События физического мира неотрывно связаны с изменениями температуры. С ней каждый человек знакомится в раннем детстве, когда понимает, что лед холодный, а кипяток обжигает. В то же время приходит понимание, что процессы изменения температуры не происходят мгновенно. Уже потом в школе ученик изучает, что связано это с тепловым движением. И процессам, связанным с температурой, выделен целый раздел физики.
Что такое температура?
Это научное понятие введено для замены обыденных терминов. В повседневной жизни постоянно фигурируют такие слова, как горячий, холодный или теплый. Все они говорят о степени нагретости тела. Именно так она определяется в физике, только с добавлением, что это скалярная величина. Ведь температура не имеет направления, а только числовое значение.
В международной системе единиц (СИ) температура измеряется в градусах Цельсия (ºС). Но во многих формулах, описывающих тепловые явления, требуется переводить ее в Кельвины (К). Для этого существует простая формула: Т = t + 273. В ней Т — температура в Кельвинах, а t — в Цельсиях. Со шкалой Кельвина связано понятие об абсолютном нуле температур.
Существует еще несколько шкал температур. В Европе и Америке, например, в ходу Фаренгейты (Ф). Поэтому их необходимо уметь записывать в Цельсиях. Для этого из показаний в Ф полагается вычесть 32, потом разделить его на 1,8.
Домашний эксперимент
В его объяснении требуется знать такие понятия, как температура, тепловое движение. Да и выполнить этот опыт просто.
Для него потребуется взять три емкости. Они должны быть достаточно большими, чтобы в них легко могли поместиться кисти рук. Наполнить их водой разной температуры. В первом она должна быть очень холодной. Во втором — подогретая. В третий налить горячую воду, такую, в которой руку будет возможно держать.
Теперь сам опыт. Опустить левую руку в емкость с холодной водой, правую — с самой горячей. Подождать пару минут. Вынуть их и сразу погрузить в сосуд с теплой водой.
Результат окажется неожиданным. Левой руке будет казаться, что вода теплая, у правой возникнет ощущение холодной воды. Это связано с тем, что вначале устанавливается тепловое равновесие с теми жидкостями, в которые руки погружены изначально. А потом это равновесие резко нарушается.
Основные положения молекулярно-кинетической теории
Она описывает все тепловые явления. А утверждения эти достаточно просты. Поэтому в разговоре о тепловом движении эти положения знать необходимо.
Первое: вещества образованы мельчайшими частицами, расположенными на некотором удалении друг от друга. Причем этими частицами могут оказаться как молекулы, так и атомы. А расстояние между ними во много раз больше размеров частиц.
Второе: во всех веществах наблюдается тепловое движение молекул, которое никогда не прекращается. Частицы при этом двигаются беспорядочно (хаотично).
Третье: частицы взаимодействуют между собой. Это действие обусловлено силами притяжения и отталкивания. Их величина зависит от расстояния между частицами.
Подтверждение первого положения МКТ
Доказательством того, что тела состоят из частиц, между которыми есть промежутки, служит их тепловое расширение. Так, при нагревании тела его размер увеличивается. Происходит это из-за удаления частиц друг от друга.
Другим подтверждением сказанному является диффузия. То есть проникновение молекул одного вещества между частицами другого. Причем это перемещение оказывается взаимным. Диффузия проходит тем быстрее, чем дальше друг от друга расположены молекулы. Поэтому в газах взаимное проникновение произойдет гораздо быстрее, чем в жидкостях. А в твердых телах на диффузию требуются года.
Кстати, последний процесс объясняет и тепловое движение. Ведь взаимное проникновение веществ друг в друга происходит без какого-либо вмешательства со стороны. Но его можно ускорить, если нагреть тело.
Подтверждение второго положения МКТ
Яркое доказательство того, что существует тепловое движение — это броуновское движение частиц. Оно рассматривается для взвешенных частиц, то есть для тех, которые существенно больше молекул вещества. Этими частицами могут быть пылинки или крупинки. А помещать их полагается в воду или газ.
Причина беспорядочного движения взвешенной частицы в том, что со всех сторон на нее действуют молекулы. Их действие беспорядочно. Величина воздействий в каждый момент времени разная. Поэтому результирующая сила направлена то в одну, то в другую сторону.
Если говорить о скорости теплового движения молекул, то для нее есть особое название — средняя квадратичная. Ее можно вычислить по формуле:
v = √[(3kT)/m0].
В ней Т — температура в Кельвинах, m0 — масса одной молекулы, k — постоянная Больцмана (k=1,38*10-23 Дж/К).
Подтверждение третьего положения МКТ
Частицы притягиваются и отталкиваются. В объяснении многих процессов, связанных с тепловым движением, это знание оказывается важным.
Ведь силы взаимодействия зависят от агрегатного состояния вещества. Так, у газов их практически нет, так как частицы удалены так сильно, что их действие не проявляется. В жидкостях и твердых телах они ощутимы и обеспечивают сохранение объема вещества. В последних они гарантируют еще и поддержание формы.
Доказательством существования сил притяжения и отталкивания является появление сил упругости при деформации тел. Так, при удлинении усиливаются силы притяжения между молекулами, а при сжатии — отталкивания. Но в обоих случаях они возвращают телу первоначальную форму.
Средняя энергия теплового движения
Ее можно записать из основного уравнения МКТ:
(pV)/N = (2E)/3.
В этой формуле p — давление, V — объем, N — число молекул, E — средняя кинетическая энергия.
С другой стороны, это уравнение можно записать так:
(pV)/N = kT.
Если их объединить, то получится следующее равенство:
(2E)/3 = kT.
Из него следует такая формула для средней кинетической энергии молекул:
E = (3kT)/2.
Отсюда видно, что энергия пропорциональна температуре вещества. То есть при повышении последней частицы двигаются быстрее. В этом и заключается суть теплового движения, которое существует, пока есть температура, отличная от абсолютного нуля.
