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

1. На горячей отопительной батарее лежит давно просохшее полотенце. Одинаково ли нагреты батарея и полотенце, если оценивать на ощупь? Одинаковы ли их температуры?
2. Понизится ли температура в комнате, если открыть дверцу работающего холодильника?
3. В кастрюле кипит вода, и в ней варятся макароны. Кипит ли вода в трубках макарон?
4. 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?
5. 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?

   

6. На диске, вырезанном из медной пластинки, начертили отрезок прямой. Останется ли он прямым, если диск нагреть?
7. Как измерить медицинским термометром температуру тела человека, если температура окружающего воздуха равна 42 °С?
8. Можно ли пользоваться ртутным термометром в Антарктиде?
9. Имеются два непроградуированных термометра. Как определить, какой из них нагрет больше?
10. Что покажет термометр, который возьмет с собой космонавт, выходя в открытый космос?
11. Можно ли, не прибегая к помощи таблиц, сказать, выше или ниже комнатной критическая температура воды?
12. 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?
13. 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?
14. За эталон силы света принята сила света определенного участка поверхности затвердевающей платины. Почему обязательно затвердевающей?
15. Почему в местах отдыха зачастую разрешают разводить костры лишь в вечернее время?
16. 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

1. «Немного о термометре и о термоскопе Фердинанда»— 1986, № 5, с. 26;
2. «Д. Фаренгейт и его термометры» — 1986, № 10, с. 26;
3. «Коротко о тепловом расширении» — 1988, № 8, с. 44;
4. «Абсолютная температура» — 1988, № 9, с. 60;
5. «Градусник для Солнца» — 1988, № 10, с. 40;
6. «Температура, теплота, термометр» — 1990, № 8, с. 10;
7. «О ледниках, скороварках и теореме Карно» — 1991, № 3, с. 39;
8. Калейдоскоп «Кванта» — 1986, № 1, с. 32;
9. Калейдоскоп «Кванта» — 1987, № 9, с. 32;
10. Калейдоскоп «Кванта» — 1989, № 10, с. 40.

Ответы

1. За длительное время температуры полотенца н батареи выравнялись. Однако на ощупь ткань будет казаться менее горячей из-за меньшей теплопроводности.
2. Температура в комнате повысится. Количество выделяемой в единицу времени теплоты будет равно мощности, потребляемой холодильником.
3. Вода внутри макарон не кипит, так как ее температура равна температуре воды в кастрюле и поэтому нет подвода тепла от более нагретого тела.
4. 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.
5. 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.
6. Да.
7. 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.
8. Нет, поскольку ртуть замерзает уже при температуре около -38,9 °С.
9. Нужно завернуть оба термометра вместе, чтобы предотвратить потерю тепла в окружающее пространство. Более нагретым был тот термометр, показания которого будут уменьшаться.
10. 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.
11. Выше, иначе вокруг нас не было бы воды в жидком состоянии.
12. Нет. См. ответ к задаче 3.
13. 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.
14. Эталон силы света, использующий тепловое излучение, должен иметь стабильную температуру, что достигается только в процессе кристаллизации металла.
15. Прохладным вечером горячий дым и газы лучше поднимаются вверх, чем днем, когда достаточно тепло.
16. 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.