Тепловое движение. Температура

Вокруг нас постоянно происходят такие явления, как нагревание и охлаждение тех или иных тел. Произнося слова «холодный», «прохладный», «теплый», «горячий», мы говорим о той или иной температуре. Как мы помним, все тела состоят из малых частиц, которые постоянно находятся в беспорядочном движении.

Роберт Броун открыл данное явление в 1827ом году, когда проводил исследования пыльцы растений. Как—то он разглядывал в капле воды под микроскопом споры растений. Внезапно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место. Он установил, что эти движения, по его словам, «не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам». Если проследить за одной частицей, то можно убедиться, что её движение совершенно хаотично и её траекторию невозможно предугадать. Однако, активность этих частиц тесно связана с температурой тела.

Температуру измеряют термометром, а в повседневной жизни единицей измерения является градус Цельсия.

В термометре есть стеклянная трубка, в которой находится ртуть или спирт. Принцип действия термометра основан на том, что при понижении температуры падает давление, из—за чего ртуть (или спирт) в стеклянной трубке опускается. Также, при повышении температуры ртуть (или спирт) в стеклянной трубке поднимается. Более подробно зависимость давления от температуры мы изучим позже.

С точки зрения физики, тело обладает более высокой температурой, если молекулы этого тела двигаются быстрее. И наоборот, тело обладает более низкой температурой, если молекулы этого тела двигаются медленнее. Иными словами, температура зависит от скорости движения молекул. Поэтому, беспорядочное движение частиц называют тепловым или броуновским движением.

Мы уже знаем, что у физических тел есть три основных состояния: твердое, жидкое и газообразное. В твердых телах молекулы расположены вплотную друг к другу и совершают небольшие колебания.

В жидкостях молекулы расположены друг от друга на расстоянии сравнимом с размером самих молекул; молекулы совершают некоторые перемещения.

В газах же молекулы находятся на большом расстоянии друг от друга (в десятки раз больше размеров самих молекул) и двигаются с большими скоростями.

Например, когда вода в чайнике закипает, мы видим пар — это те молекулы воды, которые стали двигаться настолько быстро, что характер теплового движения изменился, а вместе с ним и состояние тела.

Температура является мерой средней кинетической энергии молекул. Зависимость температуры от средней кинетической энергии описывается следующей формулой:

где k — это постоянная Больцмана:

Единица измерения постоянной Больцмана — джоуль на кельвин, где джоуль — это единица измерения энергии, а кельвин — это единица измерения температуры в системе СИ. По шкале Кельвина, 0 К — это абсолютный ноль, то есть –273 °С. Цельсий отталкивался от точки замерзания воды, а Кельвин — от самой низкой температуры в природе.

Итак, когда мы говорим, что тело горячее, мы имеем ввиду, что тепловое движение молекул этого тела очень интенсивно и средняя кинетическая энергия молекул велика. И наоборот — когда тело холодное, тепловое движение его молекул не интенсивное и средняя кинетическая энергия этого тела мала.