Події фізичного світу невідривно пов'язані ззмінами температури. З нею кожна людина знайомиться в ранньому дитинстві, коли розуміє, що крига холодна, а окріп обпалює. У той же час приходить розуміння, що зміни температури не відбуваються миттєво. Вже потім у школі учень вивчає, що це з тепловим рухом. І процесам, пов'язаним із температурою, виділено цілий розділ фізики.
Що таке температура?
Це наукове поняття введено для заміни звичайнихтермінів. У повсякденному житті постійно фігурують такі слова як гарячий, холодний або теплий. Усі вони говорять про ступінь нагрітості тіла. Саме так вона визначається у фізиці, тільки з додаванням, що це скалярна величина. Адже температура не має напряму, а лише числове значення.
У міжнародній системі одиниць (СІ) температуравимірюється у градусах Цельсія (ºС). Але в багатьох формулах, що описують теплові явища, потрібно переводити її в Кельвін (К). І тому існує проста формула: Т = t + 273. У ній Т — температура в Кельвінах, а t — у Цельсіях. З шкалою Кельвіна пов'язане уявлення про абсолютному нулі температур.
Існує ще кілька шкал температур.У Європі та Америці, наприклад, у ході Фаренгейти (Ф). Тому їх необхідно вміти записувати у Цельсіях. Для цього із показань у Ф потрібно відняти 32, потім розділити його на 1,8.
Домашній експеримент
У його поясненні потрібно знати такі поняття, як температура, тепловий рух. Та й здійснити цей досвід просто.
Для нього потрібно взяти три ємності.Вони мають бути досить великими, щоб у них легко могли поміститися кисті рук. Наповнити їх водою різної температури. У першому вона має бути дуже холодною. У другому - підігріта. У третій налити гарячу воду, таку, в якій руку можна буде тримати.
Тепер сам досвід. Опустити ліву руку в ємність із холодною водою, праву — із найгарячішою. Зачекати пару хвилин. Вийняти їх і відразу занурити в посудину з теплою водою.
Результат виявиться несподіваним.Лівій руці здаватиметься, що вода тепла, у правій виникне відчуття холодної води. Це з тим, що спочатку встановлюється теплове рівновагу з тими рідинами, які руки занурени спочатку. А потім ця рівновага різко порушується.
Основні положення молекулярно-кінетичної теорії
Вона визначає всі теплові явища. А ці твердження досить прості. Тому у розмові про тепловий рух ці положення знати необхідно.
Перше:речовини утворені найдрібнішими частинками, розташованими на деякому віддаленні один від одного. Причому цими частинками можуть бути як молекули, і атоми. А відстань між ними набагато більше розмірів частинок.
Друге: у всіх речовинах спостерігається тепловий рух молекул, який ніколи не припиняється. Частинки у своїй рухаються безладно (хаотично).
Третє: частки взаємодіють між собою. Ця дія обумовлена силами тяжіння та відштовхування. Їхня величина залежить від відстані між частинками.
Підтвердження першого становища МКТ
Доказом того, що тіла складаються з частинок,між якими є проміжки, служить їхнє теплове розширення. При нагріванні тіла його розмір збільшується. Відбувається це через видалення частинок одна від одної.
Іншим підтвердженням сказаного єдифузія. Тобто проникнення молекул однієї речовини між частинками іншої. Причому це переміщення виявляється взаємним. Дифузія проходить тим швидше, що далі один від одного розташовані молекули. Тому в газах взаємне проникнення станеться набагато швидше, ніж у рідинах. А у твердих тілах на дифузію потрібні роки.
До речі, останній процес пояснює тепловий рух. Адже взаємне проникнення речовин одна в одну відбувається без будь-якого втручання з боку. Але його можна прискорити, якщо нагріти тіло.
Підтвердження другого положення МКТ
Яскравий доказ того, що існуєтепловий рух - це броунівський рух частинок. Воно розглядається для зважених частинок, тобто для тих, які значно більші за молекули речовини. Цими частинками можуть бути порошинки або крупинки. А поміщати їх потрібно у воду чи газ.
Причина безладного руху виваженоючастинки у цьому, що з усіх боків неї діють молекули. Їхня дія безладна. Розмір впливів у кожен час різна. Тому результуюча сила спрямована то одну, то іншу сторону.
Якщо говорити про швидкість теплового руху молекул, то для неї особлива назва — середня квадратична. Її можна обчислити за такою формулою:
v = √[(3kT)/m0щ.
У ній Т - температура в Кельвінах, m0 - Маса однієї молекули, k - Постійна Больцмана (k = 1,38 * 10-23 Дж/К).
Підтвердження третього положення МКТ
Частинки притягуються та відштовхуються. У поясненні багатьох процесів, що з тепловим рухом, це знання виявляється важливим.
Адже сили взаємодії залежать від агрегатної.стан речовини. Так, у газів їх практично немає, тому що частинки видалені так сильно, що їхня дія не проявляється. У рідинах та твердих тілах вони відчутні та забезпечують збереження об'єму речовини. В останніх вони гарантують ще й підтримку форми.
Доказом існування сил тяжіння таВідштовхування є появою сил пружності при деформації тіл. Так, при подовженні посилюються сили тяжіння між молекулами, а при стисканні відштовхування. Але в обох випадках вони повертають тілу первісну форму.
Середня енергія теплового руху
Її можна записати з основного рівняння МКТ:
(pV)/N = (2E)/3.
У цій формулі p – тиск, V – обсяг, N – число молекул, E – середня кінетична енергія.
З іншого боку, це рівняння можна записати так:
(pV)/N = kT.
Якщо їх об'єднати, то вийде така рівність:
(2E)/3 = kT.
З нього випливає така формула для середньої кінетичної енергії молекул:
E = (3kT)/2.
Звідси видно, що енергія пропорційнатемпературі речовини. Тобто за підвищення останньої частки рухаються швидше. У цьому полягає суть теплового руху, що існує, поки є температура, відмінна від абсолютного нуля.
