Что такое теплота: теплота и температура? Значение теплота: теплота и температура в энциклопедии Кольера

К статье ТЕПЛОТА Количество тепловой энергии в веществе нельзя определить , наблюдая за движение м каждой его молекулы по отдельности. Напротив , только изучая макроскопические свойства вещества, можно найти усредненные за некий период времени характеристики микроскопического движения многих молекул. Температура вещества - это средний пока затель интенсивности движения молекул, энергия которого и есть тепловая энергия вещества. Один из самых привычных, но и наименее точных способ ов оценки температуры - на ощупь . Трогая предмет , мы судим о том, горячий он или холодный , ориентируясь на свои ощущения. Конечно , эти ощущения зависят от температуры нашего тела , что подводит нас к понятию теплового равно весия - одному из важнейших при измерении температуры. Тепло вое равновесие . Очевидно, что если два тела A и B (рис. 1) плотно прижать друг к другу, то, потрогав их спустя достаточно долгое время , мы заметим, что температура их одинакова. В этом случае говорят, что тела A и B находятся в тепловом равновесии друг с другом. Однако тела, вообще говоря, не обязательно должны соприкасаться , чтобы между ними существовало тепловое равновесие, - достаточно, чтобы их температуры были одинаковыми. В этом можно убедиться с помощью третьего тела C, приведя его сначала в тепловое равновесие с телом A, а затем сравнив температуры тел C и B. Тело C здесь играет роль термометр а. В строгой формулировке этот принцип называется нулевым началом термодинамики: если тела A и B находятся в тепловом равновесии с третьим телом C, то эти тела находятся также в тепловом равновесии друг с другом. Этот закон лежит в основе всех способов измерения температуры. Измерение температуры. Если мы хотим проводить точные эксперименты и вычисления, то таких оценок температуры, как горячий, теплый , прохладный , холодный, недостаточно - нам нужна проградуированная температурная шкала. Существует несколько таких шкал, и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Четыре наиболее распространенные шкалы представлены на рис. 2. Стоградусная шкала, по которой точке замерзания воды соответствует 0?, а точке кипения 100?, называется шкалой Цельсия по имени А.Цельсия, шведского астронома, который описал ее в 1742. Полагают, что впервые применил эту шкалу шведский натуралист К.Линней. Сейчас шкала Цельсия является самой распространенной в мире. Температурная шкала Фаренгейта, в которой точка м замерзания и кипения воды соответствуют крайне неудобные числа 32 и 212?, была предложена в 1724 Г.Фаренгейтом. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах, но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (?С) в температуру по Фаренгейту (?F) существует формула ?F = (9/5)?C + 32, а для обратного перевода - формула ?C = (5/9)(?F?32). Обе шкалы - как Фаренгейта, так и Цельсия, - весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным число м. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю - точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая - абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (?R) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды соответствует 491,7. R и 273,16 K. Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = ?C + 273,16, а градусы Фаренгейта - в градусы Ранкина по формуле ?R = ?F + 459,7. В основе действия прибор ов, предназначенных для измерения температуры, лежат разные физические явления , связанные с изменением тепловой энергии вещества, - изменения электрического сопротивления, объема, давления, излучательных характеристик, термоэлектрических свойств. Один из наиболее простых и знакомых инструментов для измерения температуры - ртутный стеклянный термометр, изображенный на рис. 3,а. Шарик с ртуть ю в нижней части термометра располагают в среде или прижимают к предмету, температуру которого хотят измерить , и в зависи мост и от того , получает шарик тепло или отдает, ртуть расширяется или сжимается и ее столбик поднимается или опускается в капилляре. Если термометр заранее проградуирован и снабжен шкалой, то можно прямо узнать температуру тела. Друг ой прибор, действие которого основано на тепловом расширении, - биметаллический термометр, изображенный на рис. 3,б. Основной его элемент - спираль ная пластинка из двух спаянных металлов с разными коэффициентами теплового расширения. При нагревании один из металлов расширяется сильнее другого, спираль закручивается и поворачивает стрелку относительно шкалы. Такие устройства часто используют для измерения температуры воздуха в помещениях и на улице, одна ко они не подходят для определения локальной температуры. Локальную температуру измеряют обычно с помощью термопары, представляющей собой две проволочки из разнородных металлов, спаянные с одного конца (рис. 4,а). При нагревании такого спая на свободных концах проволочек возникает ЭДС, обычно составляющая несколько милливольт. Термопары делают из разных металлических пар: железа и константана, меди и константана, хромеля и алюмеля. Их термо-ЭДС практически линейно меняется с температурой в широком температурном диапазоне. Известен и другой термоэлектрический эффект - зависимость сопротивления проводящего материала от температуры. Он лежит в основе работы электрических термометров сопротивления, один из которых изображен на рис. 4,б. Сопротивление небольшого термочувствительного элемента (термопреобразователя) - обычно катушки из тонкой проволоки - сравнивают с сопротивлением проградуированного переменного резистора, используя мост Уитстона. Выходной прибор может быть проградуирован непосредственно в градусах. Для измерения температуры раскаленных тел, испускающих видимый свет , используют оптические пирометры . В одном из вариант ов этого устройства свет, излучаемый телом, сравнивают с излучением нити лампы накаливания, помещенной в фокальную плоскость бинокля, через который смотрят на излучающее тело. Электрический ток, нагревающий нить лампы, изменяют до тех пор, пока при визуальном сравнении свечения нити и тела не обнаружится, что между ними установилось тепловое равновесие. Шкала прибора может быть проградуирована непосредственно в единица х температуры. Технические достижения последних лет позволили создать новые датчики температуры. Например , в тех случаях, когда нужна особенно высокая чувствительность , вместо термопары или обычного термометра сопротивления используют полупроводниковое устройство - термистор . В качестве термопреобразователей применяют также изменяющие свое фазовое состояние красители и жидкие кристаллы , особенно в тех случаях, когда температура поверхности тела изменяется в широком диапазоне. Наконец , используется инфракрасная термография , в которой получают ИК-изображение объекта в условных цвет ах, где каждый цвет отвечает определенной температуре. Этот способ измерения температуры находит самое широкое применение - от медицинской диагностики до проверки теплоизоляции помещений. См. также ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА; ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ. Измерение количества теплоты. Тепловую энергию (количество теплоты) тела можно измерить непосредственно с помощью так называемого калориметр а; простой вариант такого прибора изображен на рис. 5. Это тщательно теплоизолированный закрытый сосуд , снабженный устройствами для измерения температуры внутри него и иногда заполняемый рабочей жидкостью с известными свойствами, например водой. Чтобы измерить количество теплоты в небольшом нагретом теле, его помещают в калориметр и ждут, когда система придет в тепловое равновесие. Количество теплоты, переданное калориметру (точнее, наполняющей его воде ), определяют по повышению температуры воды. Количество теплоты, выделяющейся в ходе химической реакции, например горения, можно измерить, поместив в калориметр небольшую "бомбу". В "бомбе" находятся образец , к которому подведены электрические провода для поджига, и соответствующее количество кислорода. После того как образец полностью сгорает и устанавливается тепловое равновесие, определяют, насколько повысилась температура воды в калориметре, а отсюда - количество выделившейся теплоты. См. также КАЛОРИМЕТРИЯ . Единицы измерения теплоты. Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемных единиц количества теплоты - калорий: международная калория равна 4,1868 Дж, термохимическая калория - 4,1840 Дж. В зарубежных лабораториях результаты исследований часто выражают с помощью т.н. 15-градусной калории, равной 4,1855 Дж. Выходит из употребления внесистемная британская тепловая единица (БТЕ): БТЕсредн = 1,055 Дж. Источники теплоты. Основными источниками теплоты являются химические и ядерные реакции, а также различные процессы преобразования энергии. Примерами химических реакций с выделением теплоты являются горение и расщепление компонентов пищи. Почти вся теплота , получаемая Землей, обеспечивается ядерными реакциями, протекающими в недрах Солнца. Человечество научилось получать теплоту с помощью управляемых процессов деления ядер, а теперь пытается использовать с той же целью реакции термоядерного синтеза. В теплоту можно превращать и другие виды энергии, например механическую работу и электрическую энергию. Важно помнить , что тепловую энергию (как и любую другую) можно лишь преобразовать в другую форму, но нельзя ни получить "из ничего", ни уничтожить . Это один из основных принципов науки , называемой термодинамикой.