"Физика (изд. ВЕНТАНА-ГРАФ)", Хижнякова Л.С., Синявина А.А.
Температура показывает, насколько нагрето тело, и связана со средней кинетической энергией хаотически движущихся молекул. Она нужна, чтобы сравнивать тепловое состояние тел и описывать, как меняется движение частиц при нагревании и охлаждении. Для расчётов используют абсолютную температуру в кельвинах: её находят по формуле T = t + 273. Чем выше абсолютная температура, тем больше средняя кинетическая энергия молекул.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела и связанная со средней кинетической энергией движения его молекул. Она помогает сравнивать тепловое состояние тел и предсказывать направление теплопередачи: энергия самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому.
Средняя кинетическая энергия молекул — среднее значение кинетической энергии хаотического движения частиц вещества. Это понятие нужно потому, что молекулы одного тела движутся с неодинаковыми скоростями: среднее значение описывает движение частиц в целом, а не поведение одной выбранной молекулы.
Шкала Цельсия — температурная шкала с единицей градус Цельсия (°C), в которой температура замерзания воды при нормальном давлении принята за 0 °C. По ней часто сообщают температуру воздуха и измеряют температуру привычными термометрами; для расчётов её значение при необходимости переводят в кельвины.
Абсолютная температура — температура, отсчитываемая от абсолютного нуля по шкале Кельвина; обозначается T и измеряется в кельвинах (К). Её используют в физических расчётах, потому что нулевая точка этой шкалы связана с минимальным возможным уровнем теплового движения. Кельвин пишут без знака градуса: 300 К, а не 300 °К.
Температура определяется не скоростью одной выбранной молекулы, а средней кинетической энергией хаотического движения всех молекул тела. При столкновениях частицы передают друг другу энергию, поэтому скорость отдельной молекулы может резко измениться. Но если рассматривать огромное число частиц, можно найти среднее значение, которое и связано с температурой. Поэтому одна особенно быстрая или медленная молекула не позволяет судить о нагретости всего тела.
При повышении температуры средняя скорость движения молекул и их средняя кинетическая энергия увеличиваются; при понижении температуры они уменьшаются. Нагревание обычно связано с передачей телу энергии: частицы получают возможность двигаться интенсивнее. При охлаждении энергия теплового движения в среднем убывает. Это утверждение относится к среднему движению: скорости отдельных молекул распределены по-разному, и не каждая частица обязательно движется быстрее каждой другой.
Температура устанавливается при тепловом равновесии: тела, приведённые в контакт, со временем приобретают одинаковую температуру. Сначала более нагретое тело передаёт часть энергии менее нагретому, потому что их частицы взаимодействуют при соприкосновении. Передача продолжается, пока различие температур не исчезнет. После этого макроскопические температуры тел одинаковы, хотя сами тела могут содержать разное количество энергии.
Для сравнения температур и расчётов используют абсолютную температуру: T = t + 273, где t — температура в градусах Цельсия, а T — температура в кельвинах. Число 273 появляется из-за сдвига начала шкалы: ноль Цельсия находится примерно на 273 градуса выше абсолютного нуля. Например, 27 °C соответствует примерно 300 К. При обратном переводе из кельвинов в градусы Цельсия из значения T вычитают 273.
Абсолютный нуль соответствует температуре −273 °C; при приближении к нему средняя кинетическая энергия теплового движения молекул стремится к минимальному значению. На шкале Кельвина эта граница обозначена 0 К, а отрицательных абсолютных температур в обычных школьных задачах не рассматривают. Достичь абсолютного нуля нельзя, но температура вещества может приближаться к нему. Связь энергии и температуры удобно видеть на графике: для одного и того же вещества при удвоении T средняя кинетическая энергия также удваивается.
| Характеристика | Температура | Средняя кинетическая энергия молекул |
|---|---|---|
| Что характеризует | Степень нагретости тела | Интенсивность хаотического движения молекул |
| Связь с движением молекул | Связана со средним движением множества молекул | Показывает среднее значение энергии их движения |
| Единицы измерения | Кельвин (К) или градус Цельсия (°C) | Джоуль (Дж) |
| Изменение при нагревании | Повышается | Увеличивается |
| Изменение при охлаждении | Понижается | Уменьшается |
| Используемая шкала для расчётов | Шкала Кельвина | Связь с абсолютной температурой в кельвинах |
Таблица помогает различать величину, описывающую нагретость тела, и энергию движения частиц, с которой она связана. При нагревании обе величины изменяются в одном направлении. Для количественных сравнений в расчётах берите температуру в кельвинах.
Сравнить среднюю кинетическую энергию молекул воды при 20 °C и при 80 °C. Для одного и того же вещества средняя кинетическая энергия тем больше, чем выше абсолютная температура. Здесь можно сделать качественный вывод и не вычислять энергию в джоулях: достаточно установить, какая температура выше.
Ответ: при 80 °C средняя кинетическая энергия молекул воды больше, чем при 20 °C.
Перевести 27 °C в кельвины и определить, во сколько раз абсолютная температура отличается от температуры 300 К. Сравнивать нужно именно абсолютные температуры: число градусов Цельсия отсчитывается от другой нулевой точки и само по себе не подходит для такого отношения. Сначала выполним перевод, затем разделим большее значение на меньшее.
Ответ: 27 °C ≈ 300 К; абсолютные температуры равны, их отношение равно 1.
Средняя кинетическая энергия молекул газа при температуре 300 К равна E. Найти энергию при нагревании газа до 600 К. Для данного газа средняя кинетическая энергия прямо пропорциональна абсолютной температуре. Поэтому достаточно определить, во сколько раз изменилась температура в кельвинах, и во столько же раз изменить энергию.
Ответ: при 600 К средняя кинетическая энергия молекул станет равна 2E.
Ошибка: считать, что 40 °C в два раза больше 20 °C. Так происходит, если сравнивать числа на шкале Цельсия, забывая, что её ноль выбран условно. Для сравнения температур как абсолютных величин переведите их в кельвины: 40 °C ≈ 313 К, 20 °C ≈ 293 К. Проверка: если в задаче требуется отношение температур, используйте шкалу Кельвина.
Ошибка: определять температуру по скорости одной молекулы. Частица может двигаться быстрее или медленнее других, поэтому её движение не характеризует тело целиком. Температура связана со средней кинетической энергией множества молекул. Проверка: уточните, идёт ли речь о средней величине для большого числа частиц.
Ошибка: путать градусы Цельсия и кельвины или писать °К. Путаница возникает из-за того, что обе единицы измеряют температуру, но шкалы имеют разные нулевые точки. Для перевода применяйте T = t + 273, а единицу обозначайте К без знака градуса. Проверка: в ответе в кельвинах после числа должно стоять К.
Ошибка: утверждать, что все молекулы при одной температуре имеют одинаковую скорость. Молекулы сталкиваются и обмениваются энергией, поэтому скорости частиц различаются. Рассматривают среднее значение, а не одинаковую скорость каждой молекулы. Проверка: в рассуждении о температуре говорите о средней энергии или среднем движении частиц.
Чтобы понять тему, нужно знать, что вещество состоит из молекул и что они непрерывно хаотически движутся. Также пригодится умение читать температуру по шкале Цельсия и переводить её в кельвины по формуле T = t + 273. Связь температуры с энергией частиц понадобится при изучении внутренней энергии и теплопередачи. Абсолютная температура используется далее в уравнении состояния газа и газовых законах.
Почему температура не равна скорости движения одной молекулы?
Молекулы движутся с разными скоростями, и скорость каждой из них постоянно меняется при столкновениях. Поэтому температура связана не с одной частицей, а со средней кинетической энергией движения множества молекул.
Почему для расчётов используют шкалу Кельвина, а не шкалу Цельсия?
Ноль шкалы Кельвина соответствует абсолютному нулю, поэтому абсолютная температура не бывает отрицательной. Связь энергии молекул с температурой выражается именно через абсолютную температуру: T = t + 273.
Можно ли утверждать, что при 40 °C тело в два раза горячее, чем при 20 °C?
Нет: значения в градусах Цельсия нельзя сравнивать как абсолютные температуры. Переведём их в кельвины: 40 °C ≈ 313 К, а 20 °C ≈ 293 К; первая температура не вдвое больше второй.
Что происходит со средней кинетической энергией молекул при нагревании?
При нагревании температура повышается, поэтому возрастает и средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул. В среднем частицы движутся быстрее, хотя скорости отдельных молекул остаются разными.
Почему при одинаковой температуре разные тела могут иметь разную внутреннюю энергию?
Температура связана со средней энергией движения молекул, но не показывает общее число частиц в теле. Внутренняя энергия зависит также от количества вещества и от того, как взаимодействуют его частицы.
§ 18. Температура и средняя кинетическая энергия молекул
