Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

Частина I Теплові явища

РОЗДІЛ 1. ТЕПЛОВИЙ РУХ АТОМІВ І МОЛЕКУЛ. ТЕМПЕРАТУРА

§ 3. ТЕРМОМЕТРИ. ШКАЛА ЦЕЛЬСІЯ. АБСОЛЮТНА ШКАЛА ТЕМПЕРАТУР

1. Залежність властивостей тіла від температури. Вимірювання температури тіла термометром.

Вимірювати температуру як міру теплового стану тіла навчилися раніше, ніж зрозуміли, як побудована речовина та що таке температура. Тому історично склалося так, що температуру вимірюють у градусах, а прилад за допомогою якого ці вимірювання здійснюють, називають термометром.

У більшості термометрів використовується властивість тіл розширюватись при нагріванні. Тіла, зміна властивостей яких покладена в основу дії термометра, називаються термометричними. У термометрах використовуються різні термометричні тіла: рідкі (спирт, ртуть), тверді (метали), газоподібні.

Процес вимірювання температури полягає в тому, що термометричне тіло вміщують у спеціальну посудину і приводять у дотик з тілом, температуру якого потрібно виміряти. З часом настає стан теплової рівноваги і температура термометричного тіла зрівнюється з температурою досліджуваного тіла (або середовища). Запам’ятайте: для встановлення стану теплової рівноваги потрібний певний час, тому покази термометра не можна фіксувати одразу (зокрема, для вимірювання температури тіла ртутним термометром, ви маєте потримати його у контакті з тілом близько 10 хвилин).

Термометр - від грецьких слів therme - тепло та metreo — міряю).

Відомо багато типів термометрів, однак їх дія заснована на одному й тому самому принципі — залежності властивостей речовини від температури. Основою для вимірювання температури може бути зміна будь-якої з цих властивостей, якщо для неї відома залежність від температури.

Термометр завжди показує температуру термометричного тіла, яка дорівнює температурі досліджуваного тіла, з яким цей термометр перебуває в стані теплової рівноваги. В цьому полягає фізичний зміст вимірювання температур за допомогою термометрів.

2. Побудова температурної пікали.

Шкала Цельсія. Для того, щоб за допомогою термометра можна було вимірювати температури тіл, він повинен мати шкалу. Для її побудови обирають дві опорні (реперні) точки, які відповідають певним значенням температур (наприклад, температурам танення льоду та кипіння води). Інтервал між цими точками ділять на декілька рівних частин, значення кожної з яких відповідає одиничному значенню температури за даною шкалою. Як була побудована звична для нас й найбільш поширена температурна шкала?

Шведський астроном, геолог, метеоролог Андерс Цельсій (1701-1744 рр.) у 1742 р. запропонував обрати опорними точками температурної шкали температуру танення (плавлення) льоду та температуру кипіння води при нормальному атмосферному тиску (760 мм рт. ст.). Одержану ним шкалу на його честь було названо шкалою Цельсія. Принцип нанесення поділок на температурну шкалу за Цельсієм схематично показано на рисунку 8, а, б. Точці шкали, у якій встановлюється верхній рівень стовпчика рідини, коли резервуар термометра розміщено у посудині з льодом, що тане, надають значення 0; точці шкали, у якій встановлюється верхній рівень стовпчика рідини, коли резервуар термометра занурено у воду, що кипить, надають значення 100. Проміжок між цими точками ділять на 100 рівних частин і одержують одиницю температури - градус Цельсія (1 °С). Літера «С» є першою літерою прізвища Цельсія, який запропонував саме такий спосіб побудови пікали.

Для побудови температурної шкали обирають дві основні (реперні) точки, які відповідають певним значенням температур, а температурний інтервал між ними ділять на кілька рівних частин. Реперні точки встановлюються за міжнародною угодою.

Рис. 8 Принцип побудови пікали Цельсія

Андерс Цельсій (1701-1744 рр.)

Таким чином, пікала Цельсія є стоградусною, з опорними (реперними) точками 0 °С та 100 °С. Нижче від точки 0°С і вище від точки 100 °С наносять необхідну кількість поділок. Температура вище від нуля на цій шкалі вважається додатною, нижче - від’ємною. Для температури, визначеної за шкалою Цельсія, прийнято позначення t.

3. Якими температурними шкалами користуються в інших країнах?

У Великій Британії та США крім шкали Цельсія застосовують температурну шкалу Фаренгейта (°F), у якій температурі танення льоду відповідає 32 °С, а температурі кипіння води - 212 °F. У шкалі Реомюра (Франція) температурі танення льоду відповідає 0 °R, а температурі кипіння води 80 °R. Історії науки відомі й інші температурні шкали.

Сьогодні ви дуже часто зустрічаєтесь із температурою за шкалою Фаренгейта (у мережі Інтернет, при перегляді зарубіжних кінофільмів, в іноземній літературі). Наприклад, герой кінофільму каже: «Сьогодні температура повітря 68 °F». Це тепло чи холодно? Оцінити цю температуру дуже просто. Між шкалами Цельсія і Фаренгейта існує зв’язок, а саме:

t °C =

Отже 68 °F відповідає 20 °С.

На практиці для зручності визначення температури термометри забезпечуються одразу двома шкалами - Цельсія і Фаренгейта (рис. 9).

Стан танення льоду і стан кипіння води досить характерні, тому їх використовують під час виготовлення термометрів і перевірки їх точності.

Шкала Цельсія обрана довільно, а, отже, існують й інші температурні шкали. Але опорні (реперні) точки — точки плавлення льоду та кипіння води при нормальному тиску є однаковими у більшості температурних шкал.

Рис. 9. Термометр, призначений для одночасного вимірювання температур за шкалою Цельсія і шкалою Фаренгейта

4. Абсолютна шкала температур. У 1848 р. році британським фізиком Вільямом Томсоном (1856 - 1940 рр.) була запропонована температурна шкала, що є незалежною від вибору термометричного тіла і має одну реперну точку. Ця шкала отримала назву абсолютної шкали температур (її ще називають шкалою Кельвіна, тому що Томсону за наукові досягнення було подаровано титул лорда Кельвіна). Температуру, виміряну за абсолютною шкалою, позначають літерою Т і називають абсолютною температурою. За 0 за цією шкалою прийнята температура - 273,16 С, яка називається абсолютним нулем і позначається °К (це і є реперна точка шкали Кельвіна). Одиницею температури за абсолютною шкалою є кельвін (1К). Один кельвін дорівнює одному градусу Цельсія: 1К = 1°С.

Теоретично розраховано, що температура - 273,16 °С є найнижчою з можливих температур. Зрозуміло, що температура танення льоду за абсолютною шкалою дорівнює 273,16 °С, а температура кипіння води 373,16 °С. Зв’язок між температурою за шкалою Кельвіна та шкалою Цельсія виражається формулою:

T = t + 273,16.

Співставлення температурних шкал Цельсія, Кельвіна та Фаренгейта подано на рис. 10.

5. Види термометрів. Рідинні термометри. Є різні види термометрів: рідинні, газові, металеві, термометри опору.

Розглянуті нами температурні шкали мають певні недоліки. По-перше, температури танення льоду та кипіння води залежать від атмосферного тиску, а, отже, можуть не відповідати значенням 0 °С та 100 °С. По-друге, розширення термометричного тіла при зміні температури може відбуватися нерівномірно, що особливо суттєво вплине на точність вимірювань на значному температурному інтервалі.

Абсолютна шкала температур не залежить від вибору термометричного тіла і має одну реперну точку.

Температура, виміряна за шкалою Кельвіна, не може бути від’ємною.

Найчастіше на практиці використовують рідинні термометри, побудовані на використанні властивості рідини розширюватись під час нагрівання та стискуватись під час охолодження.

На рисунку 11 зображено зовнішній вигляд (а) та будову (б) рідинного термометра. Він складається з корпуса А, до якого приєднано невеликий скляний резервуар Б, сполучений з трубкою В вузьким внутрішнім каналом. Резервуар Б та частину трубки В наповнюють деякою рідиною (спиртом, ртуттю та ін.). Температуру тіла і середовища вимірюють за допомогою температурної шкали Г. Піднімання рівня рідини в трубці термометра залежить від властивостей рідини і від сорту скла, з якого його виготовлено. Тому ширина поділок шкали для різних речовин матиме різний лінійний розмір. Точнішими є газові термометри, з якими ви ознайомитесь пізніше.

Рідинні термометри можна використовувати лише для температур, при яких рідина у термометрі залишається у рідкому стані. Наприклад, ртутним термометром не можна вимірювати температури, нижчі за - 39 °С, оскільки при цій температурі ртуть твердне.

Вимірювання температур є важливим в будь якій галузі сучасного природознавства. Розділ науки який вивчає методи вимірювання температур називають термометрією.

Температурні шкали

Рис. 10.

Рис. 11. Зовнішній ВИГЛЯД та будова спиртового термометра

Домашнє експериментальне завдання

Роздивіться уважно медичний та кімнатний термометри, що є у вашій квартирі. Порівняйте їх будову та визначте, яке термометричне тіло використовується в кожному термометрі. Встановіть межі температур, на які розраховані термометри, лінійні розміри температурних шкал та обчисліть довжину поділки, яка відповідає 1°С у кожному термометрі. Результати спостережень і обчислень запишіть у зошит. Зробіть рисунки термометрів. Сформулюйте висновки щодо точності кожного термометра та температурного інтервалу його застосування.

Фізичне знання в техніці

Вимірювання температур за допомогою цифрових термометрів.

Сьогодні в побуті і техніці все більшого поширення набувають цифрові термометри, які мають багато переваг порівняно з іншими видами термометрів. Цифрові термометри безпечні у використанні (на відміну, наприклад, від ртутних термометрів), а тому ними можуть користуватися навіть діти. Рідинні та газові термометри мають дрібні шкали, а яскраві і великі цифри на дисплеях цифрових термометрів видно на відстані до 5 метрів! Якість вимірювання цифрових термометрів теж є набагато вищою - вони фіксують температуру з точністю до десятих (рис. 13, а). Цифрові термометри використовуються й для вимірювання температури тіла людини, причому час одержання інформації про температуру при цьому значно менший порівняно з ртутним термометром - через 15 - 30 с лунає звуковий сигнал, після чого ви можете дізнатися, яка у вас температура тіла (рис. 12, б).

Рис. 12. Цифрові термометри:

а) термометр для вимірювання температури повітря у приміщенні;

б) медичний термометр для вимірювання температури тіла людини.

Із історії фізики: вчені і факти

Термоскоп Галілея

Перший термометр сконструював видатний італійський вчений Галілео Галілей близько 1597 р.; він назвав його термоскопом (рис. 13).

За термометричне тіло в ньому було взято повітря. Цей прилад складався із скляної кулі, наповненої повітрям, від нижньої частини цієї кулі відходила скляна трубка, частково заповнена підфарбованою водою. Трубка занурювалась нижнім кінцем у посудину, також наповнену підфарбованою водою. Перед використанням куля злегка нагрівалась; при цьому частина повітря з неї виходила, після чого трубку опускали в посудину. Атмосферний тиск змушував воду підніматися вгору до деякого рівня. Піднімання та опускання рідини у трубці пояснюється зміною температури повітря у кулі. Вимірювання температури термометром Галілея було наближеним. Термоскоп Галілея не мав певної шкали і тому можна було користуватися ним тільки для порівняння температури тіл. Сконструйований Галілеєм прилад став прообразом сучасного газового термометра (рис. 14). Ознайомтесь зі схемою цього термометра та поясніть механізм його дії.

Рис. 13. Принцип дії газового термометра

Рис. 14. Принцип дії газового термометра

Подумайте і дайте відповідь

1. Для чого використовують термометри? Який принцип покладено в основу дії термометрів?

2. Температуру якого тіла показує термометр?

3. Опишіть механізм побудови температурної шкали Цельсія.

4. Які температурні шкали, крім шкали Цельсія, ви знаєте?

5. У чому полягає особливість абсолютної шкали температур?

6. Яка температура відповідає абсолютному нулю? Запишіть зв’язок між температурою за абсолютною шкалою та шкалою Цельсія.

7. Назвіть види термометрів.

8. Яка властивість рідини використовується в рідинному термометрі? Опишіть його будову. Чим обмежується застосування рідинних термометрів?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 3.

1. На рис. 16 зображено біметалічний термометр. Принцип дії цього термометра заснований на властивостях пластинки, складеної з різнорідних металів (біметалічна пластинка), змінювати свою форму при зміні температури. Біметалічні термометри мають меншу точність, ніж рідинні, але їх стрілка добре видна здалека. Такі термометри зазвичай встановлюють на вікнах. Використовуючи рисунок 15, визначте: а) температуру, яку показує термометр; б) похибку вимірювання біметалічним термометром, якщо ціна його поділки 2 мм.

Рис. 15. Біметалічний вуличний термометр

2. На рис. 16, а зображено найбільший в Україні (м. Харків) фасадний термометр (довжина 16 м, відстань між сусідніми позначками 1 м, кількість поділок між ними - 5). На рис. 16, б зображено побутовий вуличний термометр (довжина 20 см, відстань між сусідніми позначками 1 см, кількість поділок між ними - 10). Порівняйте конструктивні особливості цих термометрів. Обчисліть: а) ціну поділки кожного термометра: б) точність вимірювання кожним термометром. Зробіть висновки щодо точності вимірювання температури цими термометрами.

3. На рис. 16, б подано цифровий термометр для вимірювання температури тіла людини та покази цього термометра.

Обчисліть, якою є температура тіла людини: а) за шкалою Фаренгейта; б) за шкалою Кельвіна.

4. Що можна сказати про швидкість теплового руху молекул повітря, якщо його температура зменшилася? збільшилася?

2. На рис. 16, а

Рис. 16, б





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