Температура
При изучении механики нас интересовало движение тел. Теперь мы рассмотрим явления, связанные с изменением свойств покоящихся тел. Мы будем изучать нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов, кипение воды и т. д. Подобные явления называют тепловыми явлениями.
Мы знаем, что при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей. Вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается. Воздух, окружающий батареи с горячей водой, нагревается и т. д.
Словами «холодный», «теплый», «горячий» мы обозначаем тепловое состояние тел. Величиной, характеризующей тепловое состояние тел, является температура.
Всем известно, что температура горячей воды выше температуры холодной. Зимой температура воздуха на улице ниже, чем летом.
Приборы, служащие для измерения температуры, называются термометрами. Один из них изображен на рисунке 58. Действие такого термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении уменьшается Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С).
Следует помнить, что любой термометр всегда показывает свою собственную температуру. Для определения температуры среды термометр следует поместить в эту среду и подождать до тех пор, пока температура прибора не перестанет изменяться, приняв значение, равное температуре окружающей среды. При изменении температуры среды будет изменяться и температура термометра.
Несколько иначе действует медицинский термометр, предназначенный для измерения температуры тела человека. Он относится к так называемым максимальным термометрам, фиксирующим наибольшую температуру, до которой они были нагреты. Измерив свою собственную температуру, вы можете заметить, что, оказавшись в более холодной (по сравнению с человеческим телом) среде, медицинский термометр продолжает показывать прежнее значение. Чтобы вернуть столбик ртути в исходное состояние, этот термометр необходимо встряхнуть.
С лабораторным термометром, используемым для измерения температуры среды, этого делать не нужно.
Первый жидкостный термометр был изобретен в 1631 г. французским физиком Ж. Реем. Однако, научившись измерять температуру, люди не понимали, что же именно они измеряют. Вопрос о том, что такое температура, оказался очень сложным. Чем, например, горячая вода отличается от холодной? В течение долгого времени на этот вопрос не было ясного ответа.
Сегодня мы знаем, что при любой температуре вода состоит из одних и тех же молекул. Тогда что именно изменяется в воде при увеличении ее температуры?
Обратимся к опыту. Возьмем два куска сахара и один из них бросим в холодную воду, а другой — в кипяток. Мы увидим, что в горячей воде сахар растворится значительно быстрее. Растворение происходит из-за диффузии. Таким образом, диффузия при более высокой температуре происходит быстрее, чем при низкой.
Но причиной диффузии является движение молекул. Значит, между скоростью движения молекул и температурой тела есть связь: в теле с большей температурой молекулы движутся быстрее.
Например, средняя скорость молекул кислорода при 0 °С составляет 425 м/с, а при 20 °С она равна 440 м/с. Подчеркнем, что температура определяется именно средней скоростью молекул. Скорости движения отдельных молекул тела отличаются друг от друга и при заданной температуре могут быть как больше средней, так и меньше ее.
Но температура зависит не только от средней скорости молекул. Так, например, кислород, средняя скорость движения молекул которого составляет 440 м/с, имеет температуру 20 °С, а азот при той же средней скорости молекул имеет температуру 16 °С. Меньшая температура азота обусловлена тем, что молекулы азота легче молекул кислорода. Таким образом, температура вещества определяется не только средней скоростью движения его молекул, но и их массой.
Мы знаем величины, которые зависят как от скорости, так и от массы частицы. Это — импульс и кинетическая энергия. Учеными установлено, что именно кинетическая энергия молекул определяет температуру тела:
температура является мерой средней кинетической энергии частиц тела; чем больше эта энергия, тем выше температура тела.
Итак, при нагревании тел средняя кинетическая энергия молекул увеличивается, и они начинают двигаться быстрее; при охлаждении энергия молекул уменьшается, и они начинают двигаться медленнее.
Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением. Тепловое движение отличается от обычного механического движения тем, что его интенсивность зависит от температуры тела и в нем всегда участвует очень много частиц, движущихся по очень сложным и запутанным траекториям.
1. Какие тепловые явления вы знаете? 2. Как протекает диффузия при разных температурах? 3. Как температура вещества зависит от средней скорости молекул и их массы? 4. Мерой чего является температура тела? 5. Чем отличается горячая вода от холодной? 6. В каком растворе — горячем или голодном — быстрее просаливаются огурцы? Почему? 7. Что такое тепловое движение? Почему оно так называется? Чем оно отличается от механического движения тел? 8. На чем основано действие термометров? 9. Когда и кем был изобретен первый жидкостный термометр?