Температура. Внутренняя энергия. Количество тепла

Как рассуждали химики

Известно, что кислород и водород имеют двухатомные молекулы. Если кислород нагревать, измеряя при этом давление, то при определенной температуре давление скачком возрастет в два раза. Это можно объяснить распадом (диссоциацией) каждой молекулы кислорода на два атома. Кроме того, по закону Авогадро в 22.4 литрах любого газа в нормальных условиях содержится одно и то же количество молекул. Известно, что для проведения реакции образования воды без остатка кислород и водород нужно брать в объемных пропорциях 1:2. Поэтому простейшая формула молекулы воды имеет вид H₂O.

Пользуясь тем же законом Авогадро, и взвешивая моль кислорода и моль водорода, можно убедиться в том, что атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода.

Сведения, полученные из химии стали одними из важнейших подтверждений молекулярно-кинетической теории вещества.

Говоря о тепловых явлениях, мы употребляем слова «нагретость», «количество тепла», «температура». Сейчас необходимо определить их более строго. Нужно заметить, что они появились независимо от представлений о молекулярной структуре вещества. Наука термодинамика не нуждается в молекулярной гипотезе. Поскольку исторически она появилась раньше, причем все ее результаты сохранились и в современной физике, будем следовать ей.

Чувственное представление о нагретости дают кожные рецепторы. Мы можем на ощупь отличить более нагретое тело от менее нагретого. Причем если привести эти тела в соприкосновение, то более нагретое тело будет остывать, а менее нагретое – нагреваться. Они не могут оба нагреваться или оба остывать (если конечно, энергия не теряется в окружающую среду). Люди предположили, что они обмениваются неким носителем тепла – «теплородом». Было установлено, что теплород всегда передается от более нагретого тела к более холодному, причем в конечном состоянии замкнутой системы все ее части будут иметь равную нагретость. Система называется замкнутой, если она изолирована от воздействий внешнего мира. Как измерить нагретость? Необходимо тело, одно из измеримых физических свойств которого монотонно изменяется по мере нагревания. Например, высота столбика ртути в жидкостном термометре. Чем он горячее, тем столбик длиннее.

Термоскоп и термометр

Замкнутая система, состоящая из тел совершенно разной природы через некоторый промежуток времени придет в состояние термодинамического равновесия. Термометр, помещенный в любую ее точку, независимо от того, что в ней находится, будет иметь одну и ту же высоту столбика. Это совершенно неочевидный факт. Состояние термодинамического равновесия может сохраняться сколь угодно долго, пока на тела системы не подействует что-нибудь извне.

Чтобы определить температуру как физическую величину, нужно построить температурную шкалу. Здесь можно воспользоваться тем, что некоторые физические процессы (например, кипение воды при атмосферном давлении) во всех случаях (независимо от массы воды, например) дают одну и ту же высоту столбика ртути, которую принимают за отметку 100 градусов Цельсия (100 ⁰С). За 0 ⁰С принимают высоту столбика термометра, находящегося в равновесии с тающим льдом. Так можно разбить этот участок шкалы термометра на 100 частей (градусов). Заданные нами самими температуры называются реперными точками.

Можно построить много других шкал, например, таянию льда приписать температуру 32 ⁰F, а средней температуре человеческого тела 92 ⁰F. Напишите формулу преобразования температуры из шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия.

Впоследствии люди поняли, как построить универсальную (абсолютную) температурную шкалу, а также определили минимальную температуру, при которой прекращается тепловое движение. Но об этом – в 10 классе.

Пользуясь шкалой жидкостного термометра, можно исследовать тепловое расширение твердых тел и жидкостей. Выяснено, что в привычном нам интервале температур длина твердого тела хорошо подчиняется закону

где L₀ –длина стержня при 0⁰С, а α – коэффициент линейного теплового расширения. Выясним, как меняется объем тела. Если a, b, c -его линейные размеры, то ,то есть . Поскольку слагаемое αt обычно мало по сравнению с единицей (для железа α=0.000011 градус^-1) то два последних слагаемых в скобке можно отбросить, они гораздо меньше второго.