Домашній конспект

Макроскопічні параметри. Під час описування процесів у газах та інших макроскопічних тілах немає потреби щоразу звертатися до молекулярно-кінетичної теорії. Поведінку макроскопічних тіл, зокрема газів, можна характеризувати невеликою кількістю фізичних величин, які стосуються не окремих молекул, а всього макроскопічного тіла в цілому. До таких величин належать об'єм V, тиск р, температура t та ін.

Так, газ даної маси завжди займає певний об'єм, має певний тиск і температуру. Об'єм і тиск є механічними вели­чинами, які описують стан газу. Температура в механіці не розглядається, оскільки вона характеризує внутрішній стан тіла.

Величини, які характеризують стан макроскопічних тіл без урахування молекулярної будови тіл (V, р, t), називають макроскопічними параметрами. Макроскопічні параметри не вичерпуються об'ємом, тиском і температурою. Наприклад, для суміші газів треба знати ще концентрацію окремих компо­нентів. Звичайне атмосферне повітря — це суміш газів.

Холодні і гарячі тіла. Центральне місце у вченні про теплові явища займає поняття температури. Ми добре знаємо, як відрізняються холодні і гарячі тіла. На дотик ми можемо визначити, яке тіло нагріте більше, і говоримо, що це тіло має вищу температуру. Отже, температура характеризує ступінь нагрітості тіла (холодне, тепле, гаряче). Для вимірювання температури було створено прилад — термометр. У його будові використано властивість тіл змінювати об'єм під час нагрівання або охолодження.

Теплова рівновага. Щоб виміряти температуру тіла людини, слід потримати медичний термометр під пахвою 5—8 хв. За цей час ртуть у термометрі нагрівається і рівень її підвищується. За довжиною стовпчика ртуті можна визначити температуру. Те саме відбувається при вимірюванні темпера­тури будь-якого тіла будь-яким термометром. Термометр ніколи не покаже температуру тіла одразу після того, як його привели в дотик з тілом. Потрібний деякий час, щоб температури тіла і термометра вирівнялися і між ними встановилася теплова рівновага, за якої температура перестає змінюватися. Теплова рівновага з часом встановлюється між будь-якими тілами з різною температурою. Вкиньте у склянку з водою шматок льоду і закрийте склянку щільно кришкою. Лід почне плавитися, а вода охолоджуватися. Коли лід розтане, вода

почне нагріватися, і, після того як вона набуде температури навколишнього повітря, ніяких змін всередині склянки з водою не відбуватиметься.

З цих і подібних простих спостережень можна зробити висновок про існування дуже важливої загальної властивості теплових явищ. Будь-яке макроскопічне тіло або система макроскопічних тіл при незмінних зовнішніх умовах само­чинно переходить у стан теплової рівноваги. Тепловою рів­новагою називають такий стан, коли всі макроскопічні параметри як завгодно довго лишаються незмінними. Це означає, що в системі не змінюються об'єм і тиск, немає теплообміну, та взаємних перетворень газів, рідин і твердих тіл і т. д. Зокрема, не змінюється об'єм ртутного стовпчика в термометрі -отже, температура системи лишається сталою.

Проте мікроскопічні процеси всередині тіла не припиняються і під час теплової рівноваги. Змінюються положення молекул, їхні швидкості при зіткненнях.

Температура. Система макроскопічних тіл може перебувати в різних станах теплової рівноваги. У кожному з цих станів температура має певне значення. Інші фізичні величини можуть мати в стані теплової рівноваги різні (але сталі) значення. Так, об'єми різних частин системи і тиски всередині їх при наявності твердих перегородок можуть бути різними. Якщо в кімнату ви внесете знадвору м'яч, наповнений стисну­тим повітрям, то через деякий час температура повітря в м'ячі і в кімнаті зрівняється. А тиск повітря в м'ячі все одно буде більшим, ніж у кімнаті.

Температура характеризує стан теплової рівноваги макроскопічної системи тіл: усі тіла системи, що перебувають одне з одним у тепловій рівновазі, мають одну і ту саму температуру.

При однакових температурах двох тіл теплообмін між ними не відбувається. Тіла перебувають у стані теплової рівноваги. А якщо температури тіл різні, то після встановлення між ними теплового контакту відбуватиметься обмін енергією. При цьому тіло з більшою температурою віддаватиме енергію тілу з меншою температурою. Різниця температур тіл вказує напрям теплообміну між ними.

Вимірювання температури. Термометри. Щоб виміряти температуру, можна скористатися зміною будь-якої макроскопічної величини залежно від температури: об'єму, тиску, електричного опору і т. д.

Найчастіше на практиці використовують залежність об'єму рідини (ртуті або спирту) від зміни температури. Під час градуювання термометра звичайно за початок відліку (0) вибирають температуру льоду, що тане; другою сталою точкою (100) вважають температуру кипіння води за нормального атмосферного тиску (шкала Цельсія). Шкалу між точками 0 і 100 ділять на 100 однакових частин, які називаються градусами (мал. 18). Переміщення стовпчика рідини на одну поділку відповідає зміні температури на 1°С.

Оскільки різні рідини розширюються внаслідок нагрівання неоднаково, то встановлена таким способом шкала залежатиме до деякої міри від властивостей кожної рідини. О і 100 °С, звичайно, збігатимуться у всіх термометрів, але, скажімо, 50 °С збігатися не будуть.

Яку ж речовину вибрати, щоб позбутися цієї залежності? Було помічено, що на відміну від рідин усі розріджені гази: водень, гелій, кисень — розширюються від нагрівання однаково і однаково змінюють свій тиск при зміні температури. Тому в фізиці для встановлення раціональної температурної шкали використовують зміну тиску певної кількості розрідженого газу при сталому об'ємі або зміну об'єму газу при сталому тиску. Таку шкалу іноді називають ідеальною газовою шкалою температур, її встановлення дає змогу позбутися ще одного істотного недоліку шкали Цельсія — довільності вибору початку відліку, тобто нульової температури. Адже за початок відліку замість температури танення льоду з таким самим успіхом можна було б узяти температуру кипіння води.

Тепер докладно розглянемо, як можна використати розріджені гази для визначення температури.

Не вперше вам довелося слухати розповідь про те, як побудовано термометр і як він діє. Але з'явилося і щось нове — ви ознайомилися з тепловою рівновагою, хоч мали з нею справу багато разів. Температура дає змогу відрізнити один стан теплової рівноваги від іншого. Це не дуже наочно, але дуже важливо для фізики. Розмова про температуру ще далеко не завершена.

*1. Які величини характеризують стан макроскопічних тіл? 2. Які характерні ознаки стану теплової рівноваги? 3. Наведіть приклади встановлення теплової рівноваги тіл, які оточують вас у повсякденному житті. 4. У чому перевага використання розріджених газів для вимірювання температури?