Как устанавливается тепловое равновесие

Как устанавливается тепловое равновесие

Термометрами пользуются все. А что они измеряют?
Конечно, температуру! Однако это еще не ответ.
Что означают слова: «Я измерил температуру тела»?
Что я при этом узнал? Что именно характеризует температура?
Это все не так просто, как может показаться на первый взгляд.

Для описания процессов в газах и других макроскопических телах нет необходимости все время обращаться к молекулярно-кинетической теории.
Поведение макроскопических тел, в частности газов, можно охарактеризовать немногим числом физических величин, относящихся не к отдельным молекулам, слагающим тела, а ко всем молекулам в целом.
К числу таких величин относятся объем V, давление p, температура t.

Так, газ данной массы всегда занимает некоторый объем, имеет определенные давление и температуру.
Объем и давление представляют собой механические величины, которые помогают описывать состояние газа.
Температура в механике не рассматривается, так как она характеризует внутреннее состояние тела.

Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения (V, p, t), называют макроскопическими параметрами.
Однако макроскопические параметры не исчерпываются объемом, давлением и температурой.

Например, для описания состояния смеси газов нужно еще знать концентрации отдельных компонентов.
Обычный атмосферный воздух представляет собой смесь газов.

Холодные и горячие тела.

Центральное место во всем учении о тепловых явлениях занимает понятие температура.
Все мы хорошо знаем различие между холодными и горячими телами.
На ощупь мы определяем, какое тело нагрето сильнее, и говорим, что это тело имеет более высокую температуру.
Таким образом, температура характеризует степень нагретости тела (холодное, теплое, горячее).
Для ее измерения был создан прибор, называемый термометром.
В его устройстве использовано свойство тел изменять объем при нагревании или охлаждении.

Для измерения температуры тела человека нужно подержать медицинский термометр под мышкой 5-8 мин.
За это время ртуть в термометре нагревается и уровень ее повышается.
По длине столбика ртути можно определить температуру.
Термометр никогда не покажет температуру тела сразу же после того, как он соприкоснулся с ним.
Необходимо некоторое время для того, чтобы температуры тела и термометра выровнялись и между телами установилось тепловое равновесие, при котором температура перестает изменяться.

Тепловое равновесие с течением времени устанавливается между любыми телами, имеющими различную температуру.
Бросьте в стакан с водой кусочек льда и закройте стакан плотной крышкой.
Лед начнет плавиться, а вода охлаждаться.
Когда лед растает, вода начнет нагреваться: после того как она примет температуру окружающего воздуха, никаких изменений внутри стакана с водой происходить не будет.

Из этих и подобных им простых наблюдений можно сделать вывод о существовании очень важного общего свойства тепловых явлений.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

Тепловым равновесием называют такое состояние тел, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.
Это означает, что в системе не меняются объем и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют взаимные превращения газов, жидкостей, твердых тел и т. д.
В частности, не меняется объем столбика ртути в термометре, т. е. температура системы остается постоянной.

Но микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии: меняются положения молекул, их скорости при столкновениях.

Система макроскопических тел может находиться в различных состояниях.
В каждом из этих состояний температура имеет свое, строго определенное значение.
Другие физические величины в состоянии теплового равновесия системы могут иметь разные значения, которые с течением времени не меняются.
Так, например, объемы различных частей системы и давления внутри них при наличии твердых перегородок могут быть разными.
Если вы внесете с улицы мяч, наполненный сжатым воздухом, то спустя некоторое время температура воздуха в мяче и комнате выровняется.
Давление же воздуха в мяче все равно будет больше комнатного.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

При одинаковых температурах двух тел между ними не происходит теплообмена.
Если же температуры тел различны, то при установлении между ними теплового контакта будет происходить обмен энергией.
При этом тело с большей температурой будет отдавать энергию телу с меньшей температурой.
Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними.

Измерение температуры. Термометры.

Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объема, давления, электрического сопротивления и т. д.

Чаще всего на практике используют зависимость объема жидкости (ртути или спирта) от температуры.
При градуировке термометра обычно за начало отсчета (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия).
Шкалу между точками 0 и 100 делят на 100 равных частей, называемых градусами (рис.9.1).
Перемещение столбика жидкости на одно деление соответствует изменению температуры на 1°С.

В 1742 г. А. Цельсий опубликовал работу с описанием стоградусной шкалы термометра, в которой температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении была принята за 0°, а температура таяния льда — за 100°. Позже шведский биолог К. Линней «перевернул» эту шкалу, приняв за 0° температуру таяния льда. Этой шкалой мы пользумся до сих пор, называя её шкалой Цельсия.

Так как различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, то установленная таким образом шкала будет до некоторой степени зависеть от свойств данной жидкости, расстояния на шкале между 0 и 100°С будут различны.
Поэтому градусы (расстояние между двумя соседними отметками) спиртового и ртутного термометров будут разными.

Какое же вещество выбрать для того, чтобы избавиться от этой зависимости?

Сейчас мы подробно рассмотрим, как можно использовать газы для определения температуры.

Источник

Тепловое равновесие

Тепловое равновесие (или термодинамическое равновесие) – это такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.

В состоянии термодинамического равновесия не происходит теплообмен с окружающими телами, не изменяются объём и давление тела, отсутствуют взаимные превращения жидкостей, газов и твёрдых тел.

Температура и её физический смысл

Любая термодинамическая система при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия.

Температура тела – это физический параметр, одинаковый во всех частях системы тел, которая находится в состоянии термодинамического равновесия.

При тепловом равновесии микроскопические процессы внутри тела (движение частиц и взаимодействие частиц) не прекращаются. Термодинамическая система может находиться в различных состояниях теплового равновесия, каждому из которых соответствует определённое значение температуры. При теплообмене между телами происходит обмен энергией: тела с большей энергией передают свою энергию телам с меньшей энергией. Направление теплообмена между ними указывает разность температур тел. То есть энергия передаётся от более горячего тела к менее горячему.

Температура и её измерение

Для измерения температуры используется тот факт, что с изменением температуры тела изменяются почти все его физические свойства: длина, объём, плотность, электрическое сопротивление, упругие свойства и др. Основой для измерения температуры может являться изменение какого-либо свойства термометрического тела.

Термометрическое тело – это тело, для которого известна зависимость какого-либо свойства данного тела от температуры. Термометрическим телом может быть, например, жидкость или газ, для которого известна зависимость изменения его объёма от температуры.

Эмпирическая шкала – это температурная шкала, установленная с помощью термометрического тела.

Наиболее распространён способ измерения температуры с помощью жидкостного термометра, в котором используется расширение жидкости (изменение объёма) при нагревании.

При градуировке термометра отмечают опорные точки, расстояние между которыми на шкале делят на равные части, которые называются градусами.

Шкала температур Цельсия

Для практического употребления по решению IX Генеральной конференции по мерам и весам в 1948 году была принята международная стоградусная температурная шкала – шкала Цельсия.

Шведский физик и астроном Андерс Цельсий (1701 – 1744) в 1742 году предложил шкалу термометра, в которой за ноль градусов (начало отсчёта температуры) принял температуру таяния льда, а за сто градусов – температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении в 1,01325 * 10 5 Па. Изменение длины столба жидкости в термометре на одну сотую долю длины между отметками 0 и 100 °С соответствует изменению температуры на 1 °С. По данной шкале единица измерения температуры – градус Цельсия.

Однако, несмотря на указанную выше конференцию, в некоторых странах (например, в США) до сих пор активно используется другая шкала – шкала Фаренгейта. На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F, а точка кипения воды равна +212 °F. При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур.

Перевести градусы из Цельсия в Фаренгейт можно так:

Перевод из Фаренгейта в Цельсий:

Здесь t_F – температура по Фаренгейту, t_C – температура по Цельсию

Перевести градусы по Цельсию в градусы по Фаренгейту и обратно вы можете ниже.

Источник

Физика. 10 класс

В повседневной жизни под температурой мы понимаем степень нагретости тела (холодное, тёплое, горячее). Такой подход является довольно субъективным, он зависит не только от состояния рассматриваемого тела, но и от наших ощущений. Чтобы избежать субъективной неопределённости, необходимо установить способ измерения температуры.

Тепловое равновесие. Если привести в соприкосновение два тела, то молекулы этих тел, взаимодействуя между собой, будут обмениваться энергией. При этом молекулы с большей кинетической энергией передают часть энергии молекулам с меньшей кинетической энергией. В результате средняя кинетическая энергия теплового движения молекул одного тела увеличивается, а другого — уменьшается. Отдающее энергию тело называют более нагретым, а тело, к которому энергия переходит, — менее нагретым. Как показывает опыт, такой переход энергии продолжается до тех пор, пока не установится некоторое состояние, в котором тела могут находиться сколь угодно долго. В этом состоянии степень нагретости тел становится и остаётся одинаковой, следовательно, у тел одинаковая температура. Это учитывают при измерении температуры тела. Термометр приводят в соприкосновение с телом, но отсчёт его показаний выполняют не сразу, а через некоторый промежуток времени. Это необходимо для того, чтобы между термометром и телом установилось тепловое равновесие.

Тепловое равновесие — состояние изолированной физической системы, при котором все её макроскопические параметры остаются неизменными с течением времени.

Под изолированной, или замкнутой, системой понимают систему тел, которая не обменивается энергией с окружающими телами.

Отметим, что у тел, входящих в физическую систему, находящуюся в состоянии теплового равновесия, могут быть различные значения плотности, концентрации, давления и объёма. Однако температура всех тел, входящих в такую систему, всегда одинакова.

1. Температура воды в стакане t = 18 °С. Чему равна температура термометра, погружённого в воду?

2. Погружённый в стакан с водой лабораторный термометр вынули и поднесли к настольной лампе, чтобы лучше рассмотреть его показания. Корректно ли определена температура воды?

Интересно знать

Понятия «градус» и «температура» появились задолго до изобретения термометра. Знаменитый древнеримский врач Гален (II в.) считал, что все лекарства следует различать по «градусам» (от лат. gradus — ступень) теплоты, холода, сухости и влажности. Гален учил, что одни лекарства оказывают охлаждающее действие, а другие — согревающее. При необходимости следовало смешивать лекарства, чтобы умерить излишнее тепло влажностью, а холод — сухостью. От латинского слова temperature (смешение) возник термин «температура».

Источник

Тепловое равновесие: что это такое, формула, примеры

Остаток средствтермический состояние, в котором тело оказывается в одно и тожетемпература чем их окружение. Замечено, что все тела, температура которых выше, чем у их соседей, имеют тенденцию самопроизвольно отдавать им тепло, пока оба не начнут иметь одинаковую температуру.

Посмотритетакже: Основы термологии

Тепловое равновесие и нулевой закон термодинамики

В тепловом равновесии конечные температуры каждого тела должны быть равны: T_THE = T_B = T_Ç

Посмотрите, что утверждает утверждение нулевого закона термодинамики:

“Если два тела находятся в тепловом равновесии с третьим телом, то эти тела будут находиться в тепловом равновесии друг с другом ».

Не останавливайся сейчас. После рекламы есть еще кое-что;)

тепло и тепловой баланс

Передача тепла всегда происходит спонтанно, от тела с самой высокой температурой к телу с самой низкой температурой. Эта передача энергии в виде тепла может происходить посредством таких процессов, как вождение, конвекция а также радиация.

Вождение: Это передача тепла между телами, особенно в твердых телах. При этом типе проводимости не происходит массопереноса. Этот тип теплопередачи объясняет, например, как происходит тепловое равновесие в металлах.

Конвекция: Это теплопередача, происходящая в жидкостях. В этом режиме теплопередачи происходит массообмен, когда нагретая жидкость движется, образуя конвекционные потоки, пока вся жидкость не достигнет теплового равновесия.

Радиация: Это передача тепла посредством электромагнитных волн, поэтому этот процесс происходит, даже если между телом и другим телом при разных температурах нет физической среды. Передаваемое тепло в этом случае эквивалентно электромагнитным волнам с меньшей энергией, чем видимый свет, то есть тепловое излучение, расположенный в области инфракрасный.

Две жидкости на рисунке передают тепло друг другу, пока их температуры не сравняются.

явное тепло

когда есть разницавтемпература между двумя телами или между телом и его окружением будет происходить самопроизвольный теплообмен между ними, так что тело с более высокой температурой охлаждается, а тела с более низкой температурой нагреваются, пока все не достигнут температуры в остаток средствтермический.

Количество тепла, которое обменивается между телами при разных температурах, называется явное тепло и эту сумму можно рассчитать по формуле, показанной на рисунке ниже:

Таким образом, все вещества, установившие тепловой контакт друг с другом, стремятся достичь состояния остаток средствтермический однако со временем самопроизвольно некоторым для этого требуется большее количество энергии, и это напрямую влияет на температуру для достижения теплового равновесия.

читатьтакже: Какая температура?

скрытая теплота

Возможно, что во время теплообмена с окружающей средой тело представляет давление, температуру и объем, которые вызывают изменение его физического состояния. Эти изменения происходят в температурапостоянный (для тел, состоящих из одного вещества, без примесей), то есть, несмотря на получение или передачу тепла внешней среде, температура этих тел не изменяется.

Это возможно только потому, что в этом случае вся энергия, которой обмениваются, используется для изменения конформации ваших молекул. С того момента, как энергетический барьер «преодолен» и все содержимое тела находится в другом физическом состоянии, Тело продолжает обмениваться теплом с окружающей средой, если, конечно, его температура не равна температуре снаружи.

O скрытая теплота можно рассчитать по формуле, показанной на рисунке ниже, проверьте это:

Формула теплового равновесия

Если мы хотим узнать, что такое температуравостаток средств некоторой термодинамической системы, необходимо, чтобы мы рассматривали данную систему как системаизолированные, то есть мы должны предположить, что никакое количество тепла не обменивается с окрестностями этой системы.

Исходя из этого условия, мы можем сказать, что весь объем теплообмена передается только между телами, составляющими эту систему, без учета тепловых потерь для стенок емкости, например. В этом случае мы говорим, что контейнер имеет теплоемкость незначительна, т. е. не поглощает тепло.

Представьте себе такую ​​ситуацию: в чашку горячего чая с незначительной теплоемкостью насыпьте несколько кубиков льда. Чтобы определить температуру теплового равновесия, помимо знания начальных условий системы, мы должны сделать некоторые соображения:

Все тепло, которое горячий чай отдает льду, будет им полностью поглощено, так как чашка имеет незначительную теплоемкость.

Мы не должны учитывать потери тепла в воздух и любую другую среду, чтобы эту чашку чая можно было понимать как замкнутую термодинамическую систему.

Таким образом, мы можем установить, что все количество тепла, полученного льдом, было отдано горячим чаем, с этим мы написали нашу формулу для расчета теплового баланса:

Определение температуры теплового равновесия

Определим температуру теплового равновесия из следующей ситуации:

Данные:

ç_ВОДА = 1,0 кал / г ° C

ç_ЛЕД = 0,5 кал / г ° C

L_ЛЕД = 80 кал / г

Во-первых, мы считаем, что все тепло, полученное льдом, отдано чаю:

Далее необходимо детализировать, какие формы тепла были отданы и получены:

Чай: Чай давал только ощутимое тепло (Q_s), поскольку его физическое состояние не изменилось.

Переводя то, что было проанализировано выше, в форму уравнения, нам нужно будет решить следующий расчет:

Заменив данные, предоставленные упражнением, на приведенное выше уравнение, нам нужно будет решить следующий расчет:

Согласно расчетам, сделанным выше, равновесная температура системы чай + лед должна составлять примерно 70,4 ° C.

Эксперимент по тепловому балансу

Калориметр используется для измерения изменения температуры внутри системы.

Тепловой баланс и жизнь на Земле

O остаток средствтермический он играет фундаментальную роль в земной жизни. Без присутствия парниковых газов в атмосфере Земли большая часть тепловое излучение планеты покинет его, распространяясь в космос. Со временем это вызовет массовое похолодание по всей планете, в результате чего океаны со временем замерзнут.

Следовательно остаток средствтермический это процесс фундаментальной важности для поддержания физических, химических и биологических процессов на планете и, следовательно, необходим для существования жизни на Земле.

Источник

§ 59. Температура и тепловое равновесие

Что измеряют термометры?

Что означают слова: «Я измерил температуру тела»?

Что именно характеризует температура?

Макроскопические параметры. Состояние макроскопических тел, в частности газов, и процессы изменения их состояний можно охарактеризовать немногим числом физических величин, относящихся не к отдельным молекулам, из которых состоят тела, а ко всем молекулам в целом. К числу таких величин относятся объём V, давление р, температура t.

Так, газ данной массы, находящийся в сосуде, всегда занимает объём этого сосуда и имеет определённые давление и температуру. Объём и давление представляют собой механические величины, которые помогают описывать состояние газа. Температура в механике не рассматривается, так как она характеризует внутреннее состояние тела.

Запомни
Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учёта их молекулярного строения (V, р, t), называют макроскопическими параметрами.

Однако макроскопические параметры не исчерпываются объёмом, давлением и температурой.

Например, для описания состояния смеси газов нужно ещё знать концентрации отдельных компонентов или их массы. Обычный атмосферный воздух представляет собой смесь газов.

Холодные и горячие тела. Центральное место во всём учении о тепловых явлениях занимает понятие температура. Все мы хорошо знаем различие между холодными и горячими телами. На ощупь мы определяем, какое тело нагрето сильнее, и говорим, что это тело имеет более высокую температуру. Таким образом,

Важно
температура характеризует степень нагретости тела (холодное, тёплое, горячее).

Для её измерения был создан прибор, называемый термометром. Его устройство основано на свойстве тел изменять объём при нагревании или охлаждении.

Тепловое равновесие. Термометр никогда не покажет температуру тела сразу же после того, как он соприкоснулся с ним. Необходимо некоторое время для того, чтобы температуры тела и термометра стали равны и между телами установилось тепловое равновесие, при котором температура перестаёт изменяться.

Тепловое равновесие с течением времени устанавливается между любыми телами, имеющими различную температуру.

Бросьте в стакан с водой кусочек льда и закройте стакан плотной крышкой. Лёд начнёт плавиться, а вода охлаждаться. Когда лёд растает, вода начнёт нагреваться. Измерьте несколько раз температуру воздуха и температуру воды в стакане. Когда закончится изменение состояния воды в стакане?

Обсудите с одноклассником следующий вопрос: «Зачем в данном опыте нужно закрывать стакан крышкой?»

Из простых наблюдений можно сделать вывод о существовании очень важного общего свойства тепловых явлений.

Важно
Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

Запомни
Тепловым равновесием называют такое состояние тел, при котором температура во всех точках системы одинакова.

Но микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии: меняются положения молекул, их скорости при столкновениях.

Температура. Система макроскопических тел может находиться в различных состояниях. В каждом из этих состояний температура имеет своё строго определённое значение. Другие физические величины в состоянии теплового равновесия системы могут иметь разные значения, которые с течением времени не меняются. Так, например, объёмы различных частей системы и давления внутри их при наличии твёрдых перегородок могут быть разными. Если вы внесёте с улицы мяч, наполненный сжатым воздухом, то спустя некоторое время температура воздуха в мяче и температура в комнате выравняются. Давление же воздуха в мяче всё равно будет больше, чем в комнате.

Важно
Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

При одинаковых температурах двух тел между ними не происходит теплообмена. Если же температуры тел различны, то при установлении между ними теплового контакта будет происходить обмен энергией. При этом опыт учит, что тело с большей температурой будет отдавать энергию телу с меньшей температурой. Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними — от более нагретого тела к менее нагретому.

Измерение температуры. Термометры. Для измерения температуры можно воспользоваться изменением любой макроскопической величины в зависимости от температуры: объёма, давления, электрического сопротивления и т. д.

Чаще всего на практике используют зависимость объёма жидкости (ртути или спирта) от температуры. При градуировке термометра обычно за начало отсчёта (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении (шкала Цельсия). Шкалу между точками 0 и 100 делят на 100 равных частей, называемых градусами (рис. 9.3). Перемещение столбика жидкости на одно деление соответствует изменению температуры на 1 °С.

В 1742 г. А. Цельсий опубликовал работу с описанием стоградусной шкалы термометра, в которой температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении была принята за 0°, а температура таяния льда — за 100°. Позже шведский биолог К. Линней «перевернул» эту шкалу, приняв за 0° температуру таяния льда. Этой шкалой мы пользумся до сих пор, называя её шкалой Цельсия.

Так как различные жидкости расширяются при нагревании неодинаково, то установленная таким образом шкала будет зависеть от свойств данной жидкости и расстояния на шкале между 0 и 100 °С будут различны. Поэтому градусы (расстояние между двумя соседними отметками) спиртового и ртутного термометров будут разными.

Наполните частично узкий сосуд подсолнечным маслом и отметьте верхний уровень масла. Измерьте термометром температуру воздуха. Затем поместите сосуд в горячую воду и снова отметьте верхний уровень масла. Измерьте температуру воды тем же термометром. Затем наполните этот же сосуд другой жидкостью и проведите аналогичные измерения. Сравните расстояния между отметками на сосуде в двух опытах. Сделайте вывод.

Какое же вещество выбрать для того, чтобы избавиться от этой зависимости?

Важно
Было замечено, что в отличие от жидкостей все разреженные газы — водород, гелий, кислород — расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют своё давление при изменении температуры.

По этой причине в физике для установления рациональной температурной шкалы используют изменение давления определённого количества разреженного газа при постоянном объёме или изменение объёма газа при постоянном давлении. Такую шкалу иногда называют идеальной газовой шкалой температур.

При установлении идеальной газовой шкалы температур удаётся избавиться ещё от одного существенного недостатка шкалы Цельсия — произвольности выбора начала отсчёта, т. е. нулевой температуры.

Далее мы подробно рассмотрим, как можно использовать газы для определения температуры.

Ключевые слова для поиска информации по теме параграфа.
Макроскопические параметры. Тепловое равновесие

Вопросы к параграфу

1. Какие величины характеризуют состояния макроскопических тел?

2. Каковы отличительные признаки состояний теплового равновесия?

3. Наблюдали ли вы примеры установления теплового равновесия тел, окружающих вас в повседневной жизни?

4. В чём преимущество использования разреженных газов для измерения температуры?

5. Как зависит интенсивность теплообмена между двумя телами от разности их температур?

Источник