§ 12. Температура и тепловое равновесие

Определения и обозначения

Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела и связанная со средней кинетической энергией движения его частиц. Проще говоря, она показывает, насколько интенсивно в среднем движутся частицы. Это понятие нужно, чтобы сравнивать нагретость тел и предсказывать направление теплообмена.

Тепловое равновесие — состояние соприкасающихся тел, при котором их температуры становятся одинаковыми и теплообмен между ними прекращается. Частицы при этом не останавливаются и продолжают двигаться хаотически. Понятие помогает определить момент, когда система перестаёт изменять температуру.

Термометр — прибор для измерения температуры, действие которого основано на изменении физического свойства вещества при нагревании или охлаждении. Например, жидкость может расширяться, а электрическое сопротивление проводника — изменяться. По этому изменению находят соответствующее значение на шкале.

Шкала Цельсия — температурная шкала, в которой температура таяния льда принята за 0 °C, а температура кипения воды при нормальном давлении — за 100 °C. Расстояние между этими отметками делят на сто равных частей. Каждая часть соответствует одному градусу Цельсия, который обозначают °C.

Как это устроено

Температура связана с движением частиц, потому что частицы вещества непрерывно и хаотически движутся. При нагревании средняя скорость этого движения увеличивается, поэтому возрастает средняя кинетическая энергия частиц. При охлаждении средняя энергия движения уменьшается, и температура становится ниже.

Если тела соприкасаются и имеют разные температуры, между их частицами происходят столкновения. Более быстрые частицы горячего тела передают часть энергии более медленным частицам холодного тела. Поэтому энергия в среднем переходит от более нагретого тела к менее нагретому, пока различие температур не начнёт уменьшаться.

Теплообмен прекращается как направленный процесс при равенстве температур. Частицы обоих тел всё ещё сталкиваются и обмениваются энергией, но в среднем передача в одну сторону уравновешивается передачей в другую. Поэтому уже нельзя выделить тело, которое в целом отдаёт энергию, и тело, которое её получает.

Работа термометра основана на выборе свойства, меняющегося с температурой. В жидкостном приборе изменяется объём жидкости, в газовом может изменяться давление, а в электронном термометре — электрическое сопротивление датчика. Изменение заранее связывают с делениями шкалы, поэтому по положению столбика или показанию экрана находят температуру.

Достоверное показание появляется не сразу после контакта термометра с телом. Сначала термометр имеет другую температуру и сам получает или отдаёт энергию, изменяя своё состояние. Когда его температура сравнивается с температурой тела, устанавливается тепловое равновесие, и показание можно записывать.

Температура, тепловое равновесие и измерение температуры

Сначала найдите в таблице нужное понятие или прибор. Затем прочитайте, что именно он характеризует и при каком условии действует.

Последний столбец показывает способ определения или наблюдения величины. Это помогает отличать саму температуру от прибора, которым её измеряют.

Разбор задач

Задача 1

Условие: стальной шар и вода имеют одинаковую температуру и соприкасаются. Нужно определить, будет ли между ними происходить направленный теплообмен.

1. Направленный теплообмен возникает, когда температуры тел различаются.
2. По условию температура шара равна температуре воды, значит, разности температур нет.
3. При одинаковых температурах средняя передача энергии в одну сторону уравновешивается передачей в другую.

Ответ: направленного теплообмена между шаром и водой не будет, потому что тела находятся в тепловом равновесии.

Задача 2

Условие: термометр сразу после погружения в воду показывает 18 °C, а через некоторое время — 24 °C. Нужно выбрать правильную температуру воды.

1. Сразу после погружения термометр ещё сохраняет прежнюю температуру и начинает обмениваться энергией с водой.
2. Показание меняется, поэтому равновесие ещё не установилось.
3. Через некоторое время температура термометра сравнивается с температурой воды, и последнее устойчивое показание становится достоверным.

Ответ: следует записать 24 °C, если после этого показание перестало изменяться.

Задача 3

Условие: в комнату внесли холодный металлический предмет. Требуется объяснить направление передачи энергии и результат через некоторое время.

1. Воздух в комнате имеет более высокую температуру, чем холодный предмет.
2. При столкновениях более быстрые частицы воздуха передают часть энергии частицам металла, поэтому энергия идёт от воздуха к предмету.
3. Предмет нагревается, воздух рядом с ним немного охлаждается, а разность температур уменьшается.
4. Через некоторое время температуры сравняются, и установится тепловое равновесие.

Ответ: сначала энергия передаётся от воздуха к металлическому предмету, а затем направленный теплообмен прекращается при выравнивании температур.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Температуру принимают за общее количество теплоты тела. Так происходит потому, что горячее тело кажется «содержащим больше тепла», но запас энергии зависит ещё от массы и вещества. Проверьте себя: сравните маленькую горячую чашку и большой тёплый бак.

Ошибка 2. Считают, что при равной температуре частицы останавливаются. Температура связана с движением частиц, поэтому в равновесии движение сохраняется. Нужно различать отсутствие движения и отсутствие направленного теплообмена.

Ошибка 3. Показание снимают сразу после контакта термометра с телом. Прибору требуется время, чтобы получить или отдать энергию и достичь той же температуры. Проверка проста: если столбик или цифры ещё меняются, измерение не закончено.

Ошибка 4. Тепловое равновесие связывают с равенством масс или размеров тел. Эти характеристики могут быть разными, ведь условием равновесия является одинаковая температура. Спросите себя, совпадают ли именно температуры, а не внешний вид предметов.

Связь с другими темами

До изучения температуры нужно знать, что вещества состоят из частиц, которые непрерывно и хаотически движутся. Именно движение и столкновения частиц объясняют нагревание, охлаждение и передачу энергии.

Дальше эта тема поможет изучать внутреннюю энергию и способы теплопередачи. Она также нужна для понимания процессов нагревания и охлаждения тел, где температура изменяется до установления равновесия.

Что запомнить

• Температура характеризует степень нагретости тела.
• Температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения частиц.
• Тепло передаётся от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.
• При одинаковых температурах соприкасающихся тел устанавливается тепловое равновесие.
• Термометр нужно выдержать в контакте с телом до установления равновесия.
• В шкале Цельсия температура таяния льда равна 0 °C, а кипения воды при нормальном давлении — 100 °C.