Измерение теплоты и температуры

Что такое теплота? Градусы и температура



Что такое теплота - знают все. Известно, что частицы в газах, жидкостях и твёрдых телах находятся в непрерывном движении и это движение воспринимается как тепло. Энергия движения частиц, усредненная по их огромному числу, определяет температуру.

Теория тепла возникла не сразу. Очень долго не могли понять ни что такое тепло, ни какая разница между температурой и теплом. Многие физики связывали тепло с движением молекул. Так, в частности, думал Ломоносов. Но превратить общие рассуждения в строгую науку было не легко.

История о том как научились измерять температуру, интересна и необычна. Термометры были придуманы за много лет до того, как люди поняли, что именно они измеряют.

Температура связанна с весьма не определёнными понятиями теплоты и холода, которые располагались в создании человека где-то рядом с запахом, вкусом. Человек с незапамятных времён знал, что когда два тела плотно соприкасаются, то между ними устанавливается тепловое равновесие. Рука, опущенная в воду, оказывается нагретой (или охлаждённой) до той же степени, что и вода. Всюду в природе существуют потоки тепла. В этом естествоиспытатели давно видели проявление великих законов природы.

Античные учёные и схоласты средневековья сопоставляли с теплом и холодом свойство притяжения и отталкивания. Древние врачи были первыми, кому понадобилась сравнительная и притом довольная точная шкала теплоты тела. Они очень давно заметили, что здоровье человека как-то связано с теплотой его тела и что лекарства способны изменить это качество. Лекарствам приписывалось охлаждающее или согревающее действие и степень этого действия определялась градусами. Лекарства смешивались между собой, и смеси имели разные градусы. «Смесь» по-латыни – «температура» (temperature).




История создания и развития термометра



Галилей

Никто из современников Галилея не мог сравниваться с ним в умении увидеть великие законы в простых явлениях. Он был одним из первых, кто писал о механической природе тепла.

Галилей опубликовал книгу названую им «EL saggiatore» (весы для взвешивания золота), в которой он очень подробно излагает свои взгляды на природу физических явлений. В ней он говорит, в частности, о нагревании твёрдых тел при трении и приводит другие докозательства механической природы тепла. Однако он не знал, что механическим путём можно нагревать не только твёрдые тела, но и жидкости или даже газы. Галилею к тому же мешало и отсутствие численных данных о тепле.

К изучению тепловых явлений Галилей подошел с тех же позиций; прежде всего он занялся тем, как измерить температуру тела. Термометры, которые делал Галилей (около 1597 г.), состояли из стеклянного шара, наполненного воздухом; от нижней части шара отходила трубка, частично заполненная водой, которая заканчивалась в сосуде, также наполненном водой. Высота столбика зависела как от температуры, так и от атмосферного давления, и измерять таким термометром сколько-нибудь точно было невозможно. При Галилее сама идея, что воздух может давить на землю, казалось достаточно дикой. Поэтому термометр Галилея измерял довольно неопределённую величину, но даже такой термометр позволял сравнивать температуру разных тел в одно и тоже время и в одном и том же месте.

Уже тогда с помощью ещё несовершенного термометра врач и анатом Санкториус из Падуанского университета начал измерять температуру человеческого тела. Для этого он сам, не зная про Галилея, построил похожий термометр.

Отто фон Герик

История термометра многим обязана одному из удивительнейших людей 18 века –Отто фон Герике. Он изготовил первый барометр. Похожий на прибор Галилея. Но с очень длинной трубкой. В отличии от прибора Галилея, из барометра Гарике был откачан воздух, так что вода заполняла не только длинную трубку, но и часть шара. Барометр был прикреплён к наружной стене дома, и давление воздуха отмечалось на шкале, на которую указывал пальцем деревянный человек, плававший в стеклянном шаре. Герике первым стал систематически измерять атмосферное давление и попытался обнаружить связь между изменением давления и погодой.

Гарике построил и сравнительно хороший термометр. Он состоял из латунного шара, заполненного воздухом, и изогнутой в форме буквы U трубки со спиртом. На его термометре в середине шкалы стояла точка, около которой указатель останавливался при первых заморозках, - эту точку и выбрал Гарике за начало шкалы. Ясно что такой выбор был наивен, но всё же Гарике сделал первый шаг.

Ньютон

Упомянем ещё и работу Ньютона «О шкале степеней тепла и холода», опубликованную в 1701 г., в которой описана 12-ти градусная шкала. Нуль он поместил там же, где помещаем его сейчас и мы, - в точке замерзания воды, а 12 градусов отвечали температуре здорового человека.

Амонтан построил полностью запаянный термометр, сделав его, наконец, совсем не зависящим от давления атмосферы.

Первый современный термометр был описан в 1724 г. Даниелем Фаренгейтом, стеклодувом из Голландии. Разные термометры Фаренгейта можно было сверять друг с другом, сравнивая их показания в разных «опорных» точках шкалы. Поэтому они прославились своей точностью. Такая шкала до сих пор в ходу в Англии и США.

Современная шкала Цельсия была предложена в 1742 г. Шведскому физику не нравилось отрицательные температуры, и он счёл нужным перевернуть старую шкалу и поместить нуль в точку кипения воды, а 100 градусов – в точку её замерзания. Но «перевёрнутая шкала» не приобрела популярности и была очень скоро «перевёрнута» обратно.

До революции в России была принята шкала Реомюра (точка воды была 0, а точка кипения 80) – термометры Реомюра висели на улицах и во всех домах. Лишь в тридцатых годах они были вытеснены термометрами Цельсия.



Что такое тепло? Тепловое равновесие



К началу 19 века термометр стал совсем обычным прибором. Но о том, что измеряет термометр, единого мнения ещё долго не было.

Научившись измерять температуру, физики не очень продвинулись в понимании того, что же такое тепло. Понятие «тепло» и «температура» разделить было ещё труднее. Когда нагревают тело, температура его повышается. Когда тепло перетекает от одного тела к другому, температура одного тела падает, а другого – повышается.

Понятие «тепловое равновесие» очень часто встречается в теории тепла. Наиболее просто понять, что такое тепловое равновесие в случае одноатомного газа. Если газ в сосуде ведёт себя так, что во всех точках сосуда температура одинаковая, - естественно, что при этом и температура стенок сосуда так же всегда одна и та же, - то газ находится в тепловом равновесии. Это значит, что в таком газе тепло не перетекает из одной части сосуда в другую, в нем не меняется ни давление, ни химический состав и, вообще, с точки зрения классических тепловых явлений в газе «ни чего не происходит».

Тепло течёт всегда так, чтобы температура выравнивалась, чтобы система переходила в состояние теплового равновесия. Переход в состояние теплового равновесия может быть сложным и достаточно долгим процессом.




Температурная шкала. Абсолютная шкала температур



Температурная шкала

Во всех приборах, которые были придуманы в 18 веке, измерение температуры сводилось к измерению длины столбика воды, спирта или ртути. Термометры работали только в ограниченном интервале температур. Наполняющие их вещества замерзали и кипели, и этими термометрами нельзя было измерять очень низкие или очень высокие температуры.

Шкала Цельсия точно устанавливала положение двух точек – 0 и 100 градусов, расстояние между которыми на шкале было разбито на равные части. Но роль каждого деления оставалась неопределённой. Необходимо было ещё понять, что происходит в теле, когда ртуть в термометре поднимается на один градус. Проще всего было бы предположить, что при этом энергия тела увеличивается на одну и ту же величину. Такая величина, отнесённая к единице массы тела, называется удельной теплоёмкостью.

Абсолютная шкала температур

Единица температуры возникла случайно – поставили число 100 в точке кипения воды. Этот акт имел важные последствия: в законе Клапейрона – Клаузиуса появилась новая газовая постоянная R=8,3157 джоуль/градус. Такое число возникло только потому, что величина градуса была введена очень давно и все изменения, происходящие с газами, относили по привычки к довольно случайно выбранной шкале температур. Было бы удобнее сейчас изменить определение градуса и «привязать» его к уравнению идеальных газов. Для этого надо просто уменьшить величину градуса в 8,3157 раза и считать, что температура в такой «идеально-газовой» шкале:

О=8,3157Т.

Открытие Лорда Кельвина

Вопросом о смысле температуры заинтересовался Томсон (в последствии лорд Кельвин), который в 1848 г. Обнаружил, что из теоремы Карно можно сделать простой, но очень важный вывод. Кельвин заметил, что если работа цикла Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника, то это позволяет установить новую температурную шкалу которая не зависит от свойств рабочего тела.

Цикл Карно, если его можно провести между двумя телами позволяет определить отношение температур этих двух тел. Шкала температур определённая таким образом называется абсолютной шкалой температур. Чтобы сама абсолютная температура имела определённое значение, надо выбрать какое-то число для одной точки новой абсолютной шкалы: одно численное значение температуры должно быть задано произвольно. После этого все остальные значения определяются в принципе с помощью цикла Карно.

К сожалению при всей красоте теоретического построения шкалы Кельвина, практически реализовать цикл Карно очень трудно. Трудно реализовать обратимый цикл, трудно избавиться от потерь.

Реальная шкала температур

В течении многих лет для температурной шкалы выбиралось две точки – температура плавления льда и температура кипения воды – и расстояние между ними делилось на 100 частей, каждая из которой считалась градусом. Такая шкала с двумя опорными точками была принята во всём мире.

Но эта шкала имела, однако, большой недостаток с точки зрения точности измерений. Для неё надо было уметь точно воспроизводить как условия плавления льда, так и условия кипения воды. Проще было обойтись одной опорной точкой, например точкой плавления льда, и измерять температуру по отношению давлений, связанных с отношением температур уравнением состояния.

За единицу опорную эталонную точку выбирается сейчас так называемая тройная точка воды – температура, при которой осуществляют в равновесии все три её фазы: пар – вода – лёд. Переход к такой шкале прошел почти не замеченным. Такая реформа была проведена в 1954 г., и сейчас на вопрос о том, при какой температуре тает лёд при нормальном давлении, надо отвечать «приблизительно при 0».

Международная шкала температур

Шкалу с одной опорной точкой нетрудно согласовать со шкалой Кельвина-Менделеева, основанной на теореме Карно. Термодинамическая шкала не изменяется если все значения температур умножить на одно и тоже число. Выбор опорной точки устраняет эту неоднозначность.

Термодинамической шкалой можно пользоваться только в специальных, хорошо оборудованных лабораториях. В обычных лабораториях пользуются шкалой, которая называется МПТШ68 (международная практическая температурная шкала, принятая в 1968 г.). В этой шкале температура кипения воды равна точно 100 градусов, кроме того есть другие опорные точки, которым так же приписано определённое значение температуры.

Низкие температуры

Интерес к получению низких температур возник не только из практических соображений. Физиков давно интересовал вопрос, можно ли превратить в жидкость газы – такие, как воздух, кислород, водород. Начало это истории относится к 1877 г.

В 1877 г. Горный инженер Кайете капли жидкого ацетилена в лабораторном сосуде, в котором неожиданно открылась течь. Резкое понижение давления вызвало образование тумана. Почти в те же дни Пикте из Женевы сообщил о последовательном, каскадном снижении разных газов, завершившемся получением жидкого кислорода при температуре -140 градусов по Цельсию и давление 320 атмосфер.

Надо ещё и упомянуть Дьюарта. Который в 1898 г. получил жидкий водород, снизив температуру примерно до 129 К. Наконец в 1908 г. Камерлинг-Оннес в Голландии получил и жидкий гелий. Температура, которая была им достигнута, только на 1 градус отличалась от абсолютного нуля.

В 1939 г. П.Л.Капица доказал большую эффективность сжижительных машин, в которых газ совершает работу с помощью турбины. Турбодетандеры получили с тех пор большое распространение. Он же предложил и конструкцию эффективной установки для сжиживания гелия.

тепловой температура термометр шкала




Список литературы



Эдельман В.С. «Вблизи абсолютного нуля».1-М., 1987.

Детлаф А.А., Яворский Б.Н., «Курс физики». –М., 1989.

Трофимова Т.И. «Курс физики». 1-М., 1990.

Смородинский Я.А. «Температура». – М., 1987.