Рудковського Дмитра.

Тепловий стан тіл і температура.

План
1. Теплообмін;

2. Термодинаміка(скорочено);

3. Температура;

4. Температурна шкала Цельсія, Кельвіна;

5. Внутрішня енергія тіла;

* * * *

1. Теплообмін (теплопередача) — фізичний процес передавання енергії у вигляді певної кількості теплоти від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою температурою до настання термодинамічної рівноваги. Не можливо зупинити передачу тепла між сусідніми об'єктами з різними температурами — її можна лише сповільнити. Одиницею вимірювання теплової енергії в системі СІ є Джоуль (раніше використовувалась калорія). Є три види теплообміну: теплопровідність, конвекція, випромінення.

Теплопровідність.Із теплопровідністю ми стикаємося щоразу, коли визначаємо на дотик ступінь нагрітості якогось тіла. Наприклад, коли опускаємо металеву ложку в гарячий чай, ложка нагрівається не відразу, а поступово. Це пояснюється тим, що вода має вищу температуру, ніж ложка, і її молекули мають більшу кінетичну енергію. Після того, як ложку опустили у воду, молекули води передали частину своєї кінетичної енергії атомам металу. Поступово температура води і кінетична енергія її молекул зменшуватимуться, а температура ложки і кінетична енергія атомів металу збільшуватимуться аж до вирівнювання температур води і ложки. Теплопровідність — це явище передачі внутрішньої енергії від однієї частини тіла до іншої або від одного тіла до іншого за їхнього безпосереднього контакту. Зауважимо, що за явища теплопровідності не відбувається перенесення речовини. Різні речовини мають різну теплопровідність. Так, метали краще проводять тепло, ніж дерево, тому ручки сковорідок виготовляють з дерева чи пластмас. Серед металів високу теплопровідність мають срібло і мідь. Теплопровідність рідин менша, ніж теплопровідність металів. Добре відомо, що низьку теплопровідність мають хутро, вовна, пух, синтепон, оскільки пори в цих матеріалах заповнені повітрям і мало проводять тепло. Тому їх використовують для пошиття зимового одягу.

Конвекція.Наступний вид теплообміну — конвекція. Під час конвекції енергія переноситься потоками газу чи рідини. У твердих тілах цей спосіб теплообміну неможливий. Конвекція зумовлює виникнення таких явищ природи, як вітер, теплі й холодні течії в океанах тощо. Розрізняють природну конвекцію, приклади якої вже наводилися, і вимушену конвекцію, що відбувається, коли, наприклад, нерівномірно нагріту рідину перемішують мішалкою. Конвекція, як і теплопровідність, широко використовується в побуті. Саме завдяки конвекції нагрівається рідина в посудині, яка стоїть на гарячій плиті, обігріваються приміщення.

Випромінення.Випромінення (променевий теплообмін), подібно до теплопровідності та конвекції, є видом теплообміну. Випроміненням енергія може передаватися на великі відстані і не потребує наявності речовини між тілами. Яскравий приклад - випромінення Сонця, яке досягає Землі, проходячи відстань 149 000 000 км крізь майже безповітряний простір.Енергію випромінюють усі тіла - і сильно, і слабо нагріті. Чим вища температура тіла, тим більше енергії воно випромінює. Якщо колбу в описаному досліді повернути до лампочки білим боком, то стовпчик рідини у трубці також з часом зміститься, але на меншу відстань. Це означає, що тіла з темною поверхнею поглинають і випромінюють енергію краще, ніж тіла зі світлою поверхнею, а тому швидше нагріваються і охолоджуються. Променевий теплообмін, як і інші види теплообміну, поширений у природі та використовується в побуті.

2. Термодинаміка - розділ теоретичної фізики, що стосується законів явищ поширення та збереження тепла. Розрізняють феноменологічну та статистичну термодинаміки. Остання в свою чергу поділяється на класичну й квантову. Термодинаміка вивчає процеси, які відбуваються в тілах, що перебувають у тепловій рівновазі з іншими тілами. Важливою характеристикою теплової рівноваги є температура. Рівняння стану пов'язує між собою такі характеристики тіл, як тиск, об'єм та температуру. Зміни термодинамічного стану фізичних систем вивчаються при рогзляді термодинамічних процесів. Термодинаміка вводить феноменологічно таке поняття, як ентропія. Термодинаміка була створена завдяки потребі побудови теоретичного підґрунтя для опису роботи теплових двигунів. Основним законом термодинаміки є так званий перший закон термодинаміки - формулювання закону збереження енергії. Другий закон термодинаміки встановлює неможливість повного перетворення теплоти в механічну роботу.

Історія термодинаміки.Термодинаміка виникла в зв'язку з практичними потребами людства. Наприкінці XVIII століття в Англії розпочалася промислова революція, одним із чинників якої був винахід парового двигуна. Завдяки цьому винаходу людство навчилося перетворювати тепло у механічну роботу. Виникла необхідність розуміння та кількісного опису процесів, які при цьому відбуваються.

Прилади. Для розбудови теорії будь-якого явища перш за все необхідні спостереження і розумно поставлений експеримент, який вимагає вимірювальних приладів. Для термодинаміки такими вимірювальними приладами були термометр і манометр. Перший призначений для вимірювання температури, другий для вимірювання тиску. Тільки після винаходу засобів для вимірювання температура й тиск стали справжніми кількісними фізичними величинами. Винахід термометра приписують різним ученим від Авіцени до Галілея, однак ранні прилади були радше термоскопами, за допомогою яких можна було пересвідчитися у зміні температури, а не виміряти її. Справжні термометри з'явилися тільки тоді, коли була встановлена температурна шкала, яка дозволяла градуювати будь-який термометр таким чином, щоб показувати однакову температуру в однакових умовах. Серед багатьох пропозицій температурних шкал першою прижилася шкала Фаренгейта. Фаренгейт також налагодив серійне виробництво термометрів, відкривши таким чином дорогу для встановлення законів поширення тепла. Перші прилади для вимірювання тиску винайшли ще в IX столітті брати Бану Муса, однак справжній науковий інтрумент учені отримали тільки після винайдення в 1643 році Еванджелістою Торрічеллі ртутного барометра і встановлення одиниці тиску через висоту ртутного стовпчика в ньому. У XVIII-му столітті зародилася калориметрія, яка дозволила вимірювати кількість теплоти. Перший калориметр винайшов Джозеф Блек.

Газові закони. Таким чином у XVII-XVIII століттях людство мало в своєму розпорядженні засоби для встановлення взаємозв'язку температури, тиску та об'єму для газів. На ту пору хіміки уже постаралися відкрити кілька газів: кисень, водень, азот, вуглекислий газ і водяну пару. Завдяки дослідженням Бойля, Маріотта, Гей-Люссака, Шарля були відкриті закони для процесів у газах： ізотермічного - закон Бойля-Маріотта, адіабатичного, ізохоричного - закон Шарля та ізобаричного - закон Гей-Люссака. Об'єднання цих законів привело до думки, що основну термодинамічні змінні: тиск, температура й об'єм для кожної речовини у стані теплової рівноваги зв'язані певним співвідношенням, яке отримало назву рівняння стану. Подальші дослідження проводилися уже не для газів, близьких до абстрактного ідеального газу, а для реальних газів, для яких газові закони можуть мати зовсім інший вигляд, і в яких можливі такі процеси, як конденсація - фазові переходи.

Перші теорії. Першою теорією, яка намагалася пояснити теплові явища була теорія теплецю, запропонована Лавуазьє. Лавуазьє припустив існування певної невагоомої речовини, яка перетікає від гарячих тіл до холодних при встановленні теплової рівноваги між ними. Проте подальші дослідження показали, що такої речовини не існує. У 1824 році Саді Карно опублікував мемуар «Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance» (Міркування щодо рухливої сили вогню та машин, спроможних використовувати цю силу), який започаткував сучасне розуміння теплових процесів. В цьому мемуарі він вводить нові поняття, які стали відомими як тепловий двигун Карно, цикл Карно, рухлива сила. Роботу Карно продовжив і виправив Еміль Клапейрон у мемуарі Puissance motrice de la chaleur (Рухлива сила тепла), опублікованому в 1834 році.

Перший та другий закони термодинаміки. Перший закон термодинаміки було встановлено завдяки роботам Джоуля, Маєра та Гельмгольца. Джоуль провів дослідження, які допомогли встановити пропорційність між кількістю теплоти та механічною роботою. Завдяки цим дослідженням виникло поняття енергії. Перший закон термодинаміки є формулюванням закону збереження енергії. В 50-х та 60-х роках XIX-го століття Рудольф Клаузіус виробив поняття ентропії, сформулювавши другий закон термодинаміки. Запровадження термодинамічних потенціалів дозволило сформулювати термодинамічні закони в тому вигляді, в якому вони відомі й тепер.

Статистична фізика. В другій половині XIX-го століття почало виникати розуміння атомарної будови речовини. Якщо досі термодинаміка використовувала в основному феноменологічний підхід, то поняття атома дозволило зрозуміти термодинамічні закони на молекулярному рівні. Новий розділ фізики - статистичну фізику започаткували Джеймс Клерк Максвел, Джозая Ґібс та Людвіг Больцман. Больцману, зокрема, належить формула, яка зв'язує термодинамічну ентропію із кількістю можливих мікроскопічних станів у системі, яка стала основою для нової теорії. На основі статистичного атомарного підходу нову інтерпретацію отримало поняття температури, як міри теплового руху атомів та молекул.

Третій закон термодинаміки. З розвитком кріогенної техніки на початку XX століття виникла можливість досліджувати властивості речовин при дуже низьких температурах. Це дозволило сформулювати третій закон термодинаміки - твердження про те, що ентропія однокомпонентних речовин прямує до нуля при зменшенні температури до абсолютного нуля. Процеси нерівноважної термодинаміки Рівноважна термодинаміка стала довершеною наукою на початку XX століття. Сучасні дослідження зосереджені в основному на властивостях нерівноважних та відкритих систем, вивченні процесів переносу, релаксації, самоорганізації.

3. Температу́ра (від лат. temperatura — належне змішування, нормальний стан) — фізична величина, яка описує здатність макроскопічної системи (тіла), що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, до передачі тепла іншим тілам. Позначається літерою T або t. На побутовому рівні температура пов'язана із суб'єктивним сприйняттям «тепла» і «холоду». Теплі тіла мають більшу температуру, холодні — меншу. В розумінні сучасної фізики температура пов'язана з тепловим рухом атомів та молекул. Температура відіграє важливу роль у багатьох галузях науки, включаючи фізику, хімію і біологію.

Властивості. В стані рівноваги температура має однакове значення для всіх макроскопічних частин системи. Якщо в системі два тіла мають однакову температуру, то між ними не відбувається передачі тепла. Якщо існує різниця температур, то тепло переходить від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою. На мікроскопічному рівні температура пов'язана із тепловим рухом атомів та молекул, із яких складаються фізичні тіла, а саме — з їх кінетичною енергією. Температу́ра (від лат. temperatura — належне змішування, нормальний стан) — скалярна фізична величина, яка характеризує середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи, що припадає на одну ступінь свободи, що перебуває в стані термодинамічної рівноваги.

Вимірювання температури. Хоча поняття температури інтуїтивно зрозуміле, як стан тепла й холоду, її вимірювання, тобто співставлення з певною одиницею температури й кількісне вираження у вигляді числа, є методологічно складною проблемою. Температуру неможливо виміряти безпосередньо. Проте, при нагріванні або охолодженні тіла змінюються його фізичні властивості: довжина і об'єм, густина, пружні властивості, електропровідність тощо. Основою для вимірювання температури може бути зміна будь-якої властивості будь-якого тіла, якщо для нього відома залежність даної властивості від температури. Вибране для вимірювання температури тіло називають термометричним, а прилад для вимірювання температури - термометром.

Температурні шкали. Для однозначного визначення температури різними методами й на основі зміни різних властивостей термометричних тіл, термометри необхідно градуювати. Для цього використовуються температурні шкали. В основі температурних шкал — особливі реперні точки, яким присвоюється певне значення температури. Історично склалися різні температурні шкали, що використовують різні реперні точки, які пов'язані з певними фізичними явищами, що відбуваються при певній температурі. В Міжнародній системі одиниць (СІ) термодинамічна температура входить до складу семи основних одиниць і виражається в кельвінах. До складу похідних величин СІ, які мають спеціальну назву, входить температура Цельсія, яка вимірюється в градусах Цельсія. На практиці часто застосовують градуси Цельсія через історичної прив'язки до важливих характеристик води - температури танення льоду (0 °C) і температури кипіння (100 °C). Це зручно, оскільки більшість кліматичних процесів, процесів у живій природі, тощо пов'язані з цим діапазоном. Зміна температури на один градус Цельсія тотожна зміні температури на один Кельвін. Тому після введення в 1967 році нового визначення Кельвіна, температура кипіння води перестала грати роль незмінної реперної точки і, як показують точні вимірювання, вона вже не дорівнює 100 °C, а близька до 99,975 °C.

4. Температурна шкала Цельсія, Кельвіна. Градус Цельсія (°C) — одиниця виміру температури, подібна до Кельвіна. Широко використовується в побуті. Градус Цельсія названий на честь шведського вченого Андерса Цельсія, який запропонував в 1742 нову шкалу для вимірювання температури. За нуль за шкалою Цельсія приймалася точка плавлення льоду, а за 100 градусів — точка кипіння води при стандартному атмосферному тиску. (Початково Цельсій за 100° взяв температуру танення льоду, а за 0° — температуру кипіння води. І лише згодом його співвітчизник М. Штремер «перевернув» цю шкалу). Ця шкала є лінійною в інтервалі 0—100° і лінійно продовжується в області нижче 0° та вище 100°. Початкове визначення градуса Цельсія залежало від значення стандартного атмосферного тиску (температура кипіння води, як і температура плавлення льоду, залежить від тиску). Це не дуже зручно для стандартизації одиниці вимірювання. Тому після прийняття Кельвіна основною одиницею вимірювання температури визначення градуса Цельсія було переглянуте. За сучасним означенням, величина градуса Цельсія дорівнює одному Кельвіну, а нуль шкали Цельсія встановлений таким чином, що температура потрійної точки води становить 0,01 °C. В результаті шкали Цельсія та Кельвіна зсунуті на 273,15: °C = K − 273,15

Температуру за шкалою Цельсія заведено позначати малою латинською літерою t, а абсолютну температуру — великою латинською літерою T.

Кельвін (позначення K) — одиниця температури в системі СІ, одна з семи основних одиниць цієї системи. Кельвін, згідно з міжнародною угодою, визначається двома точками: абсолютним нулем та потрійною точкою води. Абсолютний нуль температури, за визначенням, дорівнює точно 0 K та –273,15 °C. При абсолютному нулі температури весь кінетичний рух часток матерії припиняється (в класичному розумінні) і, таким чином, матерія не має теплової енергії. Потрійній точці води, також за визначенням, призначається температура 273,16 K та 0,01 °C. Наслідком таких визначень двох опорних точок абсолютної термодинамічної шкали є:

- один кельвін дорівнює точно 1/273,16 часткам температури потрійної точки води;

- один кельвін точно дорівнює одному градусу Цельсія;

- різниця між двома температурними шкалами дорівнює точно 273,15 кельвіна.

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.