Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. Мы с вами закончили изучение вращательного, колебательного и волнового движения и впереди у нас большущий раздел, посвященный теме тепловых явлений.
И так тепловое равновесие...слово равновесие нам уже встречалось. Где? В механике? Например, ранее мы рассматривали условия равновесия рычага. И снова нам встречается это слово равновесие. Что же такое равновесие? Давайте прежде, чем говорить о тепловом равновесии запишем, что такое равновесие в самом общем смысле этого слова.
Равновесие - это состояние системы, которое может сохраняться сколь угодно долго при условии отсутствия внешних воздействий.Равновесие может быть механическим, тепловым, экономическим, политическим и т.д.
А теперь давайте поговорим о тепловом равновесии. Давайте рассмотрим следующий пример, представим себе, что у нас есть два тела, например, два металлических бруска...
Давайте еще раз запишем прозвучавший в видеоролике важнейший вывод: тела в состоянии теплового равновесия имеют одинаковую температуру.
Что же такое температура? Как определить у какого тела температура выше у какого тела температура ниже? Что мы только что делали с телами в видеоролике выше? Мы их щупали. Мы их температуру определяли на ощупь. А сейчас давайте возьмем два тела, которые находятся в состоянии теплового равновесия.
Из видеоролика мы поняли, что тепловое равновесие, которое воспринимается органами чувств человека необъективно и нужны какие-то объективные методы измерения и восприятия теплового равновесия. Для этого нужно вспомнить какие явления начинают протекать немного по-другому при нагревании или охлаждении, при изменении температуры: расширение тел...а давайте вспомним из чего состоят любые вещества. Из молекул. Как ведут себя молекулы? Молекулы движутся хаотически. Какой эксперимент доказывает, например, хаотическое движение молекул? Броуновское движение и диффузия. Что такое диффузия?
Диффузия - это взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.
И диффузия означает, во-первых, что между молекулами есть промежутки, а во-вторых, и это главное для нас сегодня, то что молекулы движутся. И мы можем провести опыт по диффузии в двух разных условиях.
И второй опыт проведем уже с двумя колбами...давайте возьмем две колбы и поместим их в холодильник. У первой колбы, которая изначально находилась на воздухе, через некоторое время в холодильнике граница размоется существенно, а у второй колбы, которая сразу была помещена в холодильник границ будут едва-едва размыты. Какой вывод мы можем из этого сделать? При низкой температуре скорость движение молекул замедляется. И при низкой температуре скорость движения молекул ниже, чем при высокой температуре. И мы можем так же сказать, что при низкой температуре энергия движения молекул меньше, чем при высокой температуре. А как вообще называется энергия движущегося тела? Кинетическая энергия. Значит, если температура низкая, то кинетическая энергия движения молекул меньше, чем в случае если температура высокая. Но! Как движутся молекулы? Хаотически. Их скорость меняется практически не предсказуемо и по величине и по направлению. Значит надо говорить не просто о кинетической энергии, а о средней кинетической энергии. Следовательно, чем выше температура, тем боле средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул. Давайте это запишем в строгой формулировке.
Чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия хаотического движения его молекул.
Оказывается, если два тела, которые мы в первом опыте приводили в соприкосновение и приводили в состояние теплового равновесия, то средние кинетические энергии хаотического движения молекул обоих тел становятся одинаковыми. Это доказано на опыте, но говорить подробнее мы будем об этом в следующих лекциях. Более того, мы узнаем с вами, что температура и средняя кинетическая энергия - это одно и тоже. Просто, измеряется в разных единицах. Температуру можно измерять и в Джоулях и существует коэффициент, который связывает температуру со средней кинетической энергией его молекул. Это одна фундаментальных констант, описывающих физические величины, которая называется постоянной Больцмана.
Постоянная Больцмана - связывает между собой среднюю кинетическую энергию молекул с температурой.
И вот в этом свете наша задача состоит в том, чтобы научится измерять температуру. Раз температура может быть больше или меньше, значит это физическая величина. А что такое физическая величина мы с вами проходили на одной из первых лекции в этом курсе. Это физическое понятие, выраженное числом, процессе измерения. Как же найти это численное значение температуры? Подсказка - нужно измерить среднюю кинетическую энергию движения молекул. А теперь вопрос: а мы можем это сделать на опыте? 10 в 23 степени молекул, порядок величины в кусочке школьного мела. Их энергия постоянно у каждой отдельной молекулы меняется. Можем мы измерить среднюю энергию одной молекулы? Нет, конечно же не можем и поэтому этот метод имеет только теоретическую ценность, а на практике приходится пользоваться другими методами измерения температуры. Оказывается, что от температуры зависит не только средняя кинетическая энергия движения молекул. В принципе, наверное, можно было бы сделать термометр, основанный на измерении скорости диффузии. Только это будет очень не удобно. Но оказывается многие свойства вещества меняются с изменением температуры и сегодня уже прозвучало слово объем. При нагревании тел изменяется их размер. Это явление называется тепловым расширением и на следующей лекции мы начнем об этом говорить очень подробно. Оказывается, что меняются и электрические характеристики вещества при изменении температуры, например, как удельное сопротивление. Что такое удельное сопротивление мы также узнаем на следующих лекциях. Проще всего измерять температуру измеряя, то что от нее зависит, например, объем, а потом по величине объема каким-то образом судить о температуре. И вот это сейчас мы с вами и будем проделывать. Давайте вспомним как измеряется объем жидкости? С помощью мензурки. Но, наверное, если мы поставим мензурку на плитку и начнем ее нагревать, то вряд ли мы заметим изменение объема внутри нее - это слишком слабый эффект.
Давайте для лучшего запоминания еще раз дадим определение капилляра.
Капилляр - "капиллус" на русский язык переводится, как волос. Для того, что бы эта система была чувствительной к изменению объема диаметр трубочки должен быть очень маленьким, как волос, поэтому такая тонкая трубочка часто называется капилляром.
И так мы узнали принцип работы жидкостного термометра и давайте поговорим о том, как можно изготовить шкалу жидкостного термометра.
- Цена деления ноль шкалы Цельсия - это температура таяния льда;
- Цена деления сто градусов шкалы Цельсия - это температура кипения воды (при нормальном атмосферном давлении, 760 мм.рт.ст. или 1013 ГПа).
Кроме шкалы Цельсия, есть и другие температурные шкалы. И можем построить бесчисленное количество температурных шкал выбирая те или иные реперные точки. Например температура плавления существует и у поваренной соли и у алюминия и у ртути...и в принципе можно изобрести сколько угодно шкал. Шкала Цельсия используется в Европе, а Американцы пользуются другой шкалой - шкалой Фаренгейта. Давайте поговорим о Шкале Фаренгейта. Стоит отметить, что Фаренгейт изобрел спиртовой и ртутный термометры.
Давайте еще раз повторим реперные точки шкалы Фаренгейта.
- Ноль градусов Фаренгейта - за ноль градусов принимается температура таяния смеси льда с хлористым аммонием NH4Cl (нашатырь, который иногда используется при пайке);
- Сто градусов Фаренгейта (точнее 98) - это температура здорового человеческого тела.
Давайте вспомним как называется устройство, которым мы измеряем температуру человеческого тела? Термометр. Градусник - это не совсем правильное название, правильное название термометр. И давайте посмотрим на устройство жидкостных и ртутных термометров.
Давайте себе зададим такой вопрос: а можно ли жидкостным термометром измерить температуру около 100 градусов Цельсия? Дело в том, что вода очень не удачное вещество для изготовления жидкостных термометров, она обладает очень уникальными, но не нормальными свойствами для изготовления жидкостного термометра с непригодными свойствами. Оказывается, что в диапазоне температур от 0 до 4 градусов Цельсия, вместо того чтобы расширятся при нагревании вода при этой температуре сжимается.Поэтому для изготовления термометров используют другие вещества:
- ртуть - используется для измерения температур от минус 35 градусов до 750 градусов Цельсия. Ртуть замерзает при температуре минус 39 градусов, поэтому при более низких температурах ей уже пользоваться нельзя;
- спирт - используется в диапазоне от минус 80 до плюс семьдесят градусов Цельсия;
- пентан - органическая жидкость, которая используется для измерения более низких температур, чем спирт. Позволяет измерять температуры от минус 200 до плюс 35 градусов Цельсия.
Т.е в зависимости от того, какую мы выберем жидкость для измерения мы можем пользоваться термометром в разных диапазонах температур.
И последнее на этой лекции...температуру чего измеряет ртутный, да и любой другой термометр? Термометр измеряет температуру "себя". А как сделать так чтобы он измерял температуру "меня"? Надо термометр взять под мышку и что при этом произойдет? Холодное тело термометра и теплое тело "меня" преведутся в контакт и после истечении некоторого времени придут в тепловое равновесие, при котором температура тела человека и термометра станут одинаковыми. Т.е после наступления теплового равновесия термометра и человека, температура человека будет равна температуре термометра и глядя на шкалу термометра мы узнаем температуру, как термометра, так и самого себя.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.