5/2015 Дария Бида «Что такое теплота?

ТЕПЛОВЫЕ ЭТЮДЫ
Дария Бида
Ча
ст
ь2
ТА
К
ТЕ О
ПЛ Е
О
ТА
?
ЧТО
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Молекулы во всех телах находятся в беспрерывном движении
и взаимодействуют между собой. Энергию их движения и взаимодействия называют внутренней. Согласись, термин хороший и
понятный, ведь носители этой энергии находятся внутри тела.
К внутренней энергии, как и к другим её видам, у человечества
практический интерес. Чтобы понять, как можно использовать
внутреннюю энергию, нужно ответить на вопрос: как её можно
изменить, то есть как забрать у тела или, наоборот, передать ему.
Один из способов изменения внутренней энергии тела – теплообмен – хорошо тебе знаком. Снимаешь горячий чайник с
плиты, а спустя некоторое время он охлаждается и отдаёт часть
своей энергии окружающей среде. Между чайником и воздухом
происходит теплообмен. Ты готовишь чай и наливаешь горячую
воду в стакан. Опять теплообмен – между чаем и стенками стакана. А если оставить горячий напиток на столе, то вследствие теплообмена часть внутренней энергии напитка попадает в окружа2
ющую среду.
Величину внутренней энергии, которая во время
теплообмена передаётся от одного тела к другому,
называют количеством теплоты.
КОГДА ВОЗМОЖЕН ТЕПЛООБМЕН?
Когда телу передаётся теплота, его внутренняя
энергия увеличивается. Теплота и температура тесно связаны между собой, но ты понимаешь, что это
не одно и то же. Пока плавится лёд, температура
его не меняется, хотя теплоту он поглощает. Значит,
сообщённая телу теплота не всегда изменяет его температуру. А вот смена температуры тела всегда становится причиной изменения энергии движения его
молекул, а значит, и изменения внутренней энергии.
Чем больше тело, тем больше в нём частиц, и их
общая энергия тоже больше. Поэтому два железных
шарика – большой и маленький – при одинаковой
температуре имеют разную внутреннюю энергию.
Но означает ли это, что между ними происходит теплообмен? Будет ли внутренняя энергия от большего
шара передаваться к меньшему? Ведь запас внутренней энергии у большого шара больше, чем у маленького. Опыты подтверждают: между двумя телами,
которые имеют одинаковую температуру, но разные
массы, теплообмен не происходит. Значит, разница
внутренних энергий тел не является основанием для
теплообмена между ними.
Если же контакт произошёл между телами с разной температурой, процесс передачи внутренней
энергии неизбежен. Маленький кусочек железа отдаст часть своей внутренней энергии большому железному шару, если его температура хотя бы незначительно больше, чем температура шара. Итак, обмен
внутренней энергией между телами возможен только при наличии разницы температур. И чем больше
эта разница, тем интенсивнее теплообмен.
3
ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Термометр Амонтона
Цельсій
Кельвін
Точка
кипіння
води
Точка
замерзання
води
Абсолютний
нуль
Термометр Фаренгейта
32 °F 0 °C 273 K
212 °F 100 °C 373 K
ТЕМПЕРАТУРА І ЖИВІ ОРГАНІЗМИ
Фаренгейт
температура, которую можно получить искусственно); 2) температура плавления льда – 32
°F; 3) нормальная температура тела человека
– 96 °F. Температура кипения воды (212 °F) не
использовалась в этой шкале как опорная
точка. Шкала Фаренгейта до сих пор используется в Англии и США.
В Европе основная шкала не совсем заслужено носит имя шведского физика и
астронома Цельсия. Цельсий использовал
прибор, который впервые предложили шведский ботаник Линней и астроном Штремер.
Шкалу этого термометра между точками таяния льда и кипения воды учёный поделил
на 100°. Чтобы избежать отрицательных значений при измерении низких температур, он
принял точку замерзания воды за 100°, а кипения воды – за 0°. Но „перевёрнутая” шкала
его предшественников, при которой температура плавления льда отвечала 0°, а кипения
воды – 100°, оказалась более удобной. Этот
термометр долго называли шведским. Но со
временем кто-то ошибочно истолковал значение буквы „С” на шкале термометра и приписал его изобретение Цельсию (Celsius),
работы которого по усовершенствованию
термометра были хорошо известны.
Что же означает „С” на шкале термометра? Это первая буква слова „Centigrade” –
стоградусный. Но велика сила привычки: мы
до сих пор говорим о градусах Цельсия!
В 1848 году английский физик Уильям
Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность
создания абсолютной шкалы температур, нулевой отсчёт которой не зависит от свойств
вещества, которое заполняет термометр. Эта
точка отвечает температуре –273,15 °С (0 К).
При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. Ниже температуры в
природе не существует.
колосок зернятко
Термоскоп Галілея
4
В древности о температуре тела вывод делали на
ощупь, по ощущениям. Идеи относительно прибора
для измерения температуры появились в XVI столетии.
В 1597 году Галилео Галилей демонстрировал на своих
лекциях термоскоп – прообраз первого термометра.
Это была стеклянная трубка с расширением в верхней
части, опущенная в сосуд с жидкостью. При нагревании
воздух расширялся, и высота столбика жидкости в трубке уменьшалась, а при охлаждении воздуха жидкость,
наоборот, поднималась. Но это изменение зависело не
только от температуры, но и от атмосферного давления.
Современники Галилея усовершенствовали термоскоп,
добавив к нему шкалу. Позже трубку заполнили спиртом,
выкачали из неё воздух, запаяли и перевернули. При нагревании спирт увеличивался в объёме, и уровень жидкости в трубке поднимался. Этот прибор можно назвать
первым термометром.
В 1702 году Гийом Амонтон усовершенствовал термометр Галилея: заполнил ртутью U-подобную трубку,
один конец которой был открыт, а второй присоединён
к баллону, в котором была рабочее вещество – воздух.
Это был первый газовый термометр. Были и другие
термометры, но каждый конструктор устанавливал свою
температурную шкалу. Таким образом, термометры разной конструкции при одинаковых условиях показывали
разную температуру.
Пригодные для практических целей термометры
впервые изготовил голландский мастер-стеклодув Фаренгейт в начале XVIII столетия. Один и тот же термометр
всегда даёт одинаковые показания, если его опустить в
смесь воды и льда или в кипящую воду. Поэтому учёные
сделали вывод, что процессы плавления льда и кипения
жидкости всегда протекают при постоянной температуре. Ртутные и спиртовые термометры Фаренгейта имели
такую же форму, как и современные. Реперными точками в этих шкалах были: 1) равновесная температура смеси воды, нашатырного спирта и кухонной соли в пропорции 1:1:1 – 0 °F; (Фаренгейт считал, что это самая низкая
Те м п е р а т у р н ы е
границы жизни опред­
еляются затвердеванием
клеточной жидкости (ниж­
няя граница охлаждения)
и сворачиванием в ней
белка (верхняя граница на­
гревания). Верхняя граница
– приблизительно 100 °С, и
только у некоторых бакте­
рий она выше. Нижняя гра­
ница изменяется в более
широком диапазоне, по­
тому что во многих случаях
замораживание приводит
к анабиозу (приостановке
жизнедеятельности).
Высшие
животные
поддерживают постоян­
ную температуру тела,
вырабатывая теплоту. Тем­
пература хладнокровных
зависит от температуры
окружающей среды и лишь
немного её превышает.
Чем больше животное, тем
заметнее эта разница. Ма­
ленькая форель лишь на
0,012 °С теплее, чем вода, а
температура крупного тун­
ца почти на 6 °С выше, чем
температура воды.
5
Самое жаркое место – „по­
люс жары” – Эль-Азизия в Ливии.
Тут в тени термометры зафикси­
ровали температуру 57,7 °С.
Самое холодное место („по­
люс холода”) в Южном полуша­
рии – Антарктида, а в Северном
– Оймякон в Якутии. В Антаркти­
де на станции „Восток” зафикси­
рована температура –89,2 °С в
июле 1983 года. В Оймяконе на­
блюдалась температура –71,2 °С
в феврале 1926 года.
Район самой маленькой
разницы температур зимой и
летом – г. Кито в Эквадоре и
Маршалловых островах, которые
находятся в Тихом океане на
экваторе. Здесь разница темпе­
ратур воздуха зимой и летом со­
ставляет 0,4 °С.
Район самой большой
разницы температур зимой и
летом – Оймякон. Эта разница
составляет 102 градуса (–71 °С
зимой и +31 °С летом).
Континент с самой низкой в
мире среднегодовой температу­
рой –57,8 °С – Антарктида.
Район самой высокой
температуры морской воды –
Персидский залив на южном за­
паде Азии. Здесь зафиксирована
температура воды в верхних сло­
ях +35,6 °С
6
Рачки, которые живут в
озёрах Аравийского полуостро­
ва, при температурах, ниже,
чем +35 °С, гибнут от „холода”.
Споры и некоторые прими­
тивные животные (например,
коловратки) выживают при
температурах, близких к абсо­
лютному нулю.
Температура разных час­
тей тела человека отличается
(под мышкой – 36,8 °С, в рото­
вой полости – 37,2 °С) и может
подниматься до 42 °С
Споры и семена некоторых
растений выдерживают на
протяжении долгого време­
ни неблагоприятные условия.
Например, споры плесени
выдерживают нагревание до
+170 °С и охлаждение до –273
°С. Но растёт плесень при тем­
пературе не ниже –6 °С. Споры
других видов грибов не гибнут
при температуре –250 °С, а
зёрна злаков прорастают даже
после охлаждения до –269 °С.
7