Конспект уроку: Температура та її зв'язок зі швидкістю руху молекул речовини

Температура - фізична величина, що характеризує тепловий стан тіла незалежно від його маси та хімічного складу. Температура є макроскопічним параметром, оскільки визначається середньою швидкістю теплового руху величезної кількості молекул. Таким чином, температура це статистична величина, яка являється мірою середньої кінетичної енергії руху молекул речовини у будь-якому стані.

Встановлено, що середня кінетична енергія молекул Е_к пропорційна до абсолютної температури газу Т. Для ідеального газу має місце залежність:

Множник k, який виражає співвідношення між одиницями енергії і абсолютної температури називають сталою Больцмана. Числове значення сталої Больцмана визначається дослідним шляхом. У системі СІ:

Фізичний зміст сталої Больцмана полягає у тому, що вона показує, як змінюється енергія теплового поступального руху одної молекули при зміні температури на 1 К.

У різних речовин з однаковими температурами середня кінетична енергія руху молекул теж однакова. Поняття температури має зміст лише для великої кількості молекул. Не можна стверджувати про температуру одної чи кількох молекул. Очевидно, що поняття температури втрачає сенс, наприклад, для газу у космічному просторі, де концентрація молекул дуже незначна.

Температуру тіла безпосередньо виміряти неможливо, тому для її вимірювання використовуються фізичні величини, які залежать від температури (тиск, об’єм, інтенсивність випромінювання, електричний опір).

Розділ фізики, в якому вивчаються методи вимірювання температури, називається термометрією. Предметом термометрії є встановлення температурних шкал, конструювання термометрів для різних інтервалів температур, розробка способів їх градуювання та прийомів вимірювання.

Існують безконтактні та контактні методи вимірювання температур. В безконтактних методах вимірюють інтенсивність випромінювання тіл (пірометрія). У контактних методах порівнюються температури різних тіл за допомогою спеціального пробного тіла, яке називається термометричним. 

Термометричне тіло приводиться у контакт з досліджуваним тілом до встановлення теплової рівноваги. Значення температури визначають за зміною певного параметру термометричного тіла. Для вимірювання температури потрібно мати емпірично встановлену температурну шкалу. На цій шкалі фіксуються основні температури (реперні точки), які відповідають температурам переходу речовин із одного агрегатного стану у інший. Відстань між реперними точками іменується основним температурним інтервалом, певну частину якого приймають за градус. Наприклад, у шкалі Цельсія реперними точками є температури танення льоду та кипіння води за нормальних умов, а інтервал між ними розділений на 100 однакових частин, котрі називаються градусами Цельсія.

З метою вимірювання температури застосовують також шкали Реомюра і Фаренгейта. Початкові точки у цих шкалах співпадають. Величина градуса у шкалі Реомюра в 1,25 рази більша, а у шкалі Фаренгейта в 1,8 разів менша, ніж у шкалі Цельсія. Температура кипіння води у шкалі Реомюра відповідає 80 і?, а у шкалі Фаренгейта - 212 F. Залежність між значеннями температур у цих шкалах та у шкалі Цельсія можна подати у вигляді:

Залежність температурних шкал від властивостей термометричного тіла створює значні ускладнення. В 1848 р. англійський вчений Уіл’ям Томсон запропонував температурну шкалу, що не залежала від термометричного тіла. Шкала Кельвіна заснована на одній реперній точці - температурі рівноваги води у твердому, рідкому та газоподібному станах (0,01 °С). Для цієї точки прийнята температура 273,15 К. Шкала Кельвіна називається абсолютною шкалою температур. Величина градуса даної шкали така ж сама, як й шкали Цельсія. Температура, визначена за абсолютною шкалою температур, зветься абсолютною. 

Співвідношення між значеннями температури за шкалою Цельсія й шкалою Кельвіна має вигляд

З метою вимірювання температур застосовуються різноманітні термометри, які відрізняються за призначенням та конструктивними особливостями.

Термометри:

1. Манометричний або газовий термометр

Рис. Термометр манометричний (газовий)

2. Рідинний термометр. В гідрометеорології найбільш поширеними є рідинні (ртутні, спиртові) термометри, які відрізняються розмірами, межами граничних температур, будовою шкали, ціною поділки, тощо. Основними елементами є: резервуар, рідина, капіляр, шкала, колба.

Температуру поверхні ґрунту до глибини, яка не перебільшує 20 см, вимірюють за допомогою ртутних колінчатих термометрів. Нижня границя шкали цих термометрів обмежена значенням температури - 36°С, оскільки вимірювання за допомогою ртутного термометру біля точки замерзання ртуті є ненадійними. Поділки на шкалі нанесені з частотою 0,5 градуса. При вимірюваннях термометр встановлюють так, щоб його резервуар був розташований горизонтально на заданій глибині (5, 10, 15 і 20 см). Спостереження за допомогою цих термометрів можна проводити лише у теплі пори року, оскільки при замерзанні поверхневого шару ґрунту термометри виходять з ладу.

Рис. Термометр рідинний: 1 - резервуар; 2 - рідина; 3 - капіляр; 4 - шкала; 5 - колба.

3. Електронний термометр. Термометри забезпечують вимірювання температури об’єкту завдяки контакту з ним термочутливого датчика. Значення температури в цифровому вигляді відображаються на табло електронного блоку. В якості термочутливого датчика часто використовуються кременевий діод, залежність прямої напруги (падіння напруги на діоді за протікання прямого струму – в напрямку від анода до катоду) котрого лінійна у широкому діапазоні зміни температури.

Рис. Електронний термометр

4. Термометр опору. Це електричні термометри, у яких використовується властивість металів та напівпровідників змінювати власний електричний опір при змінюванні температури. Вимірювальні пристрої термометрів опору живляться від джерел постійного чи змінного струму із напругою у декілька вольт.

Термометр опору складається з термочутливого елемента 2 (найбільш поширеними є елементи, що працюють за принципом термопари), вміщеного у стальний чохол 1, штуцера 3, для встановлення термометра при вимірюванні, та корпусу 4, в якому розміщено пристрій для приєднання термометра до електровимірювального приладу. Термометри опору вимірюють температури від -200 до +600°С.

Перевагами термометрів опору являється висока точність вимірювання температури, можливість автоматичного запису та передавання показів на відстань, можливість централізації вимірювань шляхом приєднання до одного вимірювального приладу декількох однотипних термометрів опору.

Рис. Термометр опору: 1 – стальний чохол, 2 – термочутливий елемент, 3 – штуцер, 4 – корпус.