3. Температура

Определения и обозначения

Температура — физическая величина, характеризующая степень нагретости тела и связанная со средней кинетической энергией движения его частиц. Чем быстрее в среднем движаются частицы, тем выше температура. Это понятие нужно, чтобы сравнивать нагретость тел и предсказывать направление теплопередачи.

Тепловое равновесие — состояние тел, имеющих одинаковую температуру и не обменивающихся теплом в среднем. На уровне частиц обмен энергией не исчезает, но встречные переходы компенсируют друг друга. Понятие помогает описывать конечное состояние тел после их соприкосновения.

Термометр — прибор для измерения температуры, действие которого основано на изменении физического свойства вещества. Например, при нагревании жидкость расширяется и поднимается по узкой трубке. Термометр нужен для получения численного результата, а не приблизительной оценки ощущениями.

Температурная шкала — способ численного задания температуры с помощью выбранных опорных точек и единицы измерения. Опорными точками могут быть температуры таяния льда и кипения воды при нормальном давлении. Шкала позволяет записывать показания одинаково и сравнивать результаты измерений.

Как это устроено

Если горячее и холодное тела соприкасаются, частицы горячего тела в среднем движутся быстрее и чаще передают энергию частицам холодного тела. Поэтому горячее тело остывает, а холодное нагревается. Процесс продолжается, пока средние энергии движения частиц, а значит и температуры тел, не сравняются. После этого устанавливается тепловое равновесие.

Вещество состоит из частиц, которые непрерывно и хаотически движутся. Температура связана не с движением одной отдельной частицы, а со средней кинетической энергией их движения. Рука не может надёжно определить температуру: ощущения зависят от предыдущего контакта и скорости теплообмена. Поэтому для объективного измерения используют термометр и числовую шкалу.

Сначала выбирают термометрическое свойство — величину, заметно изменяющуюся с температурой, например объём жидкости. Затем устанавливают опорные температуры и приписывают им определённые значения. Расстояние между опорными точками делят на равные части, нанося деления шкалы. При контакте с телом термометр обменивается с ним энергией, пока его температура не станет равной температуре тела.

Шкала Цельсия использует градусы, а абсолютная шкала Кельвина — кельвины. Нуль Кельвина соответствует абсолютному нулю, примерно −273 °C, ниже которого температура невозможна. Поэтому абсолютная температура не бывает отрицательной. Для перевода при школьной точности используют формулу T = t + 273, где t измеряется в градусах Цельсия, а T — в кельвинах.

Сравнение шкал температуры

Чтобы сравнить температуры, сначала приведите их к одной шкале. В школьных задачах обычно используют приближённое значение 273, хотя точнее разность между шкалами равна 273,15. Помните, что при записи температуры в кельвинах знак градуса не ставят: 300 K, а не 300 °K.

Разбор задач

Задача 1

Условие: температура воздуха равна 18 °C. Требуется выразить её в кельвинах. Используем связь между шкалами Цельсия и Кельвина.

1. Записываем формулу: T = t + 273.
2. Подставляем значение: T = 18 + 273 = 291 K.
3. Проверяем единицу: результат записан в кельвинах, поэтому знак градуса не используется.

Ответ: 291 K.

Задача 2

Условие: одно тело имеет температуру 290 K, а другое — 25 °C. Нужно определить, какое тело теплее. Сравнивать числа 290 и 25 напрямую нельзя, потому что они относятся к разным шкалам.

1. Переводим 25 °C в кельвины: T = 25 + 273 = 298 K.
2. Сравниваем температуры: 298 K больше 290 K.
3. Делаем вывод о нагретости тел: большей температуре соответствует второе тело.

Ответ: теплее тело с температурой 25 °C, то есть 298 K.

Задача 3

Условие: в стакан с горячей водой опустили холодную металлическую ложку. Нужно описать изменение температур до равновесия. Вода и ложка соприкасаются, поэтому между их частицами начинается передача энергии.

1. Горячая вода передаёт часть внутренней энергии холодной ложке.
2. Температура воды постепенно уменьшается, а температура ложки увеличивается.
3. Процесс идёт до тех пор, пока температуры воды и ложки не сравняются.

Ответ: вода остывает, ложка нагревается, затем устанавливается тепловое равновесие; в среднем теплота больше не передаётся в каком-либо одном направлении.

Типичные ошибки

Температуру принимают за количество теплоты. Показание термометра характеризует нагретость, а не запас или количество переданной энергии. Чтобы проверить себя, спросите, учитываются ли в рассуждении масса тела и его вещество: для количества теплоты они важны.

Сравнивают градусы Цельсия и кельвины напрямую. Числа 25 и 290 выглядят несопоставимыми, пока неясно, что это разные шкалы. Переведите оба значения в одну шкалу и только затем сравнивайте их.

Считают, что при равновесии обмен энергией полностью прекращается. Частицы продолжают сталкиваться и передавать энергию, но средний обмен в двух направлениях одинаков. Проверка проста: равенство температур означает отсутствие преимущественной передачи теплоты, а не остановку движения частиц.

Неправильно считывают термометр. Взгляд под углом создаёт ошибку параллакса, а отсчёт выше или ниже уровня столбика жидкости даёт неверное значение. Расположите глаза на уровне столбика и определите деление по его уровню.

Связь с другими темами

Для понимания температуры нужны знания о физических величинах, единицах измерения, энергии и движении частиц. Эти понятия объясняют, почему температуру можно измерять численно и связывать с движением вещества.

Температура необходима при изучении теплопередачи и количества теплоты. Позже она поможет понять удельную теплоёмкость веществ и принцип действия тепловых двигателей.

С изменением температуры связаны агрегатные состояния вещества, плавление, кипение и тепловое расширение. Поэтому измерение температуры используется при объяснении многих явлений в природе и технике.

Что запомнить

• Температура характеризует степень нагретости тела.
• Температуру измеряют термометром.
• При тепловом равновесии соприкасающиеся тела имеют одинаковую температуру.
• Единица температуры по шкале Цельсия — градус Цельсия, по шкале Кельвина — кельвин.
• Абсолютный нуль соответствует примерно −273 °C.
• Связь шкал задаётся формулой T = t + 273.
• Теплота самопроизвольно передаётся от более горячего тела к более холодному.