Температура та її вимірювання

Тема. Ідеальний газ.

Ідеальний газ.

Температура та її вимірювання.

3. Пояснення температури і тиску газу на основі молекулярних уявлень.

4. Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії газів

1. Ідеальний газ. З курсу хімії ви знаєте, що молекули є складними об'ємними утворами, між якими діють сили притягання і відштовхування. Тому під час вивчення газоподібного стану речовини слід враховувати розміри частинок газу і сили, які діють між ними. Розміри моле­кул газів малі порівняно з відстанями між ними і над­звичайно малі сили взаємодії. Тому для спрощення мір­кувань і розрахунків можна нехтувати об'ємом молекул і силами, що діють між ними, і вважати, що їх взаємо­дія зводиться лише до співударів і що співудари части­нок між собою і з стінками посудини відбуваються без втрат енергії. Таким чином, протягом більшості часу кожна молекула піну рухається вільно, зазнаючи лише іноді пружних зіткнень з іншими молекулами чи з стін­ками посудини. Таке спрощення дає змогу замінити вивчення реальних газів вивченням їх наближеної моде­лі — так званого ідеального газу. Ідеальним вва­жають газ, який складається з сукупності пружних молекул — кульок мізерно малих розмірів, які вільно і невпорядковано рухаються і взаємодіють між собою лише під час співударів. Така модель є ідеалізацією дій­сної структури, але за її допомогою можна пояснити основні властивості газів і встановити деякі важливі закономірності їх поведінки. Далі, говорячи про гази, ми матимемо на увазі ідеальний газ.

Зрозуміло, що в природі ідеального газу не існує. Молекули реальних газів мають скінченні розміри і взає­модіють між собою з силами, які швидко зменшуються зі збільшенням відстані між частинками. Однак у міру зменшення густини власний об'єм молекул газу стає все меншим порівняно з об'ємом, що його займає газ, а се­редні відстані між частинками стають такими великими, що силами взаємодії молекул можна знехтувати. Вла­стивості такого газу близькі до властивостей ідеального газу.

2. Температура та її вимірювання. Вивчаючи матеріал попередніх параграфів, ми підкреслювали залежність перебігу різних фізичних явищ від температури, припу­скаючи, що з цим поняттям ви вже ознайомлені 3 курсу фізики 8-го класу вам відомо, що температуру тіла вимірюють термометром і що вона пов'язана зі швидкістю руху молекул.

До визначення поняття температури можна прийти на основі таких міркувань. З повсякденного досвіду ми знаємо, що при контакті два по-різному нагрітих тіла (тепловому контакті) обмінюються енергією внаслідок теплопередачі. Коли при цьому одне з них передає енер­гію другому, то вважають, що перше тіло має вищу температуру, ніж друге. Якщо під час контакту тіла не обмінюються енергією теплопередачею, то вони мають однакову температуру. В цьому випадку кажуть, що тіла перебувають у тепловій рівновазі.

Метод вимірювання температур ґрунтується на вста­новленні теплової рівноваги між двома тілами під час теплового контакту. Якщо, наприклад, кожне з тіл А і В перебуває в тепловій рівновазі з тілом С, то ці тіла {А і В) знаходяться в тепловій рівновазі і між собою. Саме тому можна порівнювати стани теплової рівноваги тіл, не приводячи їх у безпосередній контакт, і ввести поняття температури.

Вважають, що два тіла А і В мають однакову темпе­ратуру, якщо кожне з них перебуває в тепловій рівно­вазі з тілом С. Тіло С називають термометром. Отже, термометр — це тіло, яке перебуває у тепловому контакті з іншим, температуру якого вимірюють. Після вста­новлення між ними теплової рівноваги можна твердити, що виміряна температура дорівнює температурі термо­метра.

Зі зміною теплового стану тіла, крім температури, змінюються й інші його фізичні властивості (об'єм, електричний опір тощо). За зміною будь-якої з них мож­на судити про підвищення чи зниження температури тіла. Історично склалося так, що температуру почали вимірювати за зміною об'єму тіл під час нагрівання. Принцип побудови термометрів при цьому такий.

Приведемо тіло, вибране нами за «вимірювач» температури (термометричне тіло), в теплову рівновагу з танучим льодом. Припустимо, що його температура в цьому випадку дорівнює нулеві, і виміряємо об'єм тіла Vo. Потім приведемо його в теплову рівновагу з кип­лячою під атмосферним тиском водою і визначимо від­повідний об'єм тіла Vo. Нехай у цьому випадку темпе­ратура тіла дорівнює 100 градусів. Таким чином, зміні температури на 100 градусів відповідає зміна об'єму на Vo — Vo Вважаючи, що об'єм термометричного тіла змінюється з температурою лінійно, дістанемо, що зміни об'єму, тобто, відповідає зміна темпера­тури на один градус. Отже, за градус приймають одну соту різниці між температурами кипіння і замерзання чистої води при атмосферному тиску.

Встановлену таким чином температурну шкалу називають шкалою Цельсія на честь шведського астро­нома А. Цельсія, який запропонував її. Проградуйований в такий спосіб термометр можна застосовувати для вимірювання темпера­тури, приводячи його в теплову рівновагу з тим тілом, температуру якого треба ви­міряти. Ртутними і спиртовими термомет­рами зі шкалою Цельсія ви багато разів користувалися на уроках фізики, хімії, біології тощо, а також у повсякденному житті.

У фізиці широко застосовується так зва­на абсолютна температурна шкала (шкала Кельвіна), в якій за температуру за­мерзання води прийнято 273,15 градуса, а кипіння — 373,15 градуса (далі

будемо
користуватися наближеними значеннями: 273 і 373 градуси). Розмір градуса цієї шкали такий самий, як і шкали Цельсія. Темпера­туру» яку відраховують за абсолютною температурною шкалою, називають абсолютною і позначають літерою Г, а градус цієї шкали (градус Кельвіна) позначають літерою К на відміну від градуса Цельсія (°С). Між абсолютною температурою Т і температурою за Цельсієм t існує таке співвідношення: Г= t-j-273 (мал. 10). Температуру 0 К називають абсолютним нулем, за шка­лою Цельсія йому відповідає —273,15 °С.

Поки що ми ввели абсолютну шкалу температур досить формально, далі покажемо, що абсолютна темпе­ратура має глибокий фізичний зміст.

• 1. Якими властивостями наділено ідеальний газ? 2. Для чого вво­дять поняття ідеального газу? 3. Що розуміють під тепловою рівнова­гою тіл? 4. На чому ґрунтується метод вимірювання температури? 5. Поясніть принцип встановлення шкали Цельсія. в. Яке співвідно­шення між абсолютною температурою і температурою за шкалою Цельсія?

Поиск по сайту: