Тепловое движение молекул. Изменение температуры

Велосипедный насос при накачивании шины нагревается. Этот эффект можно объяснить, исходя из кинетической теории теплоты, впервые предложенной Исааком Ньютоном и получившей дальнейшее развитие в работах ученых XVIII-XIX вв. В соответствии с этой теорией теплота есть не что иное, как кинетическая энергия неупорядоченно колеблющихся атомов или молекул, которые составляют любое вещество. В велосипедном насосе молекулы воздуха ускоряются при столкновениях с поршнем. Рост их кинетической энергии связан с неупорядоченным движением, т.е. проявляется в форме теплоты.

Температура вещества связана с колебаниями его атомов или молекул. В газе (1) атомы движутся независимо, и их средняя скорость и масса определяют внутреннюю энергию и температуру газа. При охлаждении газа до точки кипения происходит потеря энергии, равной теплоте конденсации L₁, и газ превращается в жидкость (2), где его атомы оказываются слабосвязанными. Дальнейшее охлаждение (3) до точки замерзания приводит к потере некоторого тепла Q. Переход в твердое состояние (4) сопровождается высвобождением тепла, равного теплоте плавления L₂; при этом атомы прочно связываются друг с другом (5)

Тепловое движение молекул. Согласно третьему началу термодинамики, абсолютный нуль, температура - 273,15°С, при которой все молекулы вещества должны были бы перестать двигаться, недостижим. Поэтому молекулы всегда находятся в непрерывном движении, называемом «тепловым»; его интенсивность возрастает при нагревании тела. Косвенные доказательства существования такого движения впервые были получены Робертом Броуном (1773-1858) в 1827 г. Он обнаружил, что маленькие частички пыльцы, взвешенные в воде, совершают непрерывные скачкообразные движения. Такое движение, возникающее в результате неравномерной бомбардировки каждой частички молекулами жидкости, принято называть броуновским движением. Чем меньше частица, тем интенсивнее движение.

Кинетическая теория газов объясняет также, почему при смешивании нагретого и холодного газов их температура в конце концов выравнивается и устанавливается некоторое среднее ее значение. Молекулы нагретого газа посредством тысяч столкновений передают свою кинетическую энергию молекулам холодного газа, пока средние кинетические энергии обоих газов не сравняются. Все молекулы движутся с различными скоростями, величины которых меняются после каждого столкновения. Поэтому температура газа (или любого другого вещества) является мерой средней кинетической энергии молекул.

Изменения состояния, которые вещество претерпевает при нагревании, также можно объяснить на основе кинетической теории. В твердом теле атомы или молекулы прочно связаны друг с другом и колеблются только около каких-то средних положений. При нагревании тела кинетическая энергия его молекул или атомов возрастает, и они начинают колебаться более интенсивно. В результате расстояние между частицами увеличивается, и наконец силы притяжения, действующие между ними, оказываются не в состоянии удерживать их вблизи фиксированных положений. Молекулы могут теперь скользить и меняться местами - твердое тело плавится, превращаясь в жидкость. Количество теплоты, необходимое для превращения вещества, находящегося в прочносвязанном твердом состоянии, в слабосвязанное жидкое состояние, называется теплотой плавления. Если поступление теплоты продолжается, то кинетическая энергия атомов или молекул возрастает: они движутся внутри жидкости с все большей скоростью; вместе с тем увеличивается число молекул, оторвавшихся от поверхности жидкости (растет давление пара). Наконец, когда температура достигает точки кипения, число атомов, имеющих энергию, достаточную для того, чтобы вырваться из жидкости, настолько возрастает, что давление пара сравнивается с атмосферным. В газообразном веществе атомы или молекулы движутся почти независимо; для превращения жидкости в точке кипения в газ требуется определенная энергия, которая называется теплотой парообразования.

В нагревании жидкости участвуют все три способа передачи тепла (А): теплопроводность -сквозь стенки (1), конвекция -внутри жидкости (2) и излучение от источника тепла (3). Если один конец хорошо изолированного проводника тепла (Б) погрузить в лед, а другой-в кипящую воду, то теоретически его температура должна изменяться линейно вдоль длины (прямая на графике). При худшей изоляции получается кривая, показанная пунктиром. В сосуде Дьюара (В) имеется полость с вакуумом (4), что предотвращает потерю тепла посредством теплопроводности и конвекции, а посеребренные стенки (5) уменьшают тепловые потери на излучение.

Изменение температуры. Кроме изменения состояния вещества (для этого ему необходимо сообщить некоторое количество теплоты) при поступлении теплоты происходит постепенное повышение температуры тела. Изменение температуры непосредственно зависит от количества теплоты, сообщенной телу; теплота измеряется в калориях или джоулях (4,2 Дж = 1 кал). Калория-это количество теплоты, при поступлении которого температура 1 г воды повышается на 1°С. Количество теплоты, необходимое для увеличения температуры 1 г любого вещества на 1°С, также может быть измерено в этих единицах; это так называемая удельная теплоемкость вещества. Количество теплоты, необходимое для нагревания целого куска вещества на ГС, называется теплоемкостью данного количества вещества.

Коэффициентом теплопроводности называют количество тепла, проходящее в единицу времени через единичное сечение при изменении температуры на 1°С. Его измеряют (А), определяя время, за которое известное количество тепла проходит через образец. Две пластинки равной площади (2) помещают с двух сторон исследуемого образца (3). Термометры измеряют температуру по мере нагревания верхней пластинки паровым кожухом (1). Материалы с высокой теплопроводностью (Б) исследуют, помещая их в цилиндр (8), нагреваемый с одной стороны паром (4) до температуры 100°С (5). Другие термометры (6) измеряют температуру образца и повышение температуры воды, циркулирующей через кожух, присоединенный к другому концу (7) цилиндра.

Теплота может передаваться от одного тела (или части его) к другому тремя способами: путем теплопроводности, конвекции и излучения. Два первых способа связаны с тем, что атомы, получив кинетическую энергию от источника теплоты, могут при столкновении передавать ее соседним атомам. В прочно связанном твердом теле столкновения происходят только между соседними атомами, поэтому передача тепла в твердом теле обусловлена теплопроводностью. Жидкая или газообразная среда обладает подвижностью и сама может перемещаться как целое, перенося атомы, имеющие высокую кинетическую энергию, в более холодные области, где они передают энергию (т.е. тепло) другим атомам,-это конвекция. Однако тепло может передаваться и без непосредственного контакта между атомами. Например, солнечное тепло достигает Земли, несмотря на почти абсолютный космический вакуум. Это способ передачи тепла через излучение.

Температурные шкалы весьма произвольны как по интервалу измеряемых температур, так и по способу деления на градусы. Точка замерзания воды соответствует 32° по Фаренгейту (°F), 0° по Цельсию (°С) и 273° по Кельвину (К). Между этой точкой и точкой кипения воды помещаются 180° F, 100°С, 100 К. Нижняя «фиксированная точка» шкалы Кельвина соответствует абсолютному нулю, который практически недостижим.

Оптический пирометр позволяет измерять очень высокие температуры на большом расстоянии от источника тепла (А). Действие прибора основано на том, что два твердых тела с одинаковой температурой излучают свет с одинаковым спектром и одного и того же цвета. В трубке телескопа со специальными линзами имеется проволочка (1), нагреваемая электрическим током. При измерении температуры топки (Б) проволочку нагревают до тех пор, пока она не начинает светиться тем же цветом, что и топка Сравнивая получившиеся изображения, определяют, является ли топка более горячей (В), такой же горячей (Г) или более холодной (Д), чем проволочка. Измеритель (4) показывает ток, проходящий по проволочке.