Тепловое движение. Температура

Введение

Каждый человек ежедневно ощущает тепло и холод — от солнечных лучей, чашки горячего чая или морозного ветра. Но что такое тепло с точки зрения физики? Почему тела нагреваются или охлаждаются? Эти явления объясняет раздел физики — молекулярная физика, изучающая строение вещества и тепловые процессы. В основе всех тепловых явлений лежит тепловое движение молекул.

Тепловые явления

Тепловыми явлениями называются такие явления, которые сопровождаются изменением температуры тел.
Примеры тепловых явлений:

• нагревание воды на плите;

• таяние льда;

• расширение металлических предметов при нагревании;

• охлаждение воздуха после дождя.

Все эти процессы связаны с изменением скорости движения молекул вещества.

Тепловое движение

Все тела состоят из мельчайших частиц — молекул и атомов, которые находятся в постоянном движении. Это движение хаотично и называется тепловым движением.

Чем выше температура, тем быстрее двигаются частицы. При охлаждении их движение замедляется.
Например, при нагревании воды молекулы двигаются интенсивнее, и жидкость начинает испаряться.

Тепловое движение является основой всех тепловых явлений.

Температура

Чтобы измерять степень нагретости тела, используется физическая величина — температура.
Температура показывает, насколько быстро движутся частицы вещества.

Чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия движения молекул.

Температуру обозначают буквой t, а в системе СИ — T (в кельвинах).

Термоскоп Галилея

Первым прибором для наблюдения изменения температуры был термоскоп, изобретённый в 1597 году итальянским учёным Галилео Галилеем.
Этот прибор представлял собой стеклянную колбу с длинной трубкой, погружённой в сосуд с водой.
Когда колбу нагревали, воздух в ней расширялся и часть воды выталкивалась вниз. При охлаждении воздух сжимался, и вода поднималась вверх по трубке.

Так Галилей показал, что нагревание сопровождается расширением веществ.
Термоскоп не имел шкалы и не позволял измерять температуру точно, но стал предшественником термометра.

Градусные шкалы

Для количественного измерения температуры учёные позже создали градусные шкалы.
Наиболее известные из них:

1. Шкала Цельсия (°C) — разработана шведским учёным Андерсом Цельсием в XVIII веке.

   • 0 °C — температура таяния льда;

   • 100 °C — температура кипения воды.

2. Шкала Кельвина (K) — используется в науке.

   • 0 K — абсолютный нуль, при котором прекращается тепловое движение.

   • Связь между шкалами:
     T(K) = t(°C) + 273.

3. Шкала Фаренгейта (°F) — применяется в США.

   • 32 °F соответствует 0 °C;

   • 212 °F — 100 °C.

Опыты Галилея и Амонтона

После Галилея изучением температурных изменений занимался Гийом Амонтон, французский физик.
Он проводил опыты с воздухом, помещённым в запаянную трубку с ртутным столбиком. Нагревая трубку, Амонтон наблюдал, что давление газа увеличивается при повышении температуры.
Так был открыт закон Амонтона, который стал основой для дальнейшего изучения связи температуры и давления газов.

Эти опыты помогли установить важный факт: при нагревании газы расширяются, при охлаждении — сжимаются. Это одно из проявлений теплового движения молекул.

Связь теплового движения и температуры

Температура — мера средней кинетической энергии частиц.
Чем выше температура тела, тем быстрее движутся его молекулы, тем активнее они взаимодействуют между собой.
И наоборот, при охлаждении движение частиц замедляется, и энергия системы уменьшается.

Основные определения

• Тепловое движение — хаотичное движение частиц вещества.

• Температура — мера средней кинетической энергии движения частиц вещества.

• Тепловые явления — процессы, сопровождающиеся изменением температуры тел.

• Абсолютный нуль температуры — состояние, при котором прекращается тепловое движение (–273,15 °C).

Выводы

1. Все тела состоят из частиц, находящихся в непрерывном тепловом движении.

2. Температура показывает скорость движения этих частиц.

3. При нагревании вещества расширяются, при охлаждении — сжимаются.

4. Галилей первым показал тепловое расширение воздуха в термоскопе.

5. Амонтон доказал, что давление газа зависит от температуры.

6. Современные шкалы температур позволяют точно измерять нагретость тел.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют тепловыми явлениями?

2. Почему движение молекул называют тепловым?

3. Как связаны температура и скорость движения частиц?

4. Кто изобрёл термоскоп и в чём заключался принцип его работы?

5. Чем отличается термоскоп от современного термометра?

6. Какие существуют шкалы температур?

7. Что показывает абсолютный нуль?

8. Как изменяется давление газа при нагревании (опыт Амонтона)?

9. Почему тела расширяются при повышении температуры?

10. Какое значение имели опыты Галилея и Амонтона для развития физики?