Температура и термометры

При наблюдении за движением броуновских частиц в капельках холодной и горячей воды, было замечено, что в горячей воде они движутся быстрее, чем в холодной. Это означает, что и сами молекулы воды движутся быстрее в горячей воде.

Возьмем два стальных бруска: один горячий, а другой холодный и приведем их в соприкосновение. Через некоторое время оба бруска станут теплыми. Что же произошло с движением их молекул?

Логично предположить, что молекулы в горячем бруске стали двигаться медленнее, а в холодном, наоборот, быстрее.

При изучении явления диффузии мы обнаружили, что диффузия протекает быстрее в более нагретых веществах. Это мы уже объяснили тем, что в этих веществах движение молекул происходит быстрее.

Следовательно, в более нагретых телах молекулы двигаются быстрее. Для того, чтобы охарактеризовать степень нагретости тела была введена особая физическая величина – температура.

Совершенно ясно, что температура тела связана с быстротой перемещения молекул в теле. При более высокой температуре тела молекулы в нем движутся быстрее, а при более низкой – медленнее.

Исторически сложилось так, что представление о температуре связывалось людьми с ощущениями тепла и холода. Но эти ощущения весьма субъективны. Например, если взять в руки холодные деревянный и железный бруски, то железный нам будет казаться холоднее. Если же взять в руки эти же бруски, но горячие, то железный на ощупь будет казаться более горячим.

Для того, чтобы избежать субъективности в измерении температуры были созданы термометры.

Термометр – это прибор, предназначенный для измерения температуры.

Если в сосуд, разделенный пополам металлической теплопроводящей перегородкой налить кипяток (слева) и холодную воду (справа), то через некоторое время вода справа и слева будет одинаково теплая. Следовательно, при контакте двух или нескольких тел через некоторое время наступает тепловое равновесие, при котором температуры тел становятся одинаковыми. А это дает нам возможность измерить температуру тела: просто необходимо привести в контакт термометр и тело, температуру которого необходимо измерить. Через некоторое время их температуры сравняются, и по шкале термометра мы узнаем температуру тела. Но термометр необходимо изготавливать так, чтобы при соприкосновении с телом, температуру которого мы измеряем, он, принимая температуру тела, не нагревал бы его или не охлаждал.

Первые попытки измерить температуру были предприняты в 1592 году Г.Галилеем, который сконструировал прибор, названный им термоскопом. Он представлял собой стеклянную колбу, величиной с куриное яйцо с тонким длинным горлышком. Горлышко помещалось в чашу с водой (рис.2.30).

рис.2.30 (термоскоп 8 кл пинский стр.66)

Уровень воды в трубке находился примерно посередине ее длины. При нагревании колбы уровень воды в горлышке понижается, а при охлаждении повышается. Термоскоп Галилея был очень чувствителен к изменению температуры.

В настоящее время широко используются жидкостные термометры, в которых для регистрации температуры используют свойство жидкостей расширяться при нагревании. Чаще всего для этих целей используют ртуть или подкрашенный спирт.

Проведем опыт 1. Возьмем резиновую пробку с пропущенной сквозь нее узкой стеклянной трубкой и вставим ее в колбу, в которой находится подкрашенная вода. Если нагревать колбу с водой, то вода начнет подниматься по трубочке вверх (рис.2.31). Это означает, что вода при нагревании расширяется.

Рис.2.31 (колба с водой рис.3.7 и 3.8 из пинского 8 кл стр.62)

Обычный медицинский термометр (рис.2.32) состоит из небольшого баллона 1, в котором находится ртуть. К баллону припаяна длинная узкая трубочка 2, куда поступает ртуть, расширяющаяся при повышении температуры. Трубочка прикреплена к корпусу, на котором нанесена шкала 3 с делениями, позволяющими измерять температуру в градусах и их десятых долях.

Рис.2.32 (термометр медицинский, лучше фото)

Проведем опыт 2. Нальем в узкую трубку 4 прибора, изображенного на рис.2.33, ртуть так, чтобы она заполняла резиновый шланг 3 и сосуд 2 полностью. Опустив колбу 1 прибора в горячую воду, мы увидим, что ртуть вытесняется из сосуда 2. Это можно объяснить тем, что газ в колбе 1 нагрелся и стал сильнее давить на ртуть, находящуюся в сосуде 2, и вытесняет ее из него. Данный опыт показывает, что давление газа на стенки сосуда возрастает с ростом температуры.

Это свойство используют при измерении температуры при помощи газовых термометров, один из которых изображен на рис. 2.33

Рис.2.33 (газовый термометр)

Газовые термометры самые точные термометры. Чем выше поднимется ртуть в стеклянной трубке 4, тем больше температура окружающего воздуха. Неудобство газового термометра состоит в том, что он громоздок и неудобен.

Совершенствованием термометров занимались многие ученые. Каждый из них создавал собственную температурную шкалу, используя в качестве опорных (реперных) точек те, которые они считали наиболее разумными. Выбираются две реперные точки, и расстояние между ними делится на равные части. Так строится температурная шкала термометра. Реперные точки выбирались произвольно, поэтому довольно долго в мире существовало много разных температурных шкал. На современном же этапе используются следующие шкалы:

1. Шкала Фаренгейта. Создана в 1714 году немецким физиком Д.Фаренгейтом. Три реперные точки шкалы: 0^оF – температура особо суровой зимы 1709 года, 32^оF – температура таяния льда, 98^оF – температура человеческого тела. Вода по этой шкале кипит при 212^оF. Она и в нынешнее время используется в Англии и США.

2. Шкала Реомюра. Создана в 1730 году французским физиком Реомюром. Реперные точки: 0^оR – температура таяния льда, 80^оR – температура кипения воды. Применялась во Франции.

3. Шкала Цельсия. Создана в 1742 году шведским астрономом Цельсием. Реперные точки: 0^оС – температура таяния льда, 100^оС – температура кипения дистиллированной воды при нормальном атмосферном давлении. Применяется в большинстве стран.

Соотношения между температурными шкалами изображены на рис.2.34.

Рис.2.34 (рис.3.14 на стр.69 пинский 8 кл)

Первым, кто создал температурную шкалу, в основе которой лежала физика явления, был английский физик Уильям Томсон, получивший за научные заслуги титул барона Кельвина, который в 1848 году ввел шкалу абсолютных температур. Кельвин предложил лишь одну реперную точку: принять равной 0К температуру, при которой полностью прекращается поступательное движение молекул в теле. Эту температуру называют абсолютным нулем температур. Это самая низкая температура, которую даже теоретически нельзя получить. Все остальные температуры будут только положительными. То есть, по шкале Кельвина нет отрицательных температур.

Томсон (Кельвин) Уильям (1824 – 1907) – английский физик. Работал в области термодинамики, гидродинамики, электромагнетизма; доказал невозможность существования «вечного» двигателя; ввел понятие абсолютной температуры и шкалу абсолютных температур; его исследования в области электромагнетизма позволили осуществить трансатлантическую телеграфную связь; изучил теплопроводность различных веществ.

Рис.2.35 (фото Кельвина и биография)

За единицу абсолютной температуры принят 1 К (1 Кельвин). Исследования показали, что один градус по шкале Цельсия равен одному кельвину, т.е. 1^оС = 1 К. По шкале Цельсия 0К соответствует отрицательная температура, равная -273⁰С. Поэтому абсолютная температура (температура по шкале Кельвина) связана с температурой по шкале Цельсия следующим соотношением:

Т= t + 273⁰С. (3.3)

Например, если температура в комнате равна 27⁰С, то по шкале абсолютных температур (шкале Кельвина) она будет равна: Т=27⁰С +273⁰С=300К. Или, если температура воздуха зимой составляет t=-23⁰С, то по шкале Кельвина она будет равна: Т=-23⁰С +273⁰С=250К.

Если же термометр показывает температуру Т=356К, то по шкале Цельсия ей будет соответствовать температура:

t = Т – 273К=356К – 273К= 83⁰С

Существуют и другие виды термометров: электрические, пирометры, биметаллические. С устройством и работой этих термометров вы познакомитесь в старших классах.

Вопросы для самоконтроля:

1. Почему возникла необходимость в измерении температуры тел?

2. Каков физический смысл температуры?

3. Что такое термометр?

4. Какие виды термометров вы знаете?

5. Как работает газовый термометр?

6. Что такое реперные точки? Как они выбираются?

7. Как градуируется шкала термометра?

8. Перечислите известные вам температурные шкалы. В чем состоит их различие?

9. Какая температура называется абсолютной?

10. Какая температура принята за абсолютный нуль температур?