Что такое температура в физике определение: Температура

Содержание

Температура | Физика

При изучении механики нас интересовало движение тел. Теперь мы рассмотрим явления, связанные с изменением свойств покоящихся тел. Мы будем изучать нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов, кипение воды и т. д. Подобные явления называют тепловыми явлениями.

Мы знаем, что при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей. Вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается. Воздух, окружающий батареи с горячей водой, нагревается и т. д.

Словами «холодный», «теплый», «горячий» мы обозначаем тепловое состояние тел. Величиной, характеризующей тепловое состояние тел, является температура.

Всем известно, что температура горячей воды выше температуры холодной. Зимой температура воздуха на улице ниже, чем летом.

Приборы, служащие для измерения температуры, называются термометрами. Один из них изображен на рисунке 58. Действие такого термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении уменьшается Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С).

А. Цельсий (1701 —1744) —шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за 100 градусов — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Некоторые из температур, встречающиеся в при-Рис. 58 роде и технике, можно найти в таблице 7.

Следует помнить, что любой термометр всегда показывает свою собственную температуру. Для определения температуры среды термометр следует поместить в эту среду и подождать до тех пор, пока температура прибора не перестанет изменяться, приняв значение, равное температуре окружающей среды. При изменении температуры среды будет изменяться и температура термометра.

Несколько иначе действует медицинский термометр, предназначенный для измерения температуры тела человека. Он относится к так называемым максимальным термометрам, фиксирующим наибольшую температуру, до которой они были нагреты. Измерив свою собственную температуру, вы можете заметить, что, оказавшись в более холодной (по сравнению с человеческим телом) среде, медицинский термометр продолжает показывать прежнее значение. Чтобы вернуть столбик ртути в исходное состояние, этот термометр необходимо встряхнуть.

С лабораторным термометром, используемым для измерения температуры среды, этого делать не нужно.

Первый жидкостный термометр был изобретен в 1631 г. французским физиком Ж. Реем. Однако, научившись измерять температуру, люди не понимали, что же именно они измеряют. Вопрос о том, что такое температура, оказался очень сложным. Чем, например, горячая вода отличается от холодной? В течение долгого времени на этот вопрос не было ясного ответа.
Сегодня мы знаем, что при любой температуре вода состоит из одних и тех же молекул. Тогда что именно изменяется в воде при увеличении ее температуры?

Обратимся к опыту. Возьмем два куска сахара и один из них бросим в холодную воду, а другой — в кипяток. Мы увидим, что в горячей воде сахар растворится значительно быстрее. Растворение происходит из-за диффузии. Таким образом, диффузия при более высокой температуре происходит быстрее, чем при низкой.

Но причиной диффузии является движение молекул. Значит, между скоростью движения молекул и температурой тела есть связь: в теле с большей температурой молекулы движутся быстрее.

Например, средняя скорость молекул кислорода при 0 °С составляет 425 м/с, а при 20 °С она равна 440 м/с. Подчеркнем, что температура определяется именно средней скоростью молекул. Скорости движения отдельных молекул тела отличаются друг от друга и при заданной температуре могут быть как больше средней, так и меньше ее.

Но температура зависит не только от средней скорости молекул. Так, например, кислород, средняя скорость движения молекул которого составляет 440 м/с, имеет температуру 20 °С, а азот при той же средней скорости молекул имеет температуру 16 °С. Меньшая температура азота обусловлена тем, что молекулы азота легче молекул кислорода. Таким образом, температура вещества определяется не только средней скоростью движения его молекул, но и их массой.

Мы знаем величины, которые зависят как от скорости, так и от массы частицы. Это — импульс и кинетическая энергия. Учеными установлено, что именно кинетическая энергия молекул определяет температуру тела:

температура является мерой средней кинетической энергии частиц тела; чем больше эта энергия, тем выше температура тела.

Итак, при нагревании тел средняя кинетическая энергия молекул увеличивается, и они начинают двигаться быстрее; при охлаждении энергия молекул уменьшается, и они начинают двигаться медленнее.

Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением. Тепловое движение отличается от обычного механического движения тем, что его интенсивность зависит от температуры тела и в нем всегда участвует очень много частиц, движущихся по очень сложным и запутанным траекториям.

1. Какие тепловые явления вы знаете? 2. Как протекает диффузия при разных температурах? 3. Как температура вещества зависит от средней скорости молекул и их массы? 4. Мерой чего является температура тела? 5. Чем отличается горячая вода от холодной? 6. В каком растворе — горячем или голодном — быстрее просаливаются огурцы? Почему? 7. Что такое тепловое движение? Почему оно так называется? Чем оно отличается от механического движения тел? 8. На чем основано действие термометров? 9. Когда и кем был изобретен первый жидкостный термометр?

Физика Температура и тепловое равновесие. Определение температуры

Материалы к уроку

Конспект урока

Для описания процессов в газах и других макроскопических телах необязательно все время обращаться к молекулярно-кинетической теории. Поведение макроскопических тел, в частности газов, можно охарактеризовать макроскопическими параметрами.
Макроскопические параметры — это параметры, относящиеся ко всему газу в целом, а не к отдельным молекулам. К таким параметрам относятся температура t, давление p и объем V.
Так, газ данной массы всегда занимает некоторый объем, имеет определенные давление и температуру. Объем и давление представляют собой механические величины, которые помогают описывать состояние газа. Температура в механике не рассматривается, так как она характеризует внутреннее состояние тела.
Понятие температура занимает центральное место во всем учении о тепловых явлениях. Все мы хорошо знаем различие между холодными и горячими телами. На ощупь мы определяем, какое тело нагрето сильнее, т.е. это тело имеет более высокую температуру. Температура характеризует степень нагретости тела (холодное, теплое, горячее). Ее можно измерить с помощью термометра. В его устройстве использовано свойство тел изменять объем при нагревании или охлаждении.

Для измерения температуры тела человека нужно подержать медицинский термометр под мышкой 5-8 мин.

За это время ртуть в термометре нагревается, уровень ее повышается, и по длине столбика ртути можно определить температуру. Термометр никогда не покажет температуру тела или вещества сразу же после того, как он соприкоснулся с ним. Необходимо время для того, чтобы температуры тела и термометра выровнялись, и между телами установилось тепловое равновесие, при котором температура перестанет изменяться.
Тепловое равновесие с течением времени устанавливается между любыми телами, имеющими различную температуру. Бросьте в стакан с водой кусочек льда и закройте стакан плотной крышкой. Лед начнет плавиться, а вода охлаждаться. Когда лед растает, вода начнет нагреваться: после того как она примет температуру окружающего воздуха, никаких изменений внутри стакана с водой происходить не будет.

Из этих простых наблюдений можно сделать вывод о существовании очень важного общего свойства тепловых явлений. Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

Тепловым равновесием называют такое состояние тел, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что в системе не меняются объем и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют взаимные превращения газов, жидкостей, твердых тел. Например, не меняется объем столбика ртути в термометре, т. е. температура системы остается постоянной.
Но микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии: меняются положения молекул, их скорости при столкновениях.
Система макроскопических тел может находиться в различных состояниях. В каждом из состояний температура имеет свое, строго определенное значение. Другие физические величины системы могут иметь разные значения в состоянии теплового равновесия, которые с течением времени не меняются. Объемы различных частей системы и давления внутри них при наличии твердых перегородок могут быть разными. Например, рассмотрим систему: воздух в резиновом мяче и воздух в комнате, где находится мяч.

Если вы внесете с улицы мяч, наполненный сжатым воздухом, то спустя некоторое время температура воздуха в мяче и комнате выровняется. Давление же воздуха в мяче все равно будет больше комнатного.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
При одинаковых температурах двух тел между ними не происходит теплообмена. Если же температуры тел различны, то при установлении между ними теплового контакта будет происходить обмен энергией. Тело с большей температурой будет отдавать энергию телу с меньшей температурой. Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними.
Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины, в зависимости от температуры, изменением объема, давления, электрического сопротивления и т. д.
Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры.

При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении – 760 миллиметров ртутного столба или 105 Па (шкала Цельсия). Шкалу между точками 0 и 100 делят на 100 равных частей, называемых градусами. Перемещение столбика жидкости на одно деление соответствует изменению температуры на 1°С.
Но различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, поэтому установленная таким образом шкала будет зависеть от свойств данной жидкости, расстояния на шкале между 0 и 100°С будут различны для спиртового и ртутного термометров.
Перед физиками встал вопрос: какое же вещество выбрать для того, чтобы избавиться от этой зависимости?
Было замечено, что в отличие от жидкостей, все разреженные газы — водород, гелий, кислород — расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют свое давление при изменении температуры.

Поэтому в физике для установления рациональной температурной шкалы используют изменение давления определенного количества разреженного газа при постоянном объеме или изменение объема при постоянном давлении.

Такую шкалу иногда называют идеальной газовой шкалой температур.
Сейчас мы подробно рассмотрим, как можно использовать газы для определения температуры.
Температура позволяет отличать одно состояние теплового равновесия от другого. Это очень важно для физики. При тепловом равновесии средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул всех газов одинакова. Убедимся в этом. Возьмем сосуд, разделенный пополам перегородкой, проводящей тепло. В одну половину сосуда поместим кислород, а в другую — водород, имеющие разную температуру. Спустя некоторое время газы будут иметь одинаковую температуру, не зависящую от рода газа, т. е. будут находиться в состоянии теплового равновесия. Для определения температуры выясним, какая физическая величина в молекулярно-кинетической теории обладает таким же свойством.

Помним, что, чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура тела. При нагревании газа в замкнутом сосуде давление газа возрастает. Согласно же основному уравнению молекулярно-кинетической теории давление газа p прямо пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул.

Пэ равно две третьих ЭН умножить на Е.
При тепловом равновесии, если давление газа данной массы и его объем фиксированы, средняя кинетическая энергия молекул газа должна иметь строго определенное значение, как и температура.
Предположим, что при тепловом равновесии именно средние кинетические энергии молекул всех газов одинаковы. Но так это предположение, его нужно экспериментально проверить. Практически такую проверку произвести невозможно, так как измерить среднюю кинетическую энергию молекул очень трудно. Но с помощью основного уравнения молекулярно-кинетической теории ее можно выразить через макроскопические параметры.

Так как концентрация молекул газа ЭН равна отношению общего числа молекул ЭН (большое) к объему Вэ, то из уравнения под номером один получаем давление Пэ равно две третьих ЭН деленное на Вэ и умножить на кинетическую энергию Е,
или Пэ умноженное на отношение объема Вэ к числу молекул ЭН равно две третьих Е.
Давление p и объем V измеряем непосредственно с помощью приборов.

Число молекул N можно определить, зная массу газа m, постоянную Авогадро NA и молярную массу M по формуле ЭН равно произведению отношения массы вещества ЭМ к молярной массе 1 молекулы на число Авогадро ЭН А.
Если кинетическая энергия действительно одинакова для всех газов в состоянии теплового равновесия, то и величина p должна быть тоже одинаковой для всех газов. Проверим данное предположение.
Возьмем несколько сосудов, заполненных различными газами, например, водородом, гелием и кислородом. Сосуды имеют определенные объемы и снабжены манометрами. Это позволяет измерить давление в каждом сосуде. Массы газов известны, тем самым известно число молекул в каждом сосуде.
Приведем газы в состояние теплового равновесия. Для этого поместим их в тающий лед и подождем, пока не установится тепловое равновесие и давление газов перестанет меняться. После этого можно утверждать, что все газы имеют одинаковую температуру 0°С. Давления газов p, их объемы V и число молекул N различны.

Найдем отношение: Пэ умножить на Вэ деленное на ЭН для водорода.
Пусть, водород, количество вещества которого равно 1 моль, занимает объем Вэ АШ2 равно 0,1 метра в кубе,

то при температуре 0°С давление водорода оказывается равным две целых 265 тысячных на десять в четвертой степени Паскаль.
Найдем отношение произведения давление водорода на объем водорода к числу Авогадро, подставив значение величин. Пэ АШ2 умножить на Вэ АШ2 разделить на ЭН А равно 3,76 умножить на 10 в минус 21 степени Джоулей.
Такое же значение отношения произведения давления газа на его объем к числу молекул получается и для всех других газов при температуре тающего льда. Обозначим это отношение через Ɵ₀ (тета нулевое), т.е. при нуле градусов Цельсия. Тогда отношение произведения давление водорода на объем водорода к числу молекул водорода будет равно отношение произведения давление гелия на объем гелия к числу молекул гелия будет равно отношение произведения давление кислорода на объем кислорода к числу молекул кислорода будет равно тета нулевое.

Тета нулевое равно 3,76 умножить на 10 в минус 21 степени Джоулей.
Таким образом, наше предположение оказалось верным.
Правда, соотношение под номером три (3) не является абсолютно точным. При давлениях в сотни атмосфер, когда газы становятся весьма плотными, отношение Пэ умноженное на Вэ деленное на ЭН
перестает быть строго определенным, не зависящим от занимаемых газами объемов. Оно выполняется для газов, когда их можно считать идеальными.
Если же сосуды с газами поместить в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, то данное отношение по-прежнему будет одним и тем же для всех газов, но больше, чем предыдущее. Как показывает опыт, это отношение Пэ умноженное на Вэ деленное на ЭН равно тета (при ста градусах Цельсия) и равно 5,14 умножить на 10 в минус 21 степени Джоулей.
Можно утверждать, что величина Ɵ (тета) растет с повышением температуры. Более того, Ɵ (тета) ни от чего кроме температуры не зависит. Ведь для идеальных газов Ɵ (тета) не зависит ни от рода газа, ни от его объема или давления, а также от числа частиц в сосуде и формы самого сосуда.

Этот опытный факт позволяет рассматривать величину Ɵ (тета) как естественную меру температуры, определяемую через другие макроскопические параметры газа. В принципе можно было бы считать температурой и саму величину Ɵ (тета) и измерять температуру в энергетических единицах — джоулях. Но, во-первых, это неудобно для практического использования (температуре 100°С) соответствовала бы очень малая величина — порядка 10-21 Дж (10 в минус 21 степени Джоулей)), а во-вторых, и это главное, уже давно принято выражать температуру в градусах.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Температура | Определение, шкалы, единицы и факты

термометр

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:: Джордж Доллонд Перси Уильямс Бриджмен Сэр К. Вивилл Томсон HL Callendar Гийом Амонтон

Похожие темы:: термометр инверсия температуры скорость отклонения полный ноль холодный ветер

Просмотреть весь связанный контент →

Температура (физика): определение, формула и примеры

Возможно, у вас уже есть интуитивное ощущение, что температура является мерой «холодности» или «горячости» объекта. Многие люди одержимы проверкой прогноза погоды, чтобы знать, какой будет температура в течение дня. Но что на самом деле означает температура в физике?

Определение температуры

Температура – это мера средней кинетической энергии на молекулу вещества. Оно отличается от теплоты, хотя эти две величины тесно связаны. Теплота — это энергия, передаваемая между двумя телами при разных температурах.

Любое физическое вещество, которому вы могли бы приписать свойство температуры, состоит из атомов и молекул. Эти атомы и молекулы не остаются неподвижными даже в твердом теле. Они постоянно двигаются и трясутся, но движение происходит в таком маленьком масштабе, что вы его не видите.

Как вы, вероятно, помните из своего изучения механики, у движущихся объектов есть форма энергии, называемая кинетической энергией , которая связана как с их массой, так и с тем, как быстро они движутся. Поэтому, когда температура описывается как средняя кинетическая энергия на молекулу, описывается энергия, связанная с этим молекулярным движением.

Температурные шкалы

Существует множество различных шкал, по которым можно измерять температуру, но наиболее распространенными являются Фаренгейты, Цельсия и Кельвины.

Шкала Фаренгейта наиболее знакома тем, кто живет в Соединенных Штатах и некоторых других странах. По этой шкале вода замерзает при 32 градусах по Фаренгейту, а температура кипящей воды составляет 212 градусов по Фаренгейту.

Шкала Цельсия (иногда также называемая стоградусной) используется в большинстве других стран мира. По этой шкале точка замерзания воды равна 0°С, а точка кипения воды равна 100°С.

Шкала Кельвина, названная в честь лорда Кельвина, является научным стандартом. Ноль на этой шкале находится на абсолютном нуле, где останавливается все молекулярное движение. Считается абсолютной температурной шкалой.

Преобразование температурных шкал

Для преобразования градусов Цельсия в градусы Фаренгейта используйте следующее соотношение:

T_F = \frac{9}{5}T_C + 32

Где – это температура в градусах Фаренгейта, а T _C – температура в градусах Цельсия. Например, 20 градусов Цельсия эквивалентны:

T_F = \frac{9}{5}20 + 32 = 68\text{ градусов по Фаренгейту.}

следующее:

T_C = \frac{5}{9}(T_F — 32)

Для преобразования из градусов Цельсия в градусы Кельвина формула еще проще, потому что размер приращения один и тот же, и они просто имеют разные начальные значения:

Т_К=Т_С+273,15

Во многих выражениях термодинамики важной величиной является ΔT (изменение температуры), а не сама абсолютная температура. Поскольку градус Цельсия имеет тот же размер, что и приращение по шкале Кельвина, ΔT _K = ΔT _C , это означает, что в этих случаях эти единицы могут использоваться взаимозаменяемо. Однако в любое время, когда требуется абсолютная температура, она должна быть в градусах Кельвина.

Теплопередача

Когда два объекта с разной температурой соприкасаются друг с другом, происходит теплопередача, при которой тепло передается от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Этот перенос происходит из-за столкновений между молекулами с более высокой энергией в горячем объекте с молекулами с более низкой энергией в более холодном объекте, передавая им энергию в процессе до тех пор, пока не произойдет достаточно случайных столкновений между молекулами в материалах, чтобы энергия равномерно распределяется между объектами или веществами. В результате достигается новая конечная температура, которая находится между исходными температурами горячего и холодного объектов.

Другой способ представить это состоит в том, что общая энергия, содержащаяся в обоих веществах, в конечном итоге равномерно распределяется между веществами.

Конечную температуру двух тел при различных начальных температурах, когда они достигают теплового равновесия, можно найти, используя соотношение между тепловой энергией Q , удельной теплоемкостью c , массой m и изменение температуры определяется следующим уравнением:

Q = mc\Delta T

Пример: Предположим, 0,1 кг медных монет ( c _c = 390 Дж/кгK) при 50 градусах Цельсия брошены в 0,1 кг воды ( c _w  4186 Дж/кгК) при 20 градусах Цельсия. Какой будет конечная температура после установления теплового равновесия?

Решение: Учтите, что количество тепла, подводимого к воде от монет, будет равно количеству тепла, отводимого от монет. Итак, если вода поглощает тепло Q _w где:

Q_w = m_wc_w\Delta T_w

Затем для медных монет:

Q_c=-Q_w = m_cc_c\Delta T_c

Это позволяет записать соотношение:

Затем вы можете использовать тот факт, что и медные монеты, и вода должны иметь одинаковую конечную температуру, T _f , так что:

\Delta T_c=T_f-T_{ic}\\ \Delta T_w=T_f-T_{iw}

Подставив эти ΔT выражений в предыдущее уравнение, вы сможете найти Т _ф . Немного алгебры дает следующий результат:

T_f = \frac{m_cc_c T_{ic}+m_wc_w T_{iw}}{m_cc_c+m_wc_w}

Подстановка значений дает:

Примечание: если вы удивлены что значение так близко к начальной температуре воды, учтите существенные различия между удельной теплоемкостью воды и удельной теплоемкостью меди. Для изменения температуры воды требуется гораздо больше энергии, чем для изменения температуры меди.

Как работают термометры

Старомодные ртутные термометры со стеклянной колбой измеряют температуру, используя свойства ртути при тепловом расширении. Ртуть расширяется, когда она теплая, и сжимается, когда она холодная (и в гораздо большей степени, чем стеклянный термометр, в котором она находится). Таким образом, когда ртуть расширяется, она поднимается внутри стеклянной трубки, что позволяет проводить измерения.

Пружинные термометры – те, которые обычно имеют круглую поверхность с металлической стрелкой – также работают по принципу теплового расширения. Они содержат кусок свернутого металла, который расширяется и охлаждается в зависимости от температуры, заставляя указатель двигаться.

Цифровые термометры используют чувствительные к теплу жидкие кристаллы для запуска цифровых индикаторов температуры.

Связь между температурой и внутренней энергией

В то время как температура является мерой средней кинетической энергии на молекулу, внутренняя энергия представляет собой сумму всех кинетических и потенциальных энергий молекул.

Что такое температура в физике определение: Температура | Физика