§ 2. Температура и способы ее измерения

Определения и обозначения

Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела и связанная со средней кинетической энергией хаотического движения его частиц. Проще говоря, она помогает сравнить тепловое состояние тел. Температуру записывают, например, как 18 °C, где °C — градус Цельсия.

Тепловое равновесие — состояние тел, при котором при контакте между ними не происходит направленной передачи энергии и их температуры одинаковы. Это понятие помогает понять, когда прекращается изменение показаний термометра. Равновесие устанавливается не мгновенно, а спустя некоторое время.

Термометр — прибор для измерения температуры, действие которого основано на изменении физических свойств вещества или тела. Такие изменения можно заметить и связать с числовым значением по шкале. Термометр нужен, когда ощущений недостаточно для точного определения температуры.

Шкала Цельсия — шкала температур, в которой за основные ориентиры приняты температуры таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении: 0 °C и 100 °C. Она позволяет одинаково записывать и сравнивать результаты измерений. Например, 27 °C означает температуру на двадцать семь градусов выше нуля по этой шкале.

Как это устроено

Если соприкоснуть тела с разными температурами, их частицы взаимодействуют, и энергия передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Это происходит потому, что тепловое движение частиц и взаимодействие между ними меняют состояние обоих тел. Более нагретое тело обычно охлаждается, а менее нагретое — нагревается. Передача энергии прекращается как направленный процесс, когда температуры сравниваются и устанавливается тепловое равновесие.

Температура связана с движением частиц, из которых состоит вещество. Частицы непрерывно и беспорядочно движутся, сталкиваются и взаимодействуют; средняя кинетическая энергия описывает энергию их движения. При более высокой температуре эта средняя энергия больше, поэтому тело в среднем нагрето сильнее. Речь идёт именно о среднем движении множества частиц, а не о скорости одной выбранной частицы.

На ощупь нельзя надёжно определить температуру, потому что кожа сообщает об ощущении, а не о точном числовом значении. На восприятие влияет не только температура предмета, но и скорость передачи энергии между ним и рукой. Поэтому предметы одинаковой температуры могут казаться разными, а ощущение одного человека может отличаться от ощущения другого. Термометр помогает заменить субъективное впечатление измерением по шкале.

В жидкостном термометре есть резервуар с жидкостью и узкая трубка со шкалой. При нагревании жидкость расширяется, занимает больший объём и поднимается по трубке; при охлаждении она сжимается и опускается. Поскольку трубка узкая, даже небольшое изменение объёма заметно по положению столбика. Деления шкалы позволяют определить, какому значению температуры соответствует это положение.

Шкалу Цельсия градуируют, используя два температурных ориентира: таяние льда обозначают 0 °C, а кипение воды при нормальном атмосферном давлении — 100 °C. Промежуток между этими отметками делят на равные части и продолжают шкалу выше и ниже. Термометр до измерения может быть теплее или холоднее тела, поэтому его показание сначала меняется. Снимать его следует, когда температура прибора и тела сравнялась и столбик перестал перемещаться.

Способы измерения температуры

Таблица показывает, что термометры отличаются тем, какое свойство используют для измерения. Выбирай прибор по объекту и условиям: например, бесконтактный удобен, когда касаться поверхности нельзя. В любом случае учитывай инструкцию и дожидайся корректного результата.

Разбор задач

Задача 1. Термометр показывает 18 °C. Запишите значение температуры с обозначением единицы измерения. Здесь число уже дано, поэтому вычисления не требуются. Нужно лишь перенести показание и сохранить единицу шкалы, чтобы запись однозначно описывала температуру.

1. Находим показание прибора: 18.
2. Указываем единицу, в которой проградуирована шкала: °C.
3. Записываем число и единицу вместе.

Ответ: 18 °C.

Задача 2. Жидкость в термометре поднялась от отметки 20 °C до отметки 27 °C. На сколько градусов изменилась температура? Важно не принять конечное показание за изменение: оно сообщает, какой стала температура. Чтобы узнать именно изменение, сравним конечное и начальное значения.

1. Записываем начальную температуру: 20 °C, конечную: 27 °C.
2. Вычитаем начальное значение из конечного: 27 − 20 = 7.
3. Так как результат положительный, температура повысилась на 7 градусов.

Ответ: температура изменилась на 7 °C.

Задача 3. Термометр с делениями через 1 °C поместили в воду. Сначала он показывал 22 °C, а затем столбик жидкости перестал перемещаться на отметке 36 °C. Определите установившуюся температуру воды и объясните, почему показание сняли не сразу. Сначала прибор имел температуру 22 °C, отличную от температуры воды, поэтому между ними передавалась энергия. Пока шёл этот процесс, менялась температура термометра и положение столбика.

1. Находим отметку, на которой столбик остановился: 36 °C.
2. Остановка показывает, что положение столбика больше не меняется, то есть термометр достиг теплового равновесия с водой.
3. В равновесии температуры термометра и воды одинаковы, поэтому используем установившееся показание, а не начальное.

Ответ: температура воды равна 36 °C. Показание сняли не сразу, потому что термометру потребовалось время для установления теплового равновесия с водой.

Типичные ошибки

Путать температуру с количеством теплоты. Температура описывает состояние тела, а теплота связана с передачей энергии между телами. Путаница возникает потому, что в быту говорят о «большом количестве тепла» и о высокой температуре как будто об одном и том же. Проверь себя: спрашивают о показании термометра или о передаче энергии?

Считать, что термометр мгновенно показывает температуру тела. В начале контакта прибор может иметь другую температуру, поэтому его показания меняются. Ошибку допускают, если считывают результат сразу после помещения термометра в среду. Проверь, перестал ли столбик двигаться или стабилизировалось ли показание на дисплее.

Доверять только ощущениям при определении температуры. Ощущения зависят от теплообмена с кожей и не дают точного числового значения. Кажется, что прикосновение сразу сообщает температуру, но один и тот же предмет может восприниматься по-разному. Для проверки используй термометр и считай показание после ожидания.

Путать деление шкалы с её числовым значением. Деление показывает шаг шкалы, а температура определяется местом, где находится столбик. Ошибка возникает, когда считают промежутки невнимательно или принимают один шаг за всё показание. Проверь, от какой отметки ведёшь отсчёт, и укажи единицу °C.

Записывать температуру без единицы или путать её с обозначением величины. Число без °C не сообщает, в каких единицах сделано измерение, а °C обозначает градусы Цельсия, не саму температуру. Такую ошибку легко допустить при переписывании результата. Проверь, что рядом с числом стоит единица, например 18 °C.

Связь с другими темами

Чтобы понять температуру, нужно знать, что вещества состоят из частиц и частицы непрерывно движутся. Представление об энергии и её передаче объясняет, почему тело нагревается или охлаждается при контакте с другим телом. Эти знания пригодятся при изучении тепловых явлений и изменения агрегатных состояний, например плавления и кипения. Температура также помогает описывать нагревание и охлаждение при разных способах передачи энергии.

Что запомнить

• Температура характеризует степень нагретости тела.
• Температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц.
• При тепловом контакте энергия передаётся от тела с более высокой температурой к телу с более низкой.
• При тепловом равновесии температуры соприкасающихся тел одинаковы.
• Жидкостный термометр работает благодаря тепловому расширению или сжатию жидкости.
• Показание термометра снимают после установления теплового равновесия.
• Температуру по шкале Цельсия записывают в градусах Цельсия (°C).