Температура и способы её измерения

Ключевые слова: тепловое равновесие, температура, термометр, температурная шкала.

На этом уроке вы:

• ознакомитесь со способами измерения температуры и с температурными шкалами.

Температура. В повседневной жизни мы постоянно наблюдаем тепловые явления, такие как нагревание воды, замерзание воды, таяние снега и т. д. Мы очень просто, на ощупь, можем отличить холодное тело от горячего. Нам известно, что горячее тело имеет более высокую температуру, чем холодное. Понятие температуры мы связываем со степенью нагретости тела. Но дать четкое и простое определение температуры не так-то просто.

Давайте разберемся, что же такое температура. Если поставить на горячую плиту кастрюлю с холодной водой, она начнет нагреваться, и через некоторое время температура кастрюли с водой и поверхности плиты станут одинаковыми. Смешивая холодную воду с горячей, получаем теплую воду. При этом горячая вода остывает, холодная нагревается. Через некоторое время процессы нагревания и охлаждения прекратятся, мы получим теплую воду. Теперь температура воды во всем ее объеме одинакова. Наступает тепловое равновесие.

Поставьте на стол стакан с горячей водой, взятой при температуре около 50 °C, опустите туда термометр. Подождите некоторое время и записывайте показания термометра через каждые 3 минуты. Показания вашего термометра будут понижаться, но с течением времени понижение температуры будет идти все медленнее и, наконец, показания термометра больше не будут меняться. Теперь температура воды в стакане, термометра и окружающего воздуха стала одинаковой. Они находятся в тепловом равновесии.

Температура всех тел, находящихся в тепловом равновесии, сколь угодно долго остается постоянной. Таким образом, температурой называется физическая величина, характеризующая тепловое состояние тела.

Все тела, достаточно долго находящиеся в одной комнате, имеют одинаковую температуру.

В предыдущем параграфе мы выяснили, что с ростом температуры возрастает интенсивность теплового движения молекул, другими словами, у них увеличивается средняя кинетическая энергия. У отдельно взятой молекулы скорость постоянно изменяется, причем хаотично. Но средняя кинетическая энергия молекул в состоянии теплового равновесия не изменяется и зависит от температуры.

Поэтому можно дать второе определение температуры: физическая величина, являющаяся мерой средней кинетической энергии теплового движения молекул, называется температурой.

Способы измерения температуры. Определить степень нагретости тела на ощупь мы, конечно, можем только приблизительно. Для точного количественного определения температуры используются специальные измерительные приборы, и вы с ними хорошо знакомы.

Это вы знаете. Приборы для измерения температуры называются термометрами.

С изменением температуры изменяются некоторые свойства тел. Например, из опыта известно, что тела с ростом температуры расширяются, увеличиваясь в объеме. Также изменение температуры приводит к изменению электрического сопротивления. Светящиеся тела с изменением температуры меняют цвет. Такие изменения свойств лежат в основе работы термометров.

На рисунке 2.1 показаны термометры: медицинский и бытовой. Рассмотрим, как они устроены. Эти приборы можно назвать контактными, для снятия показаний их нужно держать в тесном контакте с телом, температуру которого измеряем до тех пор, пока между ними не наступит тепловое равновесие. Работа таких термометров основана на явлении теплового расширения жидкости. Обычно используют ртуть или спирт (термометрическое тело). Как видно из рисунка 2.1, узкую длинную стеклянную трубку до определенного уровня заполняют термометрическим телом. Один конец (нижний) трубки имеет утолщение (резервуар), второй просто запаивается. При изменении температуры объем жидкости изменяется, соответственно пропорционально температуре изменяется высота столбика жидкости. Теперь нужна градуировка нашего термометра, т. е. нужно выбрать шкалу для количественного определения значения температуры.

Рис. 2.1. а) медицинский термометр; б) бытовой термометр

Такую шкалу изобрел шведский ученый Андерс Цельсий, она сейчас носит его имя — шкала Цельсия. Он предложил температуру замерзания воды принять за 0, а температуру ее кипения за 100. Эти точки называются опорными. Затем расстояние между ними делится на 100 равных частей. Одно такое деление равно одному градусу и обозначается 1 °C (рис. 2.1). Значения температуры выше 0° считаются положительными, а ниже 0° — отрицательными. Шкала Цельсия в нашей стране самая распространенная, температуру по этой шкале обозначают буквой $t$. Но есть и другие температурные шкалы.

Андерс Цельсий (1701—1744). Шведский астроном и физик.

Шкала Кельвина. Британский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) предложил шкалу, нулевая точка которой будет соответствовать «предельной степени холода», т. е. абсолютному нулю, а ценой деления будет градус Цельсия. Температура в шкале Кельвина обозначается буквой $T$, значение температуры обозначается буквой К.

$$[T] = [\text{K}].$$

Шкала Кельвина применяется в системе СИ. Цена деления обеих температурных шкал одинакова. 0 К по шкале Кельвина соответствует температуре −273,15 °C по шкале Цельсия. Второй опорной точкой шкалы Кельвина является так называемая тройная точка, равная температуре воды, при которой она находится одновременно в твердом, жидком и газообразном состояниях. Ей соответствует температура $T = 273{,}15$ К.

Запомните! Температура $T = 0$ К самая низкая, ее называют абсолютным нулем. Понизить температуру до абсолютного нуля невозможно.

Из всего сказанного вытекает соотношение значений температур по шкалам Цельсия и Кельвина:

$$T = (t + 273)\ \text{К}. \qquad (2.1)$$

В Англии и США распространена температурная шкала Фаренгейта (обозначение — °F). По этой шкале температура замерзания воды равна 32 °F, а кипения — 212 °F. Соотношения шкал Цельсия и Фаренгейта:

$$°\text{C} = (°\text{F} - 32) \cdot 0{,}556;$$ $$°\text{F} = (°\text{C} : 0{,}556) + 32. \qquad (2.2)$$

Соотношения (2.1) и (2.2) используют для перевода значений температуры из одной шкалы в другую.

Запомните! Термометр показывает свою собственную температуру. Поэтому при измерении температуры надо достаточно долго держать его в контакте с телом, температуру которого измеряете, так, чтобы установилось тепловое равновесие.

Мы ознакомились с контактными термометрами, основанными на тепловом расширении термометрических тел. Они просты и удобны в использовании, но непригодны для измерения очень низких и высоких температур, к тому же жидкостные термометры хрупкие. В некоторых случаях приходится измерять температуру тел, контакт с которыми невозможен. Это могут быть небесные тела или детали каких-нибудь сложных устройств. Для этого существует много других видов термометров. На рисунке 2.2 показаны некоторые из них: а) механический; б) электрический термометр сопротивления; в) электронный; г) биметаллический; д) термоэлектрический (термопарный); е) инфракрасный (пирометр).

Рис. 2.2

Вопросы

1. Объясните смысл понятия «тепловое равновесие».
2. Дайте определение температуры.
3. Что такое термометр?
4. Объясните устройство жидкостного термометра. Почему его называют контактным?
5. Какие температурные шкалы вы знаете? Какую из них вы используете в повседневной жизни?
6. Запишите соотношения для перевода значения температуры из одной температурной шкалы в другую.

Упражнение 1

Заполните пустые места таблицы.

Градусы Цельсия, °C	Градусы Фаренгейта, °F	Градусы Кельвина, K
−1	30,2
−6
	3,2
5
		288
30
	150,8
	80,6
24