"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Петрова М.А. и др.
Температура характеризует состояние теплового равновесия тела и показывает, насколько оно нагрето. При контакте тел с разной температурой энергия передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, пока температуры не сравняются. Для измерения используют термометр, который приходит в тепловое равновесие с телом. В физике применяют 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.
Тепловое равновесие — состояние соприкасающихся тел, при котором их макроскопические параметры со временем не меняются и теплообмен прекращается. Иными словами, тела больше не нагревают и не охлаждают друг друга. Это понятие нужно, чтобы определить момент, когда сравнение температур становится правильным.
Температура — физическая величина, характеризующая состояние теплового равновесия тел; у тел в тепловом равновесии температуры одинаковы. Её обозначают обычно t в шкале Цельсия и T в шкале Кельвина. Температура позволяет описывать степень нагретости тела и направление теплообмена.
Термометр — прибор для измерения температуры, действие которого основано на изменении физического свойства при нагревании или охлаждении. Таким свойством может быть объём жидкости, давление газа или электрическое сопротивление. Термометр нужен потому, что непосредственное ощущение тепла рукой не даёт точного численного результата.
Абсолютная температура — температура, отсчитываемая по шкале Кельвина от абсолютного нуля. Её обозначают T, а единицей измерения служит кельвин (K). Такая шкала удобна в физике, поскольку её начало связано с предельно низкой температурой.
Если соприкоснуть тела с разной температурой, между ними начинается теплообмен. Энергия передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, потому что тепловое движение частиц в первом связано с большей средней энергией. Процесс продолжается, пока различие температур не исчезнет и не установится тепловое равновесие.
Именно тепловое равновесие позволяет сравнивать температуры. Пока термометр холоднее или горячее тела, его собственное состояние меняется, поэтому показание ещё не отражает температуру тела. После выравнивания температур изменение показания прекращается, и можно считывать результат.
Температуру определяют через изменение выбранного свойства термометрического вещества. Например, при нагревании жидкость расширяется, её столбик поднимается по трубке, а при охлаждении опускается. Чтобы каждому положению столбика соответствовало число, прибор заранее градуируют по известным состояниям.
Для построения шкалы фиксируют показания термометра в опорных состояниях, например при таянии льда и кипении воды при нормальном давлении. Интервал между этими отметками делят на равные части и получают единицы температуры. Поэтому шкала является не просто набором чисел, а результатом выбранного способа сравнения температур.
В шкале Цельсия температура выражается в градусах Цельсия, а в шкале Кельвина — в кельвинах. Размер одного кельвина равен размеру одного градуса Цельсия, поэтому изменение температуры на 10 °C равно изменению на 10 K. Различаются только начала отсчёта: шкала Кельвина начинается от абсолютного нуля.
| Свойство | Шкала Цельсия | Шкала Кельвина |
|---|---|---|
| Обозначение температуры | t | T |
| Единица измерения | градус Цельсия (°C) | кельвин (K) |
| Начало отсчёта | 0 °C — выбранная нулевая отметка шкалы | 0 K — абсолютный нуль |
| Температура таяния льда при нормальном атмосферном давлении | 0 °C | 273,15 K |
| Связь между показаниями шкал | t = T − 273,15 | T = t + 273,15 |
Сначала определите, какая шкала дана в условии и какая требуется в ответе. Для перехода от градусов Цельсия к кельвинам прибавляют 273,15, а для обратного перехода вычитают это число. При сравнении разностей температур можно помнить, что числовое значение изменения в обеих шкалах одинаково.
Условие: температура тела равна 20 °C. Нужно выразить её в кельвинах. Известно, что шкала Кельвина смещена относительно шкалы Цельсия на 273,15 единицы. Значит, требуется выполнить переход от t к T.
Ответ: 20 °C = 293,15 K. При переводе мы не умножали температуру, потому что шкалы имеют одинаковый размер единицы. Отличается только начало отсчёта.
Условие: термометр показывает 310 K. Требуется получить температуру в градусах Цельсия. Здесь известна абсолютная температура T, а найти нужно t. Поэтому используем обратную формулу.
Ответ: 310 K = 36,85 °C. Проверка выполняется обратным действием: 36,85 + 273,15 = 310. Полученное значение имеет обычный для комнатной или телесной температуры порядок.
Условие: два тела привели в тепловой контакт; температура первого равна 80 °C, второго — 20 °C. Нужно объяснить дальнейшее изменение температур. Считаем, что между телами возможен теплообмен.
Ответ: температуры 80 °C и 20 °C будут сближаться, а конкретное общее значение зависит от свойств и масс тел. Теплообмен прекратится при установлении теплового равновесия. В этот момент температуры тел равны, хотя их внутренние энергии могут различаться.
Температуру считают количеством теплоты. Эти величины связаны с тепловыми процессами, но не совпадают: температура описывает состояние тела, а теплота — энергию, переданную при теплообмене. Проверяйте себя вопросом: речь идёт о степени нагретости или о передаче энергии?
Тепловое равновесие принимают за равенство внутренних энергий. Для равновесия необходимо равенство температур и прекращение теплообмена, а энергии тел могут отличаться из-за разной массы или вещества. Если тела имеют одинаковую температуру, это ещё не означает одинаковую внутреннюю энергию.
Температуру в кельвинах получают умножением на 273,15. Шкалы Цельсия и Кельвина отличаются сдвигом начала отсчёта, поэтому применяют сложение или вычитание. Быстрая проверка: 0 °C должно превращаться в 273,15 K.
К кельвинам добавляют знак градуса. Правильное обозначение единицы — K, без кружка перед буквой. Запись 300 °K неверна, тогда как 300 K оформлено правильно.
До изучения температуры нужно знать, что при теплообмене энергия передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Это направление объясняет, почему после контакта температуры тел сближаются и наступает равновесие.
Понятие температуры понадобится при изучении уравнения состояния газа, внутренней энергии и тепловых процессов. Особенно часто абсолютную температуру T используют в формулах для газов и при анализе нагревания, охлаждения и превращений вещества.
Почему термометр нужно выдержать рядом с телом, прежде чем считывать показания?
Термометр и тело сначала имеют разные температуры, поэтому между ними идёт теплообмен. Показание становится достоверным после установления теплового равновесия, когда температуры сравниваются.
Могут ли тела иметь одинаковую температуру, но разную внутреннюю энергию?
Да, могут. Внутренняя энергия зависит не только от температуры, но и от массы, вещества и состояния тела.
Почему кельвин обозначают без знака градуса?
Кельвин — основная единица абсолютной температуры в Международной системе единиц. Поэтому правильно писать 300 K, а не 300 °K.
Как перевести температуру из градусов Цельсия в кельвины?
К значению температуры в градусах Цельсия нужно прибавить 273,15: T = t + 273,15. Например, 20 °C = 293,15 K.
Что означает абсолютный нуль?
Абсолютный нуль — начало шкалы Кельвина: 0 K, или −273,15 °C. Это предельно низкая температура, к которой могут приближаться тела.
§ 39. Температура. Измерение температуры
