Проверьте знания по физике бесплатно

Узнать бесплатно

Температура и тепловое равновесие

2.7K

Температура — привычное для нас понятие, которое скрывает в себе удивительные процессы, происходящие в каждом предмете, который нас окружает. Читайте до конца, и вы узнаете, как именно температура «заставляет» частицы двигаться и каким образом это движение устанавливает баланс — тепловое равновесие.

Что такое температура

Температура — характеристика внутреннего состояния вещества, которая показывает степень его нагретости.

Температуру можно отнести к макроскопическим параметрам, наряду с объёмом и давлением. Макроскопические параметры описывают вещество как единое целое, не исследуя при этом характеристики отдельных молекул и атомов, из которых оно состоит.

Обозначение, единица измерения, шкалы измерения

Температуру обозначают латинской буквой T, а основные единицы измерения температуры в международной системе (СИ) — это Кельвин (К). В повседневной жизни также часто используют градус Цельсия (°C) и градус Фаренгейта (°F), но эти шкалы созданы для бытовых нужд и имеют свои недостатки для научных расчетов.

Основные шкалы температуры
Шкала Цельсия	Шкала Фаренгейта	Шкала Кельвина
В этой шкале 0°C соответствует температуре замерзания воды, а 100°C — её кипению при нормальном атмосферном давлении. Шкала Цельсия удобна в повседневной жизни, однако она не абсолютна — возможны как отрицательные, так и положительные значения, что создаёт неудобства при работе с физическими законами и расчетами.	Используемая преимущественно в США, шкала Фаренгейта определяет 32°F как точку замерзания воды и 212°F как её точку кипения.	Абсолютная шкала температуры, в которой 0 K (абсолютный ноль) — это температура, при которой всё тепловое движение молекул прекращается. Единица изменения температуры в шкале Кельвина совпадает с градусом Цельсия, но вся шкала смещена на 273,15 градусов ниже нуля по Цельсию. Эта шкала идеальна для научных исследований, так как она позволяет выражать все температуры в положительных значениях, упрощая формулы и расчёты.

Переход к абсолютной шкале температуры в физике значительно упростил изучение явлений, связанных с молекулярным движением и термодинамическими процессами. С появлением шкалы Кельвина физики смогли точнее описывать процессы охлаждения, нагрева и поведения газов при разных температурах.

178.1K

Какая профессия тебе подходит? Узнай за 10 минут!

Получи больше пользы от Skysmart:

Подготовься к ОГЭ на пятёрку.
Подготовься к ЕГЭ на высокие баллы.
Записывайся на бесплатные курсы для детей.
Решай задания в бесплатном тренажёре ЕГЭ.

Измерительные приборы

Жидкостные термометры — это устройства, в которых для измерения температуры используется расширение жидкости, чаще всего ртути или спирта, внутри стеклянной трубки.

В обычных условиях такие термометры в зависимости от назначения могут измерять температуры в среднем от −30 до +300 °C (для ртутных) и от −70 до +80 °C (для спиртовых). Жидкость расширяется при нагреве и сужается при охлаждении, показывая, насколько изменилась температура.

Однако для научных лабораторий такие термометры не всегда подходят по нескольким причинам:

Неточность измерений. Жидкость в термометре реагирует не только на температуру, но и на давление и плотность окружающей среды. В лабораторных условиях требуется точность, которую такие термометры не обеспечивают.
Ограниченный диапазон температур. Жидкостные термометры не подходят для экстремально высоких и низких температур. Ртуть замерзает при −39 °C и кипит при 357 °C, а спиртовые термометры ограничены ещё более низкими значениями, что затрудняет работу с температурами в диапазонах, часто встречающихся в научных исследованиях.
Риск загрязнения и опасность. В случае повреждения термометра разлив ртути создает токсичную среду, которая требует осторожной утилизации, а повреждения спиртовых термометров приводят к загрязнению и потерям точности в дальнейших измерениях.

В связи с этим в лабораториях используют газовые термометры. Газовые термометры основаны на законах термодинамики, где температура напрямую связана с давлением газа при постоянном объёме.

Принцип действия газового термометра состоит в том, что при изменении температуры меняется давление газа в закрытом сосуде, а при постоянном давлении меняется объём. Это изменение точно отражает абсолютную температуру газа, что делает их крайне точными.

Температура и скорость движения молекул

Согласно МКТ, частицы, из которых состоит вещество, находятся в бесконечном хаотичном движении. Такое движение называется тепловым, т.к. скорость движения молекул зависит от температуры. Чем больше температура, тем скорость движения больше и наоборот.

Раз температура влияет на скорость, она также влияет и на кинетическую энергию движения молекул:

, где m — масса молекулы; v — скорость движения молекулы.

Исходя из этого, можно дать такое определение температуры:

Температура — это мера средней кинетической энергии молекул, из которых состоит вещество.

, где

k — постоянная Больцмана, k = 1,38 × 10⁻²³ Дж/°K, T — абсолютная температура газа (в Кельвинах).

Взаимосвязь температуры, давления и объёма

Наиболее полно взаимосвязь макроскопических параметров (температуры, давления и объёма) можно рассмотреть на модели идеального газа. Такая модель упрощает поведение реальных газов, игнорируя взаимодействие между молекулами и их объём, что позволяет получить теоретическую основу для понимания газовых процессов.

Закон Бойля-Мариотта

При постоянной температуре T произведение давления p на объём V остается постоянным:

pV = const

Это означает, что при уменьшении объёма давление увеличивается, и наоборот, если температура остается неизменной.

Закон Шарля

При постоянном давлении объём газа прямо пропорционален температуре:

TV = const

При увеличении температуры объём газа будет увеличиваться, если давление не меняется.

Закон Гей-Люссака

При постоянном объёме давление газа пропорционально его температуре:

pT = const

Если объём фиксирован, то при нагревании давление увеличивается.

Эти законы объединяются в уравнении состояния идеального газа:

pV = υRT, где

p — давление газа [Па], V — объём газа [м³], υ — количество вещества [моль].

R = k ⋅ N_A = 8,31 Дж/моль ⋅ °K — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура газа (в Кельвинах).

Это уравнение позволяет находить любую из величин, если известны остальные, и показывает, как при изменении температуры и объёма изменится давление газа, а также как температура влияет на объём при постоянном давлении.

Тепловое равновесие

Вспомним принцип использования медицинского термометра: мы приводим его в соприкосновение с нашим телом, ожидаем 5–8 минут, и после этого прибор показывает температуру нашего тела. Разберёмся, каким образом температура прибора и нашего тела при этом становятся одинаковыми.

Тепловое равновесие — это состояние, при котором два или более тела (или системы) находятся в тепловом контакте и имеют одинаковую температуру.

Также при тепловом равновесии и другие макроскопические параметры тела долгое время остаются неизменными

Когда два тела с разными температурами вступают в тепловой контакт, энергия в форме тепла передается от более нагретого тела к менее нагретому. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока температура не станет одинаковой для обоих тел.

Например:

Если поместить горячую ложку в стакан с холодной водой, через некоторое время ложка и вода достигнут одной температуры.
Если тёплая рука прикасается к холодному металлу, металл начнет поглощать тепло от руки, пока их температуры не выровняются.

В этом процессе важна разница температур: если изначально объекты были одинаково нагреты, процесс теплообмена происходить не будет.

Задачи про температуру и тепловое равновесие

Задача 1

В сосуде с жёсткими стенками находится в равновесном состоянии смесь 1 моля гелия и 1 моля азота. Температуру смеси повысили. Выберите все верные утверждения.

В результате повышения температуры внутренняя энергия гелия увеличилась больше, чем внутренняя энергия азота.
Средние кинетические энергии поступательного теплового движения молекул гелия и молекул аргона в равновесном состоянии одинаковы.
Среднеквадратичные скорости молекул гелия и молекул азота в равновесном состоянии одинаковы.
После повышения температуры парциальное давление гелия в сосуде увеличилось.
После повышения температуры давление в сосуде увеличилось.

Решение и ответ

Решение:

Изменение внутренней энергии идеального газа равно .В условии задачи сказано, что количество вещества у газов и изменение температуры одинаковые. Следовательно, изменение внутренней энергии обоих газов одинаковое. Утверждение неверно.
Средняя кинетическая энергия идеального газа рассчитывается по формуле: . В условии указано, что наступило тепловое равновесие, т.е температура газов была одинакова, следовательно, будут равны и E_k. Утверждение верно.
Средняя квадратичная скорость идеального газа равна , где М — молярная масса. Молярная масса газов различна, значит и средняя квадратичная скорость будет различна. Утверждение неверно.
Объём не менялся, температура увеличилась. Тогда по закону Гей-Люссака: При постоянном объёме давление газа пропорционально его температуре. Значит, парциальное давление гелия в сосуде увеличилось. Утверждение верно.
При повышении температуры парциальные давления обоих газов увеличатся, а значит, увеличится и давление газа в сосуде. Утверждение верно.

Ответ: 245

Задача 2

Для создания и поддержания температуры 0 °С учёный сделал следующее: он налил в теплоизолированный стакан дистиллированную воду комнатной температуры, сверху добавил жидкий азот и перемешал смесь ложкой. Далее учёный перенёс смесь в специальный сосуд, где она медленно таяла при 0 °С.

Какой объём V жидкого азота понадобится для приготовления 300 г смеси, содержащей 75% льда и 25% воды (по массе), из воды при температуре 25 °С? Потерями тепловой энергии можно пренебречь.

Удельная теплоёмкость воды: c = 4200 Дж/кг ⋅ С.

Удельная теплота плавления льда: λ = 3,3 ⋅ 10⁵ Дж/кг.

Плотность жидкого азота ρ_азота = 808 кг/м³.

Удельная теплота парообразования азота L = 197 600 Дж/кг.