Kvant. Температура
А так ли хорошо знакома вам температура? // Квант. — 1991. — № 10. — С. 40-41.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Мы должны принять как один из наиболее общих законов теплоты,
что «все тела, свободно сообщающиеся друг с другом и
не подверженные неравным внешним воздействиям,
приобретают одинаковую температуру, что показывает термометр».
Дж. Блэк
Интуитивное представление о температуре складывается с первых дней нашей жизни. Однако задачи, встающие перед наукой, требуют все более точных толковании того, что мы постигаем чувствами. Так, важным этапом а развитии учения о тепловых явлениях было выявление различия между понятиями «количество теплоты» и «температура». Первым, кто четко сформулировал мысль о необходимости их различения, был шотландский ученый Дж. Блэк.
Интересна и познавательна история создания и применения приборов для измерения температуры — термометров. Сегодня известны термометры жидкостные и газовые, полупроводниковые и оптические. Да и разнообразие введенных ныне в науку температур велико: различают электронную и ионную температуру, яркостную и цветовую, шумовую и антенную и т. д.
Но не смущайтесь! В этом выпуске «Калейдоскопа» разговор пойдет о самой обычной, можно сказать, «школьной» температуре.
Вопросы и задачи
- На горячей отопительной батарее лежит давно просохшее полотенце. Одинаково ли нагреты батарея и полотенце, если оценивать на ощупь? Одинаковы ли их температуры?
- Понизится ли температура в комнате, если открыть дверцу работающего холодильника?
- В кастрюле кипит вода, и в ней варятся макароны. Кипит ли вода в трубках макарон?
- Как надо поступить, чтобы сильнее остудить горячий чай: сразу бросить в него сахар и затем подождать пять минут или, выждав пять минут, положить сахар и растворить его?
- В колбу с узким горлышком налили керосин и отметили уровень его в горлышке. Если опустить колбу в горячую воду, то в первый момент уровень керосина опустится, в дальнейшем же он начнет повышаться. Почему?
- На диске, вырезанном из медной пластинки, начертили отрезок прямой. Останется ли он прямым, если диск нагреть?
- Как измерить медицинским термометром температуру тела человека, если температура окружающего воздуха равна 42 °С?
- Можно ли пользоваться ртутным термометром в Антарктиде?
- Имеются два непроградуированных термометра. Как определить, какой из них нагрет больше?
- Что покажет термометр, который возьмет с собой космонавт, выходя в открытый космос?
- Можно ли, не прибегая к помощи таблиц, сказать, выше или ниже комнатной критическая температура воды?
- Одну из бутылок с водой положили на лед при 0 °С, вторую — опустили в воду при 0 °С. Замерзнет ли вода в какой-нибудь из них?
- Равные количества соли растворяют в двух одинаковых сосудах с водой. В одном случае соль берут в виде одного большого кристалла, а в другом — в виде порошка. В каком случае температура раствора после полного растворения соли будет выше, если до растворения соль и вода находились в обоих случаях при одинаковых температурах?
- За эталон силы света принята сила света определенного участка поверхности затвердевающей платины. Почему обязательно затвердевающей?
- Почему в местах отдыха зачастую разрешают разводить костры лишь в вечернее время?
- Внутри воды плавает полый стеклянный пузырек. В сосуд подливают воды, и пузырек поднимается вверх. Затем еще подливают воды, и пузырек тонет. Как это можно объяснить?
Микроопыт
Толстый гвоздь плотно оберните полоской бумаги и внесите его в пламя свечи. Загорится ли бумага?
Любопытно, что…
...на самом деле шведский астроном и физик Цельсий предложил шкалу, в которой точка кипения воды была обозначена числом 0, а точка плавления льда — числом 100.
...Фаренгейт загорелся идеей самому сделать термометр, когда прочитал об открытии французского физика Амонтона, «что вода кипит при фиксированной степени теплоты».
...одно время в физических лабораториях пользовались для измерения температуры так называемым весовым термометром. Он состоял из полого платинового шара, заполненного ртутью, в котором было капиллярное отверстие. Об изменении температуры судили по количеству ртути, вытекавшей из отверстия.
...наши ощущения, обычно надежные, могут подвести при определении температуры. Например, известен опыт, когда одну руку опускают в холодную, а другую — в горячую воду. Если через некоторое время опустить сразу обе руки в теплую воду, то рука, которая до этого была в горячей воде, почувствует холод, бывшая же в холодной воде — жар.
...понятие температуры неприменимо к отдельной молекуле; о температуре, как о величине статистической, можно говорить лишь в том случае, если имеется достаточно большая совокупность частиц.
...сегодня методами магнитного охлаждения получены очень низкие, близкие к абсолютному нулю, температуры в несколько милликельвинов, а очень высокие — в миллионы кельвинов — достигаются в термоядерной плазме. В природе же сверхвысокие температуры в десятки миллионов Кельвинов существуют в центрах звезд.
Что читать в «Кванте» о температуре
- «Немного о термометре и о термоскопе Фердинанда»— 1986, № 5, с. 26;
- «Д. Фаренгейт и его термометры» — 1986, № 10, с. 26;
- «Коротко о тепловом расширении» — 1988, № 8, с. 44;
- «Абсолютная температура» — 1988, № 9, с. 60;
- «Градусник для Солнца» — 1988, № 10, с. 40;
- «Температура, теплота, термометр» — 1990, № 8, с. 10;
- «О ледниках, скороварках и теореме Карно» — 1991, № 3, с. 39;
- Калейдоскоп «Кванта» — 1986, № 1, с. 32;
- Калейдоскоп «Кванта» — 1987, № 9, с. 32;
- Калейдоскоп «Кванта» — 1989, № 10, с. 40.
Ответы
- За длительное время температуры полотенца н батареи выравнялись. Однако на ощупь ткань будет казаться менее горячей из-за меньшей теплопроводности.
- Температура в комнате повысится. Количество выделяемой в единицу времени теплоты будет равно мощности, потребляемой холодильником.
- Вода внутри макарон не кипит, так как ее температура равна температуре воды в кастрюле и поэтому нет подвода тепла от более нагретого тела.
- Выждать пять минут, затем бросить сахар. Количество теплоты, отдаваемое нагретым телом окружающей среде за одно и то же время, пропорционально разности температур тела и среды.
- Вначале уровень керосина понизится за счет теплового расширения колбы. Когда же прогреется и керосин, его уровень повысится за счет того, что температурный коэффициент расширения у керосина больше, чем у стекла.
- Да.
- Можно предварительно охладить термометр в холодильнике и стряхнуть. Или же нужно подержать термометр под мышкой в течение долгого времени, извлечь его и сразу же стряхнуть. Термометр покажет температуру тела.
- Нет, поскольку ртуть замерзает уже при температуре около -38,9 °С.
- Нужно завернуть оба термометра вместе, чтобы предотвратить потерю тепла в окружающее пространство. Более нагретым был тот термометр, показания которого будут уменьшаться.
- Термометр будет нагреваться до тех пор, пока количества поглощаемого и излучаемого им тепла не сравняются. Если термометр находится на таком же расстоянии от Солнца, как и Земля, он покажет примерно «земную» температуру.
- Выше, иначе вокруг нас не было бы воды в жидком состоянии.
- Нет. См. ответ к задаче 3.
- Во втором случае часть межмолекулярных связей кристаллической решетки уже разрушена при измельчении кристалла. Поэтому для растворения порошка требуется меньше энергии, и температура воды после растворения во втором сосуде будет более высокой.
- Эталон силы света, использующий тепловое излучение, должен иметь стабильную температуру, что достигается только в процессе кристаллизации металла.
- Прохладным вечером горячий дым и газы лучше поднимаются вверх, чем днем, когда достаточно тепло.
- Вначале подливали более холодную воду, затем — более горячую, чем вода в сосуде.
Микроопыт
Железо, обладая хорошей теплопроводностью, отводит тепло от бумаги, поэтому ее температура не достигает той, при которой бумага может загореться.