Підручник Фізика 8 клас - А. М. Сердюченко - Освіта 2016 рік

Розділ 1. Внутрішня енергія Теплообмін

ЧАСТИНА І. ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

§ 3. Вимірювання температури. Термометри. Шкала Цельсія

Думки вголос

Я зможу розширити свої знання про вимірювання температури. Дізнаюся, що таке шкала термометра, як вона побудована. Ці знання для мене мають велике практичне значення.

Чи траплялися вам такі ситуації?

На малюнку 13 показано різні ситуації, коли ми маємо подбати про створення певних теплових умов у побуті або на виробництві.

Отже, відомо, що потреби лікарів, ремісників, учених минулого вимагали створення приладу, здатного точно визначати ступінь нагрітості тіла, тобто його температуру. На той час ще була невідома будова речовини, а, отже, і незрозумілий фізичний зміст поняття температури. Однак учені знали, що деякі властивості тіла пов’язані з його теплотою, наприклад, те, що під час нагрівання всі тіла розширюються. Ці властивості винахідники використовували у конструкціях приладів, здатних вимірювати температуру. З часом такі прилади назвали термометрами. Чутливим елементом у термометрі є термометричне тіло, характеристики якого залежать від температури.

Мал. 13. Створення певних теплових умов: а — життя рибок в акваріумі;

б — теплові умови прання; в — для купання немовлят; г — у приміщенні; д — на виробництві

Термометр — прилад для вимірювання температури за допомогою контакту з досліджуваним середовищем. Дія термометра ґрунтується на фізичних явищах, що залежать від температури (теплове розширення речовин, зміна електричного опору тощо).

Для тих, хто хоче знати більше

Не дивно, що прототип термометра — термоскоп (мал. 14) — створив Галілео Галілей (1564-1642), який одним із перших зрозумів важливість виконання точних вимірів під час фізичних досліджень.

Термометричним тілом у термоскопі Галілея було повітря, яке заповнювало скляну колбу 1, від нижньої частини якої відходила скляна трубка 2, частково заповнена підфарбованою водою. Ця трубка занурювалася нижнім кінцем у посудину 3, також наповнену підфарбованою водою. Перед використанням колбу злегка нагрівали, при цьому частина повітря з неї виходила, після чого трубку опускали в посудину. Під дією атмосферного тиску вода у трубці піднімалася вгору до певного рівня. Коли колбу приводили в контакт із холодним або теплим тілом (наприклад, охоплювали колбу долонею), повітря в колбі стискалося або розширялося. При цьому зміна рівня рідини у трубці була вказівником температури досліджуваного тіла. Однак висота стовпчика при цьому залежала не тільки від температури тіла, а й від атмосферного тиску, тому вимірювання температури термоскопом було наближеним. Термоскоп Галілея не мав шкали, але він давав змогу порівнювати температури різних тіл у певний час і у певному місці.

Мал. 14. Будова термоскопа Галілея (бл. 1597 р.)

З часом майстри, винахідники, учені вдосконалювали термометри, змінюючи їх конструкції та використовуючи різні термометричні тіла. Наприклад, перший рідинний термометр було винайдено у 1631 р. французьким фізиком Ж. Реєм.

У наш час існує багато типів термометрів, дія яких ґрунтується на різних принципах. Деякі типи сучасних термометрів показано на малюнку 15.

Ознайомимося детальніше з будовою і принципом дії спиртового термометра зі шкалою Цельсія (мал. 16).

Чутливим елементом термометра є маленька колбочка, заповнена рідиною. Звичайно підбирають рідину, об’єм якої збільшується пропорційно температурі в якомога ширшому діапазоні. Найчастіше як термометричне тіло використовують спирт і ртуть. 22

Мал. 15. Деякі типи сучасних термометрів:

а — лабораторний спиртовий; б — кімнатний рідинний; в — віконний біметалічний; г — медичні ртутний та цифровий

Хоча найкраще підходить сірчана кислота, її не використовують через небезпеку опіків у випадку руйнування термометра.

Щоб побачити зміни об’єму рідини, від колби відходить тонка скляна трубка (капіляр), якою рухається стовпчик підфарбованого спирту. Його висота пропорційна збільшенню його об’єму під час нагрівання. Відповідно зі зниженням температури висота стовпчика зменшується.

Для отримання числових значень температури під капіляром встановлено проградуйовану шкалу з поділками, позначкам якої відповідають значення температури. Також на шкалу нанесено реперні точки, тобто первісні, відтворювані на досліді температурні позначки, яким присвоюють певні значення температури. На малюнку 17 показано процес визначення реперних точок для шкали Цельсія у стандартних умовах за нормального атмосферного тиску 760 мм рт. ст., або 101 292,8 Па.

За точку, якій присвоюють значення 0 °С, приймають значення температури танення льоду. Точці підйому спиртового стовпчика під час занурення колбочки у киплячу воду відповідає значення температури 100 °С.

Інтервал між реперними точками поділено на 100 рівних поділок, кожна з яких дорівнює 1 °С, і через кожні 10 °С позначено проміжні числові значення температури. Покази таких термометрів збігатимуться за певної температури незалежно від того, де і коли вони виготовлені.

Мал. 16. Спиртовий термометр, межі вимірювання температури — від -10 °С до +150 °С

Мал. 17. Визначення реперних точок у стандартних умовах під час градуювання шкали термометра

У шкалі Цельсія одиницею температури є градус Цельсія (1 °С) — одна сота частина інтервалу між температурами плавлення льоду і кипіння дистильованої води за нормального атмосферного тиску.

Більшість кліматичних процесів на землі і процесів в живій природі пов’язана з діапазоном температур від -50 °С до +50 °С. Тому на практиці використовують шкалу Цельсія. Шкала Цельсія є надзвичайно зручною, оскільки вода дуже поширена на нашій планеті і на ній базується життя. Нуль шкали Цельсія — особлива точка в метеорології, тому що вона пов’язана з замерзанням води в атмосфері.

У системі одиниць СІ за одиницю температури прийнято кельвін (1 К), тобто один градус за Кельвіном, який за значенням дорівнює 1 °С. Нагадаємо, що температуру за шкалою Цельсія позначають малою латинською літерою t.

Значення температури, яке показує термометр у цей момент, дорівнює температурі рідини у колбочці. Тому, щоб виміряти температуру певного тіла, треба колбочку привести в контакт із цим тілом. Потім зачекати декілька хвилин доти, поки між тілом і рідиною в колбочці встановиться стан теплової рівноваги (їх температури зрівняються), після чого зняти покази термометра — відлічити значення температури на шкалі.

Історична довідка

Андерс Цельсій (1701-1744) — шведський астроном і математик — винайшов термометр зі стоградусною шкалою, який отримав його ім’я (термометр зі шкалою Цельсія, або термометр Цельсія). Сам Цельсій називав цей термометр «прикрасою» або приладом, що дозволяє побачити, «якою мірою теплішає чи холоднішає в кімнаті». Спершу Цельсій визначив точку кипіння води як нуль градусів, а точку танення льоду — як 100 градусів. У 1744 р.

М. Штремер перевернув шкалу (відтоді 0 градусів — температура танення льоду, а 100 градусів — кипіння води).

А ти знаєш?

У фізиці застосовується абсолютна температурна шкала (шкала Кельвіна), в якій температура замерзання води дорівнює 273,15 К, а кипіння води — 373,15 К (мал. 18).

Мал. 18. Абсолютна температурна шкала в порівнянні зі шкалою Цельсія

Розмір градуса в цій шкалі такий самий, як і на шкалі Цельсія. Градус Кельвіна позначають буквою К, на відміну від градуса Цельсія (°С). Абсолютний нуль (його ще називають «останнім ступенем холоду») — це температура за шкалою Цельсія -273,15 °С, за якої зупиняється тепловий рух мікрочастинок. Значення температури за шкалою Кельвіна визначають за формулою Т = t + 273, де t — температура за шкалою Цельсія.

Підсумки

• Ступінь нагрітості тіла визначають температурою тіла.

• Температура тіла — фізична величина, яку вимірюють в градусах.

• Більш нагріте тіло має вищу температуру, менш нагріте тіло — меншу.

• Температуру тіла вимірюють термометром.

• Існують різні шкали для вимірювання температури тіла. У побуті, техніці найчастіше використовують шкалу Цельсія, а в фізиці ще й шкалу Кельвіна.

Перевір свої знання

1. Яку температуру взято за 0 °С?

2. Яку температуру взято за 100 °С?

3. У який спосіб можна найточніше визначити температуру гарячої води у склянці?

4. З якою метою у медичному термометрі у трубці з ртуттю роблять звуження?

5. Стоматологи не радять їсти дуже гарячу їжу. Поміркуй, чому.

б. Дізнайся про інші шкали вимірювання температур і назви їх реперні точки.

7. Чим пояснити, що в гарячій воді ртутний термометр показує 50 °С, а спиртовий 52 °С, хоча в реперних точках 0 °С і 100 °С ці показання не відрізнялись?

8. Визнач ціну поділки термометрів та їх показання за шкалами:

Дай відповіді на запитання:

а) Де можливо вимірювати температуру такими термометрами?

б) У яких випадках вимірювання такими термометрами проводити не можна?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити