Величини, що характеризують з-стояння макроскопічних тіл без урахування молекулярної будови тіл (v,

с. 1
Молекулярна фізика.

Глава 2. Температура. Енергія теплового руху молекул.
Лекція 25. Температура. Енергія теплового руху молекул.


  • макроскопічні параметри

Поведінка макроскопічних тіл, зокрема газів, можна охарактеризувати деяким числом фізичних величин, що відносяться не до окремих молекул, складаю-щим тіла, а до всіх молекул в цілому. До числа таких величин відносяться обсяг V, тиск р, температура і ін.

Так, газ даної маси завжди займає певний об'єм, має певні тиск і температуру. Обсяг і тиск представ-ляють собою механічні величини, що описують стан газу. Температура в механіці не розглядається, тому що вона характеризує внутрішній стан тіла.

Величини, що характеризують з-стояння макроскопічних тіл без урахування молекулярної будови тіл (V, р, t) називають макроскопіч-ськими параметрами.

  • Температура і її суттєві ознаки

  1. У повсякденному житті під температурою розуміють ступінь нагретости тел.

  2. Ця така величина, яка обов'язково однакова для тіл, що знаходяться в тепловій рівновазі (це такий стан, при якому всі макроскопічні параметри залишаються незмінними як завгодно часу при відсутності зовнішніх впливів)

  3. Температура - величина неаддитивну (температура системи сумі температур її частин)

  4. Температура є величина, яка вказує напрямок теплообміну (теплообмін відбувається при різних температурах тіл, що знаходяться в контакті. Теплота передається від більш нагрітого до менш нагрітого)

Примітка. Якщо стан будь - якого тіла прийняти за нульовий, то температура є величина, що є мірою відхилення досліджуваного тіла, від стану тіла, прийнятого за нульовий.

  • Середня кінетична енергія молекул газу при тепловому одно-весіі.

У стані теплової рав-новесія все гази мають однакову температуру, що не залежить від роду газу. Для визначення температури з'ясуємо, яка фізична величина в молекулярно-кінетичної теорії має таку ж властивість.

З курсу фізики VII класу відомо, що, чим швидше рухаються молекули, тим вище температура тіла. При нагріванні газу в замкнутому посудині тиск газу зростає. Згідно ж до основного рівняння молекулярно-кінетічес-кой теорії (1.15) тиск р прямо пропорційно середньої кінетичної-ської енергії поступального руху молекул. При теп-ловом рівновазі, якщо тиск газу даної маси і його обсяг фіксовані, середня кінетична енергія молекул газу повинна мати строго певне значення, як і температура.

Так як концентрація молекул газу, то з рівняння випливає

Тиск і об'єм вимірюються безпосередньо. Число молекул можна визначити, знаючи масу газу т, постійну Авогадро і молярну масу М.

Якщо кінетична енергія дійсно одна і та ж величи-на для всіх газів в стані теплової рівноваги, то і величи-на повинна бути теж оди-наково для всіх газів.


  • Гази в стані теплового рав-новесія.

Досвід можна здійснити так. Візьмемо кілька судин, заповнених різними газами, наприклад воднем, гелієм і кисло-родом. Судини мають певні обсяги і забезпечені манометрами. Це дозволяє виміряти тиск в кожному посудині. Маси газів відомі, тим самим відомо число молекул в кожній посудині.

Наведемо гази в стан теп-лового рівноваги. Для цього по-місць їх в тане лід і подож-дем, поки не встановиться теплова рівновага, і тиск газів пере-змінюватиметься (рис. 19). Після того можна стверджувати, що всі гази мають однакову температуру 0 ° С. Тиску газів р, їх обсяги V і число молекул N різні. Вимірюючи всі ці параметри отримаємо:

Таке ж значення відносини твори тиску газу на його об'єм до числа молекул виходить і для всіх інших газів при температурі танучого льоду.

Якщо ж судини з газами помістити в киплячу воду при нормальному атмосферному тиску,

то відношення по-прежне-му буде одним і тим же для всіх газів, але більше, ніж попереднє. Як показує досвід,



  • Визначення температури.

Мож-но, отже, стверджувати, що, величина зростає з підвищенням температури. Більш того, ні від чого, крім температури, не залежить. В прин-ципе можна було б вважати температурою і саму величину і вимірювати температуру в енергетичних одиницях - джоулях. Од-нако, по-перше, це незручно для практичного використання (100 ° С відповідала б дуже мала величина - порядку Дж), а по-друге, і це головне, вже давно прийнято виражати темпера-туру в градусах.

Будемо вважати величину прямо пропорційною температурі Т, вимірюваної в градусах:

де k - коефіцієнт пропорційності. Певна рівністю (2.5) температура називається аб-солютной. Таку назву, як ми зараз побачимо, має достатні підстави.

З огляду на визначення (2.5). отримаємо:

На підставі цієї формули вводиться температурна шкала (в градусах), яка не залежить від речовини, що використовується для вимірювання температури.



  • Абсолютний нуль температури

Температура, яка визначається формулою (2.6), очевидно, не може бути негативною, так як всі величини, що стоять в лівій частині цієї формули свідомо позитивні. Отже, можливим найменшим значенням температури Т є Т = 0, якщо тиск р або обсяг V дорівнюють нулю. Граничну температуру, при якій тиск ідеального газу звертається в нуль при фіксованому обсязі або обсяг ідеального газу прагне до нуля при незмінному тиску, називають абсолютним нулем температури.

  • Абсолютна шкала температур.

Англійський учений У. Кельвін (1824-1907) ввів абсолютну шка-лу температур. Нульова температу-ра по абсолютній шкалі (її називаються вають також шкалою Кельвіна) со-відповідає абсолютного нуля, а кожна одиниця температури по цій шкалі дорівнює градусу за шкалою Цельсія.

Одиниця абсолютної температу-ри в СІ називається Кельвіном (позначається літерою К).



  • Постійна Больцмана.

Визна-лим коефіцієнт k в форму-ле (2.6) так, щоб один кельвін (1 К) дорівнював градусу за шкалою Цельсія (1 ° С).

Ми знаємо значення при Про ° С і 100 ° С.

Позначимо абсолютну темпе-ратуру при 0 ° С через, а при 100 ° С через Тоді згідно (2.5)

називається постійної Больцмана в честь Л. Больцмана, одного з описателей молекулярно-кінетичної теорії газів. Постійна Больцмана пов'язує температурувенергетіческіх одиницях з температурою Т в кельвінах.



  • Зв'язок абсолютної шкали і Шкали Цельсія.

Знаючи постійну Больцмана, можна знайти значення абсолютного нуля за шкалою Цельсія. Для цього знайдемо спочатку значення абсолютної температури, відповідне 0 ° С.

Так як при 0 ° С, а, то

Тому будь-яке значення абсолютної температури Т буде на 273 градуси вище відповідної температури за Цельсієм:


Але зміна абсолютної темпе-ратури дорівнює зміні тим-ператури за шкалою Цельсія:.

  • Температура - міра середньої ки-генетичних енергії молекул.

Відповідно до основного рівняння МКТ:

З іншого боку:

Середня кінетична енергія хаотичного поступального руху молекул газу пропорційна абсолютній температурі.

  • Третій вид основного рівняння МКТ

підставляючи в отримаємо.

  • Середня швидкість теплового руху молекул

З механіки відомо, що

З іншого боку

де - середня квадратична швидкість.

  • Вимірювання температури. Термометри.

Для вимірювання температури можна скористатися зміною будь макроскопічної величини в залежності від температури: обсягу, тиску, елект-рического опору і т. Д.

Найчастіше на практиці використовують залежність об'єму рідини (ртуті або спирту) від температури. При градуюванні термометра зазвичай за початок відліку (0) приймають температуру танучого льоду; другий постійної точкою (100) вважають температуру кипіння води при нормальному атмосферному тиску (шкала Цельсія). Шкалу між точками 0 і 100 ділять на 100 рівних частин, які називаються градусами (рис, 140). Переміщення стовпчика рідини на одне де-ня відповідає зміні температури на 1 ° С.

Так як різні рідини розширюються при нагріванні не-однаково, то встановлена ​​таким чином шкала буде до певної міри залежати від властивостей даної рідини. Звичайно, 0 і 100 ° С будуть збігатися у всіх термометрів, але, скажімо, 50 ° С не збігатимуться.

Яке ж речовина вибрати для того, щоб позбутися від цієї залежності? Було відмічено, що на відміну від рідин все раз-реження гази - водень, гелій, кисень - розширюються при нагріванні однаково і однаково змінюють свій тиск при зміні температури. З цієї причини в фізиці для установ-лення раціональної температурної шкали використовують зміна тиску певної кількості розрідженого газу при постійному обсязі або зміна обсягу газу при постійному тиску. Таку шкалу іноді називають ідеальною газової шкалою тим-температур. При її встановленні вдається позбутися ще від одного істотного недоліку шкали Цельсія - довільності вибору початку відліку, т. Е. Нульової температури. Адже за початок відліку замість температури танення льоду з тим же успіхом можна було б взяти температуру кипіння води.