"Физика (базовый уровень)", Касьянов В.А.
Температура характеризует тепловое состояние тела и помогает предсказать, куда будет передаваться энергия при контакте тел. Термометр определяет её по изменению свойств вещества, а достоверные показания устанавливаются после теплового равновесия. В физике используют шкалы Цельсия и Кельвина: их деления одинаковы по размеру, но начало отсчёта у них разное. Связь температур задаётся формулой T = t + 273. На уровне частиц температура связана со средней кинетической энергией их хаотического движения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Температура — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тела и определяющая направление теплообмена при контакте тел. Она помогает предсказать, какое тело будет отдавать энергию, а какое — получать. При сравнении температур важно пользоваться одной и той же шкалой.
Тепловое равновесие — состояние соприкасающихся тел, при котором их температуры одинаковы и теплообмен между ними прекращается. Это понятие объясняет, почему показание термометра со временем перестаёт меняться. В равновесии температура термометра соответствует температуре тела.
Абсолютная температура — температура, отсчитываемая от абсолютного нуля и измеряемая в кельвинах. Её обозначают T, а единицу записывают как K, без знака градуса. Такая шкала удобна в физических расчётах, потому что её начало связано с нижним пределом температуры.
Абсолютный нуль — нижний предел температуры, равный 0 K и приблизительно соответствующий −273 °C. Он служит началом отсчёта шкалы Кельвина. Понимание этой точки необходимо, чтобы не путать абсолютную температуру с температурой по шкале Цельсия.
Температуру определяют по тепловому состоянию тела, а не по тому, насколько горячим оно кажется коже: ощущение зависит и от других факторов. При соприкосновении тел частицы взаимодействуют, поэтому энергия самопроизвольно переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой. Передача продолжается, пока температуры не сравняются. После установления теплового равновесия направленного теплообмена между телами больше нет.
Работа термометра основана на том, что при нагревании или охлаждении меняется какое-либо свойство вещества: например, его объём. Это изменение можно связать с делениями шкалы и использовать для измерения температуры. Но сразу после контакта термометр и тело обычно имеют разные температуры и обмениваются энергией. Поэтому показание становится достоверным, когда термометр успевает прийти с телом к тепловому равновесию.
Шкала Цельсия выражает температуру в градусах Цельсия, а шкала Кельвина отсчитывает её от абсолютного нуля. Начала у шкал разные, но размер одного деления одинаков: изменение температуры на 1 K соответствует изменению на 1 °C. Поэтому при переходе между шкалами нужно изменить начало отсчёта, но не масштаб. Это позволяет переводить температуру простым прибавлением или вычитанием постоянного числа.
Связь шкал записывают формулой T = t + 273, где T — температура в кельвинах, а t — температура в градусах Цельсия. Число 273 приблизительно показывает, на сколько градусов Цельсия абсолютный нуль ниже нуля шкалы Цельсия. Чтобы перейти к кельвинам, к значению t прибавляют 273; чтобы перейти к градусам Цельсия, из T вычитают 273. Например, температура выше 0 °C обязательно соответствует значению выше 273 K.
На молекулярном уровне температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц. Кинетическая энергия — энергия движения, а слово «средняя» означает, что у отдельных частиц она может различаться. При повышении температуры частицы в среднем движутся энергичнее, и их средняя кинетическая энергия увеличивается. Эта связь объясняет физический смысл температуры, но не означает, что температура равна полной внутренней энергии тела.
| Свойство | Шкала Цельсия | Шкала Кельвина |
|---|---|---|
| Обозначение температуры | t | T |
| Единица измерения | градус Цельсия (°C) | кельвин (K) |
| Начало отсчёта | 0 °C | 0 K — абсолютный нуль |
| Соотношение между шкалами | t = T − 273 | T = t + 273 |
| Температура абсолютного нуля | примерно −273 °C | 0 K |
Пользуйтесь шкалой Цельсия, если температура дана в °C, а абсолютной — если значение дано в K. Перед сравнением температур из разных шкал переведите их к одной единице. Не забывайте: числовые интервалы в обеих шкалах одинаковы, различается только начало отсчёта.
Задача 1. Температура воздуха равна 20 °C. Выразите её в кельвинах. Здесь известна температура t по шкале Цельсия, поэтому для перехода к абсолютной температуре нужно прибавить 273. Число градусов при этом не умножается и не меняет размер интервала.
Ответ: 293 K.
Задача 2. Температура тела составляет 310 K. Выразите её в градусах Цельсия. Нужно найти t, поэтому выразим эту величину из формулы связи шкал. Поскольку шкала Кельвина начинается ниже шкалы Цельсия, при обратном переходе постоянную 273 вычитают.
Ответ: 37 °C.
Задача 3. Два тела с температурами 290 K и 25 °C привели в тепловой контакт. Определите направление теплообмена. Сначала надо представить обе температуры в одной шкале, иначе сравниваются разные числовые начала отсчёта. Переведём 25 °C в кельвины и сопоставим результат со значением первого тела.
Ответ: теплообмен направлен от тела при 25 °C к телу при 290 K.
Неверно считать, что температура показывает полный запас внутренней энергии тела. Так путают величину, описывающую тепловое состояние, с энергией всех частиц; последняя зависит также от массы и свойств вещества. Проверьте себя: одинаковая температура ещё не означает, что у двух тел одинаковая внутренняя энергия.
Нельзя напрямую сравнивать числа, если одно дано в кельвинах, а другое — в градусах Цельсия. Ошибка возникает из-за того, что деления у шкал равны, и кажется, будто совпадают и их нулевые точки. Перед сравнением переведите значения в одну шкалу, затем определите, какое из них больше.
Запись °K для кельвина неправильна: кельвин обозначается K без знака градуса. Часто по привычке к нему добавляют знак, используемый для градусов Цельсия. Проверка проста: в единицах температуры пишите 300 K, но 27 °C.
Абсолютный нуль — не 0 °C, а 0 K, что соответствует приблизительно −273 °C. Путаница появляется, если принять ноль шкалы Цельсия за начало всех температурных шкал. Проверяйте соответствие по формуле T = t + 273: при t = −273 °C получается T = 0 K.
Чтобы понять физический смысл температуры, нужно знать о тепловом движении частиц и внутренней энергии тела. Хаотическое движение частиц помогает объяснить, почему температура связана с их средней кинетической энергией, а обмен энергией приводит тела к равновесию. Позже температура понадобится при изучении уравнения состояния идеального газа и тепловых процессов. В этих темах важно правильно пользоваться абсолютной температурой и переводить её в нужную шкалу.
Чем температура отличается от внутренней энергии?
Температура характеризует тепловое состояние тела и связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц. Внутренняя энергия — общий запас энергии частиц тела; он зависит не только от температуры, но и от массы и свойств вещества.
Почему термометр нужно выдержать рядом с телом?
Термометр обменивается энергией с телом, пока их температуры не станут одинаковыми. До установления теплового равновесия его показания могут изменяться и не отражать температуру тела.
Почему кельвин обозначают без знака градуса?
Кельвин — единица абсолютной температуры, а его обозначение принято писать без знака градуса. Правильная запись — 300 K, а не 300 °K.
Как перевести градусы Цельсия в кельвины?
К температуре в градусах Цельсия прибавляют 273: T = t + 273. Например, 20 °C соответствуют 293 K.
Можно ли достичь абсолютного нуля?
Абсолютный нуль — нижний предел температуры, равный 0 K, или приблизительно −273 °C. В рамках обычных физических процессов достичь его точно нельзя, хотя можно получать температуры, очень близкие к нему.
§ 41. Температура
