"Физика (базовый уровень)", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Температура характеризует тепловое состояние тела и позволяет сравнивать, насколько тела нагреты. При контакте тела обмениваются энергией, пока их температуры не станут одинаковыми: это состояние называют тепловым равновесием. Термометр измеряет собственную температуру, поэтому ему нужно время для равновесия с исследуемым телом. Для записи результатов используют шкалы Цельсия и Кельвина, связанные формулой T = t + 273,15.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Температура — физическая величина, характеризующая состояние теплового равновесия тел. Она позволяет сравнивать, насколько тела нагреты: тело с большей температурой называют более нагретым. Температура обозначается t в шкале Цельсия и T в шкале Кельвина.
Тепловое равновесие — состояние соприкасающихся тел, при котором их температуры одинаковы и не меняются со временем. Это означает, что направленный обмен энергией между телами прекратился. Понятие нужно, чтобы определить момент, когда температура уже установилась.
Термометр — прибор для измерения температуры. Он показывает не температуру тела непосредственно, а собственную температуру, поэтому должен прийти в тепловое равновесие с телом. Благодаря термометру субъективные ощущения заменяются числовым измерением.
Температурная шкала сопоставляет выбранным состояниям вещества определённые числа и единицы измерения. Для построения шкалы используют опорные точки, например замерзание и кипение воды при нормальном давлении, а расстояние между значениями делят на равные части. Так можно одинаково записывать и сравнивать результаты измерений.
При контакте тел происходит обмен энергией: частицы более нагретого тела в среднем передают энергию частицам менее нагретого. Поэтому первое тело остывает, а второе нагревается. Процесс продолжается, пока температуры не сравняются; после этого направленного теплообмена уже нет и устанавливается тепловое равновесие.
Определять температуру только на ощупь нельзя, потому что ощущения зависят от состояния кожи и предыдущего контакта с предметами. Одна и та же поверхность может казаться холодной после тёплой и тёплой после холодной. Термометр устраняет такую зависимость и даёт воспроизводимое числовое значение.
Работа термометра основана на физическом свойстве, которое изменяется с температурой. В жидкостном приборе при нагревании расширяется жидкость и поднимается её столбик, а при охлаждении он опускается. В электронных термометрах используют зависимость электрического сопротивления или другого электрического параметра от температуры.
Чтобы измерить температуру тела, термометр приводят с ним в контакт и ждут установления теплового равновесия. Если прибор слишком быстро вынуть, его температура может ещё отличаться от температуры тела. Измерение считают завершённым после стабилизации показания, то есть когда оно перестаёт заметно изменяться.
Температуру выражают в градусах Цельсия или кельвинах. Шкала Кельвина начинается от абсолютного нуля — минимально возможной температуры, равной 0 K; это соответствует −273,15 °C. Связь шкал задаётся формулой T = t + 273,15, где T — температура в кельвинах, а t — температура в градусах Цельсия.
| Характеристика | Шкала Цельсия | Шкала Кельвина |
|---|---|---|
| Обозначение температуры | t | T |
| Единица измерения | градус Цельсия (°C) | кельвин (K) |
| Температура замерзания воды при нормальном давлении | 0 °C | 273,15 K |
| Абсолютный нуль | −273,15 °C | 0 K |
| Связь значений температур | t = T − 273,15 | T = t + 273,15 |
Сначала найдите в таблице нужную физическую величину и её обозначение, а затем выберите соответствующую единицу. Для перевода из градусов Цельсия в кельвины прибавляют 273,15, а для обратного перевода вычитают это число. Величина одного градуса Цельсия и одного кельвина одинакова, но нули шкал расположены по-разному.
Температура воздуха равна 18 °C. Требуется выразить её в кельвинах. Нужно использовать связь шкал, а не менять значение умножением.
Ответ: 18 °C = 291,15 K.
Термометр опустили в воду, и его показание сначала менялось, а затем стало постоянным. Нужно определить, когда температура воды измерена. Изменение показания показывает, что температуры воды и прибора пока различаются.
Ответ: температуру воды можно считать измеренной после стабилизации показания термометра.
При 0 °C длина столбика равна 0 см, а при 100 °C — 20 см. Найдём показание при 30 °C, считая зависимость линейной. Линейность означает, что одинаковому изменению температуры соответствует одинаковое изменение длины столбика.
Ответ: при 30 °C термометр покажет 6 см.
Ошибка: считать, что термометр сразу показывает температуру тела при прикосновении. Её допускают, забывая, что прибор сначала имеет собственную температуру и обменивается энергией с телом. Проверка: дождитесь постоянного показания.
Ошибка: путать температуру с количеством теплоты. Температура характеризует состояние тела, а количество теплоты обозначает энергию, переданную при теплообмене. Проверка: спросите себя, описываете ли вы состояние или процесс передачи энергии.
Ошибка: записывать градусы Цельсия как единицу СИ температуры. В СИ используют кельвин, обозначаемый K без знака градуса, хотя градусы Цельсия тоже применяют в быту и физике. Проверка: для ответа в СИ указывайте именно K.
Ошибка: переводить градусы Цельсия в кельвины умножением на 273,15. Шкалы имеют одинаковый размер деления, но отличаются положением нуля, поэтому используют сложение: T = t + 273,15. Проверка: при 0 °C должен получаться результат 273,15 K.
До изучения темы нужно знать, что тела состоят из частиц и что при контакте возможна передача энергии. Движение и взаимодействие частиц объясняют, почему тела нагреваются и охлаждаются. Это связывает измеряемую температуру с молекулярной картиной вещества.
Понятие теплового равновесия понадобится при изучении теплообмена. По нему определяют, когда процесс установления общей температуры завершён. Оно также помогает анализировать нагревание и охлаждение тел.
Шкала Кельвина используется в молекулярной физике и уравнениях для газов. Её удобно применять там, где важна абсолютная температура и нельзя отсчитывать её от произвольного нуля. Поэтому обозначение T часто встречается в физических формулах.
Почему термометру нужно время, чтобы показать температуру тела?
При контакте термометр и тело обмениваются энергией, поэтому температура прибора постепенно изменяется. Показание становится верным после установления теплового равновесия, когда температура термометра перестаёт меняться.
Можно ли точно определить температуру на ощупь?
Нет, ощущения субъективны и зависят от того, к какой температуре рука привыкла перед этим. Термометр даёт числовое и воспроизводимое значение температуры.
Почему при тепловом равновесии температуры тел одинаковы?
Разность температур вызывает передачу энергии от более нагретого тела к менее нагретому. Когда температуры сравниваются, направленный теплообмен прекращается, поэтому устанавливается тепловое равновесие.
Чем температура отличается от количества теплоты?
Температура описывает тепловое состояние тела. Количество теплоты — это энергия, переданная телу или отданная им во время теплообмена.
Как перевести градусы Цельсия в кельвины?
К значению температуры по шкале Цельсия нужно прибавить 273,15. Используют формулу T = t + 273,15, где T выражено в кельвинах, а t — в градусах Цельсия.
37. Температура. Тепловое равновесие. Термометры
