая низкая зарегистрированная температура для места на поверхности Земли составляла 183 К ( 89 °C). ), на Востоке, в Антарктиде, и самым холодным известным местом (за пределами лаборатории) во Вселенной является туманность Бумеранг с температурой 1 К. К счастью, большинству из нас, людей, никогда не придется испытывать такие экстремальные условия.

    Поддержка учителей

    Поддержка учителей

    [AL]Спросите, почему абсолютный ноль никогда не регистрировался.Обсудите, могут ли атомы и молекулы быть полностью неподвижными.

    Средняя нормальная температура тела составляет 98,6 °F°F (37,0 °C°C), но известно, что люди выживают при температуре тела от 75 °F°F до 111 °F°F (от 24 °C°C до 44°С°С).

    Смотреть физику

    Сравнение температурных шкал Цельсия и Фаренгейта

    В этом видео показано, как шкалы Фаренгейта и Цельсия сравниваются друг с другом.

    Смотреть физику: сравнение температурных шкал Цельсия и Фаренгейта.В этом видео проводится сравнение температурных шкал Цельсия и Фаренгейта.

    Даже без этикеток с цифрами на термометре вы могли бы сказать, какая сторона отмечена в градусах Фаренгейта, а какая в градусах Цельсия, по тому, как расположены градусные отметки. Почему?

    1. Расстояние между двумя последовательными делениями по шкале Фаренгейта больше, чем такое же расстояние по шкале Цельсия, поскольку каждый градус Фаренгейта равен 1,8 градуса Цельсия.

    2. Расстояние между двумя последовательными делениями по шкале Фаренгейта меньше, чем такое же расстояние по шкале Цельсия, поскольку каждый градус Цельсия равен 1,8 градусам Фаренгейта.

    3. Расстояние между двумя последовательными делениями по шкале Фаренгейта больше, чем такое же расстояние по шкале Цельсия, потому что каждый градус Фаренгейта равен 3.6 градусов Цельсия.

    4. Расстояние между двумя последовательными делениями по шкале Фаренгейта меньше, чем такое же расстояние по шкале Цельсия, поскольку каждый градус Цельсия равен 3,6 градусам Фаренгейта.

    Поддержка учителей

    Поддержка учителей

    Учащиеся могут использовать процесс, описанный в этом видеоролике, как средство сравнения различных температурных шкал.Укажите им, что все, что им нужно знать, — это температуры по каждой шкале одного свойства, например температуры кипения и замерзания жидкости, будь то вода, этанол или тетрахлорметан.

    Преобразование между шкалами Цельсия, Кельвина и Фаренгейта

    Хотя шкала Фаренгейта по-прежнему является наиболее часто используемой шкалой в Соединенных Штатах, в большинстве стран мира используются шкалы Цельсия, а ученые предпочитают Кельвины. Часто необходимо конвертировать между этими шкалами.Например, если бы телевизионный метеоролог давал местный прогноз погоды в градусах Кельвина, зрители, вероятно, были бы сбиты с толку! В таблице 11.1 приведены уравнения для преобразования между тремя температурными шкалами.

    Преобразование из… Используйте это уравнение
    Цельсия в Фаренгейта T°F=95T°C+32T°F=95T°C+32
    Фаренгейт в Цельсий Т°С=59(Т°F-32)Т°С=59(Т°F-32)
    Цельсия в Кельвина ТК=Т°С+ 273.15ТК=Т°С+ 273,15
    Кельвины в Цельсия Т°С=ТК-273,15Т°С=ТК-273,15
    Фаренгейт в Кельвин ТК=59(Т°F-32)+273,15ТК=59(Т°F-32)+273,15
    Кельвин в Фаренгейт T°F=95(ТК-273,15)+32T°F=95(ТК-273,15)+32

    Таблица 11.1 Преобразование температуры

    Поддержка учителей

    Поддержка учителей

    [BL][OL][AL] Спросите учащихся, что больше – разница в 5°F5°F или разница в 5°C5°C .Теперь спросите у них то же самое для 5°C5°C и 5°F5°F. Разница в температуре по Кельвину и по Цельсию одинакова. То же самое не верно для Цельсия и Фаренгейта.

    Рабочий пример

    Преобразование между температурными шкалами: комнатная температура

    Комнатная температура обычно определяется как 25 °C.°C. (a) Чему равна комнатная температура в °F?°F? (b) Что это в K?

    Поддержка учителей

    Поддержка учителей

    В стеклянном спиртовом термометре молекулы спирта поглощают энергию за счет тепла, и по мере увеличения межмолекулярных расстояний объем спирта расширяется.Спросите учащихся, в каком диапазоне температур этот термометр показывает точные показания. Почему это так? Спросите их, можно ли сконструировать термометр с любым другим веществом. Почему или почему нет?

    Стратегия

    Чтобы ответить на эти вопросы, все, что нам нужно сделать, это выбрать правильные уравнения преобразования и подставить известные значения.

    Раствор для (а)

    1. Выберите правильное уравнение. Чтобы преобразовать °C°C в °F°F, используйте уравнение Т°Ф=95Т°С+32.Т°Ф=95Т°С+32.

      11.1

    2. Подставьте известное значение в уравнение и решите. T°F=9525°C+32=77°FT°F=9525°C+32=77°F

      11.2

    Раствор для (б)

    1. Выберите правильное уравнение. Чтобы преобразовать °C°C в K, используйте уравнение ТК=Т°С+ 273,15. ТК=Т°С+ 273,15.

      11.3

    2. Подставьте известное значение в уравнение и решите. TK= 25 °C + 273,15 = 298KTK= 25 °C + 273,15 = 298K

      11,4

    Обсуждение

    Живя в Соединенных Штатах, вы, вероятно, лучше понимаете, как ощущается температура, если она описывается как 77 °F°F, чем как 25 °C°C (или 298 K, если уж на то пошло).

    Рабочий пример

    Преобразование между температурными шкалами: шкала Реомюра

    Шкала Реомюра — температурная шкала, которая широко использовалась в Европе в 18 и 19 веках. По температурной шкале Реомюра точка замерзания воды равна 0°Р°Р, а температура кипения равна 80°Р°Р. Если «комнатная температура» равна 25°C°C по шкале Цельсия, то какова она по шкале Реомюра?

    Стратегия

    Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сравнить шкалу Реомюра со шкалой Цельсия.Разница между точкой замерзания и точкой кипения воды по шкале Реомюра составляет 80°Р°Р. По шкале Цельсия это 100°C°C. Следовательно, 100 °C = 80 °R°C = 80 °R. Обе шкалы начинаются с 0 °° для замерзания, поэтому мы можем создать простую формулу для преобразования между температурами на двух шкалах.

    Решение

    1. Выведите формулу для перевода из одного масштаба в другой. T°R= 0,80°R°C×T°CT°R= 0,80°R°C×T°C

      11,5

    2. Подставьте известное значение в уравнение и решите.T°R= 0,80°R°C×25°C = 20°R°R= 0,80°R°C×25°C = 20°R°C

      11,6

    Обсуждение

    Как показывает этот пример, шкалы относительных температур несколько произвольны. Если бы вы хотели, вы могли бы создать свою собственную температурную шкалу!

    Практические задачи

    1 .

    Что такое 12,0 °C в кельвинах?

    1. 112,0 К
    2. 273,2 К
    3. 12,0 К
    4. 285,2 К
    2 .

    Что такое 32,0 °C в градусах по Фаренгейту?

    1. 57.6 °F
    2. 25,6 °F
    3. 305,2 °F
    4. 89,6 °F

    Советы для успеха

    Иногда не так просто точно угадать температуру воздуха. Почему это? Такие факторы, как влажность и скорость ветра, влияют на то, насколько нам жарко или холодно. Ветер отводит тепловую энергию от наших тел быстрее, чем обычно, заставляя нас чувствовать себя холоднее, чем в противном случае; в холодный день вы, возможно, слышали, как прогноз погоды на телевидении ссылается на охлаждение ветром .

    Во влажные летние дни людям, как правило, жарко, потому что пот не испаряется с кожи так эффективно, как в сухие дни, когда испарение пота охлаждает нас.

    Поддержка учителей

    Поддержка учителей

    Спросите учащихся, как работает охлаждение ветром. Будет ли он работать на любой поверхности или только на человеческом теле? Скорость потери тепла для любого объекта зависит от разницы температур между объектом и окружающей его средой. Когда тепло передает энергию от объекта, оно нагревает слой воздуха вокруг него.Ветер разрушает этот слой, заменяя его более прохладным воздухом. Это, в свою очередь, увеличивает скорость потери тепла.

    Предупреждение о заблуждении

    Охлаждение ветром может только увеличить скорость охлаждения. Он никогда не сможет охладить объект до температуры ниже температуры окружающей среды.

    Проверьте свое понимание

    Поддержка учителей

    Поддержка учителей

    Используйте эти вопросы, чтобы оценить достижение учащимися целей обучения раздела.Если учащиеся борются с определенной целью, эти вопросы помогут определить, какая именно, и направить учащихся к соответствующему содержанию.

    3 .

    Что такое тепловая энергия?

    1. Тепловая энергия – это средняя потенциальная энергия частиц в системе.

    2. Тепловая энергия – это полная сумма потенциальных энергий частиц в системе.

    3. Тепловая энергия – это средняя кинетическая энергия частиц, обусловленная взаимодействием между частицами в системе.

    4. Тепловая энергия – это средняя кинетическая энергия частиц в системе.

    4 .

    Что используется для измерения температуры?

    1. гальванометр
    2. манометр
    3. термометр
    4. вольтметр

    Теплофизика – IB Physics

    См. руководство по этой теме.

    3.1 – Тепловые концепции
    • Молекулярная теория твердых тел, жидкостей и газов

    Молекулы удерживаются вместе межмолекулярными силами.

    Четвертое состояние плазмы не требуется изучать в текущем учебном плане.

     

    • Температура и абсолютная температура

    Температуры описывают, насколько горячим или холодным является объект, и определяют направление теплового потока между двумя телами.

    Тепловая энергия передается от объекта с более высокой температурой к другому объекту с более низкой температурой. Перенос энергии называется теплотой (поток энергии за счет разницы температур). Тела, находящиеся в тепловом равновесии, имеют одинаковую температуру.

    Температуру в Кельвинах можно рассчитать, вычитая температуру в градусах Цельсия на 273,15.

    Абсолютная температура тела по шкале Кельвина прямо пропорциональна средней кинетической энергии на молекулу внутри тела.

    Абсолютный ноль равен 0K или -273 градуса Цельсия.

    Температура не может быть ниже абсолютного нуля. Это температура, при которой частицы имеют нулевую среднюю кинетическую энергию (нет случайного движения).

     

    Внутренняя энергия представляет собой сумму полной кинетической энергии (полной тепловой энергии) и полной потенциальной энергии.

    Кинетическая энергия – это энергия, связанная со случайным/поступательным вращательным движением молекул.

    Потенциальная энергия связана с силами между молекулами.

     

    Удельная теплоемкость вещества определяется выражением

    .

    и определяется количеством тепла, необходимого для повышения температуры 1 кг вещества на 1 К.

    Различные вещества имеют разную удельную теплоемкость из-за разной плотности и физических свойств.

    К вашему сведению

    Теплоемкость объекта определяется как Q=cθ (или Q=cΔT) и определяется количеством тепла, необходимого для повышения температуры объекта на 1K.

     

    Изменение фазы Процесс Кинетическая энергия Потенциальная энергия
    Твердое в жидкое Плавление Без изменений Увеличивает
    Из жидкого в твердое Замораживание Без изменений Уменьшается
    Из жидкости в газ Кипячение Без изменений Увеличивает
    Из газа в жидкость Конденсат Без изменений Уменьшается

    Во время фазового перехода температура и кинетическая энергия остаются постоянными, а потенциальная энергия изменяется (которая увеличивается по мере распространения молекул и наоборот).

    К вашему сведению

    Кипение: Происходит только при температуре кипения (конкретная температура зависит от вещества) и происходит во всей жидкости.

    Испарение: Может происходить при любой температуре и происходит только с поверхности жидкости. Самые быстро движущиеся частицы испаряются, уменьшая среднюю КЭ остальных частиц. В результате температура падает.

     

    Удельная скрытая теплота вещества определяется выражением

    .

    Удельная скрытая теплота плавления: Количество тепла, необходимое для превращения 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое без изменения температуры.

    Удельная скрытая теплота парообразования: Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг вещества из жидкости в газ без изменения температуры.

     

    3.2 – Моделирование газа

    Давление определяется как нормальная сила на единицу площади и определяется уравнением

    • Уравнение состояния идеального газа

    , где R=8,31 (Дж/моль/К)

     

    • Кинетическая модель идеального газа

    Предположения:

    • Столкновения между молекулами абсолютно упругие.
    • Молекулы представляют собой одинаковые сферы.
    • Объем молекул ничтожен по сравнению с объемом газа.
    • Молекулы не взаимодействуют друг с другом, за исключением случаев, когда они постоянны.

    Последствия:

    Абсолютная температура прямо пропорциональна средней КЭ и средней скорости движения молекул идеального газа.

     

    • Моль, молярная масса и постоянная Авогадро

    Крот:

    • Как и слово «дозон», моль является единицей количества.23 называется постоянной Авогадро.
    • Количество молей вещества можно рассчитать, разделив количество молекул этого вещества на постоянную Авогадро.

    Молярная масса:

    • Молярная масса – это масса 1 моля любого элемента или соединения.
    • Различные материалы/элементы имеют разные молярные массы, которые можно найти как Mr в периодической таблице.

    Постоянная Авогадро:

    6.23

     

    • Различия между реальными и идеальными газами

    Идеальный газ основан на списке предположений, изложенных ранее. Однако в реальных газах такие предположения могут оказаться неверными.

    • Между молекулами газа в реальных газах существуют силы (межмолекулярные силы).
    • Объемом молекул нельзя пренебречь по сравнению с объемом газа в реальных газах.

    Реальные газы могут вести себя аналогично идеальным газам при высоких температурах и низком давлении.

    Нравится:

    Нравится Загрузка…

    Учебное пособие по физике

    У всех нас есть ощущение того, что такое температура. У нас даже есть общий язык, который мы используем для качественного описания температуры. Вода в душе или ванне кажется горячей, холодной или теплой. Погода снаружи холодная или парная . Мы, конечно, хорошо чувствуем, насколько одна температура качественно отличается от другой температуры.Мы не всегда можем прийти к единому мнению о том, является ли температура в помещении слишком высокой, слишком низкой или идеальной. Но мы, вероятно, все согласимся, что у нас есть встроенные термометры для качественных суждений об относительных температурах.

    Что такое температура?

    Несмотря на наше встроенное чувство температуры, она остается одним из тех понятий в науке, которым трудно дать определение. Кажется, что обучающая страница, посвященная теме температуры и термометров, должна начинаться с простого определения температуры.Но именно в этот момент я поставил в тупик . Поэтому я обращаюсь к знакомому ресурсу Dictionary.com… где я нахожу определения, которые варьируются от простых, но не слишком понятных, до слишком сложных, чтобы быть понятными. Рискуя плюхнуться в бассейн просветления, я приведу здесь некоторые из этих определений:

    • Степень жара или холода тела или окружающей среды.
    • Мера теплоты или холодности объекта или вещества по отношению к некоторому стандартному значению.
    • Мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества, выраженная в единицах или градусах по стандартной шкале.
    • Мера способности вещества или, в более общем смысле, любой физической системы передавать тепловую энергию другой физической системе.
    • Любая из различных стандартных числовых мер этой способности, таких как шкала Кельвина, Фаренгейта и Цельсия.

    Наверняка нас устраивают первые два определения — степень или мера того, насколько объект горячий или холодный.Но такие определения не способствуют нашему пониманию температуры. Третье и четвертое определения, которые ссылаются на кинетическую энергию частиц и способность вещества передавать тепло, являются точными с научной точки зрения. Однако эти определения слишком сложны, чтобы служить хорошей отправной точкой для обсуждения температуры. Так что мы смиримся с определением, аналогичным пятому из приведенных — температуру можно определить как показание термометра. Следует признать, что этому определению не хватает силы, необходимой для выявления столь желанного Ага! Теперь я понимаю! момент.Тем не менее, он служит отличной отправной точкой для этого урока о тепле и температуре. Температура – это то, что показывает термометр. Чем бы ни измерялась температура, она отражается показаниями термометра. Так как именно работает термометр? Как он надежно измеряет того, что температура является мерой?

    Как работает термометр

    На сегодняшний день существует множество типов термометров.Тип, с которым большинство из нас знакомо на уроках естествознания, состоит из жидкости, заключенной в узкую стеклянную колонку. В старых термометрах этого типа использовалась жидкая ртуть. В ответ на наше понимание проблем со здоровьем, связанных с воздействием ртути, в этих типах термометров обычно используется какой-либо жидкий спирт. Эти жидкостные термометры основаны на принципе теплового расширения. Когда вещество нагревается, оно увеличивается в объеме. Почти все вещества демонстрируют такое поведение при тепловом расширении.Это основа конструкции и работы термометров.

    При повышении температуры жидкости в термометре увеличивается его объем. Жидкость заключена в высокую узкую стеклянную (или пластиковую) колонку с постоянной площадью поперечного сечения. Таким образом, увеличение объема происходит из-за изменения высоты жидкости внутри колонны. Увеличение объема и, следовательно, высоты столба жидкости пропорционально повышению температуры. Предположим, что повышение температуры на 10 градусов вызывает увеличение высоты столба на 1 см.Тогда повышение температуры на 20 градусов приведет к увеличению высоты столба на 2 см. А повышение температуры на 30 градусов приведет к увеличению высоты столба на 3 см. Зависимость между температурой и высотой столбика является линейной в небольшом диапазоне температур, для которого используется термометр. Эта линейная зависимость делает калибровку термометра относительно простой задачей.

    Калибровка любого измерительного инструмента включает в себя размещение делений или меток на инструменте для точного измерения количества по сравнению с известными стандартами.Любой измерительный инструмент, даже измерительный стержень, должен быть откалиброван. Инструмент нуждается в делениях или маркировке; например, метровая линейка обычно имеет маркировку через каждые 1 см или через 1 мм. Эти маркировки должны быть точно нанесены, и о точности их размещения можно судить только при сравнении с другим объектом, о котором точно известно, что он имеет определенную длину.

    Термометр калибруется с использованием двух объектов с известными температурами. Типичный процесс включает использование точки замерзания и точки кипения чистой воды.Известно, что вода замерзает при 0°С и кипит при 100°С при атмосферном давлении 1 атм. Поместив термометр в смесь ледяной воды и позволив жидкости термометра достичь стабильной высоты, на термометре можно поставить отметку 0 градусов. Точно так же, поместив термометр в кипящую воду (при давлении 1 атм) и позволив уровню жидкости достичь стабильной высоты, на термометре можно поставить отметку в 100 градусов. С этими двумя отметками, размещенными на термометре, между ними можно разместить 100 равноотстоящих делений, чтобы представить отметки в 1 градус.Поскольку существует линейная зависимость между температурой и высотой жидкости, деления между 0 градусами и 100 градусами могут быть расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. С помощью откалиброванного термометра можно точно измерить температуру любого объекта в пределах температурного диапазона, для которого он был откалиброван.

     

     

    Температурные весы

    В результате описанного выше процесса калибровки термометра получается так называемый стоградусный термометр.Стоградусный термометр имеет 100 делений или интервалов между нормальной точкой замерзания и нормальной точкой кипения воды. Сегодня стоградусная шкала известна как шкала Цельсия, названная в честь шведского астронома Андерса Цельсия, которому приписывают ее разработку. Шкала Цельсия является наиболее распространенной температурной шкалой, используемой во всем мире. Это стандартная единица измерения температуры почти во всех странах, за исключением США. Используя эту шкалу, температура 28 градусов Цельсия обозначается аббревиатурой 28°C.

    Традиционно Соединенные Штаты медленно принимают метрическую систему и другие общепринятые единицы измерения, но чаще используют температурную шкалу Фаренгейта. Термометр можно откалибровать по шкале Фаренгейта аналогично тому, как это было описано выше. Разница в том, что нормальная точка замерзания воды обозначена как 32 градуса, а нормальная точка кипения воды обозначена как 212 градусов по шкале Фаренгейта. Таким образом, при использовании шкалы Фаренгейта между этими двумя температурами имеется 180 делений или интервалов.Шкала Фаренгейта названа в честь немецкого физика Даниэля Фаренгейта. Температура 76 градусов по Фаренгейту обозначается аббревиатурой 76°F. В большинстве стран мира вместо шкалы Фаренгейта используется шкала Цельсия.

    Температура, выраженная по шкале Фаренгейта, может быть преобразована в эквивалент шкалы Цельсия с помощью следующего уравнения:

    °C = (°F — 32°)/1,8

    Точно так же температуры, выраженные по шкале Цельсия, могут быть преобразованы в эквивалент шкалы Фаренгейта с помощью приведенного ниже уравнения:

    °F= 1.8•°С + 32°

     

    Температурная шкала Кельвина

    В то время как шкалы Цельсия и Фаренгейта являются наиболее широко используемыми температурными шкалами, существует несколько других шкал, которые использовались на протяжении всей истории. Например, есть шкала Ренкина, шкала Ньютона и шкала Ромера, которые редко используются. Наконец, есть температурная шкала Кельвина, которая является стандартной метрической системой измерения температуры и, возможно, наиболее широко используемой среди ученых температурной шкалой.Температурная шкала Кельвина похожа на температурную шкалу Цельсия в том смысле, что между нормальной точкой замерзания и нормальной точкой кипения воды есть 100 равных приращений градусов. Однако нулевая отметка по шкале Кельвина на 273,15 единицы холоднее, чем по шкале Цельсия. Таким образом, температура 0 Кельвинов эквивалентна температуре -273,15 °C. Обратите внимание, что в этой системе не используется символ градуса. Таким образом, температура на 300 единиц выше 0 градусов Кельвина называется 300 градусов Кельвина, а не 300 градусов Кельвина; такая температура обозначается аббревиатурой 300 К.Преобразование температуры Цельсия в температуру Кельвина (и наоборот) можно выполнить с помощью одного из двух приведенных ниже уравнений.

    °С = К — 273,15°

    К = °С + 273,15

     

    Нулевая точка на шкале Кельвина называется абсолютным нулем. Это самая низкая температура, которую можно достичь. Концепция абсолютного температурного минимума была выдвинута шотландским физиком Уильямом Томсоном (ок.к.а. Лорд Кельвин) в 1848 году. Томсон предположил, основываясь на термодинамических принципах, что самая низкая температура, которая может быть достигнута, составляет -273°C. До Томсона экспериментаторы, такие как Роберт Бойль (конец 17 века), хорошо знали о наблюдении, что объем (и даже давление) образца газа зависит от его температуры. Измерения изменений давления и объема при изменении температуры могут быть выполнены и нанесены на график. Графики зависимости объема от температуры (при постоянном давлении) и давления от температуры.температура (при постоянном объеме) отражала тот же вывод — объем и давление газа уменьшаются до нуля при температуре -273°С. Поскольку это самые низкие значения объема и давления, которые возможны, разумно заключить, что -273°C была самой низкой возможной температурой.

    Томсон назвал эту минимальную самую низкую температуру абсолютным нулем и утверждал, что следует принять температурную шкалу, в которой абсолютный ноль является самым низким значением на шкале.Сегодня эта температурная шкала носит его имя. Ученым и инженерам удалось охладить материю до температуры, близкой к -273,15°C, но не ниже ее. В процессе охлаждения вещества до температуры, близкой к абсолютному нулю, наблюдался ряд необычных свойств. Эти свойства включают сверхпроводимость, сверхтекучесть и состояние вещества, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна.

     

    Температура – ​​это то, что показывает термометр. Но что именно является отражением температуры? Концепция температуры абсолютного нуля весьма интересна, а наблюдение замечательных физических свойств образцов вещества, приближающихся к абсолютному нулю, заставляет задуматься над этой темой более глубоко.Происходит ли что-то на уровне частиц, связанное с наблюдениями, сделанными на макроскопическом уровне? Есть ли что-то более глубокое в температуре, чем просто показания термометра? Что происходит на уровне атомов и молекул при повышении или понижении температуры образца вещества? Эти вопросы будут рассмотрены на следующей странице урока 1.

     

    Проверьте свое понимание

    1.При обсуждении калибровки термометра упоминалось, что существует линейная зависимость между температурой и высотой жидкости в столбике. Что, если связь не была линейной? Можно ли было бы калибровать термометр, если бы температура и высота столба жидкости не были связаны линейной зависимостью?

    2. Какое приращение температуры меньше — градус Цельсия или градус Фаренгейта? Объяснять.

    3.Выполните соответствующие преобразования температуры, чтобы заполнить пробелы в таблице ниже.

     

    Цельсия (°)

    Фаренгейты (°F)

    Кельвин (К)

    а.

    0

       

    б.

     

    212

     

    с.

       

    0

    д.

     

    78

     

    эл.

     

    12

     

    В поисках абсолютного нуля | Научный проект

    Если газы расширяются при нагревании, то само собой разумеется, что они будут сжиматься при охлаждении. Вот видео надутого воздушного шара, помещенного в жидкий азот.

    Что, если вы охладите газ настолько, что ни одна из частиц больше не будет двигаться? Это также означало бы, что молекулы могут быть бесконечно близко друг к другу, что делает объем газа равным 0. На самом деле этого не может быть, но ученые любят думать теоретически. Эта температура, при которой прекращается всякое молекулярное движение, называется абсолютным нулем .

    Несмотря на то, что вы не можете понизить температуру газа до абсолютного нуля, вы можете провести эксперимент, который даст вам количественное значение отношения между газом и объемом.После того, как вы определили две точки отношения объема к температуре, вы можете построить линию, и когда у вас есть линия, вы можете экстраполировать (продлить, используя известную информацию) вашу линию, чтобы увидеть, какой будет температура при абсолютном нуле.

    Как можно определить значение абсолютного нуля?

    Все стеклянные материалы должны быть изготовлены из какого-либо материала, похожего на пирекс, чтобы предотвратить разрушение при изменении температуры.

    • Ведро
    • Лед
    • Большая ложка
    • Вода
    • Защитные очки
    • Колба Эрленмейера 125 мл
    • Большой стакан, не менее 500 мл
    • Резиновая пробка с одним отверстием, подходящая для колбы на 125 мл
    • Короткий стеклянный стержень (5-10 см), который плотно входит в отверстие пробки
    • Подставка для колец
    • Зажим
    • Горячая плита
    • Щипцы достаточно большие, чтобы вместить колбу на 125 мл
    • Термометр Цельсия
    • Градуированный цилиндр
    • Миллиметровая бумага
    • Линейка
    1. Приготовьте ледяную ванну, наполнив ведро льдом и добавив прохладную воду.Ведро должно быть заполнено на 3/4.
    2. Время от времени перемешивайте ледяную баню большой ложкой.
    3. Вставьте пробку с одним отверстием в сухую колбу на 125 мл.
    4. Установка бани с горячей водой. Стакан на 500 мл должен стоять на плите.
    5. Закрепите колбу на 125 мл в вертикальном положении так, чтобы большая часть колбы была погружена в баню с горячей водой. (См. схему 1)
    6. Вскипятите воду с пустой фляжкой в ​​течение пяти минут. Вы делаете это для того, чтобы газ внутри колбы достиг той же температуры, что и кипящая вода.
    7. Запишите температуру кипящей воды (которая должна быть такой же, как температура газа внутри колбы). Постарайтесь получить измерение с точностью до 0,1 градуса Цельсия. Чем точнее ваши измерения, тем точнее будет ваше определение абсолютного нуля.
    8. Пока химический стакан все еще находится в ванне с горячей водой, осторожно вставьте короткую стеклянную палочку в отверстие в пробке колбы.
    9. Используя щипцы, достаньте колбу из горячей бани.
    10. Переверните колбу Эрленмейера и поместите в баню со льдом.(См. схему 2)
    11. Убедившись, что колба находится под водой, извлеките стеклянную палочку из пробки.
    12. Оставьте колбу погруженной в ледяную баню на 6-7 минут, время от времени перемешивая ледяную баню. Вода должна стекать внутрь колбы. Почему ?
    13. Пальцами, которые могут стать холодными, поднимите перевернутую колбу, пока уровень воды внутри и снаружи не станет одинаковым. Это делается для того, чтобы давление внутри колбы было равно атмосферному давлению.Единственная переменная, которая вам нужна в этом эксперименте, — это температура.
    14. Измерьте температуру воды в ледяной бане.
    15. 16. Снова вставьте стеклянную палочку в пробку. Выньте фляжку из воды и поставьте ее вертикально.
    16. С помощью мерного цилиндра как можно точнее запишите объем воды в колбе.
    17. Наполните колбу до уровня пробки.
    18. С помощью мерного цилиндра запишите общий объем колбы.
    19. Вычтите объем воды, перетекшей в колбу, из общего объема колбы. Это объем газа внутри колбы после охлаждения.
    20. Ваша таблица данных должна выглядеть примерно так:

    Точки данных

    Температура в градусах Цельсия

    Объем в мл

    1

    (запись температуры колбы в кипящей воде)

    (общий объем колбы)

    2

    (запись температуры ледяной бани)

    (общий объем колбы за вычетом объема поступившей воды)

    1. На вашем графике температура должна быть на оси x.Диапазон температур должен быть от -300 до примерно 150 градусов C. Объем в мл должен быть на вашей оси Y. Диапазон объемов должен быть от 150 мл до 0 мл.
    2. Отметьте две точки.
    3. Используя линейку, проведите между ними прямую линию.
    4. Совместите линейку с линией, которую вы уже начали. Сделайте пунктирную линию, продолжающую линию, которую вы нарисовали, до места, где громкость равна 0 по оси X.
    5. Тщательно определите температуру, где ваша линия пересекает ось X.Это ваше определение абсолютного нуля!

    Ожидаемое значение абсолютного нуля составляет -273,15 °C. Если ваше значение находится в диапазоне от -250 °C до -300, вы хорошо справились с ограничениями вашего оборудования и миллиметровой бумаги.

    По мере того как вы охлаждали колбу в бане со льдом, молекулы газа внутри колбы двигались все меньше и меньше. Молекулы газа занимали меньше места внутри колбы, поэтому вода снаружи медленно продвигалась внутрь. Закон Шарля предсказывает, что при понижении температуры уменьшается и объем.

    Другим важным понятием, связанным с газами, давлением и температурой, является Закон Гей-Люссака : давление фиксированной массы газа при постоянной температуре напрямую зависит от температуры. Уравнение для этой зависимости: P 1 /T 1 =P/T 2 . Возможно, вы помните, что давление газа — это величина силы, действующей на единицу поверхности. Примером этого явления является отрыв крышки пластикового контейнера при нагревании в микроволновой печи.Температура повышается, но объем газа остается прежним из-за крышки. Следовательно, давление увеличивается с температурой, пока не станет достаточно высоким, чтобы открыть крышку.

    Отказ от ответственности и меры предосторожности

    Education.com предоставляет идеи проекта научной ярмарки для ознакомления только цели. Education.com не дает никаких гарантий или заявлений относительно идей проекта научной ярмарки и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких Информация.Получая доступ к идеям проекта научной ярмарки, вы отказываетесь и отказаться от любых претензий к Education.com, возникающих в связи с этим. Кроме того, ваш доступ к веб-сайту Education.com и проектным идеям научной ярмарки покрывается Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, включая ограничения об ответственности Education.com.

    Настоящим предупреждаем, что не все проектные идеи подходят для всех отдельных лиц или во всех обстоятельствах. Реализация любой идеи научного проекта следует проводить только в соответствующих условиях и с соответствующими родителями. или другой надзор.Чтение и соблюдение мер предосторожности всех материалы, используемые в проекте, является исключительной ответственностью каждого человека. За дополнительную информацию см. в справочнике по научной безопасности вашего штата.

    Теплофизика: определение, уравнение, задача, решение

    Мы все, естественно, знакомы с понятием температуры, но как мы на самом деле определяем температуру вещества с помощью физики? Описание внутренней тепловой энергии вещества с помощью температуры оказывается фундаментальным аспектом физики и термодинамики.

    Что такое температура?

    Тепловая энергия вещества пропорциональна (средней) кинетической энергии составляющих его молекул или атомов. В системе с двумя объектами более горячий объект имеет более высокую температуру и более высокую среднюю кинетическую энергию . Тепловая энергия течет от более горячего объекта к более холодному до тех пор, пока оба объекта не достигнут одинаковой температуры. Это формализовано в нулевом законе термодинамики .

    Нулевой закон термодинамики

    Хотя нулевой закон термодинамики был предложен только четвертым законом, он считался настолько фундаментальным для теплофизики, что теперь стоит на первом месте.

    Рис. 1. Нулевой закон — это фундаментальное понятие теплофизики, которое обеспечивает основу для определения температуры и математических законов о влиянии температуры. Источник: Росс Макдональд, StudySmarter.

    Нулевой закон гласит:

    Если два объекта A и C независимо друг от друга находятся в тепловом равновесии с некоторым третьим объектом B, то A и C также находятся в равновесии друг с другом.Это также показывает, что все три объекта имеют одинаковую температуру.

    Этот (кажущийся очевидным) закон определяет температуру как свойство, описывающее направление передачи любой тепловой энергии между объектами. Нулевой закон важен, поскольку он показывает, что передача тепловой энергии контролируется физическими температурами, а не общей тепловой (кинетической) энергией объекта.

    Температурные весы

    Определив, что такое температура, теперь нам нужен способ ее измерения. Для того, чтобы сравнивать температуры разных объектов, нужна шкала.Температурная шкала определяется двумя фиксированными точками при определенных температурах с рядом приращений между ними.

    В настоящее время в мире используются три основные температурные шкалы:

    Цельсия

    • Эта температурная шкала, предложенная шведским астрономом Андерсом Цельсия в 1742 году, используется в большинстве стран мира.
    • Фиксированными точками, используемыми на шкале Цельсия, являются точка замерзания (0°C) и точка кипения воды (100°C при атмосферном давлении 1.01⋅10 5 Па), со 100 шагами по 1°C между ними.

    Фаренгейты

    • Шкала Фаренгейта, предложенная немецким физиком Даниэлем Фаренгейтом в 18 веке, в основном используется в Соединенных Штатах.
    • Шкала также основана на точках замерзания (32°F) и кипения (212°F) воды с шагом 180 между ними.
    • Шкала абсолютной температуры использует фиксированные точки тройной точки воды (273.16°К) и абсолютный ноль (0°К). Они были выбраны потому, что они не зависят от атмосферного давления, в отличие от шкал Цельсия и Фаренгейта.
    • При определении шкалы Кельвина было решено, что каждый шаг должен быть равен 1°C, чтобы упростить сравнение. Вот почему между двумя фиксированными точками ровно 273,16°F.
    • Кельвин — единица измерения температуры в системе СИ. Чтобы преобразовать температуры в градусах Цельсия и кельвинах, мы можем использовать формулу T(K)=T(C)+273.16.
    • Температура по шкале Кельвина всегда положительна.

    Тройная точка воды (или других веществ) — это температура и давление, при которых все три фазы вещества (твердое, жидкое и газообразное) могут сосуществовать. Различные фазы также существуют в тепловом равновесии, без передачи чистой тепловой энергии между ними. Для чистой воды тройная точка составляет 0,01 °C при 611,2 Па.

    Теплопередача

    Теперь, когда мы понимаем, что такое температура, мы можем исследовать, как тепловая энергия (тепло) передается между объектами в системе.Эта область физики известна как термодинамика, которая занимается отношениями между теплом, работой, температурой и энергией в системах.

    Законы термодинамики

    Мы уже встречались с нулевым законом термодинамики, который лежит в основе определения температуры. Давайте теперь исследуем оставшиеся законы термодинамики.

    Первый закон термодинамики

    Q используется для представления изменения тепловой энергии в первом законе термодинамики, который гласит:

    Изменение внутренней энергии (ΔU) системы состоит из тепловой энергии добавляется к системе (Q) плюс любой чистый прирост или потеря энергии в результате работы, выполненной системой или системой (W).

    ΔU=Q-W

    Это показывает, что энергия не может быть создана или уничтожена .

    Второй закон термодинамики

    Второй закон вводит свойство энтропии , представленное S .

    Когда двум ранее изолированным системам дают возможность взаимодействовать, они в конечном итоге достигают состояния теплового равновесия. Общая энтропия (S) объединенной системы будет больше, чем сумма двух изолированных систем.

    Единица переданного тепла (δQ) представляет собой произведение температуры систем (T) и изменения общей энтропии (∂s).

    Третий закон термодинамики

    Третий закон гласит, что, когда температура системы приближается к абсолютному нулю и удаляется вся тепловая энергия, система достигает постоянного основного состояния. Значение энтропии в этой точке известно как остаточная энтропия системы . Если система имеет только одно возможное микросостояние при абсолютном нуле, то остаточная энтропия также будет равна нулю.Постоянное значение остаточной энтропии системы при абсолютном нуле увеличивается с увеличением числа возможных микросостояний системы.

    Здесь S — остаточная энтропия системы, k B — постоянная Больцмана, Ω — число микросостояний.

    Чистый кристалл является примером материала, который будет иметь нулевую остаточную энтропию, поскольку существует только одна допустимая кристаллическая структура (микросостояние), которую могут принять его атомы.

    Внутренняя энергия

    Все вещества (твердые, жидкие или газообразные) обладают внутренней энергией (U) , которая представляет собой сумму кинетической энергии и потенциальной энергии составляющих его молекул.Уровни кинетической и потенциальной энергии каждой отдельной молекулы составляют 90 359 случайных 90 360 (в диапазоне энергий, содержащихся в системе), но мы можем понять эти свойства более крупного вещества, используя 90 359 средних энергий его молекул 90 360 .

    Кинетическая энергия молекул в веществе напрямую связана с его температурой , а их потенциальная энергия зависит от фазы вещества. Потенциальная энергия состоит из электростатической потенциальной энергии .Силы притяжения между молекулами «растягиваются» по мере того, как среднее расстояние между молекулами увеличивается при переходе из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газообразное. Это увеличивает их электростатическую потенциальную энергию, точно так же, как увеличение расстояния между объектом и землей увеличивает его гравитационную потенциальную энергию.

    Рисунок 2. На диаграмме показано, как компоненты кинетического и электростатического потенциала внутренней энергии вещества увеличиваются за счет фазовых переходов по мере того, как энергия передается в вещество с постоянной скоростью.Источник: Росс Макдональд, StudySmarter.

    На диаграмме показано, как энергия передается веществу с постоянной скоростью . При фазовых переходах кинетическая энергия его молекул (температура) остается постоянной , а электростатическая потенциальная энергия увеличивается . Это связано с тем, что при фазовом переходе подводимая энергия передается на увеличение электростатического потенциала по мере плавления или испарения вещества и изменения сил между молекулами .

    Вне фазовых переходов электростатический потенциал остается относительно постоянным, а вся подводимая энергия преобразуется в молекулярную кинетическую энергию, повышая температуру вещества. Полная внутренняя энергия y представляет собой сумму этих двух составляющих s и увеличивается с той же скоростью, с какой энергия передается в вещество.

    • В твердых телах электростатическая потенциальная энергия представляет собой большой отрицательный , так как для разрыва прочных связей между атомами или молекулами требуется значительная энергия.
    • В жидкостях электростатические силы между молекулами меньше, поэтому потенциал меньше отрицательного , так как для их разрыва требуется меньше энергии.
    • В газах электростатический потенциал близок к нулю , так как силы между молекулами очень слабые или незначительные.
    Скрытая теплота

    Вклад электростатической потенциальной энергии в общую внутреннюю энергию создает свойство, известное как удельная скрытая теплота вещества.

    Удельная скрытая теплота L определяется как энергия , необходимая для изменения фазы вещества на единицу массы при постоянной температуре .

    Здесь E — энергия, необходимая для фазового перехода, а M — масса вещества.

    Удельная теплоемкость

    Разным веществам требуется передача разного количества тепловой энергии для изменения их температуры на одинаковую величину.Вода является примером вещества с высокой удельной теплоемкостью (вспомните, сколько времени нужно, чтобы вскипятить воду для чашки чая). Это связано с тем, что чайник должен передать воде большое количество энергии, чтобы поднять ее температуру до 100°C. Примером с низкой удельной теплоемкостью является железо, а значит и большинство сталей (подумайте, как быстро нагревается стальная ложка в только что заваренной вами кружке чая).

    Удельная теплоемкость вещества рассчитывается как:

    изменение энергии = масса · удельная теплоемкость · изменение температуры

    Здесь ΔE – изменение внутренней энергии, m – масса вещества, c — удельная теплоемкость, Δθ — изменение тепловой энергии. Удельная теплоемкость указана в Дж⋅кг -1 К -1 .

    Сколько энергии требуется, чтобы вскипятить воду для чашки чая? Если использовать чайник мощностью 2000 Вт, сколько времени потребуется, чтобы закипеть?

    Количество воды: 0,25 кг

    Начальная температура: 21°C

    Удельная теплоемкость воды: 4200 Дж⋅кг -1 К -1

    Предположим, мы завариваем чай на высоте вблизи моря уровень, наша целевая температура кипения составляет 100°C.Следовательно, требуемое изменение температуры составляет 79°C.

    Чтобы определить изменение энергии, мы теперь умножаем:

    Номинальная мощность прибора в ваттах говорит нам, сколько джоулей энергии он использует в секунду. Моделируя чайник со 100% эффективностью, мы можем разделить, чтобы найти время, необходимое для закипания:

    Идеальные газы

    Мы можем относительно легко описать макроскопические свойства, такие как масса, температура или давление газов. Однако, чтобы полностью понять, как ведут себя газы, нам также необходимо знать, что происходит на уровне отдельных частиц .Количество атомов (или молекул) в объеме газа описывается с помощью единицы, называемой моль , единица СИ для количества вещества , которая указывает количество атомов или молекул в данной пробе данного вещества. .

    Один моль вещества – это количество, которое содержит столько элементарных частиц (атомов или молекул), сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода-12. Это число сущностей равно 6,02⋅10 23 , также известное как константа Авогадро N A .

    Постоянную Авогадро можно использовать для расчета числа атомов N в n молей вещества:

    Идеальный газ – это теоретическое вещество, молекулы которого занимают пренебрежимо мало места и не подвержены влиянию электростатических сил. . Эти свойства означают, что он будет точно подчиняться законам идеального газа.

    Тепловая физика. Ключевые выводы

    • Нулевой закон термодинамики гласит, что если два объекта А и С независимо друг от друга находятся в тепловом равновесии с некоторым третьим объектом В, то А и С также находятся в равновесии друг с другом.
    • Температурные шкалы определяются двумя фиксированными точками при определенных температурах с некоторым шагом между ними. Шкала абсолютных температур использует единицы кельвина (°K), которые равны градусам Цельсия (°C), где 0°K соответствует абсолютному нулю (-273,16°C).
    • Внутренняя энергия вещества состоит из молекулярной кинетической энергии и электростатической потенциальной энергии. Во время фазовых переходов температура и кинетическая энергия молекул остаются постоянными, а электростатический потенциал увеличивается.По мере увеличения температуры каждой фазы электростатический потенциал остается постоянным, а молекулярная кинетическая энергия увеличивается.
    • Моль — это единица СИ для количества вещества, указывающая число атомов или молекул в данной пробе данного вещества.
    • Идеальный газ — это аппроксимация реального газа с некоторыми допущениями, которые позволяют моделировать его поведение с помощью уравнения идеального газа.

    Температура воздуха

    Температура воздуха

    Важное свойство любого газа (включая воздух) – температура.У нас есть некоторый опыт работы с температура, которой у нас нет, с такими свойствами, как вязкость и сжимаемость. Мы слышали, как метеорологи ежедневно дают значение температуры атмосферы (15 градусов Цельсия, для пример). Мы знаем, что горячий объект имеет высокую температуру, и холодный объект имеет низкую температуру. И мы знаем, что температура объекта может измениться, если мы нагреваем объект или охлаждаем его.

    Ученые, однако, должны быть более точными, чем просто описание объект как «горячий» или «холодный».Целая область физики, называемая термодинамика, посвящена изучению температура предметов и поток тепла между предметами разной температуры. Мы включаем некоторые основы термодинамики в Руководстве для начинающих, чтобы помочь вам лучше понять двигатели и силовые установки. Мы также включает интерактивный симулятор чтобы вы могли изучить, как температура меняется с высотой через атмосфера.

    Есть два способа посмотреть на температуру: (1) малая шкала действие отдельных молекул воздуха и (2) крупномасштабное действие газ в целом.Начиная с мелкомасштабной акции, начиная с кинетическая теория газов, газ состоит большое количество молекул, которые очень малы по сравнению с расстояние между молекулами. Молекулы находятся в постоянном, случайном движение и часто сталкиваются друг с другом и со стенками любой контейнер. Молекулы обладают физическими свойствами массы, импульс и энергия. Импульс одной молекулы равен произведение его массы на скорость, а кинетическая энергия равна единице половина массы, умноженной на квадрат скорости (как показано слева вышеприведенного рисунка).Для двухатомных газов таких как кислород и азот, в котором молекулы состоят из пар атомов, Энергия также может накапливаться в вибрации и вращении атомов. друг о друге. Мы покажем на отдельном слайде, что температура газа напрямую связана со средней поступательной кинетическая энергия молекул. В горячем газе молекулы движутся быстрее, чем в холодном газе. Тогда можно было бы ожидать, что время между молекулярными столкновениями уменьшится и что импульс сообщается контейнеру (что связано с давлением газа) будет увеличиваться в горячем газе.

    В более широком масштабе температура газа представляет собой нечто которые мы можем качественно определить с помощью наших органов чувств. Мы можем чувствовать что один газ горячее другого газа и, следовательно, имеет более высокую температура. Но определить температуру количественно , чтобы присвоить номер, мы должны использовать некоторые принципы из термодинамика:

    1. Первый принцип заключается в том, что температура объект может влиять на некоторые свойства объекта (такие как длина твердого тела, или давление газа в закрытом сосуде, или электрическое сопротивление провода).(Вы можете исследовать эффекты температура по давлению газа при оживленном газе лаборатория).
    2. Второй принцип – это определение термодинамического равновесие между двумя объектами. Два объекта находятся в термодинамическом равновесие, когда они имеют одинаковую температуру.
    3. И последний принцип заключается в том, что если два объекта разных температур контактируют с одним другой, они в конечном итоге установят термодинамическую равновесие.(Слово «в конце концов» важно. материалы достигают равновесия через очень долгое время, в то время как проводящие материалы очень быстро достигают равновесия.)

    С помощью этих трех термодинамических принципов мы можем построить прибор для измерения температуры, термометр , который назначает число к температуре объекта. Когда термометр стоит соприкасаясь с другим объектом, он быстро устанавливает термодинамическое равновесие.Измеряя термодинамическое воздействие на свойства термометра при некоторых фиксированных условиях (например, температура кипения и замерзания воды) мы можем установить шкалу для присвоения значений температуры.

    Число, присвоенное температуре, зависит от того, что мы выбираем в качестве эталонного условия. Так возникло несколько различных температурных шкал. Шкала по Цельсию , обозначенная a C использует точку замерзания чистой воды как нулевую точку и точку кипения как 100 градусов с линейной шкалой между этими крайними значениями.Шкала по Фаренгейту , обозначенная с F гораздо более запутанно. Первоначально он использовал точку замерзания моря воды как нулевой точки и точки замерзания чистой воды как 30 градусов, что сделало температура здорового человека равна 96 градусов. По этой шкале температура кипения чистого вода была 212 градусов. Поэтому он настроил шкалу так, чтобы температура кипения чистой воды была 212. и точка замерзания чистой воды 32, что давало 180 градусов между двумя опорными точками.180 градусов были выбраны (как и для круга), потому что они без остатка делятся на 2, 3, 4, 5 и 6. По новой шкале температур тепло здорового человека составляет 98,6 градусов по Фаренгейту. 100 градусов по Цельсию и 180 градусов по Фаренгейту между одинаковыми эталонными условиями:

    1 градус С = 1 градус Фаренгейта * 100/180 = 1 градус Фаренгейта * 5/9

    Поскольку шкалы начинаются с разных нулевых точек, мы можем преобразовать температуру на Шкала Фаренгейта (TF) к температуре по шкале Цельсия (TC) с помощью этого уравнения:

    ТФ = 32 + (9/5) * ТС

    Конечно, у вас могут быть температуры ниже точки замерзания воды, и они назначаются отрицательные числа.Когда ученые начали изучать самую низкую возможную температуру, они определили абсолютный ноль , при котором молекулярная кинетическая энергия минимальна (но не строго равна нулю!). Они обнаружили, что это значение равно -273,16 градуса Цельсия. Используя эту точку в качестве новой нулевой точки, мы может определить другую температурную шкалу, называемую абсолютной температурой . Если мы сохраним чтобы размер одного градуса совпадал со шкалой Цельсия, мы получаем температурную шкалу который был назван в честь лорда Кельвина и обозначен K .Затем:

    К = С + 273,16

    Существует аналогичная абсолютная температура, соответствующая градусу Фаренгейта. Он назван в честь ученого Рэнкина и обозначенного R .

    Р = F + 459,69

    Абсолютные температуры используются в уравнение состояния, вывод переменных состояния энтальпия и энтропия и определение скорость звука.Температура, как и давление, является скалярной величиной ; у него нет направления связанные с ним. Он имеет только одно значение в каждом месте в газе. значение может меняться от места к месту, но нет направления, связанного с температура.




    Экскурсии с гидом

    Руководство для начинающих по аэродинамике
    Руководство для начинающих по движению
    Руководство для начинающих по моделированию ракет
    Руководство по воздушным змеям для начинающих
    Руководство для начинающих по аэронавтике


    Наверх

    Перейти…

    Домашняя страница руководства для начинающих

    Бенсон
    Пожалуйста, присылайте предложения/исправления по адресу: [email protected]

    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.