§ 29. Температура

Определения и обозначения

Температура — физическая величина, которая характеризует степень нагретости тела и связана с направлением передачи теплоты при контакте тел. Проще говоря, она помогает сравнить, какое тело нагрето сильнее. По температурам тел можно определить, куда будет передаваться теплота при их соприкосновении.

Тепловое равновесие — состояние соприкасающихся тел, при котором их температуры одинаковы и теплообмен между ними прекращается. Это происходит не мгновенно: сначала тела с разной температурой обмениваются теплотой. Понятие равновесия нужно, чтобы понять, когда показание термометра можно считать установившимся.

Термометр — прибор для измерения температуры, действие которого основано на изменении свойств вещества при нагревании и охлаждении. Например, при изменении температуры меняется объём жидкости внутри прибора. Термометр нужен, чтобы вместо субъективного ощущения получить числовое значение температуры.

Шкала Цельсия — шкала температур, в которой за 0 °C принята температура таяния льда, а за 100 °C — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Деления между этими точками позволяют выражать температуру числом. По шкале Цельсия можно сравнивать показания разных термометров.

Как это устроено

Если соприкоснуть более нагретое тело с менее нагретым, теплота передаётся от первого ко второму. Причина в разнице температур: пока она сохраняется, продолжается обмен энергией между телами. Постепенно первое тело охлаждается, а второе нагревается. Когда температуры сравняются, наступит тепловое равновесие и теплообмен прекратится.

На ощупь нельзя надёжно определить температуру. Кожа сообщает об ощущении тепла или холода, но это ощущение зависит от условий: например, от того, что человек трогал до этого. Кроме того, рука не показывает точное число градусов. Поэтому для измерения используют термометр, а не пытаются заменить его ощущениями.

В жидкостном термометре находится жидкость в узкой трубке. При нагревании её объём обычно увеличивается, поэтому столбик поднимается; при охлаждении объём уменьшается, и столбик опускается. Так изменение температуры превращается в заметное перемещение жидкости. Рядом с трубкой расположена шкала, по которой это перемещение можно перевести в значение температуры.

Показание находят по положению столбика относительно делений шкалы. Но сразу после помещения термометра в воду он ещё может быть холоднее или теплее воды. Между ним и водой идёт теплообмен, поэтому уровень жидкости продолжает изменяться. Для точного измерения нужно дождаться, пока температура термометра сравняется с температурой воды и показание установится.

Температуру выражают в градусах Цельсия, обозначение — °C. Числовые значения позволяют сравнивать нагретость тел и описывать, как она меняется при нагревании или охлаждении. На шкале Цельсия отмечены основные точки: таяние льда при 0 °C и кипение воды при 100 °C при нормальном атмосферном давлении. Между отметками шкала разделена на равные промежутки, по которым считывают промежуточные значения.

Температура и её измерение

В таблице сначала найдите, какой вопрос нужно решить: например, определить направление теплообмена или вспомнить единицу температуры. Затем используйте соответствующую строку, чтобы связать понятие с его смыслом. Для считывания значения с конкретного термометра дополнительно понадобится найти цену деления его шкалы.

Разбор задач

Задача 1. В комнате находятся два тела: одно имеет температуру 18 °C, другое — 24 °C. Какое тело нагрето сильнее и в каком направлении будет передаваться теплота при их контакте? Сначала сравним значения: 24 больше 18. Значит, более нагрето тело с температурой 24 °C, а направление теплообмена определяется разностью температур.

1. Сравниваем температуры: 24 °C > 18 °C.
2. Определяем тело с большей температурой: это тело при 24 °C.
3. Применяем правило теплообмена: теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому.

Ответ: сильнее нагрето тело при 24 °C; теплота будет передаваться от него к телу при 18 °C. Если тела останутся в контакте, их температуры со временем сблизятся.

Задача 2. Между отметками 10 °C и 20 °C нанесено пять равных промежутков. Столбик находится на третьем делении выше 10 °C. Чтобы найти температуру, сначала нужно узнать, сколько градусов приходится на одно деление. Разность между подписанными отметками составляет 10 °C, а разделена она на пять частей.

1. Находим разность отметок: 20 °C − 10 °C = 10 °C.
2. Делим разность на количество промежутков: 10 °C : 5 = 2 °C. Это цена одного деления.
3. Считаем три деления от 10 °C: 10 °C + 3 · 2 °C = 16 °C.

Ответ: температура равна 16 °C. Начинать отсчёт нужно именно от подписанной отметки 10 °C, а не от края шкалы или соседнего штриха.

Задача 3. Термометр с делениями через 2 °C до погружения в воду показывал 16 °C. После установления показаний столбик оказался на четыре деления выше. Нужно учесть, что каждое деление соответствует изменению на 2 °C. Поскольку столбик поднялся, прибавляем это изменение к исходному значению.

1. Находим изменение показания: 4 · 2 °C = 8 °C.
2. Прибавляем его к исходной температуре: 16 °C + 8 °C = 24 °C.
3. Проверяем смысл результата: столбик поднялся, значит, показание стало выше исходного.

Ответ: температура воды равна 24 °C. Нужно было подождать, потому что сразу после погружения термометр ещё не имел температуры воды. Когда теплообмен завершился и температуры сравнялись, установившееся показание стало показывать температуру воды.

Типичные ошибки

Неверно считать температуру и количество теплоты одним и тем же. Их легко спутать, потому что оба понятия связаны с нагреванием, но температура характеризует нагретость тела, а теплота передаётся при теплообмене. Проверь себя вопросом: нужно ли здесь сравнить состояние тела или описать передачу энергии? Если речь идёт о том, что переходит между телами, это теплота.

Иногда полагают, что теплота переходит от холодного тела к горячему. Такое предположение может появиться из-за бытового выражения «холод передался», но при контакте направление передачи теплоты противоположное. Она переходит от тела с большей температурой к телу с меньшей. Для проверки сравни числа температур и направь передачу от большего значения к меньшему.

Если снять показание сразу после погружения термометра, оно может быть неточным. Термометр ещё обменивается теплотой с телом, поэтому температура жидкости внутри него и положение столбика меняются. Дождись, когда показание установится. Это означает, что температура термометра сравнялась с температурой измеряемого тела.

Ошибку можно допустить, неверно найдя цену деления или отсчитывая промежутки не от подписанной отметки. Чтобы проверить себя, найди разность между двумя подписанными значениями и раздели её на число промежутков между ними. Затем отсчитывай деления от нужной подписанной отметки, учитывая, выше или ниже неё находится столбик. Если столбик выше, значение увеличивается, если ниже — уменьшается.

Связь с другими темами

Для понимания температуры нужно знать, что такое теплопередача: тела могут обмениваться энергией при контакте. Температура помогает определить направление такого обмена и понять, когда он прекратится. Эти знания пригодятся при изучении тепловых явлений и переходов между агрегатными состояниями, например при плавлении и кипении. Они также нужны для расчётов, связанных с нагреванием и охлаждением тел.

Что запомнить

• Температура характеризует степень нагретости тела.
• При контакте теплота передаётся от тела с большей температурой к телу с меньшей.
• При тепловом равновесии температуры соприкасающихся тел одинаковы.
• Температуру измеряют термометром.
• Перед снятием показания термометру дают прийти в тепловое равновесие с измеряемым телом.
• Температуру по шкале Цельсия выражают в градусах Цельсия (°C).