Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. И так мы с вами говорили о том, что молекулярно-кинетическая теория должна позволить нам описывать свойства тел исходя из их молекулярного строения. И один из вопросов, который мы себе задавали, а чем отличается нагретое тело от холодного? И эту лекцию мы с вами как раз и посвятим этому вопросу.
Ну и для начала давайте вспомним одно странное свойство мира в котором мы живем. Впрочем, оно не странное и, наверное, мы к нему привыкли. Если у нас имеется какая-то система, которая предоставлена самой себе, т.е никто не вмешивается в ее состояние, то рано или поздно в этой системе замирает всякий процесс, т.е все перестает изменяться, все становится неподвижным. Состояние системы остается неизменным и можно сколь угодно долго ждать и ничего при этом меняться не будет пока кто-то не вмешается или что-то не вмешается в эту систему. И давайте вспомним как может называться состояние системы, которое может оставаться неизменным сколь угодно долго, если на эту систему не оказывается никаких внешних воздействий. Такое состояние называется равновесием. Мы это определение записывали при изучении механики, но поскольку это очень общее понятие - понятие равновесия, то оно распространяется не только на механические, но и на любые процессы. Например, горячие тела остывают...холодные, если привести их в контакт вместе с горячими - наоборот нагреваются от горячих, пока что-то не произойдет такое что дальше меняться перестанет. И мы знаем с вами из нашего опыта, что у этих тел выравнивается температура. В механике под действием силы трения замирает движение. В общественно-политической жизни - цивилизации приходят в упадок, если ничего не меняется снаружи, для того, чтобы они поддерживали себя в бодром состоянии. Все это приход в состояние равновесия. Поэтому сегодняшнюю лекцию мы начнем с определения состояния равновесия в самой общей форме и еще раз его запишем, хотя, мы это уже делали в курсе механики. И так...
Равновесие системы - это состояние, которое может оставаться неизменным сколь угодно долго при условии отсутствия внешних воздействий.
Это мы дали определение равновесия в самом общем виде. А теперь давайте вернемся к тепловым процессам...Если мы в комнату поставим нагретый чайник и предоставим его самому себе, то мы знаем, что чайник при этом остынет, а воздух в комнате при этом немного подогреется. И до каких пор будут происходить эти изменения? Это будет происходить до тех пор пока не выровняются температуры чайника и окружающего воздуха. И вот это понятие температуры обладает удивительным свойством. Если тела находятся в тепловом равновесии, то как бы ни были устроены эти тела их температуры будут одинаковыми, независимо от структуры этих тел. Это может быть, например, булыжник, который бросили в воду...два тела: булыжник и вода. Если, например, булыжник нагрелся на Солнце и мы его бросили в холодную воду, то когда температура воды и булыжника выровняются, то дальше перестанет меняться температура булыжника и температура воды, при условии, что система при этом изолированная, т.е замкнутая - тела этой системы взаимодействуют только друг с другом. Говоря изолированная и замкнутая система мы имеем одно и то же - это синонимы. Или сложнейшая микросхема, состоящая из миллиарда элементов, например, современная флеш-карта с объемом 32 Гб - это 32х8х10^9 - это миллиарды элементов. Но, если ее выключить, т.е предоставить самой себе, то все элементы этой микросхемы будут иметь одинаковую температуру и, кстати, такую же температуру воздуха в помещении, где находится эта микросхема. И вот этот факт носит название закона теплового равновесия. Давайте запишем формулировку этого закона.
Закон теплового равновесия - температуры всех тел образующих изолированную систему становятся одинаковыми при достижении системой состояния равновесия.
Ну а что же такое температура? Это понятие возникло из ощущения. Тело с более высокой температурой кажется нам теплее, чем тело с более низкой температурой, хотя, это ощущение часто обманчиво. Если, например, прикоснуться тыльной стороной ладони к бумаге, то она может показаться более теплой, чем стеклянная школьная доска. Стеклянная доска кажется холодной, поэтому нельзя доверять своим ощущениям, хотя на самом деле доска и лист бумаги находятся в одном помещении достаточно давно и поэтому их температуры выровнялись, они находятся в состоянии равновесия, правда, не друг с другом, а доска с воздухом и бумага тоже с воздухом, но все вместе три компонента находятся в состоянии теплового равновесия, потому что если ничего не менять, например, не открывать окна в помещении, не включать кондиционер, то это состояние будет сохранятся сколь угодно долго. И так пользоваться своими ощущениями, что бы ответить на свой вопрос что такое температура мы не можем. И как же тогда в этом случае поступают? Повседневный опыт подсказывает, что при нагревании тела расширяются, значит при увеличении температуры увеличивается объем тел, особенно заметно увеличивается объем газов. Правда, у газов есть один недостаток, который делает их не очень удобными. Объем газа зависит не только от температуры. Газы легко сжимаются, поэтому если мы хотим использовать для определения температуры расширение газов, то нужно поддерживать давление. Проще с жидкостями. Жидкость практически не сжимаема, поэтому можно считать, что ее объем от давления не зависит, а раз так, то изменение объема жидкости можно использовать для того, чтобы указать в каком случае температура выше, а в каком случае температура ниже. Есть и другие свойства веществ, зависящие от температуры. Например, удельное сопротивление вещества зависит от температуры и особенно сильно у полупроводников и довольно заметно у металлов. Значит, измерение сопротивления полупроводников или металлов тоже можно использовать для того, чтобы сказать у какого тела температура выше, а у какого тела температура ниже. И вот первые устройства для измерения температуры - термометры как раз и использовали свойство теплового расширения жидкости. Давайте вспомним как устроен простейший жидкостный термометр.
А теперь давайте поговорим о том в каких шкалах измеряется температура и первой такой шкалой будет шкала градусов Цельсия.
Скажите пожалуйста, а можно придумать какой-то другой способ задания температурной шкалы? Да, можно и например, существует еще одна температурная шкала - шкала градусов Реомюра.
Кроме этих двух шкал существует так же шкала градусов Фаренгейта.
А теперь давайте посмотрим на соотношение шкал градусов Цельсия и Фаренгейта на медицинском термометре.
И так все три температурные шкалы, которые мы с вами привели выше используются, по крайней мере шкала Цельсия и Фаренгейта, но дело в том, что они не являются научно обоснованными. Единственно, что очень здорово при создании этих шкал - это то, что взяты какие-то точки, особенно, в шкалах Цельсия и Реомюра в которых температуру легко получить и в этом смысле шкала Фаренгейта явно уступает. А каким же образом привязать температуру к тем молекулярным процессам, которые происходят в теле?
И для этого необходимо вспомнить, что Броуновское движение становится более интенсивным при увеличении температуры. Диффузия протекает быстрее при увеличении температуры. И это значит, что температура связана со скоростью хаотического движения молекул. Кроме того мы знаем что при увеличении температуры, например, газа увеличивается его давление. Бывают такие случаи, когда мы нагреваем бутылку с воздухом и из нее вылетает пробка, потому что увеличивается давление газа при увеличении температуры. А давление газа мы уже с вами умеем связывать с микроскопическими характеристиками состояния вещества.
И так мы с вами выяснили как температура связана со средней кинетической энергией поступательного движения молекул. А теперь давайте экспериментальным путем научимся определять кинетическую энергию хаотического движения молекул.
А теперь давайте проведем такой опыт...
И давайте эти соотношения назовем температурой...
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, подпишись на канал и поддержи автора.