Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 4 Bимірювання температури. Температурні шкали

Ви дізнаєтесь

- Як і для чого вимірюють температуру

Пригадайте

- Що означає теплова рівновага

Вимірювання температури. Термометри.

У попередньому параграфі ми з’ясували, що тіла, які перебувають у стані теплової рівноваги, мають однакову температуру. Цю властивість покладено в основу її вимірювання. Прилад для вимірювання температури називають термометром. Щоб виміряти температуру певного тіла, його приводять у контакт із термометром і чекають, поки теплообмін між тілом і термометром припиниться. Термометр фіксує власну температуру, що дорівнює температурі тіла, з яким він перебуває в тепловій рівновазі.

Вимірювання температури має деякі особливості: для температури не існує еталона, з яким би ми могли її порівнювати, як, наприклад, для маси чи довжини. Про зміну температури тіла судять за зміною інших фізичних параметрів тіл: об’єму, тиску, електричного опору тощо.

Конструкції всіх термометрів складаються з вимірювального елемента та температурної шкали. В основу дії вимірювального елемента покладено певну його властивість, що залежить від температури. Наприклад, для рідинних термометрів (мал. 8, а) — це залежність об’єму рідини від температури, для електричних термометрів (мал. 8, б) — залежність сили струму від температури, для біметалевих (мал. 8, в) — залежність ступеня деформації металевої пластинки від температури.

Найчастіше на практиці використовують залежність об’єму рідини (ртуті або спирту) від зміни температури. Такий спосіб вимірювання температури запропонував у 1742 р. шведський учений Андерс Цельсій. Для того щоб кількісно визначити температуру тіла, необхідно встановити одиницю температури і проградуювати температурну шкалу.

Мал. 8. Термометри: а — рідинний; б — електричний; в — біметалевий

Для градуювання рідинного термометра скляний балон, що переходить у капіляр і заповнений зафарбованим спиртом або ртуттю, опускають у лід, що тане за нормальних умов. Після того, як між термометром і льодом настане теплова рівновага, рух рідини в капілярі припиниться. Навпроти цього рівня на шкалі ставлять позначку 0 °С. Потім термометр переносять у киплячу дистильовану воду за нормального тиску. Після припинення підняття рідини в капілярі термометра ставлять позначку 100 °С. Відрізок між нанесеними поділками ділять на 100 рівних частин. Це так звана температурна шкала Цельсія.

Температуру за цією шкалою позначають малою літерою t. Одиницю температури позначають символом °С (градус Цельсія).

Андерс Цельсій (1701-1743)

Видатний шведський фізик та астроном. У 1742 р. сконструював перший рідинний термометр

Абсолютна шкала температур. Поряд зі шкалою Цельсія у фізиці застосовують абсолютну шкалу температур, запропоновану англійським ученим Вільямом Томсоном, лордом Кельвіном (мал. 9, с. 20).

Нуль цієї шкали є умовною точкою відліку й відповідає такому тепловому стану тіла, за якого припинився б тепловий рух атомів і молекул. Теоретично доведено, що це було б можливо за температури -273,15 °С. Цю температуру називають абсолютним нулем температури. Одиницею такої шкали є 1 K (кельвін). Міжнародною системою одиниць 1 Kвизнано основною одиницею температури.

Зауважимо, що зміна температури, виміряна за шкалою Цельсія та шкалою Кельвіна, є однаковою. Наприклад, кімнатна температура t = 20 °С. За абсолютною шкалою температур це значення відповідає 293,15 K. Переведення температури з однієї шкали в іншу здійснюється за формулою: T = t + 273,15.

Якщо температура в кімнаті підвищилась на 5 °С і становить 25 °С, то за абсолютною шкалою температур це значення відповідатиме 298,15 K, тобто збільшилось на 5 K.

У побуті ми, як правило, користуємось температурною шкалою Цельсія, оскільки вона зручніша для вимірювання температури в межах значень, що є звичними для життєдіяльності людини (погодні умови, температура людського тіла тощо). У фізичних дослідженнях частіше користуються шкалою Кельвіна.

Ви, можливо, чули, що існують й інші температурні шкали, наприклад, шкала Фаренгейта, яку використовують у побуті в англомовних країнах.

Вільям Томсон, лорд Кельвін (1824-1907)

Видатний англійський фізик, відомий фундаментальними працями з термодинаміки

Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879)

Англійський учений, якому належать великі відкриття в галузі молекулярної фізики, термодинаміки, електродинаміки

З історії становлення молекулярно-кінетичного тлумачення температури. У ХІХ ст. англійський учений Джеймс Максвелл показав, що температура тіла пов’язана не стільки зі швидкістю руху його молекул, скільки із середньою кінетичною енергією цих молекул. На підставі теоретичних міркувань він довів, що температура тіла характеризує середню кінетичну енергію мікрочастинок, з яких складається це тіло. Австрійський фізик Людвіг Больцман вивів формулу, що встановлює кількісне співвідношення між змінами середньої кінетичної енергії мікрочастинок та змінами температури тіла, яке з них складається:

де k — стала Больцмана, k = 1,38 ∙ 10 23 Дж/К;

Т — термодинамічна температура.

Людвіг Едуард Больцман (1844-1906)

Австрійський фізик, який зробив великий внесок у розвиток термодинаміки й молекулярної фізики

Мал. 9. Температурні шкали: а — Цельсія; б — Кельвіна (абсолютна)

Підбиваємо підсумки

- Температуру вимірюють термометрами.

- У побуті користуються термометрами, проградуйованими за шкалою Цельсія.

- У фізичних дослідженнях частіше користуються шкалою Кельвіна. Нуль цієї шкали є умовною точкою відліку й відповідає такому тепловому стану тіла, за якого припинився б тепловий рух атомів і молекул. Теоретично доведено, що це було б можливо за температури -273,15 °С. Цю температуру називають абсолютним нулем температури. Одиницею такої шкали є 1 K (кельвін).

- Переведення температури з однієї шкали в іншу здійснюється за формулою: T = t + 273,15.

Я знаю, вмію й розумію

1. Як вимірюють температуру?

2. За яким принципом проградуйована температурна шкала Цельсія?

3. Що є одиницею температурної шкали Цельсія?

4. Що є одиницею абсолютної шкали температур? Як вона пов’язана з градусом Цельсія?

ПОЯСНІТЬ

1. Для чого медичні термометри перед вимірюванням температури тіла потрібно струшувати?

2. Медичні термометри мають шкалу до 42 °С. Як вимірюють температуру хворим мешканцям тропічних країн, де температура повітря вища за 42 °С і стовпчики термометрів повністю заповнені ртуттю ще до використання?

3. Чи є обмеження для максимальної і мінімальної температури речовини?

Експериментальні й дослідницькі завдання

1. Двома однаковими термометрами вимірюють температуру води з-під крана: першим торкнулися до краплини води, а другий помістили в склянку з водою. У якому випадку показання термометра буде ближчим до справжньої температури води?

2. У гарячу воду занурили вертикальну пробірку, у якій під краплиною ртуті міститься стовпчик повітря. Як поводитиметься краплина ртуті?

Вправа 2

1. На якому з вікон (що виходить: а) на південь; б) на північ; в) на схід; г) на захід; д) у будь-який бік) слід повісити термометр, щоб вимірювання температури повітря надворі були найточнішими?

2. Ціна поділки ртутного термометра становить 0,5 °С, а відстань між найближчими рисками на шкалі — 1 мм. На скільки зміниться довжина стовпчика ртуті в термометрі, якщо температура підвищиться на 15 °С?

3. У скільки разів змінилася кінетична енергія поступального руху частинок деякого газу, якщо внаслідок нагрівання середня швидкість руху його молекул збільшилася втричі?

4. Визначте, у скільки разів середня швидкість теплового руху молекули водню більша за середню швидкість молекули гелію за однієї й тієї самої температури, якщо маса молекули гелію вдвічі більша за масу молекули водню.

5. У скільки разів середня кінетична енергія руху молекул водяної пари літнього дня за температури 30 °С більша, ніж у зимовий день за температури -30 °С?




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