Каким знаком обозначается температура в физике
Изображение взято из открытых источников
Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 12. Термодинамика
Все мы понимаем, что значит, например, выражение «температура на улице 30 градусов Целься». Но если серьезно задуматься над понятием температуры, то не так-то все понятно. Почему если температура воздуха тридцать градусов – это жарко, а точно такая же температура воды – это так себе, едва теплая вода, а для кого-то, может быть, покажется и холодная. А что вообще означает один градус? Что показывает такая величина, как температура?
На самом деле, такой же вопрос можно задать и про другие величины. Что такое один метр, одна секунда, один килограмма. Ученые ответили на этот вопрос, введя эталоны. Например эталон секунды – это интервал времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния в атомах цезия-133. Эталон метра – это специальная такая «линейка» длиной равно (насколько это возможно) один метр. Этот эталон храниться в Парижской палате мер и весов в стеклянной банке под вакуумом.
А как насчет температуры? Есть ли эталон градуса? Давайте подумаем. Что можно взять за основу? Точка кипения воды?Но она зависит от внешнего давления и еще от разных других факторов. Конечно, можно взять за основу температуру кипения чистой воды без примесей при стандартном атмосферном давлении. Но что это даст? На шкале у нас будут только два деления: до точки кипения и после. Конечно, можно добавить температур плавления льда, точку замерзания кислорода и так далее. Но кто даст гарантию, что это будет линейная шкала. Да и как мы будем измерять температуру такой шкалой? Прикладывать нагретое тело к воде, что бы определить, не закипит ли она, не начнет ли плавится железо или замерзать воздух? Согласитесь, маразм. Вряд ли будет реально воспользоваться такой шкалой в большинстве ситуаций, когда нам надо померять температуру.
Но как тогда быть? Тут, вы все наверное, вспомнили обычный медицинский градусник или уличный термометр. Конечно, сейчас все чаще пользуются электронным термометром. Но, термометры, где температуру показывает столбик жидкости в трубочке, еще применяют. Здесь для измерения температуры используют так называемый закон теплового расширения тел:
Здесь треугольничек (он называется «дельта») перед L и t обозначает изменение. Буковка, похожая на a (альфа) – это коэффициент теплового расширения, L – длина. Таким образом, длина изменится пропорционально изменению температуры. Кстати, теперь, вы понимаете, почему между рельсами на железной дороге оставляют зазор:
Изображение взято из открытых источников
Летом, когда жарко, рельсы удлиняться!
Но на самом деле, линейное расширение тел – это лишь косвенный способ измерить температуру, точно так же как, например, изменение электрических характеристик проводника при изменении температуры, регистрация теплового излучения и так далее. Так что это вообще ни о чем нам не говорит и нисколько не приближает к понятию того, что такое температура.
Обратимся к классическим определением температуры.
Определение из статистической физики. Температура это производная от энергии системы по ее энтропии и выражается формулой:
Здесь E – это энергия, S – энтропия. Буковка d обозначает дифференциал, то есть, бесконечно малое приращение. Если сказать простыми словами, то температура это скорость изменения энергии в зависимости от энтропии. Но тут, согласитесь, еще более непонятно. Одно понятие (температура) выражено через другое, еще более «мозговзрывательное» понятие – энтропию.
Постараюсь перевести. Энтропия – это мера хаоса. Если у нас хаос увеличивается немного, но при этом энергия системы резко возрастает, то это значит, что температура высокая. Напротив, если большое изменение хаоса связано с небольшим изменением энергии – то значит, температура низкая. Грубо говоря (очень грубо и утрированно), большая энергия при низком беспорядке – это значит высокая температура. Низкая энергия при большом беспорядке – это низкая температура.
Определение через работу идеального газа. Если мы будем нагревать сосуд с газом, то газ будет стремиться расширятся, отчего давление на стенки сосуда возрастут. Но если сосуд заткнуть поршнем, то расширяющийся газ будет этот поршень толкать, тем самым совершая работу. Например, можно заставить поршень вращать колесную пару паровоза. Стоит заметить, что толкая поршень, газ остывает. Его температура понижается, так как часть кинетической энергии его молекул передаётся поршню. Таким образом, мы можем выразить температуру через работу газа, который расширяется при нагревании. Но тут будет много букв, поэтому я расскажу об этом на следующем уроке.
Следующий урок: Физика для чайников. Урок 14. Уравнение состояния идеального газа
Источник
Обозначения физических величин
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Источник
Òåìïåðàòóðà — ôèçè÷åñêàÿ âåëè÷èíà, õàðàêòåðèçóþùàÿ òåïëîâîå ñîñòîÿíèå òåë.
 îêðóæàþùåì íàñ ìèðå ïðîèñõîäÿò ðàçëè÷íûå ÿâëåíèÿ, ñâÿçàííûå ñ íàãðåâàíèåì è îõëàæäåíèåì òåë. Èõ íàçûâàþò òåïëîâûìè ÿâëåíèÿìè. Òàê, ïðè íàãðåâàíèè õîëîäíàÿ âîäà ñíà÷àëà ñòàíîâèòñÿ òåïëîé, à çàòåì ãîðÿ÷åé; âûíóòàÿ èç ïëàìåíè ìåòàëëè÷åñêàÿ äåòàëü ïîñòåïåííî îõëàæäàåòñÿ è ò. ä. Ñòåïåíü íàãðåòîñòè òåëà, èëè åãî òåïëîâîå ñîñòîÿíèå, ìû îáîçíà÷àåì ñëîâàìè «òåïëûé», «õîëîäíûé», «ãîðÿ÷èé», Äëÿ êîëè÷åñòâåííîé îöåíêè ýòîãî ñîñòîÿíèÿ è ñëóæèò òåìïåðàòóðà.
Òåìïåðàòóðà — îäèí èç ìàêðîñêîïè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ñèñòåìû.  ôèçèêå, òåëà, ñîñòîÿùèå èç î÷åíü áîëüøîãî ÷èñëà àòîìîâ èëè ìîëåêóë, íàçûâàþò ìàêðîñêîïè÷åñêèìè. Ðàçìåðû ìàêðîñêîïè÷åñêèõ òåë âî ìíîãî ðàç ïðåâûøàþò ðàçìåðû àòîìîâ. Âñå îêðóæàþùèå òåëà — îò ñòîëà èëè ãàçà â âîçäóøíîì øàðèêå äî ïåñ÷èíêè — ìàêðîñêîïè÷åñêèå òåëà.
Âåëè÷èíû, õàðàêòåðèçóþùèå ñîñòîÿíèå ìàêðîñêîïè÷åñêèõ òåë áåç ó÷åòà èõ ìîëåêóëÿðíîãî ñòðîåíèÿ, íàçûâàþò ìàêðîñêîïè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè. Ê íèì îòíîñÿòñÿ îáúåì, äàâëåíèå, òåìïåðàòóðà, êîíöåíòðàöèÿ ÷àñòèö, ìàññà, ïëîòíîñòü, íàìàãíè÷åííîñòü è ò. ä. Òåìïåðàòóðà — îäèí èç âàæíåéøèõ ìàêðîñêîïè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ñèñòåìû (ãàçà, â ÷àñòíîñòè).
Òåìïåðàòóðà — õàðàêòåðèñòèêà òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ ñèñòåìû.
Èçâåñòíî, ÷òî äëÿ îïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû ñðåäû ñëåäóåò ïîìåñòèòü â ýòó ñðåäó òåðìîìåòð è ïîäîæäàòü äî òåõ íîð, ïîêà òåìïåðàòóðà òåðìîìåòðà íå ïåðåñòàíåò èçìåíÿòüñÿ, ïðèíÿâ çíà÷åíèå, ðàâíîå òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðåäû. Äðóãèìè ñëîâàìè, íåîáõîäèìî íåêîòîðîå âðåìÿ äëÿ óñòàíîâëåíèÿ ìåæäó ñðåäîé è òåðìîìåòðîì òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ.
Òåïëîâûì, èëè òåðìîäèíàìè÷åñêèì, ðàâíîâåñèåì íàçûâàþò òàêîå ñîñòîÿíèå, ïðè êîòîðîì âñå ìàêðîñêîïè÷åñêèå ïàðàìåòðû ñêîëü óãîäíî äîëãî îñòàþòñÿ íåèçìåííûìè. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî íå ìåíÿþòñÿ îáúåì è äàâëåíèå â ñèñòåìå, íå ïðîèñõîäÿò ôàçîâûå ïðåâðàùåíèÿ, íå ìåíÿåòñÿ òåìïåðàòóðà.
Îäíàêî ìèêðîñêîïè÷åñêèå ïðîöåññû ïðè òåïëîâîì ðàâíîâåñèè íå ïðåêðàùàþòñÿ: ñêîðîñòè ìîëåêóë ìåíÿþòñÿ, îíè ïåðåìåùàþòñÿ, ñòàëêèâàþòñÿ.
Ëþáîå ìàêðîñêîïè÷åñêîå òåëî èëè ãðóïïà ìàêðîñêîïè÷åñêèõ òåë — òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ ñèñòåìà — ìîæåò íàõîäèòüñÿ â ðàçëè÷íûõ ñîñòîÿíèÿõ òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ.  êàæäîì èç ýòèõ ñîñòîÿíèé òåìïåðàòóðà èìååò ñâîå âïîëíå îïðåäåëåííîå çíà÷åíèå. Äðóãèå âåëè÷èíû ìîãóò èìåòü ðàçíûå (íî ïîñòîÿííûå) çíà÷åíèÿ. Íàïðèìåð, äàâëåíèå ñæàòîãî ãàçà â áàëëîíå áóäåò îòëè÷àòüñÿ îò äàâëåíèÿ â ïîìåùåíèè è ïðè òåìïåðàòóðíîì ðàâíîâåñèè âñåé ñèñòåìû òåë â ýòîì ïîìåùåíèè.
Òåìïåðàòóðà õàðàêòåðèçóåò ñîñòîÿíèå òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ ìàêðîñêîïè÷åñêîé ñèñòåìû: âî âñåõ ÷àñòÿõ ñèñòåìû, íàõîäÿùèõñÿ â ñîñòîÿíèè òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ, òåìïåðàòóðà èìååò îäíî è òî æå çíà÷åíèå (ýòî åäèíñòâåííûé ìàêðîñêîïè÷åñêèé ïàðàìåòð, îáëàäàþùèé òàêèì ñâîéñòâîì).
Åñëè äâà òåëà èìåþò îäèíàêîâóþ òåìïåðàòóðó, ìåæäó íèìè íå ïðîèñõîäèò òåïëîîáìåí, åñëè ðàçíóþ — òåïëîîáìåí ïðîèñõîäèò, ïðè÷åì òåïëî ïåðåäàåòñÿ îò áîëåå íàãðåòîãî òåëà ê ìåíåå íàãðåòîìó äî ïîëíîãî âûðàâíèâàíèÿ òåìïåðàòóð.
Èçìåðåíèå òåìïåðàòóðû îñíîâàíî íà çàâèñèìîñòè êàêîé-ëèáî ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíû (íàïðèìåð, îáúåìà) îò òåìïåðàòóðû. Ýòà çàâèñèìîñòü è èñïîëüçóåòñÿ â òåìïåðàòóðíîé øêàëå òåðìîìåòðà — ïðèáîðà, ñëóæàùåãî äëÿ èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû.
Äåéñòâèå òåðìîìåòðà îñíîâàíî íà òåïëîâîì ðàñøèðåíèè âåùåñòâà. Ïðè íàãðåâàíèè ñòîëáèê èñïîëüçóåìîãî â òåðìîìåòðå âåùåñòâà (íàïðèìåð, ðòóòè èëè ñïèðòà) óâåëè÷èâàåòñÿ, ïðè îõëàæäåíèè — óìåíüøàåòñÿ. Èñïîëüçóþùèåñÿ â áûòó òåðìîìåòðû ïîçâîëÿþò âûðàçèòü òåìïåðàòóðó âåùåñòâà â ãðàäóñàõ Öåëüñèÿ (°Ñ).
À. Öåëüñèé (1701-1744) — øâåäñêèé ó÷åíûé, ïðåäëîæèâøèé èñïîëüçîâàòü ñòîãðàäóñíóþ øêàëó òåìïåðàòóð.  òåìïåðàòóðíîé øêàëå Öåëüñèÿ çà íóëü (ñ ñåðåäèíû XVIII â.) ïðèíèìàåòñÿ òåìïåðàòóðà òàþùåãî ëüäà, à çà 100 ãðàäóñîì — òåìïåðàòóðà êèïåíèÿ âîäû ïðè íîðìàëüíîì àòìîñôåðíîì äàâëåíèè.
Ïîñêîëüêó ðàçëè÷íûå æèäêîñòè ðàñøèðÿþòñÿ ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû ïî-ðàçíîìó, òî òåìïåðàòóðíûå øêàëû â òåðìîìåòðàõ ñ ðàçíûìè æèäêîñòÿìè ðàçëè÷íû.
Ïîýòîìó â ôèçèêå èñïîëüçóþò èäåàëüíóþ ãàçîâóþ øêàëó òåìïåðàòóð, îñíîâàííóþ íà çàâèñèìîñòè îáúåìà (ïðè ïîñòîÿííîì äàâëåíèè) èëè äàâëåíèÿ (ïðè ïîñòîÿííîì îáúåìå) ãàçà îò òåìïåðàòóðû.
Источник
Подробности
Просмотров: 520
Температура – это просто!
Температура
Температура – это мера средней кинетической энергии молекул.
Температура характеризует степень нагретости тел.
Прибор для измерения температуры – термометр.
Принцип действия термометра:
При измерении температуры используется зависимость изменения какого-либо макроскопического параметра (объема, давления, электрического сопротивления и т.д.) вещества от температуры.
В жидкостных термометрах – это изменение объема жидкости.
При контакте двух сред происходит передача энергии от более нагретой среды менее нагретой.
В процессе измерения температура тела и термометра приходят в состояние теплового равновесия.
Жидкостные термометры
На практике часто используются жидкостные термометры: ртутные (в диапазоне от -35oС до +750oС) и спиртовые (от -80oС до +70oС).
В них используется свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры.
Однако, у каждой жидкости существуют свои особенности изменения объема (расширения) при различных температурах.
В результате сравнения, например, показаний ртутного и спиртового термометров, точное совпадение будет только лишь в двух точках (при температурах 0oС и 100oС).
Этих недостатков лишены газовые термометры.
Газовые термометры
Первый газовый термометр был создан французским физиком Ж. Шарлем.
Преимущества газового термометра:
– используется линейная зависимость изменения объема или давления газа от температуры, которая справедлива для всех газов
– точность измерения от 0,003oС до 0,02oС
– интервал температур от -271oС до +1027oС.
Тепловое равновесие
При соприкосновении двух тел различной температуры происходит передача внутренней энергии от более нагретого тела менее нагретому, и температуры обоих тел выравниваются.
Наступает состояние теплового равновесия, при котором все макропараметры (объем, давление, температура) обоих тел остаются в дальнейшем неизменными при неизменных внешних условиях.
Тепловым равновесием называется такое состояние, при котором все макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго.
Состояние теплового равновесия системы тел характеризуется температурой: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
Установлено, что при тепловом равновесии средние кинетические энергии поступательного движения молекул всех газов одинаковы, т.е.
Для разреженных (идеальных) газов величина
и зависит только от температуры, тогда
где k – постоянная Больцмана
Эта зависимость дает возможность ввести новую температурную шкалу абсолютную шкалу температур, не зависящую от вещества, используемого для измерения температуры.
Абсолютная шкала температур
– введена английским физиком У. Кельвином
– нет отрицательных температур
Единица абсолютной температуры в СИ: [T] = 1K (Кельвин)
Нулевая температура абсолютной шкалы – это абсолютный ноль ( 0К = -273oС ), самая низкая температура в природе. В настоящее время достигнута самая низкая температура – 0,0001К.
По величине 1К равен 1oC.
Связь абсолютной шкалы со шкалой Цельсия
Запомни! В формулах абсолютная температура обозначается буквой «Т», а температура по шкале Цельсия буквой «t».
После введения абсолютной температуры получаем новые выражения для формул:
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул
Давление газа – основное уравнение МКТ
Средняя квадратичная скорость молекул
И как следствие, закон Авогадро:
В равных объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.
Заметьте, здесь концентрация молекул также одинакова!
Молекулярная физика. Термодинамика – Класс!ная физика
Основные положения МКТ. Масса и размер молекул. Количество вещества. —
Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. —
Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. —
Температура. Тепловое равновесие. Абсолютная шкала температур. —
Уравнение состояния идеального газа. —
Изопроцессы. Газовые законы. —
Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность воздуха. —
Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела.
Источник
«Тепловое равновесие.
Температура. Шкала Цельсия»
Молекулярная физика в отличие от механики изучает системы (тела), состоящие из большого числа частиц. Эти тела могут находиться в различных состояниях, которые называются параметрами состояния. К параметрам состояния относят давление, объём, температуру. Возможно такое состояние системы, при котором параметры, характеризующие его, остаются неизменными сколь угодно долго при отсутствии внешних воздействий. Это состояние называется тепловое равновесие. Так, объём, температура, давление жидкости в сосуде, находящейся в тепловом равновесии с воздухом в комнате, не изменяются, если для этого не будет каких-либо внешних причин.
Температура
Состояние теплового равновесия системы характеризует такой параметр, как температура. Особенностью его является то, что значение температуры во всех частях системы, находящейся в состоянии теплового равновесия, одинаково. Если опустить в стакан с горячей водой серебряную ложку (или ложку из любого другого металла), то ложка будет нагреваться, а вода — остывать. Это будет происходить до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие, при котором ложка и вода будут иметь одинаковую температуру, т.е. придут в тепловое равновесие.
Температура — это физическая величина, которая характеризует тепловое состояние тела. Так, температура горячей воды выше, чем холодной; зимой температура воздуха на улице ниже, чем летом.
Единицей температуры является градус Цельсия (°С). Температуру измеряют термометром.
В основе устройства термометра и соответственно способа измерения температуры лежит зависимость свойств тел от температуры, в частности свойство тела расширяться при нагревании. В термометрах могут быть использованы разные тела: и жидкие (спирт, ртуть), и твёрдые (металлы) и газообразные. Их называют термометрическими телами. Термометрическое тело (жидкость или газ) помещают в трубку, снабжённую шкалой, её приводят в соприкосновение с телом, температуру которого хотят измерить.
Повышение температуры газа означает увеличение средней скорости хаотического движения его молекул. Аналогично с повышением температуры возрастает скорость перемещения молекул жидкости и возрастает амплитуда колебаний атомов твердых тел.
Шкала Цельсия. Шкала Кельвина
Существуют разные температурные шкалы. Одной из наиболее распространённых в практике шкал является шкала Цельсия. Основными точками этой шкалы служат температура таяния льда и температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). Первой точке приписали значение 0 °С, а второй — 100 °С. Расстояние между этими точками разделили на 100 равных частей и получили шкалу, называемую шкала Цельсия. За единицу температуры по этой шкале принят 1 °С.
Помимо шкалы Цельсия широко используется температурная шкала, названная абсолютной (термодинамической) шкалой температур, или шкала Кельвина. Температура любого тела не может опуститься ниже -273,15 °С. При такой температуре движение молекул полностью прекращается. За ноль по шкале Кельвина принята температура -273,15 °С. Эта температура названа абсолютным нулём температур и обозначается 0 К. Единицей температуры является один кельвин (1 К); он равен 1 градусу Цельсия. Соответственно температура таяния льда по абсолютной шкале температур — 273 К, а температура кипения воды — 373 К.
Температуру по абсолютной шкале обозначают буквой Т. Связь между температурой по абсолютной шкале (Т) и температурой по шкале Цельсия (t°) выражается формулой:
Т = t° + 273.
Конспект урока «Тепловое равновесие. Температура. Шкала Цельсия».
Следующая тема: «Внутренняя энергия».
Источник