Конспект урока: Температура и тепловое равновесие. Измерение температуры. Термометр

Термометр

Как нам стало известно, любая термодинамическая система по прошествии некоторого времени приходит в тепловое равновесие. Данная закономерность заложена в принцип работы термометра. Градусник, вступая в контакт с нашим телом, получает тепловую энергию и нагревается. Теплообменом с окружающей средой в данном случае можно пренебречь и считать систему «термометр – тело» изолированной. С течением времени система придёт в тепловое равновесие: температура термометра станет равна температуре тела — можно снимать показания.

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие внутри термометра. Любой прибор для измерения температуры содержит рабочее вещество, характеристики которого меняются при изменении его температуры.

Рис. 1. Ртутный термометр

Наиболее распространены жидкие термометры, в которых используется свойство жидкостей увеличиваться в объёме при увеличении температуры. На рисунке 1 представлен ртутный термометр: рабочая жидкость — ртуть — находится в маленьком резервуаре — наконечнике термометра, который мы приводим в контакт с телом. К резервуару припаяна трубка маленького диаметра, рядом с которой размещена температурная шкала. Вступая в контакт с нагретым телом, ртуть получает тепло, увеличивается расстояние между молекулами жидкости, в результате чего всё вещество увеличивается в объёме — жидкость расширяется. Как только процесс расширения жидкости остановится — ртуть пришла в термодинамическое равновесие с нашим телом — можно определять температуру в соответствии с температурной шкалой.

Температурные шкалы

В повседневной жизни мы обычно используем температурную шкалу Цельсия. Создатель данной шкалы — Андерс Цельсий — разработал её, отталкиваясь от двух фиксированных значений: температура плавления чистого льда 0 °С и температура кипения чистой воды 100 °С при нормальном атмосферном давлении. Шкала термометра делится на сто равных частей, одно деление составляет один градус Цельсия (1 °С).

Английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) предложил свою температурную шкалу, которая была названа шкалой Кельвина. В последствии эта шкала стала широко применяться при расчётах в научных исследованиях. Шкала Кельвина основывается на законах термодинамики, согласно которым существует такая температура, абсолютный нуль, при которой тело не может передать тепловую энергию другому телу, так как менее нагретого тела не существует. Абсолютный нуль — это температура, при которой должно остановиться хаотическое движение молекул вещества. Именно эта температура послужила точкой отсчёта шкалы Кельвина.

Сравнение температурных шкал Цельсия, Фаренгейта и Кельвина представлено на рисунке 2.

Рис. 2. Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Кельвина

Температуру по шкале Цельсия принято обозначать t, по шкале Кельвина — Т.
Абсолютному нулю по шкале Кельвина соответствует приблизительно −273 °С по шкале Цельсия. Таким образом, чтобы перевести температуру из шкалы Цельсия в шкалу Кельвина, необходимо прибавить 273 к данному значению: T = t + 273.

Наконец, следует помнить, что в теплообмене участвуют два тела: если термометр получает тепловую энергию, то тело, чью температуру измеряют, теряет тепло. Из-за потерь в процессе теплопередачи измеренная температура будет чуть меньше фактической. Используемый термометр должен быть таким, чтобы погрешность измерений была не слишком велика и не повлияла на результаты исследования.

Виды термометров

Рис. 3. Деформация биметаллической пластины

Современные термометры работают не только по принципу расширения рабочей жидкости. Так, у многих веществ при изменении температуры меняются электрические характеристики — это свойство используется в электрических термометрах. Во многих бытовых приборах используются биметаллические пластинки — это пластины, изготовленные из двух различных металлов (рис. 3). Металлы, из которых изготовлен данный элемент, по-разному реагируют на нагревание: один из металлов увеличится в длине на большую величину, нежели второй. То есть пластинка деформируется, причём неравномерно, при этом замыкая или размыкая цепь. Такое приспособление может служить предохранителем, размыкающим цепь в случае перегрева системы.

Итоги

• Процесс измерения температуры основан на достижении термодинамического равновесия между термометром и телом, температура которого измеряется.
• Наиболее распространены две температурные шкалы: шкала Цельсия и шкала Кельвина. Абсолютному нулю по шкале Кельвина соответствует приблизительно −273 °С по шкале Цельсия. Связь между шкалой Цельсия и шкалой Кельвина выражается формулой T = t + 273.
• Основные требования к приборам, измеряющим температуру: наличие соответствующей рабочей жидкости и проградуированной температурной шкалы, незначительная погрешность измерений.