Что такоетеплота? Градусы и температура
Что такоетеплота — знают все. Известно, что частицы в газах, жидкостях и твёрдых телахнаходятся в непрерывном движении и это движение воспринимается как тепло.Энергия движения частиц, усредненная по их огромному числу, определяет температуру.
Теория теплавозникла не сразу. Очень долго не могли понять ни что такое тепло, ни какаяразница между температурой и теплом. Многие физики связывали тепло с движениеммолекул. Так, в частности, думал Ломоносов. Но превратить общие рассуждения в строгуюнауку было не легко.
История о томкак научились измерять температуру, интересна и необычна. Термометры были придуманыза много лет до того, как люди поняли, что именно они измеряют.
Температурасвязанна с весьма не определёнными понятиями теплоты и холода, которые располагалисьв создании человека где-то рядом с запахом, вкусом. Человек с незапамятныхвремён знал, что когда два тела плотно соприкасаются, то между нимиустанавливается тепловое равновесие. Рука, опущенная в воду, оказываетсянагретой (или охлаждённой) до той же степени, что и вода. Всюду в природесуществуют потоки тепла. В этом естествоиспытатели давно видели проявлениевеликих законов природы.
Античные учёныеи схоласты средневековья сопоставляли с теплом и холодом свойство притяжения иотталкивания. Древние врачи были первыми, кому понадобилась сравнительная ипритом довольная точная шкала теплоты тела. Они очень давно заметили, чтоздоровье человека как-то связано с теплотой его тела и что лекарства способныизменить это качество. Лекарствам приписывалось охлаждающее или согревающеедействие и степень этого действия определялась градусами. Лекарства смешивалисьмежду собой, и смеси имели разные градусы. «Смесь» по-латыни – «температура» (temperature).
История созданияи развития термометра
Галилей
Никто изсовременников Галилея не мог сравниваться с ним в умении увидеть великие законыв простых явлениях. Он был одним из первых, кто писал о механической природетепла.
Галилейопубликовал книгу названую им «EL saggiatore» (весы для взвешивания золота), в которой оночень подробно излагает свои взгляды на природу физических явлений. В ней онговорит, в частности, о нагревании твёрдых тел при трении и приводит другиедокозательства механической природы тепла. Однако он не знал, что механическимпутём можно нагревать не только твёрдые тела, но и жидкости или даже газы.Галилею к тому же мешало и отсутствие численных данных о тепле.
К изучениютепловых явлений Галилей подошел с тех же позиций; прежде всего он занялся тем,как измерить температуру тела. Термометры, которые делал Галилей (около 1597г.), состояли из стеклянного шара, наполненного воздухом; от нижней части шараотходила трубка, частично заполненная водой, которая заканчивалась в сосуде,также наполненном водой. Высота столбика зависела как от температуры, так и отатмосферного давления, и измерять таким термометром сколько-нибудь точно былоневозможно. При Галилее сама идея, что воздух может давить на землю, казалосьдостаточно дикой. Поэтому термометр Галилея измерял довольно неопределённуювеличину, но даже такой термометр позволял сравнивать температуру разных тел водно и тоже время и в одном и том же месте.
Уже тогда спомощью ещё несовершенного термометра врач и анатом Санкториус из Падуанскогоуниверситета начал измерять температуру человеческого тела. Для этого он сам,не зная про Галилея, построил похожий термометр.
Отто фонГерик
История термометрамногим обязана одному из удивительнейших людей 18 века –Отто фон Герике. Онизготовил первый барометр. Похожий на прибор Галилея. Но с очень длиннойтрубкой. В отличии от прибора Галилея, из барометра Гарике был откачан воздух,так что вода заполняла не только длинную трубку, но и часть шара. Барометр былприкреплён к наружной стене дома, и давление воздуха отмечалось на шкале, накоторую указывал пальцем деревянный человек, плававший в стеклянном шаре.Герике первым стал систематически измерять атмосферное давление и попыталсяобнаружить связь между изменением давления и погодой.
Гарикепостроил и сравнительно хороший термометр. Он состоял из латунного шара,заполненного воздухом, и изогнутой в форме буквы U трубки со спиртом. Наего термометре в середине шкалы стояла точка, около которой указательостанавливался при первых заморозках, — эту точку и выбрал Гарике за начало шкалы.Ясно что такой выбор был наивен, но всё же Гарике сделал первый шаг.
Ньютон
Упомянем ещёи работу Ньютона «О шкале степеней тепла и холода», опубликованную в 1701 г., вкоторой описана 12-ти градусная шкала. Нуль он поместил там же, где помещаемего сейчас и мы, — в точке замерзания воды, а 12 градусов отвечали температурездорового человека.
Амонтан построил полностьюзапаянный термометр, сделав его, наконец, совсем не зависящим от давленияатмосферы.
Первыйсовременный термометр был описан в 1724 г. Даниелем Фаренгейтом,стеклодувом из Голландии. Разные термометры Фаренгейта можно было сверять другс другом, сравнивая их показания в разных «опорных» точках шкалы. Поэтому онипрославились своей точностью. Такая шкала до сих пор в ходу в Англии и США.
Современнаяшкала Цельсия была предложена в 1742 г. Шведскому физику ненравилось отрицательные температуры, и он счёл нужным перевернуть старую шкалуи поместить нуль в точку кипения воды, а 100 градусов – в точку её замерзания.Но «перевёрнутая шкала» не приобрела популярности и была очень скоро«перевёрнута» обратно.
До революциив России была принята шкала Реомюра (точка воды была 0, а точка кипения 80) –термометры Реомюра висели на улицах и во всех домах. Лишь в тридцатых годах онибыли вытеснены термометрами Цельсия.
Что такоетепло? Тепловое равновесие
К началу 19века термометр стал совсем обычным прибором. Но о том, что измеряет термометр,единого мнения ещё долго не было.
Научившисьизмерять температуру, физики не очень продвинулись в понимании того, что жетакое тепло. Понятие «тепло» и «температура» разделить было ещё труднее. Когданагревают тело, температура его повышается. Когда тепло перетекает от одноготела к другому, температура одного тела падает, а другого – повышается.
Понятие «тепловоеравновесие» очень часто встречается в теории тепла. Наиболее простопонять, что такое тепловое равновесие в случае одноатомного газа. Если газ всосуде ведёт себя так, что во всех точках сосуда температура одинаковая, — естественно, что при этом и температура стенок сосуда так же всегда одна и таже, — то газ находится в тепловом равновесии. Это значит, что в таком газетепло не перетекает из одной части сосуда в другую, в нем не меняется нидавление, ни химический состав и, вообще, с точки зрения классических тепловыхявлений в газе «ни чего не происходит».
Тепло течётвсегда так, чтобы температура выравнивалась, чтобы система переходила всостояние теплового равновесия. Переход в состояние теплового равновесия можетбыть сложным и достаточно долгим процессом.
Температурнаяшкала. Абсолютная шкала температур
Температурнаяшкала
Во всехприборах, которые были придуманы в 18 веке, измерение температуры сводилось кизмерению длины столбика воды, спирта или ртути. Термометры работали только вограниченном интервале температур. Наполняющие их вещества замерзали и кипели,и этими термометрами нельзя было измерять очень низкие или очень высокиетемпературы.
Шкала Цельсияточно устанавливала положение двух точек – 0 и 100 градусов, расстояние междукоторыми на шкале было разбито на равные части. Но роль каждого деленияоставалась неопределённой. Необходимо было ещё понять, что происходит в теле,когда ртуть в термометре поднимается на один градус. Проще всего было быпредположить, что при этом энергия тела увеличивается на одну и ту же величину.Такая величина, отнесённая к единице массы тела, называется удельнойтеплоёмкостью.
Абсолютнаяшкала температур
Единицатемпературы возникла случайно – поставили число 100 в точке кипения воды. Этотакт имел важные последствия: в законе Клапейрона – Клаузиуса появилась новаягазовая постоянная R=8,3157 джоуль/градус. Такое число возникло только потому, чтовеличина градуса была введена очень давно и все изменения, происходящие сгазами, относили по привычки к довольно случайно выбранной шкале температур.Было бы удобнее сейчас изменить определение градуса и «привязать» его куравнению идеальных газов. Для этого надо просто уменьшить величину градуса в8,3157 раза и считать, что температура в такой «идеально-газовой» шкале:
О=8,3157Т.
ОткрытиеЛорда Кельвина
Вопросом осмысле температуры заинтересовался Томсон (в последствии лорд Кельвин), которыйв 1848 г. Обнаружил, что из теоремы Карно можно сделать простой, но оченьважный вывод. Кельвин заметил, что если работа цикла Карно зависит только оттемператур нагревателя и холодильника, то это позволяет установить новуютемпературную шкалу которая не зависит от свойств рабочего тела.
Цикл Карно,если его можно провести между двумя телами позволяет определить отношениетемператур этих двух тел. Шкала температур определённая таким образомназывается абсолютной шкалой температур. Чтобы сама абсолютнаятемпература имела определённое значение, надо выбрать какое-то число для однойточки новой абсолютной шкалы: одно численное значение температуры должно бытьзадано произвольно. После этого все остальные значения определяются в принципес помощью цикла Карно.
К сожалениюпри всей красоте теоретического построения шкалы Кельвина, практическиреализовать цикл Карно очень трудно. Трудно реализовать обратимый цикл, трудноизбавиться от потерь.
Реальнаяшкала температур
В течениимногих лет для температурной шкалы выбиралось две точки – температура плавленияльда и температура кипения воды – и расстояние между ними делилось на 100частей, каждая из которой считалась градусом. Такая шкала с двумя опорнымиточками была принята во всём мире.
Но эта шкалаимела, однако, большой недостаток с точки зрения точности измерений. Для неёнадо было уметь точно воспроизводить как условия плавления льда, так и условиякипения воды. Проще было обойтись одной опорной точкой, например точкойплавления льда, и измерять температуру по отношению давлений, связанных сотношением температур уравнением состояния.
За единицуопорную эталонную точку выбирается сейчас так называемая тройная точка воды –температура, при которой осуществляют в равновесии все три её фазы: пар – вода– лёд. Переход к такой шкале прошел почти не замеченным. Такая реформа былапроведена в 1954 г., и сейчас на вопрос о том, при какой температуре тает лёдпри нормальном давлении, надо отвечать «приблизительно при 0».
Международнаяшкала температур
Шкалу с однойопорной точкой нетрудно согласовать со шкалой Кельвина-Менделеева, основаннойна теореме Карно. Термодинамическая шкала не изменяется если все значениятемператур умножить на одно и тоже число. Выбор опорной точки устраняет этунеоднозначность.
Термодинамическойшкалой можно пользоваться только в специальных, хорошо оборудованныхлабораториях. В обычных лабораториях пользуются шкалой, которая называется МПТШ68(международная практическая температурная шкала, принятая в 1968 г.). В этойшкале температура кипения воды равна точно 100 градусов, кроме того есть другиеопорные точки, которым так же приписано определённое значение температуры.
Низкиетемпературы
Интерес кполучению низких температур возник не только из практических соображений.Физиков давно интересовал вопрос, можно ли превратить в жидкость газы – такие,как воздух, кислород, водород. Начало это истории относится к 1877 г.
В 1877 г. Горныйинженер Кайете капли жидкого ацетилена в лабораторном сосуде, в которомнеожиданно открылась течь. Резкое понижение давления вызвало образованиетумана. Почти в те же дни Пикте из Женевы сообщил о последовательном, каскадномснижении разных газов, завершившемся получением жидкого кислорода притемпературе -140 градусов по Цельсию и давление 320 атмосфер.
Надо ещё иупомянуть Дьюарта. Который в 1898 г. получил жидкий водород, снизив температурупримерно до 129 К. Наконец в 1908 г. Камерлинг-Оннес в Голландии получил ижидкий гелий. Температура, которая была им достигнута, только на 1 градусотличалась от абсолютного нуля.
В 1939 г.П.Л.Капица доказал большую эффективность сжижительных машин, в которых газсовершает работу с помощью турбины. Турбодетандеры получили с тех пор большоераспространение. Он же предложил и конструкцию эффективной установки длясжиживания гелия.
тепловойтемпература термометр шкала
Списоклитературы
1. ЭдельманВ.С. «Вблизи абсолютного нуля».1-М., 1987.
2. ДетлафА.А., Яворский Б.Н., «Курс физики». –М., 1989.
3. ТрофимоваТ.И. «Курс физики». 1-М., 1990.
4. СмородинскийЯ.А. «Температура». – М., 1987.