Что же такое температура?
Содержание
Температура — базовое физическое понятие, которое понятно нам на бытовом уровне, но часто вызывает затруднения при решении задач ОГЭ по физике . Основная сложность состоит в том, что мы путаем тепло, температуру и процессы теплопередачи.
Попробуем разобраться в этих явлениях и закономерностях.
Шкалы температуры
Для восприятия температуры, то есть степени нагретости вещества у человека есть рецепторы, благодаря которым мы ощущаем: теплая вода или холодная, какая погода на улице и остыла ли уже кружка с чаем.
Понятия «холодный», «горячий», «теплый» хороши для повседневной жизни, но для науки требуется более совершенный инструмент, который позволяет однозначно понимать состояние материи или воспринимать условия проведения эксперимента.
Мы измеряем температуру веществ с помощью прибора, называемого термометром. Он имеет шкалу, которая показывает величину «нагрева» в градусах — единицах температуры. На этом этапе возникает первая проблема, потому что существует три распространенных единицы измерения температуры:
- градус Цельсия (°C)— 1/100 часть диапазона температур между точкой плавления льда и кипения воды, принятыми, соответственно за 0 °C и 100 °C;
- градус Кельвина (°K)— количественно равен градусу Цельсия (вернее, наоборот) и рассчитывается, как 1/273,16 доля тройной точки воды (что это такое, мы расскажем ниже);
- градус Фаренгейта (°F) — 1/180 часть диапазона температур между точкой плавления льда и кипения воды, которые равны, соответственно +32 °F и +212 °F.
Внимание! Тройная точка — условия, при которых вода пребывает в равновесии между газообразным, жидким и твердым состоянием и может одновременно существовать в любом из них. При обычных условиях в природе такого не происходит — состояние равновесия достижимо лишь при понижении давления до 0,006 атм и температуре 0,01 °С.
Градус Фаренгейта используется, в основном, в США. Градус Цельсия распространен в остальном мире, но в науке базовой единицей является градус Кельвина.
Изначально все три параметра были привязаны к свойствам воды, но сейчас ситуация изменилась, поскольку в современной науке и технике важно очень точно знать состояние системы, поэтому градус Кельвина был переопределен через постоянную Больцмана.
Перевод температуры
Для бытовых и школьных расчетов мы можем преобразовать результат измерения по шкале Цельсия в шкалу Кельвина или Фаренгейта и наоборот, используя следующее уравнение:
Пример: нормальная температура человеческого тела составляет 36,6 °C — она обозначена на наших медицинских градусниках. Определите, какая температура обозначена на американских термометрах и сколько это будет в Кельвинах.
Решение
- На американском термометре, как мы уже знаем, указана температура в Фаренгейтах. Чтобы найти соответствующее значение, составим пропорцию для перевода между двумя шкалами:
Подставим значение температуры в левую часть и решим пропорцию относительно °F:
°F = 97.88
- На термометре специалиста по термодинамике указана температура в Кельвинах. Чтобы найти соответствующее значение, составим пропорцию для перевода между двумя шкалами:
Подставим значение температуры в левую часть и решим пропорцию относительно °F:
Заметим, что обе части имеют одинаковый знаменатель, от которого можно избавиться, умножив каждую из них на 100. Проделаем этот маневр и одновременно решим относительно °K:
°K = 36,6 + 273 = 309,75
Вывод: Градусы Цельсия можно перевести в градусы Кельвина, просто прибавив 273.
Важно: 0 °K или -273,15 °C — самая низкая возможная температура или абсолютный ноль! На практике этой отметки достичь нельзя, хотя ученые и инженеры приблизились очень близко к этому значению, снизив температуру газовой среды до 38∙10-12 °К.
Что же такое температура?
Му уже знаем, как измерить температуру и как выразить ее количественно, но не знаем, что это такое. Заглянем внутрь материи: нам известно, что все вещества состоят из атомов и молекул.
О микромире мы знаем, что все частицы материи находятся в случайном движении, они колеблются, сталкиваясь случайным образом. Из механики мы знаем, что движущийся объект имеет кинетическую энергию. Таким образом, в объекте все частицы обладают кинетической энергией.
Температура — это величина, которая прямо пропорциональна средней кинетической энергии атомов вещества.
Важно! Будьте осторожны, это не энергия, это просто количество средней кинетической энергии одного атома или одной молекулы.
Тепло — это энергия, которую можно преобразовывать из одной формы в другую или передавать от одного объекта к другому.
Природный газ, сгорая, выделяет тепло и передает эту энергию через чайник воде. Это увеличивает кинетическую энергию молекул воды, заставляя их двигаться все быстрее и быстрее. При определенной температуре (точке кипения) атомы набирают достаточно энергии, чтобы разорвать молекулярные связи в жидкости и превратиться в пар.
Теплопередача — передача тепловой энергии от одного, более нагретого тела (участка) к другому, менее нагретому до момента достижения равновесия. Она может осуществляться по следующим механизмам:
- теплопроводность: холодная часть стены дома нагревается путем «перетекания» тепла от нагретой части;
- конвекция: воздух у батареи отопления нагревается и поднимается вверх, перенося тепловую энергию в пространстве комнаты;
- радиация или тепловое излучение: кусок раскаленного металла или инфракрасный обогреватель (вообще, любое тело) излучает электромагнитные волны, передавая тепловую энергию.
Занимайтесь на курсах ЕГЭ и ОГЭ в паре TwoStu и получите максимум баллов на экзамене:
