3. Досліджуємо тепловий рух частинок речовини - Засєкіна

• Назад до змісту

Думай

1. Чому хаотичний рух молекул називають тепловим?

Хаотичний рух молекул називають тепловим, оскільки від особливостей цього руху та взаємодії молекул залежить тепловий стан тіла.

2. Що відрізняє тепловий рух від механічного?

Тепловий рух — це безперервний і невпорядкований рух величезної кількості частинок, який описують середніми значеннями (наприклад, середньою кінетичною енергією). Натомість механічний рух може описувати рух однієї окремої частинки.

3. На малюнку 3.5 показано напрям обміну теплотою між тілами. Температура якого тіла найбільша? Найнижча?

Теплота передається від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою. На малюнку видно, що тіло 2 віддає тепло всім іншим тілам (1, 3, 4), отже, його температура найбільша. Тіло 1 отримує тепло від усіх інших тіл, тому його температура найнижча.

4. Доведи або спростуй твердження: якщо дві системи одночасно знаходяться в тепловій рівновазі з третьою системою, вони перебувають у тепловій рівновазі одна з одною. Схематично проілюструй твердження.

Це твердження правильне. Якщо система А перебуває в тепловій рівновазі із системою В, то їхні температури однакові. Якщо система С також перебуває в тепловій рівновазі із системою В, то і їхні температури рівні. Із цього випливає, що системи А і С перебувають у тепловій рівновазі між собою.

Схематично це можна зобразити так:

[A ↔ B] і [C ↔ B] → [A ↔ C]

5. Дано три однакові мідні куби, температура яких дорівнює відповідно 200 °С, 0 °С, 0 °С. Запропонуй спосіб, як за допомогою лише теплообміну між ними охолодити перший куб до 50 °С, а інші нагріти до 75 °С. Теплові втрати відсутні.

Потрібно виконати три послідовні дії:

1. Привести в контакт перший куб (200 °С) з другим (0 °С). Вони досягнуть рівноважної температури 100 °С. Тепер температури кубів: 100 °С, 100 °С, 0 °С.
2. Роз’єднати їх і привести в контакт перший куб (тепер 100 °С) з третім (0 °С). Вони досягнуть рівноваги при 50 °С. Тепер температури: перший куб 50 °С, другий 100 °С, третій 50 °С.
3. Наостанок привести в контакт другий куб (100 °С) з третім (50 °С). Їхня спільна температура стане (100 + 50) / 2 = 75 °С.

В результаті перший куб охолоне до 50 °С, а два інші нагріються до 75 °С.

6. За якої температури і метал, і дерево здаватимуться на дотик однаково нагрітими?

Метал і дерево здаватимуться однаково нагрітими за температури людського тіла (близько 36.6 °С). Відчуття тепла чи холоду виникає через теплообмін між рукою і предметом. Якщо температура предмета дорівнює температурі руки, теплообмін не відбувається.

7. Одна молекула кисню у повітрі рухається в заданий момент зі швидкістю 900 м/с, а інша — зі швидкістю 1200 м/с. Чи правильним буде твердження, що температура другої молекули вища?

Ні, твердження неправильне. Температура — це фізична величина, що характеризує середню кінетичну енергію руху всіх частинок речовини, а не швидкість однієї окремої молекули. Окрема молекула температури не має.

8. Відомо, що чим більша швидкість руху молекул тіла, тим вища його температура. Чому ж не нагрівається куля під час пострілу в тирі з пневматичної рушниці, хоча всі її молекули рухаються до мішені з великою швидкістю?

Температура тіла залежить від швидкості хаотичного, невпорядкованого руху його молекул (теплового руху). А коли куля летить до мішені, всі її молекули рухаються в одному напрямку — це впорядкований, механічний рух. Цей рух не збільшує температуру кулі.

9. Чи є обмеження для максимальної і мінімальної температури речовини (мал. 3.6)?

Так, існує мінімальна межа температури, яка називається абсолютним нулем. Вона дорівнює -273,15 °С (або 0 К), і за цієї температури тепловий рух атомів і молекул припинився б. А от чіткої максимальної межі температури не існує.

Однак існує теоретична межа, відома як планківська температура, що становить приблизно $1.417 \cdot 10^{32}$К. Вважається, що за такої температури закони фізики, якими ми їх знаємо, перестають діяти, і сама матерія руйнується.

Дій

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Воду нагріли від 20 °С до 48 °С. На скільки змінилась температура води в процесі нагрівання? Дай відповідь у градусах Цельсія і в Кельвінах.

Зміна температури в градусах Цельсія становить:$48 \text{ °С} - 20 \text{ °С} = 28 \text{ °С}$.

Оскільки ціна поділки шкали Цельсія і шкали Кельвіна однакова, то зміна температури в Кельвінах також дорівню$28 \text{ К}$.

Ось заповнена таблиця з переведеними значеннями температур, використовуючи формули з підручника: $T = t + 273,15$і $T_F = 1,8t + 32$.

Вираз «Fahrenheit 451» — це назва відомого роману Рея Бредбері. $451^{\circ}\text{F}$(що дорівнює приблизно $233^{\circ}\text{С}$) — це температура, за якої самозаймається і горить папір.

3. Визнач ціну поділки, межі та покази термометрів (мал. 3.7).

Термометр I:

• Межі вимірювання: від $-20 \text{ °С}$до $38 \text{ °С}$.
• Ціна поділки: $2 \text{ °С}$.
• Показ: $14 \text{ °С}$.

Термометр II:

• Межі вимірювання: від $-40 \text{ °С}$до $76 \text{ °С}$.
• Ціна поділки: $4 \text{ °С}$.
• Показ: $28 \text{ °С}$.

Термометр III:

• Межі вимірювання: від $-20 \text{ °С}$до $35 \text{ °С}$.
• Ціна поділки: $2,5 \text{ °С}$.
• Показ: $22,5 \text{ °С}$.

Термометр IV:

• Межі вимірювання: від $-20 \text{ °С}$до $35 \text{ °С}$.
• Ціна поділки: $5 \text{ °С}$.
• Показ: $25 \text{ °С}$.

Термометр V:

• Межі вимірювання: від $-40 \text{ °С}$до $76 \text{ °С}$.
• Ціна поділки: $4 \text{ °С}$.
• Показ: $24 \text{ °С}$.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

Підготуйте повідомлення про:

1) Пристосування організмів до різних температур

Живі організми мають різні механізми адаптації до умов навколишнього середовища. Для захисту від низьких температур тварини використовують густе хутро та товстий шар підшкірного жиру, можуть впадати у зимову сплячку або мігрувати в тепліші краї. Щоб витримати спеку, деякі тварини ведуть нічний спосіб життя, мають світле забарвлення для відбиття сонячних променів або зариваються в пісок. Рослини для переживання холодів можуть скидати листя, а їхній клітинний сік стає більш концентрованим, що знижує температуру замерзання. У спекотних умовах рослини мають опушене листя або восковий наліт для зменшення випаровування води.

2) Принцип дії термометрів різних конструкцій:

Рідинний

Його дія ґрунтується на властивості рідин (зазвичай спирту або ртуті) розширюватися при нагріванні та стискатися при охолодженні. Зміна об’єму рідини в запаяній скляній трубці (капілярі) показує зміну температури за шкалою.

Електричний

Принцип його роботи полягає у зміні електричних властивостей провідника залежно від температури. Наприклад, може вимірюватися зміна сили струму або електричного опору речовини.

Інфрачервоний

Такий термометр вимірює температуру безконтактно. Його дія базується на тому, що всі тіла випромінюють інфрачервону (теплову) енергію, і кількість цієї енергії залежить від температури об’єкта.

Біметалевий

В основі його конструкції лежить біметалева пластина, яка складається з двох смужок різних металів, міцно з’єднаних між собою. Оскільки метали по-різному розширюються при нагріванні, пластина вигинається, і цей вигин показує зміну температури.

Підготуйте повідомлення про:

1) Андерс Цельсій

Це шведський учений, який у 1742 році запропонував температурну шкалу, що зараз носить його ім’я. Він встановив дві основні точки: 0 °С для температури танення льоду і 100 °С для температури кипіння води.

2) Данієль Габрієль Фаренгейт

Німецько-голландський фізик, який першим використав ртуть у термометрах, що зробило їх точнішими. Він створив шкалу Фаренгейта, де температура танення льоду дорівнює 32 °F, а температура кипіння води — 212 °F.

3) Вільям Томсон (лорд Кельвін)

Англійський фізик, який запропонував абсолютну шкалу температур, названу на його честь шкалою Кельвіна. Її нульова точка (0 К), відома як абсолютний нуль, відповідає температурі –273,15 °С, за якої теоретично припиняється тепловий рух частинок речовини.

4) Людвіг Больцман

Австрійський фізик, який зробив величезний внесок у розвиток молекулярно-кінетичної теорії. Він теоретично обґрунтував зв’язок між температурою тіла та середньою кінетичною енергією хаотичного руху його молекул.

5) Світлана Володимирівна Краковська

Сучасна українська вчена-кліматолог, завідувачка лабораторії прикладної кліматології Українського гідрометеорологічного інституту. Вона є авторкою понад 100 наукових праць і входить до складу Міжурядової групи експертів з питань зміни клімату (IPCC), яка вивчає глобальне потепління та його наслідки.