Комнатная температура физика: Вода комнатной температуры это сколько градусов?
Теплопроводность | Теплота | Физика
В этом параграфе мы подробнее обсудим один из видов теплопередачи, рассмотренных чуть ранее, – теплопроводность.
Теплопроводность, как уже говорилось раньше, представляет собой способность тел передавать теплоту от своих более нагретых частей к более холодным. Конечно, на ум всегда приходит ложка в стакане с горячим чаем, которую не стоит надолго оставлять там в связи с тем, что ее температура будет неуклонно расти и может наступить момент, когда за нее нельзя будет взяться голыми руками. При этом теплопроводность доступна не только твердым телам. Если мы возьмем два каких-нибудь газа различной температуры и позволим им вступить в контакт, мы также будем наблюдать передачу тепла от более горячего газа к более холодному в течение того времени, пока они полностью не смешаются друг с другом.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории здесь нет ничего удивительного. Вещества состоят из мельчайших частиц, эти частицы находятся в хаотичном движении, средняя скорость которого выражается температурой. Соответственно, молекулы и атомы, получающие какую-то энергию, начинают метаться быстрее, сталкиваются со своими соседями, в результате чего сообщают им больший импульс. Это и есть теплопроводность на микроскопическом уровне.
И все-таки можно обнаружить кое-что интересное в рамках изучаемой темы.
Если вы сейчас занимаетесь изучением физики не в троллейбусе и не в Русском музее, в общем, не находитесь там, где не стоит просто так хвататься руками за окружающие предметы, а спокойно сидите у себя дома, попробуйте поискать два каких-нибудь предмета, сделанных из разных веществ – дерева и железа. Обыкновенный карандаш и ключи от чего-нибудь – неплохие варианты. Если вам повезло, и вы что-нибудь нашли, прикоснитесь своей кожей непосредственно к веществам, о которых идет речь.
Если все было сделано правильно, вы не прогадали с веществами, из которых сделаны выбранные предметы, и до начала эксперимента они находились при комнатной температуре, вы ясно почувствуете, что железо на ощупь холоднее, чем дерево (по крайней мере в первое мгновение, когда вы только дотронетесь до них, дальше железный предмет начнет нагреваться, и разница будет уже плохо заметна).
Надеюсь, что у вас получилось проделать этот небольшой опыт, который представляет собой головоломку, если вдуматься. Посудите сами: предметы находятся в одном помещении, где примерно одна и та же температура, вследствие чего и у них должна быть одинаковая температура. Но при этом железо все-таки кажется более холодным, чем дерево. Как же это объяснить?
Ключ к решению предложенной проблемы состоит в том, что температура вашего тела больше, чем комнатная температура. Действительно, нормальной температурой человека считается температура, равная 36.6 градусов по шкале Цельсия, температура же вашей комнаты, скорее всего, градусов на 10-15 меньше, в противном случае вам сейчас было бы не до изучения физики.
Так вот, комнатная температура, температура окружающих предметов, меньше вашей собственной температуры. Поэтому при соприкосновении с вами те или иные предметы будут отводить тепло от вашего тела, и железо кажется холоднее дерева только потому, что оно быстрее совершает данный процесс.
Почему же железо отводит теплоту быстрее дерева? Это связано с молекулярным строением этих веществ. Во-первых, дерево менее плотное, чем железо. Когда вы своей рукой прикасайтесь к деревянному предмету, молекулы вашего тела испытывают гораздо меньше соударений с молекулами вещества, чем в случае с железным предметом. Молекулы будут сталкиваться реже, кинетическая энергия системы будет меняться медленнее, тепло будет отводиться хуже. Во-вторых, между волокнами дерева часто содержится воздух, который является плохим проводником тепла из-за своей низкой плотности.
А вот с железом другая история. У него достаточно большая плотность, что для молекул вашего тела означает гораздо больше соударений и потерь энергии, а значит, скорость передачи тепла будет больше. И конечно, о наличии воздушных пустот, как в случае с деревом, говорить тоже не приходится. Таким образом, у железа более высокая удельная теплопроводность, именно поэтому наш мозг при прочих равных условиях воспринимает его как более холодное вещество, чем дерево.
комнатная температура
- комнатная температура
- kambario temperatūra statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. indoor temperature; room temperature vok. Zimmertemperatur, f rus. комнатная температура, f pranc. température à l’intérieur, f; température ambiante du local, f
Fizikos terminų žodynas : lietuvių, anglų, prancūzų, vokiečių ir rusų kalbomis. – Vilnius : Mokslo ir enciklopedijų leidybos institutas. Vilius Palenskis, Vytautas Valiukėnas, Valerijonas Žalkauskas, Pranas Juozas Žilinskas. 2007.
- température à l’intérieur
- Zink
Look at other dictionaries:
комнатная температура — — [А.
комнатная температура — 3.84 комнатная температура: Температура до 50 °С. Источник: ГОСТ Р 51365 99: Оборудование нефтепромысловое добычное устьевое. Общие технические условия … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Комнатная температура — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете … Википедия
комнатная температура — kambario temperatūra statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Aplinkos temperatūra, lygi 20 ºC. atitikmenys: angl. ambient temperature; room temperature vok. Raumtemperatur, f; Zimmertemperatur, f rus. комнатная температура, f… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
комнатная температура — kambario temperatūra statusas T sritis chemija apibrėžtis Apie 20 °C. atitikmenys: angl. ambient temperature; indoor temperature; room temperature rus. комнатная температура … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Комнатная муха — ? Комнатная муха Самка комнатной мухи … Википедия
температура — 3.1 температура: Средняя кинетическая энергия частиц среды, обусловленная их разнонаправленным движением в среде, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. Источник: ГОСТ Р ЕН 306 2011: Теплообменники. Измерения и точность измерений… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
температура — сущ., ж., употр. сравн. часто Морфология: (нет) чего? температуры, чему? температуре, (вижу) что? температуру, чем? температурой, о чём? о температуре; мн. что? температуры, (нет) чего? температур, чему? температурам, (вижу) что? температуры,… … Толковый словарь Дмитриева
температура (окружающего воздуха) — 3. 31 температура (окружающего воздуха): 1) для закрытой аппаратуры без вентиляции, охлаждаемой естественной конвекцией воздуха: Комнатная температура на расстоянии 1 м от поверхности корпуса на горизонтальной плоскости, расположенной на половине… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
КОМНАТНАЯ ОРАНЖЕРЕЯ В ОКНЕ — КОМНАТНАЯ ОРАНЖЕРЕЯ В ОКНЕ. Любители цветов выращивают растения на своих окнах и балконах. Летом растения на окнах хорошо растут и цветут, но с началом отопительного сезона сухой воздух и высокая температура в комнатах вредно отражаются на… … Краткая энциклопедия домашнего хозяйства
Что показывал термометр при плавлении снега. Молекулярная физика и теплота в XVIII столетии. Тема: «Определение теплоты плавления льда»
Вопрос «Что такое шкала температур?» — годится для любого физика — от студента до профессора. Полный ответ на него занял бы целую книгу и мог бы послужить хорошей иллюстрацией изменения взглядов и прогресса физика за последние четыре века.
Температура — это степень нагретости по определенной шкале. Для грубой оценки, без термометра, можно воспользоваться чувствительностью собственной кожи, но наши ощущения тепла и холода ограничены и ненадежны.
Опыт. Чувствительность кожи к теплу и холоду. Этот опыт весьма поучителен. Поставьте три тазика с водой: один с очень горячей, друюй с умеренно теплой, а третий с очень холодной. Опустите минуты на 3 одну руку в горячий, а другую в холодный таз. Затем обе руки опустите в таз с теплой водой. Теперь спросите-ка каждую руку, что она «скажет» вам о температура воды?
Термометр точно говорит нам, насколько вещь горячее или холоднее; с его помощью можно сравнить степень нагретости разных предметов, пользуясь им вновь и вновь, мы можем сопоставить наблюдения, сделанные в разное время. Он снабжен определенной неизменной, воспроизводимой шкалой — характерной принадлежностью любого хорошего прибора. Способ изготовления термометра и сам прибор диктуют нам ту шкалу и систему измерений, которой мы должны пользоваться. Переход от грубых ощущений к прибору со шкалой — не просто усовершенствование нашего всязания. Мы изобретаем и вводим в употребление новое понятие — температуру.
Наше грубое представление о горячем и холодном содержит в зародыше понятие температуры. Исследования показывают, что при нагревании многие из важнейших свойств вещей изменяются, и. для изучения этих изменений нужны термометры. Повсеместное распространение термометров в обиходе отодвинуло на второй план смысл понятия температуры. Мы считаем, что термометр измеряет температуру нашего тела, воздуха или воды в ванне, хотя на самом деле он показывает лишь свою собственную температуру. Мы считаем изменения температуру от 60 до 70° и от 40 до 50° одинаковыми. Однако никаких гарантий того, что они действительно одинаковы, у нас, по-видимому, нет. Нам остается считать их одинаковыми по определению Термометры все же полезны нам как верные слуги. Но действительно ли за их преданным «лицом» — шкалой скрыта Ее Сиятельство Температура.
Простые термометры и шкала Цельсия
Температуру в термометрах показывает расширяющаяся при нагревании капелька жидкости (ртути или окрашенного спирта), помещенная в трубку с делениями. Чтобы шкала одного термометра совпадала с другой, мы берем две точки: таяние льда и кипение воды в стандартных условиях и приписываем им деления 0 и 100, а интервал между ними делим на 100 равных частей. Итак, если по одному термометру температура воды в ванне равна 30°, то любой другой термометр (если он правильно проградулирован) покажет то же самое, даже если у него пувырек и трубка совсем другого размера. В первом термометре ртуть расширяется на 30/100 расширения от точки плавления до точки кипения. Разумно ожидать, что и в других термометрах ртуть будет расширяться в той же степени и они также покажут 30°. Здесь мы полагаемся на Универсальность Природы 2>.
При этом получается так называемая шкала Цельсия, которая сей-нас широко используется. В США, Англии и некоторых других странах применяется шкала Фаренгейта, на которой точки таяния льда и кипения воды помечаются цифрами 32 и 212. Первоначально шкала Фаренгейта строилась на двух других точках. В качестве нуля бралась температура замораживающей смеси, а числу 96 (число, распадающееся на большое число сомножителей и поэтому удобное в обращении) сопоставлялась нормальная температура человеческого тела. После модификации, когда стандартным точкам были сопоставлены целые числа, температура тела оказалась между 98 и 99. Комнатная температура 68° Р соответствует 20° С. Несмотря на то дто переход от одной шкалы к другой меняет числовое значение единицы температуры, он не затрагивает самой концепции температуры.
2> Это рассуждение несколько наивно. Стекло ведь тоже расширяется Действует ли расширение стекла на высоту столбика ртути? Что по этой причине, кроме простого расширения ртути, показывает термометр? Допустим, ято два термометра содержат чистую ртуть, но шарики их сделаны из различных сортов стекла с разным расширением. Повлияет ли это на результат?
Если механика в XVIII столетии становится зрелой, вполне определившейся областью естествознания, то наука о теплоте делает по существу только первые шаги. Конечно, новый подход к изучению тепловых явлений наметился еще в XVII в. Термоскоп Галилея и последовавшие за ним термометры флорентийских академиков, Герике, Ньютона подготовили почву, на которой выросла уже в первой четверти нового столетия термометрия. Термометры Фаренгейта, Делиля, Ломоносова, Реомюра и Цельсия, отличаясь друг от друга конструктивными особенностями, вместе с тем определили тип термометра с двумя постоянными точками, принятый и в настоящее время.
Еще в 1703 г. парижский академик Амонтон (1663-1705) сконструировал газовый термометр, в котором температура определялась с помощью манометрической трубки, присоединенной к газовому резервуару постоянного объема. Интересный в теоретическом отношении прибор, прототип современных водородных термометров, был неудобен для практических целей. Данцигский (Гданьский) стеклодув Фаренгейт (1686-1736) с 1709 г. изготовлял спиртовые термометры с постоянными точками. С 1714 г. он начал изготовлять ртутные термометры. Точку замерзания воды Фаренгейт принимал за 32°, точку кипения воды — за 212°. За нуль Фаренгейт принимал точку замерзания смеси воды, льда и нашатыря или поваренной соли.
Французский зоолог и металлург Реомюр (1683-1757) предложил термометр с постоянной нулевой точкой, за которую он принял температуру замерзания воды. Пользуясь в качестве термометрического тела 80-процентным раствором спирта, а в окончательном варианте ртутью, он принял в качестве второй постоянной точки точку кипения воды, обозначив ее числом 80. Свой термометр Реомюр описывал в статьях, опубликованных в журнале Парижской Академии наук в 1730,1731 гг.
Проверку термометра Реомюра проводил шведский астроном Цельсий (1701-1744), описавший свои опыты в 1742 г. «Эти опыты, -писал он, -я повторял два года, во все зимние месяцы, при различной погоде и разнообразных изменениях состояния барометра и всегда находил точно такую же точку на термометре. Я помещал термометр не только в тающий лед, но также при сильных холодах приносил снег в мою комнату на огонь до тех пор, пока он не начинал таять. Я помещал также котел с тающим снегом вместе с термометром в топящуюся печь и всегда находил, что термометр показывал одну и ту же точку, если только снег лежал плотно вокруг шарика термометра». Тщательно проверив постоянство точки плавления льда, Цельсий исследовал точку кипения воды и установил, что она зависит от давления. В итоге исследований появился новый термометр, известный ныне как термометр Цельсия. Точку плавления льда Цельсий принял за 100, точку кипения воды при давлении 25 дюймов 3 линии ртутного столба-за 0. Известный шведский ботаник Карл Линней (1707-1788) пользовался термометром с переставленными значениями постоянных точек. О означал температуру плавления льда, 100 — температуру кипения воды. Таким образом, современная шкала Цельсия по существу является шкалой Линнея.
В Петербургской Академии наук академик Делиль предложил шкалу, в которой точка плавления льда принималась за 150, а точка кипения воды — за 0. Академик П. С. Паллас в своих экспедициях 1768-1774 гг. по Уралу и Сибири пользовался термометром Дели-ля. М.В.Ломоносов применял в исследованиях сконструированный им термометр со шкалой, обратной делилев-ской.
Термометры использовались прежде всего для метеорологических и геофизических целей. Ломоносов, открывший в атмосфере существование вертикальных течений, изучая зависимость плотности слоев атмосферы от температуры, приводит данные, из которых можно определить коэффициент объемного расширения воздуха, равный, по этим данным, приблизительно ]/367. Ломоносов горячо защищал приоритет петербургского академика Брауна в открытии точки замерзания ртути, который 14 декабря 1759 г. впервые заморозил ртуть с помощью охлаждающих смесей. Это была наинизшая температура, достигнутая к тому времени.
Наивысшие температуры (без количественных оценок) были получены в 1772 г. комиссией Парижской Академии наук под руководством знаменитого химика Лавуазье. Высокие температуры получали с помощью специально изготовленной линзы. Линзу собирали из двух вогнуто-выпуклых чечевиц, пространство между которыми заливали спиртом. В линзу диаметром 120 см заливали около 130 л спирта, ее толщина достигала в центре 16 см. фокусируя солнечные лучи, удалось расплавить цинк, золото, сжечь алмаз. Как в опытах Брауна-Ломоносова, где «холодильником» был зимний воздух, так и в опытах Лавуазье источником высоких температур служила естественная «печка» — Солнце.
Развитие термометрии было первым научным и практическим использованием теплового расширения тел. Естественно, что само явление теплового расширения начало изучаться не только качественно, но и количественно Первые точные измерения теплового расширения твердых тел были выполнены Лавуазье и Лапласом в 1782 г. Их метод долгое время описывался в курсах физики, начиная с курса Био, 1819 г., и кончая курсом физики О. Д.Хвольсона, 1923 г.
Полосу испытуемого тела помещали сначала в тающий лед, а затем в кипящую воду. Были получены данные для стекла различных сортов, стали и железа, а также для разных сортов золота, меди, латуни, серебра, олова, свинца Ученые установили, что в зависимости от способа приготовления металла результаты получаются различными. Полоса из незакаленной стали увеличивается на 0,001079 первоначального значения длины при нагревании на 100°, а из закаленной стали — на 0,001239. Для кованого железа было получено значение 0,001220, для круглого тянутого 0,001235. Эти данные дают представление о точности метода.
Итак, уже в первой половине XVIII столетия были созданы термометры и начались количественные тепловые измерения, доведенные до высокой степени точности в теплофизических опытах Лапласа и Лавуазье. Однако основные количественные понятия теплофизики выкристаллизовались не сразу. В трудах физиков того времени существовала немалая путаница в таких понятиях, как «количество теплоты», «степень теплоты», «градус теплоты». На необходимость различать понятия температуры и количества тепла указал в 1755 г. И.Г.Ламберт (1728-1777). Однако его указание не было оценено современниками, и выработка правильных понятий проходила медленно.
Первые подступы к калориметрии содержатся в трудах петербургских академиков Г. В. Крафта и Г. В.Рихмана (1711-1753). В статье Крафта «Различные опыты с теплом и холодом», представленной Конференции академии в 1744 г. и опубликованной в 1751 г., речь идет о задаче определения температуры смеси двух порций жидкости, взятых при разных температурах. Эта задача в учебниках нередко именовалась «задачей Рихмана», хотя Рихман решал более общую и более сложную задачу, чем Крафт. Крафт для решения задачи дал неверную эмпирическую формулу.
Совсем иной подход к решению задачи мы находим у Рихмана. В статье «Размышления о количестве теплоты, которое должно получаться при смешении жидкостей, имеющих определенные градусы теплоты», опубликованной в 1750 г., Рихман ставит задачу определения температуры смеси нескольких (а не двух, как у Крафта) жидкостей и решает ее, исходя из принципа теплового баланса. «Предположим, — говорит Рихман, — что масса жидкости равна а; теплота, распределенная в этой массе, равна т; другая масса, в которой должна быть распределена та же самая теплота т, что и в массе а, пусть будет равна а+b. Тогда получающаяся теплота
равна am/(a+b). Здесь Рихман под «теплотой» понимает температуру, но сформулированный им принцип, что «одна и та же теплота бывает обратно пропорциональна массам, по которым она распределяется», является чисто калориметрическим. «Таким образом, — пишет далее Рихман, — теплота массы а, равная т, и теплота массы Ъ, равная п, равномерно распределяются по массе а + b, и теплота в этой массе, т. е. в смеси из a и b, должна равняться сумме теплот т + п, распределенных в массе а+b, или равна (ma+nb)/(a+b) . Вот эта формула и фигурировала в учебниках как «формула Рихмана». «Чтобы получить более общую формулу, — продолжает Рихман, — по которой возможно было бы определять градус теплоты при смешении 3, 4, 5 и т. д. масс одной и той же жидкости, имеющих различные градусы теплоты, я назвал эти массы а, b, с, d, e и т. д., а соответствующие теплоты — т, п, о, р, q и т. д. Совершенно аналогичным образом я предположил, что каждая из них распределяется по совокупности всех масс». В результате «теплота после смешивания всех теплых масс равна:
(am + bп + со + dp + eq) и т. д./(a + b + c+d + e) и т. д,
т. е. сумма жидких масс, по которой при смешивании равномерно распределяется теплота отдельных масс, относится к сумме всех произведений каждой массы на ее теплоту так же, как единица к теплоте смеси».
Рихман еще не владел понятием количества теплоты, но написал и логически обосновал совершенно правильную калориметрическую формулу Он без труда обнаружил, что его формула лучше согласуется с опытом, чем формула Крафга. Он правильно установил, что его «теплоты» представляют собой «не действительную теплоту, а избыток теплоты смеси в сравнении с нулем градусов по Фаренгейту». Он совершенно ясно понимал, что: 1. «Теплота смеси распределяется не только по самой ее массе, но и по стенкам сосуда и самому термометру». 2. «Собственная теплота термометра и теплота сосуда распределяются и по смеси, и по стенкам сосуда, в котором находится смесь, и по термометру». 3. «Часть теплоты смеси, в течение того промежутка времени, пока производится опыт, переходит в окружающий воздух…»
Рихман точно сформулировал источники ошибок калориметрических опытов, указал причины расхождения формулы Крафта с опытом, т. е. заложил основы калориметрии, хотя сам еще не подошел к понятию количества теплоты. Дело Рихмана продолжили шведский академик Иоганн Вильке (1732- 1796) и шотландский химик Джозеф Блэк (1728-1799). И тот и другой ученый, опираясь на формулу Рихмана, нашли необходимым ввести в науку новые понятия. Вильке, исследуя в 1772 г. теплоту смеси воды и снега, обнаружил, что часть теплоты исчезает Отсюда он пришел к понятию скрытой теплоты таяния снега и к необходимости введения нового понятия, получившего в дальнейшем название «теплоемкость».
К этому же выводу пришел и Блэк, не опубликовавший своих результатов. Его исследования были напечатаны только в 1803 г., и тогда стало известно, что Блэк первым четко разграничил понятия количества теплоты и температуры, первым ввел термин «теплоемкость». Еще в 1754-1755 гг Блэк открыл не только постоянство точки плавления льда, но и то, что термометр остается при одной и той же температуре, несмотря на приток тепла, до тех пор, пока весь лед не растает. Отсюда Блэк пришел к понятию скрытой теплоты плавления. Позже он установил понятие скрытой теплоты испарения. Таким образом, к 70-М годам XVIII столетия были установлены основные калориметрические понятия. Лишь спустя почти сто лет (в 1852 г.) была введена и единица-количества теплоты, получившая значительно позже название «калория».( Еще Клаузиус говорит просто о единице теплоты и не пользуется термином «калория». )
В 1777 г. Лавуазье и Лаплас, построив ледяной калориметр, определили удельные теплоемкости различных тел. Аристотелевское первичное качество-тепло стало изучаться методом точного эксперимента.
Появились и научные теории теплоты. Одна, наиболее распространенная концепция (ее придерживался и Блэк) — это теория особой тепловой жидкости — теплорода. Другая, ревностным сторонником которой был Ломоносов, рассматривала теплоту как род движения «нечувствительных частиц». Концепция теплорода очень хорошо подходила к описанию калориметрических фактов: формула Рихмана и более поздние формулы, учитывающие скрытые теплоты, прекрасно могли быть объяснены В результате теория теплорода господствовала до середины XIX в., когда открытие закона сохранения энергии заставило физиков вернуться к концепции, успешно разрабатываемой Ломоносовым еще за сто лет до открытия этого закона.
Представление о том, что теплота является формой движения, было очень распространенным в XVII в. ф. Бэкон в «Новом органоне», применяя свой метод к исследованию природы теплоты, приходит к выводу, что «тепло есть движение распространения, затрудненное и происходящее в малых частях». Более конкретно и ясно о теплоте как о движении малых частиц высказывается Декарт. Рассматривая природу огня, он приходит к выводу, что «тело пламени… составлено из мельчайших частиц, очень быстро и бурно движущихся отдельно одна от другой». Далее он указывает, что «только это движение в зависимости от различных производимых им действий называется то теплом, то светом». Переходя к остальным телам, он констатирует, «что маленькие частицы, не прекращающие своего движения, имеются не в одном только огне, но также во всех остальных телах, хотя в последних их действие не столько сильно, а вследствие своей малой величины сами они не могут быть замечены ни одним из наших чувств».
Атомизм господствовал в физических воззрениях ученых и мыслителей XVII в. Гук, Гюйгенс, Ньютон представляли все тела Вселенной состоящими из мельчайших частичек, «нечувствительных», как их кратко называл позднее Ломоносов. Понятие о теплоте как форме движения этих частиц казалось ученым вполне разумным. Но эти представления о теплоте носили качественный характер и возникли на очень скудной фактической основе. В XVIII в. знания о тепловых явлениях сделались более точными и определенными, большие успехи сделала также химия, в которой теория флогистона до открытия кислорода помогала разобраться в процессах горения и окисления. Все это способствовало усвоению новой точки зрения на теплоту как особую субстанцию, и первые успехи калориметрии укрепили позиции сторонников теплорода. Нужно было большое научное мужество, чтобы разрабатывать в этой обстановке кинетическую теорию теплоты.
Кинетическая теория теплоты естественно сочеталась с кинетической теорией материи, и прежде всего воздуха и паров. Газы (слово «газ» было введено Ван Гельмонтом; 1577-1644) по существу еще не были открыты, а пар даже Лавуазье рассматривал как соединение воды и огня. Сам Ломоносов, наблюдая растворение железа в крепкой водке (азотной кислоте), считал
выделяющиеся пузырьки азота воздухом. Таким образом, воздух и пар были почти единственными во времена Ломоносова газами — «упругими жидкостями», по тогдашней терминологии.
Д. Бернулли в своей «Гидродинамике» представлял воздух состоящим из частиц, движущихся «чрезвычайно быстро в различных направлениях», и считал, что эти частицы образуют «упругую жидкость». Бернулли обосновывал своей моделью «упругой жидкости» закон Бойля — Мариотта. Он установил связь между скоростью движения частиц и нагреванием воздуха и объяснил тем самым увеличение упругости воздуха при нагревании. Это была первая в истории физики попытка истолковать поведение газов движением молекул, попытка несомненно блестящая, и Бернулли вошел в историю физики как один из основателей кинетической теории газов.
Спустя шесть лет после выхода «Гидродинамики» Ломоносов представил в Академическое собрание свою работу «Размышления о причине теплоты и холода». Она была опубликована только через шесть лет, в 1750 г., вместе с другой, более поздней работой «Опыт теории упругости воздуха». Таким образом, теория упругости газов Ломоносова неразрывно связана с его теорией теплоты и опирается на последнюю.
Д. Бернулли также уделял большое внимание вопросам теплоты, в частности вопросу зависимости плотности воздуха от температуры. Не ограничиваясь ссылкой на опыты Амонтона, он пытался сам экспериментально определить зависимость упругости воздуха от температуры. «Я нашел, — пишет Бернулли, — что упругость воздуха, который здесь в Петербурге был весьма холодным 25 декабря 1731 г. ст. ст., относится к упругости такого же воздуха, обладающего теплотой, общей с кипящей водой, как 523 к 1000». Это значение у Бернулли явно неверное, так как оно предполагает, что температура холодного воздуха соответствует — 78°С.
Значительно точнее аналогичные расчеты у Ломоносова, о которых упоминалось выше. Зато весьма замечателен окончательный результат Бернулли, что «упругости находятся в отношении, составленном из квадрата скоростей частиц и первой степени плотностей», всецело соответствующей основному уравнению кинетической теории газов в современном изложении.
Бернулли совершенно не касался вопроса о природе теплоты, являющегося центральным в теории Ломоносова. Ломоносов выдвигает гипотезу, что теплота — это форма движения нечувствительных частиц. Он рассматривает возможный характер этих движений: поступательное движение, вращательное и колебательное — и утверждает, что «теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи».
Приняв в качестве исходной посылки гипотезу о вращательном движении молекул как причине тепла, Ломоносов выводит отсюда ряд следствий: 1) молекулы (корпускулы) имеют шарообразную форму; 2) «. ..при более быстром вращении частиц связанной материи теплота должна увеличиваться, а при более медленном — уменьшаться; 3) частицы горячих тел вращаются быстрее, более холодных-медленнее; 4) горячие тела должны охлаждаться при соприкосновении с холодным, так как оно замедляет теплотворное движение частиц; наоборот, холодные тела должны нагреваться вследствие ускорения движения при соприкосновении». Таким образом, наблюдающийся в природе переход теплоты от горячего тела к холодному является подтверждением гипотезы Ломоносова.
Тот факт, что Ломоносов выделил теплопередачу в число главных следствий, очень существен, и некоторые авторы усматривают в этом основании причислить Ломоносова к открывателям второго закона термодинамики. Вряд ли, однако, приведенное положение может рассматриваться как первичная формулировка второго начала, но вся работа в целом, несомненно, является первым наброском термодинамики. Так, Ломоносов объясняет в ней образование теплоты при трении, послужившее экспериментальной основой первого начала в классических опытах Джоуля. Ломоносов далее, касая сь вопроса о переходе теплоты от горячего тела к холодному, ссылается на следующее положение: «Тело А, действуя на тело В, не может придать последнему большую скорость движения, чем какую имеет само». Это положение является конкретным случаем «всеобщего закона сохранения». Исходя из этого положения, он доказывает, что холодное тело В, погруженное в теплую жидкость А, «очевидно, не может воспринять большую степень теплоты, чем какую имеет Л».
Вопрос о тепловом расширении Ломоносов откладывает «до другого раза», до рассмотрения упругости воздуха. Его термодинамическая работа непосредственно примыкает, таким образом, к его более поздней работе об упругости газов. Однако, говоря о намерении отложить рассмотрение теплового расширения «до другого раза», Ломоносов здесь же указывает, что поскольку верхнего предела скорости частиц нет (теория относительности еще не существует!), то нет и верхнего предела температуры. Но «по необходимости должна существовать наибольшая и последняя степень холода, которая должна состоять в полном прекращении вращательного движения частиц». Ломоносов, следовательно, утверждает существование «последней степени холода» — абсолютного нуля.
В заключение Ломоносов критикует теорию теплорода, которую считает рецидивом представления древних об элементарном огне. Разбирая различные явления, как физические, так и химические, связанные с выделением и поглощением тепла, Ломоносов заключает, что «нельзя приписывать теплоту тел сгущению какой-то тонкой, специально для того предназначенной материи, но что теплота состоит во внутреннем вращательном движении связанной материи нагретого тела». Под «связанной» материей Ломоносов понимает материю частиц тел, отличая ее от «протекающей» материи, которая может протекать, «подобно реке», через поры тела.
Вместе с тем Ломоносов включает в свою термодинамическую систему и мировой эфир, далеко опережая не только свое время, но и XIX век. «Тем самым, — продолжает Ломоносов, — мы не только говорим, что такое движение и теплота свойственны и той тончайшей материи эфира, которой заполнены все пространства, не содержащие чувствительных тел, но и утверждаем, что материя эфира может сообщать полученное от солнца теплотворное движение нашей земле и остальным телам мира и их нагревать, являясь той средой, при помощи которой тела, отдаленные друг от друга, сообщают теплоту без посредничества чего-либо ощутимого».
Итак, Ломоносов задолго до Больцмана, Голицына и Вина включил тепловое излучение в термодинамику. Термодинамика Ломоносова-замечательное достижение научной мысли XVIII века, далеко опередившее свое время.
Возникает вопрос: почему же Ломоносов отказался рассматривать как тепловое поступательное движение частиц, а остановился на вращательном движении? Это предположение очень ослабило его работу, и теория Д. Бернулли значительно ближе подошла к позднейшим исследованиям Клаузиуса и Максвелла, чем теория Ломоносова. На этот счет у Ломоносова были весьма глубокие соображения. Ему надо было объяснить такие противоречащие друг другу вещи, как сцепление и упругость, связанность частиц тела и способность тел к расширению. Ломоносов был ярым противником дальнодействующих сил и не мог прибегать к ним при рассмотрении молекулярного строения тел. Он не хотел также сводить объяснение упругости газов к упругим ударам частиц, т. е. объяснять упругость упругостью. Он искал механизм, который позволил бы объяснить и упругость и тепловое расширение наиболее естественным образом. В работе «Опыт теории упругости воздуха» он отвергает гипотезу упругости самих частиц, которые, по Ломоносову, «лишены всякого физического сложения и организованного строения…» и являются атомами. Поэтому свойство упругости проявляют не единичные частицы, не имеющие какой-либо физической сложности и организованного строения, но производит совокупность их. Итак, упругость газа (воздуха), по Ломоносову, является «свойством коллектива атомов». Сами атомы, по Ломоносову, «должны быть телесными и иметь протяжение», форму их он считает «весьма близкой» к шарообразной. Явление возникновения теплоты при трении заставляет его принять гипотезу, что «воздушные атомы шероховаты». Тот факт, что упругость воздуха пропорциональна плотности, заставляет Ломоносова заключить, «что она происходит от какого-то непосредственного взаимодействия его атомов». Но атомы, по Ломоносову, не могут действовать на расстоянии, а действуют только при контакте. Сжимаемость воздуха доказывает наличие в нем пустых промежутков, которые делают невозможным взаимодействие атомов. Отсюда Ломоносов приходит к динамической картине, когда взаимодействие атомов сменяется во времени образованием пустого пространства между ними, а пространственное разделение атомов сменяется контактом. «Итак, очевидно, что отдельные атомы воздуха, в беспорядочном чередовании, сталкиваются с ближайшими через нечувствительные промежутки времени, и когда одни находятся в соприкосновении, иные друг от друга отскакивают и наталкиваются на ближайшие к ним, чтобы снова отскочить; таким образом, непрерывно отталкиваемые друг от друга частыми взаимными толчками, они стремятся рассеяться во все стороны». Ломоносов в этом рассеянии во все стороны и видит упругость. «Сила упругости состоит в стремлении воздуха распространиться во все стороны».
Надо, однако объяснить, почему атомы при взаимодействии отскакивают друг от друга. Причина этому, согласно Ломоносову, тепловое движение: «Взаимодействие атомов воздуха обусловлено только теплотою». А так как теплота состоит во вращательном движении частиц, то для объя снения их отталкивания достаточно рассмотреть, что произойдет, когда соприкасаются две вращающиеся шарообразные шероховатые частицы. Ломоносов показывает, что они оттолкнутся друг от друга, и иллюстрируют это хорошо известным ему с детских Лет примером отскакивания волчков («кубарей»), которые пускают мальчики на льду. Когда такие вращающиеся волчки соприкасаются, они отскакивают друг от друга на значительные расстояния. Таким образом, упругие столкновения атомов, по Ломоносову, обусловлены взаимодействием их вращательных моментов. Вот для чего ему понадобилась гипотеза теплового вращательного движения частиц! Тем самым Ломоносов полностью обосновал модель упругого газа, состоящего из хаотически движущихся и соударяющихся частиц.
Эта модель позволила Ломоносову не только объяснить закон Бойля — Мариотта, но и предсказать отступления от него при больших сжатиях. Объяснение закона и отступлений от него дано Ломоносовым в труде «Прибавление к размышлениям об упругости воздуха», напечатанном в том же томе «Новых Комментариев» Петербургской Академии наук, в котором были напечатаны и две предыдущие работы. В работах Ломоносова встречаются и неверные утверждения, вполне объясняемые уровнем знаний того времени. Но не они определяют значение работ ученого. Нельзя не восхищаться смелостью и глубиной научной мысли Ломоносова, создавшего в младенческую пору науки о теплоте мощную теоретическую концепцию, далеко опередившую эпоху. Современники не пошли по пути Ломоносова, в теории теплоты, как было сказано, воцарился теплород, физическое мышление XVIII столетия требовало различных субстанций: тепловых, световых, электрических, магнитных. Обычно в этом усматривается метафизический характер мышления естествоиспытателей XVIII в., некоторая его реакционность. Но почему же оно стало таким? Думается, что причина этого кроется в прогрессе точного естествознания. В XVIII в. научились измерять теплоту, свет, электричество, магнетизм. Для всех этих агентов были найдены меры, так же как они были найдены давным-давно для обычных масс и объемов. Этот факт сближал невесомые агенты с обычными массами и жидкостями, вынуждал рассматривать их как аналог обычных жидкостей. Концепция «невесомых» была необходимым этапом в развитии физики, она позволила глубже проникнуть в мир тепловых, электрических и магнитных явлений. Она способствовала развитию точного эксперимента, накоплению многочисленных фактов и их первичной интерпретации.
Температурные шкалы. Существует несколько градуированных температурных шкал и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды. Сейчас самой распространенной в мире является шкала Цельсия. В 1742 шведский астроном Андерс Цельсий предложил 100-градусную шкалу термометра в которой за 0 градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении а за 100 градусов — температура таяния льда. Деление шкалы составляет 1/100 этой разницы. Когда стали использовать термометры оказалось удобнее поменять местами 0 и 100 градусов. Возможно в этом участвовал Карл Линней (он преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете где Цельсий — астрономию) который еще в 1838 году предложил за 0 температуры принять температуру плавления льда но похоже не додумался до второй реперной точки. К настоящему времени шкала Цельсия несколько изменилась: за 0°C по-прежнему принята температура таяния льда при нормальном давлении которая от давления не очень зависит. Зато температура кипения воды при атмосферном давлении теперь равна 99 975°C что не отражается на точности измерения практически всех термометров кроме специальных прецизионных. Известны также температурные шкалы Фаренгейта Кельвина Реомюра и др. Температурная шкала Фаренгейта (во втором варианте принятом с 1714 г.) имеет три фиксированные точки: 0° соответствовал температуре смеси воды льда и нашатыря 96° – температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение 32° для точки таяния льда. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных странах но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры по Цельсию (°С) в температуру по Фаренгейту (°F) существует формула °F = (9/5)°C + 32 а для обратного перевода – формула °C = (5/9)(°F-32). Обе шкалы – как Фаренгейта так и Цельсия – весьма неудобны при проведении экспериментов в условиях когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному нулю – точке в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них называется шкалой Ранкина а другая – абсолютной термодинамической шкалой; температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (°Rа) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля а точка замерзания воды соответствует 491 7° R и 273 16 K. Число градусов и кельвинов между точками замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково но равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273 16 а градусы Фаренгейта – в градусы Ранкина по формуле °R = °F + 459 7. в Европе долгое время была распространена шкала Реомюра введённая в 1730 г Рене Антуаном де Реомюром. Она построена не произвольным образом как шкала Фаренгейта а в соответствии с тепловым расширением спирта (в отношении 1000:1080). 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R) и кипения воды (80°R) т. е. 1°R = 1.25°С 1°C = 0.8°R. но в настоящее время вышла из употребления.
29 марта 1561 родился итальянский врач Санторио — один из изобретателей первого ртутного термометра, аппарата, который был новшеством для того времени и без которого и сегодня не обходится ни один человек.
Санторио был не только врачом, но и анатомом, и физиологом. Он работал в Польше, Венгрии и Хорватии, активно изучал процесс дыхания, «невидимые испарения» с поверхности кожи, проводил исследования в области обмена веществ человека. Опыты Санторио проводил на себе и, изучая особенности человеческого организма, создал множество измерительных приборов — прибор для измерения силы пульсации артерий, весы для наблюдения за изменениями массы человека и — первый ртутный термометр.
Три изобретателя
Сказать сегодня, кто же именно создал термометр — довольно сложно. Изобретение термометра приписывают сразу многим учёным — Галилею, Санторио, лорду Бэкону, Роберту Фладду, Скарпи, Корнелию Дреббелю, Порте и Саломону де Каус. Это обусловлено тем, что многие учёные одновременно работали над созданием аппарата, который бы помог измерить температуру воздуха, почвы, воды, человека.
В собственных сочинениях Галилея нет описания этого прибора, но его ученики засвидетельствовали, что в 1597 году он создал термоскоп — аппарат для поднятия воды при помощи нагревания. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной к нему стеклянной трубкой. Разница между термоскопом и современным термометром в том, что в изобретении Галилея вместо ртути расширялся воздух. Также по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него ещё не было.
Санторио из Падуанского университета создал своё устройство, при помощи которого можно было измерять температуру человеческого тела, но прибор являлся столь громоздким, что его устанавливали во дворе дома. Изобретение Санторио имело форму шара и продолговатую извилистую трубку, на которой были нарисованы деления, свободный конец трубки заполняли подкрашенной жидкостью. Его изобретение датировано 1626 годом.
В 1657 году флорентийские учёные усовершенствовали термоскоп Галилео, в частности снабдив прибор шкалой из бусин.
Позже учёные пытались усовершенствовать прибор, но все термометры были воздушные, и их показания зависели не только от изменения температуры тела, но и от атмосферного давления.
Первые термометры с жидкостью были описаны в 1667 году, но они лопались, если вода замерзала, поэтому для их создания начали использовать винный спирт. Изобретение термометра, данные которого не обусловливались бы перепадами атмосферного давления, произошло благодаря экспериментам физика Эванджелиста Торричелли, ученика Галилея. В результате термометр наполнили ртутью, перевернули, добавили в шар подкрашенный спирт и запаяли верхний конец трубки.
Единая шкала и ртуть
Долгое время учёные не могли найти исходные точки, расстояние между которыми можно было бы разделить равномерно.
Как исходные данные для шкалы предлагались точки оттаивания льда и растопленного сливочного масла, температура кипения воды и некие абстрактные понятия вроде «значительная степень холода».
Термометр современной формы, наиболее пригодной для бытового применения, с точной шкалой измерения создал немецкий физик Габриэль Фаренгейт. Он описал свой способ создания термометра в 1723 году. Изначально Фаренгейт создал два спиртовых термометра, но потом физик принял решение применить в термометре ртуть. Шкала Фаренгейта базировалась на трёх установленных точках:
первая точка равнялась нулю градусов — это температура состава воды, льда и нашатыря;
вторая, обозначенная как 32 градуса, — это температура смеси воды и льда;
третья — температура кипения воды, равнялась 212 градусам.
Позже шкала была названа в честь своего создателя.
Справка
Сегодня самой распространенной является шкала Цельсия, шкалой Фаренгейта по сей день пользуются в США и Англии, а шкала Кельвина используется в научных исследованиях.
Но окончательно установил обе постоянные точки — тающего льда и кипящей воды — шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий в 1742 году. Он поделил расстояние между точками на 100 интервалов, цифрой 100 была отмечена точка таяния льда, а 0 — точка кипения воды.
Сегодня шкала Цельсия используется в перевёрнутом виде, то есть за 0° стали принимать температуру плавления льда, а за 100° — кипения воды.
По одной из версий, шкалу «перевернули» современники и соотечественники, ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер, уже после смерти Цельсия, но по другой — Цельсий сам перевернул свою шкалу по совету Штремера.
В 1848 году английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, где точкой отсчёта служит значение абсолютного нуля: -273,15 °С — при этой температуре уже невозможно дальнейшее охлаждение тел.
Уже в середине XVIII века термометры стали предметом торговли, и изготавливались они ремесленниками, но в медицину термометры пришли гораздо позже, в середине XIX века.
Современные термометры
Если в XVIII веке был «бум» открытий в области систем измерения температуры, то сегодня всё активнее ведутся работы по созданию способов измерения температуры.
Область применения термометров крайне широка и имеет особое значение для современной жизни человека. Термометр за окном сообщает о температуре на улице, термометр в холодильнике помогает контролировать качество хранения продуктов, термометр в духовке позволяет поддерживать температуру при выпекании, а градусник — измеряет температуру тела и помогает оценить причины плохого самочувствия.
Градусник — самый распространённый вид термометра, и именно его можно найти в каждом доме. Однако ртутные градусники, бывшие когда-то ярким открытием учёных, сегодня постепенно уходят в прошлое как небезопасные. Ртутные градусники содержат 2 грамма ртути и обладают самой высокой точностью определения температуры, но нужно не только правильно с ними обращаться, но и знать, что делать, если градусник вдруг разобьётся.
На замену ртутным градусникам приходят электронные или цифровые термометры, которые работают на основе встроенного металлического датчика. Также есть специальные термополоски и инфракрасные градусники.
3. Найти вес тела P = ρgV
4. Определить давление, оказываемое телом на горизонтальную поверхность P = , где F=P
Экспериментальная работа № 12
Тема: «Исследование зависимости показаний термометра от внешних условий».
Цель: исследуйте зависимость показаний термометра в зависимости от внешних условий: падают ли на термометр солнечные лучи или он находится в тени, на какой подложке лежит термометр, какого цвета экран закрывает термометр от солнечных лучей.
Задачи:
Воспитательные: воспитание аккуратности, умения работать в коллективе ;
Оборудование: настольная лампа, термометр, листы белой и черной бумаги.
Какова температура воздуха в комнате и на улице интересует людей каждый день. Термометр для измерения температуры воздуха есть практически в каждом доме, но далеко не всякий человек умеет правильно им пользоваться. Во-первых, многие не понимают самой задачи измерения температуры воздуха. Это непонимание особенно обнаруживается в жаркие летние дни. Когда метеорологи сообщают, что температура воздуха в тени достигала 32°С, то многие люди «уточняют» примерно так: «А на солнце столбик термометра уходил за отметку 50°С!» Имеют ли смысл такие уточнения? Для ответа на этот вопрос выполните следующее экспериментальное исследование и сделайте свои выводы.
Ход работы:
Опыт 1. Измерьте температуру воздуха «на солнце» и «в тени». В качестве «Солнца» используйте настольную лампу.
Первый раз расположите термометр на расстоянии 15-20 см от лампы на столе, второй раз, не изменяя расположения лампы относительно термометра, создайте «тень» листом бумаги, расположив его вблизи лампы. Запишите показания термометров.
Опыт 2. Выполните измерения температуры «на солнце» при условиях использования сначала темной, затем светлой подложки под термометром. Для этого первый раз положите термометр на лист белой бумаги, второй раз на лист черной бумаги. Запишите показания термометров.
Опыт 3. Выполните измерения «в тени», закрыв свет от лампы листом белой бумаги, положенным прямо на термометр. Запишите показания термометра. Повторите опыт, заменив белую бумагу черной бумагой.
Обдумайте результаты выполненных опытов и сделайте выводы, где и как нужно укрепить за окном термометр для измерения температуры воздуха на улице?
Серия опытов при правильном выполнении дает следующие результаты.
Опыт 1 показывает, что показания термометра “на солнце” заметно выше его показаний “в тени”. Этот факт должен получить следующее объяснение. При отсутствии солнечного освещения температуры воздуха и стола одинаковы. В результате теплообмена со столом и воздухом термометр приходит в тепловое равновесие с ними и показывает температуру воздуха.
Когда «солнце» не закрыто листом бумаги, под действием поглощаемого излучения “солнца” температура стола повышается, а прозрачный воздух этим излучением почти не нагревается. Термометр с одной стороны осуществляет теплообмен с поверхностью стола, а с другой стороны — с воздухом. В результате его температура оказывается выше температуры воздуха, но ниже температуры поверхности стола. Каков же тогда смысл показаний термометра “на солнце”?
Упорный любитель измерений температуры воздуха “на солнце” может на это возразить, что его не интересует температура воздуха “в тени”, когда сам он находится “на солнце”. Пусть это будет не температура воздуха, просто показания термометра “на солнце”, но именно они его и интересуют. В этом случае ему пригодятся результаты опыта 2.
Опыт 2 показывает, что на белой хорошо отражающей свет бумаге, показания термометра значительно меньше, чем на черной, хорошо поглощающей световое излучение и сильнее нагревающейся. Следовательно, на вопрос о показаниях термометра “на солнце” нет однозначного ответа. Результат будет сильно зависеть от цвета подложки под термометром, цвета и структуры поверхности баллона термометра, наличия или отсутствия ветра.
Температура воздуха на улице при измерениях вдали от нагретых солнечным излучением предметов и при исключении прямого воздействия излучения на термометр одинакова “на солнце“ и “в тени”, это просто температура воздуха. Но измерять ее следует действительно только “в тени”.
Но создание «тени» для термометра в солнечный день тоже не простая задача. В этом убеждают результаты опыта 3. Они показывают, что при близком расположении экрана от термометра нагревание экрана солнечным излучением будет приводить к существенным ошибкам при измерении температуры воздуха в солнечный день. Завышение температуры будет особенно большим при темной окраске экрана, так как такой экран поглощает почти всю энергию падающего на него солнечного излучения, и значительно меньшей при белой окраске экрана, так как такой экран отражает почти всю энергию падающего на него солнечного излучения.
После выполнения такого экспериментального исследования нужно обсудить практически важный вопрос: как же на практике нужно измерять температуру воздуха на улице? Ответ на этот вопрос может быть примерно таким. Если в квартире есть окно, выходящее на север, то именно за этим окном и нужно укрепить уличный термометр. Если же такого окна в квартире нет, термометр должен быть помещен возможно дальше от нагреваемых солнцем стен, напротив слабо нагреваемых оконных стекол. Баллон термометра должен быть защищен от нагревания солнечным излучением. Результаты опыта 3 показывают, что при попытке защиты термометра от солнечного излучения экран сам нагревается и нагревает термометр. Так как белый экран нагревается меньше, защитный экран должен быть светлым, располагать его следует в достаточном удалении от термометра.
Аналогичное можно быть исследовать зависимость показаний комнатного термометра от места его расположения. Результатом выполнения домашнего задания должно быть установление того факта, что показания комнатного термометра зависят от места его расположения в комнате. Если нас интересует температура воздуха в комнате, то нужно исключить влияние на него нагретых тел и солнечного излучения. На термометр не должен падать прямой солнечный свет, нельзя располагать термометр вблизи нагревательных и осветительных приборов. Не следует вешать термометр на внешнюю стену комнаты, которая летом имеет повышенную, а зимой пониженную температуру относительно температуры воздуха в комнате.
Экспериментальная работа № 13
Тема: «Определение процентного содержания снега в воде».
Цель: Определить процентное содержание снега в воде.
Задачи:
Образовательные: формирование умения сочетать знания и практических навыков;
Развивающие: развитие логическое мышление, познавательного интереса.
Оборудование: калориметр, термометр, мензурка, сосуд с комнатной водой, смесь снега с водой, калориметрическое тело.
Первый вариант
Ход работы:
1.В калориметр со смесью наливают столько воды, чтобы весь снег растаял. Температура получившейся воды была равна t=0.
2.Запишем уравнение теплового баланса для этого случая:
m1 =сm3(t2-t1), где с — удельная теплоемкость воды, — удельная теплота плавления льда, m1 – масса снега, m2-масса воды в снеге, m3-масса влитой воды, t-температура влитой воды.
Отсюда =
Искомое процентное отношение =;
3.Величину m1 + m2 можно определить, перелив всю воду из калориметра в измерительный цилиндр и измерив полную массу воды m. Так как m= m1 + m2 + m3, то
m1 + m2 = m — m3. Следовательно,
=
Второй вариант
Оборудование: калориметр, термометр, весы и разновес, стакан с теплой водой, комок мокрого снега, калориметрическое тело.
Ход работы:
1.Взвесим пустой калориметр, а затем калориметр с комком мокрого снега. По разности определим массу комка мокрого снега (m).
В комке содержится *х граммов воды и *(100 — х) граммов снега, где х-процентное содержание воды в комке.
Температура мокрого снега 0.
2.Теперь добавляем в калориметр с комком мокрого снега столько теплой воды (mв), чтобы весь снег растаял, предварительно замерив температуру теплой воды (to).
3.Взвешиваем калориметр с водой и растаявшим снегом и по разности весов определим массу долитой теплой воды(mв).
4.Замеряем термометром конечную температуру (toсм.).
5.Запишем уравнение теплового баланса:
cmв t = *(100 — х) + с(m+ mв) toсм.,
Где с — удельная теплоемкость воды-4200Дж/кг, — удельная теплота плавления снега
3,3 *105 Дж/кг.
6.Из полученного уравнения выражаем
X=100 —
Экспериментальная работа № 14
Тема: «Определение теплоты плавления льда».
Цель: определить теплоту плавления льда.
Задачи:
Образовательные: формирование умения сочетать знания и практических навыков;
Воспитательные: воспитание аккуратности, умения работать в коллективе;
Развивающие: развитие логическое мышление, познавательного интереса.
Оборудование: термометр, вода, лед, мерный цилиндр.
Ход работы:
1.В пустой сосуд положите кусок льда и налейте в него из измерительного цилиндра столько воды, чтобы весь лед растаял.
2.В этом случае уравнение теплового баланса запишется просто:
Ст1 (t1 — t2) = т2
где т2 — масса льда, тх — масса налитой воды, tx — начальная температура воды, t2 — конечная температура воды, равная О °С, К — удельная теплота плавления льда. Из приведенного уравнения находим:
3. Массу льда можно определить, слив полученную воду в измерительный цилиндр и измерив общую массу воды и льда:
М = + т2 = ρаодь, Vобщ.
Так как т2 = М — m1, то
Экспериментальная работа № 15
Цель : используя предложенное оборудование и таблицу зависимости давления насыщенного пара от температуры, определить абсолютную и относительную влажность воздуха в комнате.
Задачи:
Образовательные: формирование умения сочетать знания и практических навыков;
Воспитательные: воспитание аккуратности, умения работать в коллективе;
Развивающие: развитие логическое мышление, познавательного интереса.
Оборудование : стакан, термометр, лед, вода.
Ход работы:
1.Абсолютную влажность воздуха проще всего определить по точке росы. Для измерения точки росы нужно сначала измерить температуру t1воздуха. Затем взять обычный стеклянный стакан, налить в него немного воды при комнатной температуре и поместить в воду термометр.
2.В другом сосуде нужно приготовить смесь воды со льдом и из этого сосуда добавлять понемногу холодную воду в стакан с водой и термометром до тех пор, пока на стенках стакана не появится роса. Смотреть нужно на стенку стакана напротив уровня воды в стакане. При достижении точки росы стенка стакана ниже уровня воды становится матовой из-за множества мелких капелек росы, сконденсировавшихся на стекле. В этот момент нужно снять показания t2 термометра.
3.По значению температуры t2 — точке росы — можно определить по таблице плотность ρ насыщенного пара при температуре t2. Это будет абсолютная влажность атмосферного воздуха. Затем можно найти по таблице значение плотности r0 насыщенного пара при температуре t1. По найденным значениям плотности r насыщенного пара при температуре t2 и плотности ρ0 насыщенного пара при комнатной температуре t1 определяется относительная влажность воздуха j.
Погрешности средств измерений
Предел измерения | Цена деления | Инструментальная погрешность | ||
Линейка ученическая | ||||
Линейка чертёжная | ||||
Линейка инструментальная | ||||
Линейка демонстрационная | ||||
Лента измерительная | ||||
Мензурка | ||||
Весы учебные | ||||
Комплект гирь Г-4-211. 10 | ||||
Гири лабораторные | ||||
Штангенциркуль школьный | ||||
Микрометр | ||||
Динамометр учебный | ||||
Секундомер электронный KARSER | ±0,01 с (0,2 с с учётом субъективной погрешности). | |||
Барометр-анероид | 780 мм. рт. ст. | 1 мм. рт. ст. | ±3 мм. рт. ст. | |
Термометр лабораторный | ||||
Манометр открытый демонстрационный |
Плотность жидкостей, металлов и сплавов, твёрдых веществ и материалов.
Задача про четыре стакана / Хабр
В комментариях к моему
посту, одним из пользователей был задан интересный
вопрос. Суть его такова: Имеем 4 стакана, с одинаковым объемом воды. 2 из них с горячей, 2 — с холодной. Смешиваем стаканы с горячей и холодной водой. Ждем 10 мин и смешиваем оставшиеся. Вопрос: в какой смеси вода будет горячее?
Нагрев и остывание подчиняются закону
Ньютона-Рихмана, решение уравнений которого имеет вид:
— температура окружающей среды;
— начальная температура;
— время;
— коэффициент, описанный ниже;
Давайте детально исследуем эту формулу:
Теперь несколько слов о коэффициенте
:
— коэффициент теплоотдачи, зависящий от многих факторов, получаемый экспериментально.
— площадь границы раздела;
— масса;
— удельная теплоемкость тела;
Если с (площадь соприкосновения воды и стенок сосуда), удельной теплоемкостью и массой все понятно, то с коэффициентом теплоотдачи все не так очевидно. Он показывает, сколько джоулей за секунду уйдет через метр квадратный границы раздела, при разности температур в 1 Кельвин. К счастью, в нашем случае, не важно знание абсолютного значения этого коэффициента.
Какой станет итоговая температура воды после смешивания? Как бы банально это не звучало, но для нашего случая (смешиваем равное количество воды):
— температура горячей (Hot) воды;
— температура холодной (Cold) воды;
— температура смеси;
Количество выделенной или поглощенной энергии системы, c изменением ее температуры, связаны простым отношением:
Горячая вода, охлаждаясь до
отдаст такое же количество энергии, сколько заберет холодная, нагреваясь до той же температуры. Поэтому можем записать:
Температура этих стаканов изменяется по экспоненциальному закону и через время
станет:
Далее смешиваем и получаем:
Смешиваем:
И через
получаем:
Казалось бы разницы нет, но…
Наш цилиндрический стакан с точки зрения потерь тепла, можно разбить на три зоны: дно (bottom), верхняя часть (top) и боковые стенки (sidewall). Поэтому и коэффициент
можно записать как сумму:
, где
, ,
Если стакан рассматривать как цилиндр с радиусом и высотой , то:
, а
Можем записать:
Так вот, для случая 1 и 3, при смешивании, масса и высота столба воды удваиваются:
А вот к случаю 2 и 4 это не имеет никакого отношения, так как остывают (нагреваются) они по-одиночке, и после смешивания, дальнейшее изменение температуры нас абсолютно не волнует.
Если рассматривать
и
можно сделать вывод что
всегда будет меньше чем
, а поэтому, если вспомнить что коэффициент определяет скорость изменения температуры, она, в случае 1 и 3 будет меньше.
Подвох состоит в значении относительно температуры окружающей среды. Если это значение будет выше, то остывание смеси 1+3 будет медленее чем 2+4 и, как итог, температура первой — выше. Однако, если подстроить эксперимент таким образом, что среднее температур будет ниже окружающей — «горячее» будет смесь 2+4, так как она нагревается быстрее.
ИнтересненькоеНа самом деле, данная статья очень наглядный пример того, что к практике без теории подходить нельзя. И этот абзац содержит выводы куда важнее приведенных выше. Не знание того факта, что результат зависит, помимо прочего, и от температуры окружающей среды, приведет к неправильной интерпретации последних. Вы только представьте, два друга ставят эксперимент, холодная вода 5 градусов, горячая 60. Но у одного из них дома 25, а у другого 40. Результаты будут противоречивыми. А если у них еще и стаканы разные или действия не синхронны… Но гораздо хуже, ложно утверждать о единственно верном исходе эксперимента, в случае, если результаты одинаковы (ввиду того что горячая вода чаще всего «горячее» чем холодная «холоднее» относительно комнатной температуры). Также, всегда следует хотя бы приблизительно оценить выходные величины. Если, к примеру, разница в температурах, количественно составит 0.5 градуса, то глупо мерить ее комнатным термометром, с погрешностью в 2 градуса. Стоит упомянуть о том, что закон Ньютона-Рихмана справедлив лишь в том случае, если в воде тепло распространяется гораздо легче, чем через стенки стакана. Вдобавок коэффициент теплопроводности, как и удельная теплоемкость, может зависеть от температуры. Ну и выводы наши для цилиндрического стакана, и другая геометрия внесет свои коррективы.
Британские физики впервые получили квантовую спутанность двух алмазов — Российская газета
Ученым впервые удалось дистанционно связать между собой два алмаза, находящиеся в загадочном состоянии, которое называется квантовой спутанностью. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Science. Ранее такое состояние наблюдали на уровне квантовых частиц.
Спутанность наблюдается, когда один объект соединяется с другим, несмотря на значительное расстояние между ними: тогда воздействие, оказываемое на один объект, влияет и на другой. Известно, что состояние спутанности может существовать между частицами, которые входят в состав атома. Предсказано оно было квантовой механикой, описывающей сверхмалые объекты. Теперь же физикам из Оксфорда и Сингапурского университета удалось «запутать» два макроскопических алмаза, показав тем самым, что эффекты квантовой механики не ограничены миром субатомных частиц.
«Я думаю, что важно перейти на новый уровень мышления о квантовых явлениях», — говорит руководитель исследовательской группы в Оксфордском университете (Великобритания) физик Иэн Уалмсли. «Иными словами, речь идет об уровне более крупного мира, о комнатных температурах, условиях среды. Конечно, ожидалось, что такое явление существует, но вот наблюдать его воочию — мы думаем, что это удивительно», — комментирует ученый полученный группой результат.
Физикам удалось ввести объекты в состояние спутанности с помощью колебаний, передаваемых двум алмазам через одновременно направляемых на них лазерные импульсы. Импульсы заставили вибрировать фононы в двух 3-миллиметровых кристаллах, расположенных на расстоянии 15 сантиметров друг от друга. Исследователи наблюдали когерентное взаимодействие около 1016 атомов. Они занимают в кристалле область 0,05 миллиметра шириной и 0,25 миллиметра длиной, то есть такое движение теоретически можно увидеть невооруженным глазом.
Эксперимент повторяет мысленный опыт Шредингера с котами
Другим исследователям ранее удавалось показать спутанность макроскопических объектов, но тогда для этого требовалось создать особые условия, в частности, охладить объекты до криогенных температур. В новом исследовании алмазы были большими по размеру, но никаких специальных манипуляций с ними не проводилось, говорят ученые. «У них такой размер, что их можно видеть невооруженным глазом», — говорит Уалмсли. «Они просто лежат на столе, ничего не мешает их наблюдать. Лаборатория не холодная и не горячая, в ней обычная комнатная температура».
Новое исследование является последним из серии экспериментов, показавших, что квантовая механика напрямую соотносима с реальным миром и макроскопическими системами, резюмирует Scientific American. Не участвовавший в эксперименте оксфордский физик Влатко Ведрал рассказал изданию, что оно «прекрасным образом иллюстрирует» знаменитый мысленный эксперимент австрийского физика Эрвина Шредингера, в котором кот был одновременно живым и мертвым. «Не может быть, чтобы спутанность существовала на микроуровне (к примеру, на уровне фотонов), но не существовала на макроуровне (уровне алмазов)», ведь миры эти связаны между собой, сообщил ученый изданию. «Шредингер использовал атомы вместо фотонов и котов вместо алмазов, но смысл экспериментов тот же».
Маловероятно, что нынешнее достижение найдет практическое применение в ближайшее время. Слишком уж короткое время держится квантовая спутанность кристаллов (менее 0,35 пикосекунды), отмечают «Вести». Но Уолмсли настроен оптимистично: «Алмазы вполне могут стать основой производительной технологии для обработки квантовой информации. Свойства этих кристаллов позволяют построить с их помощью оптические микросхемы», — говорит он.
Презентация по физике 10 класс «Температура.
Тепловое равновесие. Определение температуры.»Температура. Тепловое равновесие. Определение температуры.
10 класс
Простейшей моделью молекулярно-кинетической теории является модель идеального газа.
Задача молекулярно-кинетической теории состоит в том, чтобы установить связь между микроскопическими (масса, скорость, кинетическая энергия молекул) и макроскопическими параметрами (давление, объем, температура).
Макроскопические параметры – величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета молекулярного строения тел.
V, p, t
Температура характеризует степень нагретости тела (холодное, теплое, горячее).
Любое макроскопическое тело или система макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.
Тепловое равновесие – состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.
V, p, t – const
t 2 t 1 2 E E 1 тело t 1 2 тело t 2 2 тело t 2 1 тело t 1 теплообмен теплообмен t 1 = t 2 2 тело t 2 1 тело t 1 тепловое равновесие «Все тела, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
t 1 t 2
t 1 2
E
E
1 тело
t 1
2 тело
t 2
2 тело
t 2
1 тело
t 1
теплообмен
теплообмен
t 1 = t 2
2 тело
t 2
1 тело
t 1
тепловое равновесие
Для измерения температуры был создан термометр.
- В 1597 г. Галилео Галилей придумал первый прибор для наблюдений за изменением температуры (термоскоп)
- В 1657 г. термоскоп Галилея был усовершенствован флорентийскими учёными.
- Постоянные точки термометра
были установлены в 18 веке.
- В 1714 г. голландский учёный
Д. Фаренгейт изготовил ртутный термометр.
- В 1730 г. французский физик
Р. Реомюр предложил спиртовой термометр.
- В 1848 г. английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур.
Р. Реомюр
лорд Кельвин
Любопытно, что
… на самом деле шведский астроном и физик Цельсий предложил шкалу, в которой точка кипения воды была обозначена числом 0 , а точка плавления льда – числом 100. Несколько позднее шкале Цельсия придал современный вид его соотечественник Штрёмер .
Абсолютный нуль температуры – предельная температура, при которой давление газа обращается в нуль при V – const или объем идеального газа стремится к нулю при p – const.
«Это самая низкая температура в природе, та наибольшая или последняя степень холода»
М.В.Ломоносов
Абсолютная шкала температур – шкала Кельвина.
Т – термодинамическая температура.
[ Т ] = К (кельвин)
Точка кипения воды
Средняя комнатная температура
Точка таяния льда
Самая низкая температура, Антарктида1983 год
Постоянная Больцмана
Постоянная Больцмана связывает температуру Q в энергетических единицах с температурой Т в кельвинах.
k = 1 ,38 · 10 -23 Дж/К
Людвиг Больцман
(1844 – 1906)
Температура – мера средней кинетической энергии молекул.
Средняя кинетическая
энергия хаотического поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.
Зависимость давления газа от концентрации его молекул и температуры.
Мистика твердого тела
Если систему очень плотно контролировать, она перестает двигаться. Интервью с профессором Сколтеха Борисом Файном
Когда мы рассуждаем об идеалах, беспорядках или щах, в самом деле мы так или иначе говорим о динамической термализации, квантовой декогерентности, хаосе и, может быть, эффекте Зенона. Просто чтобы осознать это, надо поговорить с ученым человеком. Например, с профессором Сколтеха Борисом Файном, заведующим лабораторией физики сложных квантовых систем МФТИ.
Борис Файн — один из ведущих современных специалистов в физике твердого тела, который изучает проблемы сверхпроводимости и хаоса.
В ходе этой беседы нам удалось не просто сравнить поведение человека и атома, попытаться понять, чем большое отличается от малого, а также выяснить, как хаос помогает развитию. Мы почти добрались до главного — магии повседневности, за которую бьется не только физика твердого тела, но и вообще любое тело, так или иначе появившееся на свет.
— Наука для меня, гуманитария, это не область непонятных мне знаний, а своего рода тайная запись в конечном итоге вполне понятных вещей. Поэтому мне, прежде всего, интересно само по себе желание вести такую запись. Скажите — как человек становится ученым? Как это случилось, например, с вами?
— Ух ты. Наверное, постепенно. Для этого, видимо, важно иметь помимо всяких интеллектуальных способностей такую, знаете, природную любознательность. Что-то должно быть просто интересно. Были вещи, которые мне были интересны, когда я был школьником, и многие из тех вещей интересны мне до сих пор.
Вообще, в школе я больше интересовался математикой, физикой я занялся потом. Люди осознают себя физиками в более сознательном возрасте. Так вот в математике меня тогда очень интересовал вопрос, можно ли автоматизировать доказательство геометрических задач.
Наверное, у меня были какие-то разумные математические способности. Родители у меня инженеры, дедушка был преподавателем математики в техникуме. В семье взрослые считали, что математика — важная наука, наверное, это передается детям.
Я помню, мне нравилось решать трудные задачи, и чем труднее, тем лучше. В школе выдавали учебники на следующий год.
Я получал учебник, приходил домой, лез в конец, смотрел, какие там задачи повышенной сложности и сразу начинал их решать.
Сейчас я понимаю, что далеко не у каждого есть такой вот естественный интерес к чему-то сложному. А у меня он был, и так получилось, что я стал ученым.
— А как вы поняли, что ваше дело — физика, тем более физика твердого тела?
— Когда я перешел в МФТИ, то попал в группу при институте Капицы (Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН. — Ред.). Это было не вполне осознанное решение, были случайные стечения обстоятельств, но я сразу проникся этой комбинацией сложности и — что особенно важно в физике твердого тела — связью с экспериментом.
Я понял, что физика — это не абстракция.
Конечно, важна была еще и фундаментальность задач. Ведь вопросы, которые тогда решала физика твердого тела, наверное, не сильно отличаются от того, что она решает сейчас. Главные проблемы не решены до сих пор. Может быть, меняется стиль научной работы. Раньше ее можно было бы отнести к стилю классицизма, сейчас в научной работе появляются такие элементы барокко — всякие украшения, все должно быть теперь в физике ярко. Но за этой яркостью все равно стоят глубокие задачи, над которыми думают серьезные люди.
— Вы могли бы перечислить хотя бы несколько таких задач?
— Область, которой я до сих пор занимаюсь, называется «высокотемпературная сверхпроводимость». Она была открыта в 1986 году, в 1987 году за нее дали Нобелевскую премию, но мы до сих пор не понимаем механизм этого явления. Многие этим занимались, часто провозглашались прорывы, но впечатление было ошибочным. Явление сложное, система, в которой оно наблюдается, тоже сложная.
Наука понимает здесь один предел, понимает другой предел, а само явление тем временем — в середине.
Другая тема, которой я занимаюсь, связана с хаосом, она еще называется «динамическая термализация». Хаос мне тут интересен не сам по себе, а как он приводит к наблюдаемым свойствам систем, в которых много частиц. Это тоже очень старая история, которая до сих пор остается популярной, — люди взрослые поняли, что вот они выросли, выучились, чего-то добились, но все равно чего-то тут они не понимают.
— Вы должны простить мне, что я не имею специального образования, чтобы хорошо понять то, о чем вы говорите, поэтому рассуждаю как простолюдин. Вот сверхпроводимость при высоких температурах…
— Тут надо пояснить, что такое высокие температуры. Они высокие по сравнению с абсолютным нулем. Если говорить в цельсиях, то это где-то минус 200 градусов. Но эта температура, она много больше, чем температура так называемых обычных сверхпроводников. Она порядка 100 градусов по Кельвину, а обычная сверхпроводимость — где-то в промежутке от 1 до 10 градусов по Кельвину. И в чем тут интерес? 100 по Кельвину ведь немногим меньше, чем, например, 300 по Кельвину. А 300 по Кельвину — это комнатная температура. Поэтому многие, кто над этим думает, понимают: нет никаких фундаментальных причин, почему нечто сверхпроводит при 100 по Кельвину и не сверхпроводит при 300. Так что одна из надежд физики — когда-нибудь открыть сверхпроводимость при комнатной температуре.
Открыть — значит предъявить вещество, в котором будет измерено, что оно сверхпроводит при 300 градусах по Кельвину.
— Я хотел спросить не об этом на самом деле. Это все сложные задачи, и вы сказали, что с самого детства любите решать именно такие. Но вот вопрос: а почему они в принципе возникают? Мир же по сути своей прост.
— Для школьников сложные задачи возникают потому, что их сочиняют какие-то взрослые дяди. И это один тип сложной задачи. Второй — когда сложные явления все-таки встречаются в природе самой по себе. Ну и бывает так, что люди придумывают сложные задачи, решают их, и потом это находят в природе.
Почему это возникает? С моей точки зрения, когда в чем-либо начинает участвовать большое число объектов, дело становится сложным. Это практически неизбежно. Был такой известный ученый, Нобелевский лауреат Фил Андерсон, умер совсем недавно, вот он в семидесятых годах написал очень влиятельную статью, которая называлась по-английски More is different. На русский это, наверное, переводится как «Больше — это по-другому».
Он выступал в этой статье против крайностей в понимании мира, против того, что, когда мы знаем, условно говоря, стандартную модель электрослабого взаимодействия или, например, то, как ведут себя кварки, — мы считаем, что можем описать весь мир. Нет. Андерсон указывал на факт, что химия не сводится к физике, биология не сводится к химии, физиология к биологии, психология к физиологии, социология к психологии и так далее.
То есть на каждом уровне познания возникают какие-то качественно новые явления, это и есть сложность.
И именно этот переход наиболее интересен, потому что многое в нем — полуэмпирическое, непонятное, неясное.
— Это что-то вроде теоремы Ферма, которую все без конца доказывают? Она же, насколько я знаю, самим-то Ферма никогда не была сформулирована в математическом виде. Он же ее где-то написал как мысль на полях чуть ли не театральной программки. Нет «Арифметики» Диофанта. Трагедия в том, что там содержится мысль, которую человечество до сих пор не может ни понять, ни смириться с ней, ни, главное, — за нее простить. Это мысль о том, что никакое целое не может быть суммой его частей, оно — само по себе. В этом отсутствии прощения — сложность?
— Так эта мысль может быть просто случайностью. Подумал человек о таком вопросе, сформулировал его, а потом другие не самые глупые люди подумали и поняли, что это не просто непонятно, а затрагивает пределы наших способностей. Вот поэтому эта тема и стала вдруг такой важной.
С моей, как физика, точки зрения, числа — это то, что среди прочего описывает реальный мир вокруг. И вот что такое числа, каковы свойства этих чисел — над этим тоже надо думать. Например, некоторые серьезные ученые, не очень сильно афишируя, сегодня пытаются думать про природу, как про некий компьютер.
Понимая, насколько сложно предсказать поведение многочастичных всяких систем, в частности хаотических, ученые начинают задавать себе вопрос: как природа вообще может быть вот таким супермощным компьютером? Или она внутри себя содержит какие-то фундаментальные законы, которые что-то и где-то на каком-то уровне упрощают. Но это все пока на уровне философских спекуляций, статьи на эту тему не пишут.
Эта тема скорее мотивирует писать статьи на другие актуальные для науки темы.
— Давайте тогда, как и природа, тоже что-нибудь упростим. Поговорим, например, про атомы. В одной из ваших лекций я слышал ваше рассуждение о том, что атом не осознает себя как атом, но ведет себя как атом. Почему? Почему он социализируется в кристаллическую решетку, например?
— Ну, знаете, есть граница нашего знания. Физика занимается тем, что пытается открывать и изучать законы природы. До какого-то уровня мы их знаем, а за пределами — мы их не знаем. Поэтому всегда можно задать вопрос «почему»? И на него нет ответа.
Но чем интересна физика — в ней очень важно, опираясь на уже открытые законы, делать предсказания.
То есть мы можем не знать, почему атомы так ведут себя, но можем предсказать, как они себя поведут.
— То есть при помощи законов физики, и в частности законов физики твердого тела, можно, например, предсказать поведение людей, если человека рассматривать как атом? Атом цивилизации, атом общества.
— Я уверен, что тут есть очень много общего. Каждый из нас, например, движется по какой-то своей случайной жизненной траектории, а в целом мы все вместе являемся обществом, у которого есть какая-то своя задача, цель существования. Физике твердого тела, кстати говоря, с этим феноменом жизни разобраться гораздо проще, поскольку она имеет дело с частицами, у которых относительно простые законы поведения. Но я уже говорил, что когда чего-то становится много, вступают в действие статистические законы, которые начинают доминировать над индивидуальным поведением.
— То есть у атомов все устроено примерно как у нас?
— Нет. У атомов все совсем по-другому. У них все по-другому настолько, что нормальный человек не может себе этого представить. У атомов — квантовое поведение. Вообще, до того, как была открыта квантовая механика, никто бы не мог себе даже вообразить, что за поведением атомов стоит столько абсурда и странностей. Один из важных тут аспектов — это то, что частицы могут быть одновременно в разных состояниях.
Вы, наверное, слышали о концепции кота Шредингера? Представьте себе комнату, в которой закрыт кот, и вы не знаете, живой он или мертвый. В чем же тут сюрприз? Но вот в том, что квантовые частицы действительно могут переходить из одного состояния в другое. Вот атом живой, потом мертвый, потом опять живой. Свойства микроскопических объектов, они вообще размыты, поскольку они одновременно находятся в разных состояниях. И это то, что меня привлекает в физике и привлекает многих. Это какая-то магия. В хорошем смысле этого слова.
Квантовое поведение завораживает. И важно понимать, что у такого поведения есть враг — это взаимодействие с другими частицами. На научном языке я это называю «квантовая декогорентность»: это когда частицы в результате взаимодействия начинают вести себя более привычно. И вот это как раз то, что надо описывать ученым.
— Тогда я хотел бы спросить вас о таком понятии, как «идеал». О некоей безукоризненности, которая составляет суть явления. Существует такое с точки зрения физики твердого тела?
— Вы знаете, в физике к идеальным явлениям относятся в рабочем порядке. Это стандартная концепция. Обычно дело обстоит так. Вот есть реальная система, мы ее до конца не понимаем, давайте мы предложим некую идеальную модель, идеальную систему и будем пытаться с ней разобраться. И физики надеются, что эта идеальная модель как-то сработает, сможет предсказать наблюдаемое в эксперименте. И пока она помогает, мы эту идеальную модель используем. Но мы всегда готовы эти идеалы низвергнуть.
И это опять же именно то, что мотивирует физиков, — отношение к идеалу как к понятию временному. Да, идеалы есть, они играют важную роль, потому что мышление легче организовывать именно вокруг идеальных конструкций. Но сила физики — в понимании уязвимости этих моделей.
— Давайте тогда перейдем к хаосу. В одной из ваших лекций я подслушал, что причины возникновения хаоса вы описываете как «малые изменения начальных условий»…
— Чувствительность к малым изменениям начальных условий.
— Точно. Что это означает?
— Ну это означает, что законы эволюции разных объектов (например, в физике это законы эволюции частиц) так устроены, что если вы начнете нечто с двух практически идентичных условий, а потом немножко подождете, то вы не поверите собственным глазам. Система начала с двух очень близких начальных условий, но почему-то пришла в два очень разных состояния, вычислить которые невозможно.
Это то, что называется хаосом. Но зато когда этот хаос происходит, многие вещи можно считать в среднем, судить о них как о толпе людей. То есть это такой своего рода парадокс: когда система становится хаотичной, она становится гораздо более предсказуемой, чем любая индивидуальная траектория.
Есть популярный пример в этой истории, он называется «эффект бабочки». Ученый Эдвард Лоренц сформулировал это примерно так:
бабочка на одном конце земли взмахнет крыльями, что-нибудь изменится, и в итоге на другом конце земли будет ураган.
Или если взять злободневный пример: откуда-то взялся коронавирус. Где-то произошло маленькое какое-то событие, и вот весь мир перешел в другое состояние. Но только надо сказать, что такое в хаотических системах бывает крайне редко. Обычно хаос приводит к количественным, то есть статистическим изменениям. Но так, чтобы это перешло в изменения качественные, — такое бывает чрезвычайно редко.
Тем не менее многие считают, и я в том числе, что хаотическое поведение — более типично для развития систем. Насколько оно типично, когда именно оно типично — вот это то, собственно, что люди сейчас изучают среди прочего. Ведь что важно знать про хаос — если пытаться его избегать, то систему нужно очень сильно контролировать.
Есть такой древнегреческий парадокс, парадокс стрелы Зенона. Он говорит нам: посмотрим на летящую стрелу. В каждый момент времени стрела находится в какой-то точке пространства и не движется. Если она не движется в любой момент времени, значит, она не движется вообще.
Это на самом деле глубокий вопрос, связанный с нашим пониманием движения, времени и так далее. Но благодаря ему существует физическая концепция, которая называется «эффект Зенона». Она состоит в том, что если квантовую механическую систему измерять, то она перестает эволюционировать. Это физическая формулировка, но и к жизни она вполне применима.
Если систему очень плотно контролировать, она перестает двигаться.
Просто потому, что, когда она действительно движется, некоторое количество хаоса неизбежно.
— Тогда вопрос, как ни странно, о мышлении как о хаосе. О способности к мышлению, о потребности в мышлении. Не получается ли так, что человек мыслящий обречен быть изгоем, обитателем сфер, недоступных, непонятных и даже опасных для большинства людей?
— Да.
— Да? Но тогда зачем?
— Ну… Знаете, когда я еще был ребенком, я знал вот это вот ощущение вызова. Вызова интеллектуального, который откуда-то берется. Может быть, этот вызов нам бросает природа. И какой-то человек пытается ответить на этот вызов. Кто-то ведь должен это сделать. В физике ты принимаешь этот вызов не только умозрительно — ты должен сам исследовать неизвестное и предсказывать результат эксперимента.
И если у тебя это получилось — это доказательство твоей правоты.
Источник: novayagazeta.ru
единиц СИ – температура | НИСТ
Кельвин (K) определяется путем принятия фиксированного числового значения постоянной Больцмана k равной 1,380 649 × 10 −23 при выражении в единицах JK −1 , что равно кг м 2 с −2 K −1 , где килограмм, метр и секунда определяются через h, c и ∆ν Cs . Температуру 0 К обычно называют «абсолютным нулем». В широко используемой температурной шкале Цельсия вода замерзает при 0°С, а кипит примерно при 100°С.Один градус Цельсия — это интервал в 1 К, а ноль градусов Цельсия — это 273,15 К. Интервал в один градус Цельсия соответствует интервалу в 1,8 градуса по Фаренгейту на шкале температур Фаренгейта.
Стандартная температура в тройной точке воды обеспечивается специальной ячейкой, вакуумированным стеклянным цилиндром, содержащим чистую воду. Когда ячейка охлаждается настолько, что вокруг возвращающегося колодца образуется ледяная мантия, температура на границе твердого тела, жидкости и пара становится равной 273.16 K. Калибруемые термометры помещают в входной колодец.
Преобразование температуры (точно) | ||||
От | В | по Фаренгейтупо шкале Цельсия | В Кельвин | |
---|---|---|---|---|
Фаренгейта (°F) | °F | (°F — 32) / 1,8 | (°F — 32) / 1,8 + 273. 15 | |
Цельсия (°C) | (°С * 1,8) + 32 | °С | °С + 273,15 | |
Кельвин (К) | (К — 273,15) * 1,8 + 32 | К — 273,15 | К |
Общие контрольные точки температуры | |||
Цельсия (°С) | Кельвин (К) | по Фаренгейту (°F) | |
---|---|---|---|
Поверхность Солнца | 5600 | 5900 | 10100 |
Температура кипения воды | 100 | 373 | 212 |
Температура тела | 37 | 310.2 | 98,6 |
Душный день | 40 | 313 | 104 |
Жаркий день | 30 | 303 | 86 |
Комнатная температура | 20 | 293 | 68 |
Холодный день | 10 | 283 | 50 |
Точка замерзания воды | 0 | 273 | 32 |
Эквиваленты температуры печи | ||
Описание | °F | °С |
---|---|---|
Холодный | 200 | 90 |
Очень медленно | 250 | 120 |
Медленно | от 300 до 325 | от 150 до 160 |
Умеренно медленный | от 325 до 350 | от 160 до 180 |
Умеренная | от 350 до 375 | от 180 до 190 |
Умеренно острый | от 375 до 400 | от 190 до 200 |
Горячий | от 400 до 450 | от 200 до 230 |
Очень горячий | от 450 до 500 | от 230 до 260 |
Поэма о температуре по Цельсию
- 30 °C — это жарко
- 20 °C хорошо
- 10 °C холод
- 0 °C лед
- Кельвин: Введение. Температура является одним из самых важных и распространенных измерений в жизни человека.(НИСТ)
- Абсолютно горячо — проанализируйте обычную химическую реакцию. Исследуйте тепло и энергию и узнайте, как они измеряются. (Джейсон Обучение)
- Температура по Кельвину и очень холодные вещи! – Чтобы отслеживать самые холодные объекты во Вселенной, ученые используют температурную шкалу Кельвина. (НАСА)
- Сборка термометра – соберите прибор для измерения температуры воды. (Программа ГЛОБУС)
- Модель термометра. Термометр — это устройство, используемое для измерения температуры.Исследуйте интерактивную модель. Рассмотрите типы термометров. (JavaLab)
Кредит: Дж. Ван и Б. Хейс/NIST
Лига супергероев СИ – доктор Кельвин
Этот анимационный видеосериал в стиле комиксов был разработан, чтобы помочь учащимся средней школы узнать о 7 основных единицах измерения СИ. Обладая способностью ускорять или замедлять частицы, доктор Кельвин может измерять любую температуру. Шкала температур Кельвина начинается с абсолютного нуля, самой низкой из возможных температур и точки, при которой даже атомы будут совершенно неподвижны.
Перейти к дополнительной информации о базовых единицах СИ:Ресурсы
Комнатная температура — Энциклопедия Нового Света
Некоторые химические эксперименты удобно проводить при комнатной температуре.Комнатная температура (также называемая температура окружающей среды ) является общим термином для обозначения определенной температуры в замкнутом пространстве, к которой привыкли люди. Таким образом, комнатная температура часто определяется общим комфортом для человека, с общим диапазоном от 18 ° C (64 ° F) до 23 ° C (73 ° F), хотя различия в климате могут акклиматизировать людей к более высоким или более низким температурам — например, 78°F может быть обычной температурой для некоторых людей.
Этот термин может также относиться к температуре потребляемой пищи (например, красного вина), которую помещают в определенную комнату на определенное время. Кроме того, это может относиться к определенной температуре в условиях научных экспериментов и расчетов.
Комфорт и здоровье человека
Для комфорта человека желаемая комнатная температура во многом зависит от индивидуальных потребностей и различных других факторов. По данным Обсерватории общественного здравоохранения Уэст-Мидлендса (Великобритания), [1] 21 ° C (70 ° F) является рекомендуемой температурой в гостиной, а 18 ° C (64 ° F) — для температуры в спальне.Исследование качества воздуха в помещении и субъективного качества воздуха в помещении (SIAQ) в начальных школах, проведенное в Университете Упсалы (Швеция), [2] , показало, что восприятие высокой комнатной температуры было связано с плохим климатом сотрудничества. Для достижения хорошего SIAQ рекомендуется, чтобы комнатная температура была не выше 22,0 °C (71,6 °F).
Научные расчеты
Для научных расчетов комнатная температура принимается примерно от 20 до 23,5 градусов по Цельсию, от 528 до 537 градусов Ранкина (°R) или от 293 до 296 кельвинов (К), в среднем 21 °C, около 72. 8 градусов по Фаренгейту (°F). [3] Для удобства числовых значений часто используется либо 20 °C, либо 300 K. Однако комнатная температура — это 90 395, а не 90 396, точно определенный научный термин, в отличие от стандартной температуры и давления, которые имеют несколько немного отличающихся определений.
Условия для физических экспериментов
Ход и результаты многих научных и промышленных процессов мало или совсем не зависят от температуры окружающей среды оборудования.Например, измерение заряда электрона не зависит от температуры испытательного оборудования. В таких случаях, если делается какое-либо упоминание о температуре, обычно и достаточно говорить просто о «комнатной температуре», что, по существу, просто подразумевает, что то, о чем говорится, не подвергалось специальному нагреву или охлаждению. Обычно это означает температуру, при которой многим людям комфортно, около 20 °C. В большинстве случаев значительные колебания температуры не имеют значения; работа может производиться зимой или летом без отопления и кондиционирования воздуха, без упоминания температуры. Однако производительность зависит от теплового комфорта.
Явления, которые исследователи могут выбрать для изучения при комнатной температуре, могут естественным образом происходить в диапазоне от 20 до 23,5 °C, а могут и не происходить. Исследователи предпочитают изучать процесс за пределами его естественного температурного диапазона по разным причинам, в зависимости от того, что они хотят проверить экспериментально.
Экспериментаторы имеют преимущество в предвидении аспектов эксперимента при комнатной температуре, потому что температура близка к 20 °C (68 °F, 527.4 °R, 293 K), при котором были измерены многие свойства материалов и физические константы в таблицах стандартов. Обращаясь к таким таблицам, исследователь может оценить, например, насколько быстро может протекать химическая реакция при комнатной температуре.
Если нет причин работать при определенной температуре, то явно удобнее не контролировать температуру. Даже в тех случаях, когда известная контролируемая температура благоприятна, но не обязательна, работа может выполняться при комнатной температуре. Но, например, в очень больших экспериментальных помещениях складского типа может не хватать достаточных возможностей обогрева и охлаждения для поддержания «комнатной температуры».
Если предполагается, что работа, которая может в некоторой степени зависеть от температуры, выполнялась при температурах, значительно выходящих за пределы диапазона от 20 до 23,5 °С, может быть указано, что она выполнялась при температуре окружающей среды, равной некоторому приблизительно определенному значению.
Для общих расчетов можно использовать предполагаемую типичную температуру окружающей среды; например, термический КПД типичного двигателя внутреннего сгорания может составлять примерно 25 процентов без упоминания температуры воздуха: фактический КПД будет в некоторой степени зависеть от температуры окружающей среды, уменьшаясь в очень жарких погодных условиях из-за более низкой температуры воздуха. плотность.
Окружающая среда по сравнению с комнатной температурой
Будучи еще менее точным параметром, чем «комнатная температура», «температура окружающей среды» может быть более точным описанием температуры. Поскольку ученые стремятся к точности в своих отчетах, многие используют эту спецификацию исключительно как само собой разумеющееся, даже для описания экспериментов, которые они могли бы с полным основанием охарактеризовать как проведенные при комнатной температуре.
Это туманная проблема, зависящая от используемого языка.Во многих языках, например в испанском, нет выражения для «комнаты», в отличие от «температуры окружающей среды».
Можно утверждать, что в этой практике не теряется точность: в дисциплинах, где экспериментаторы всегда работают в лабораториях и где разница температур в несколько градусов не имеет большого значения в отношении вопросов, которые задают ученые, разница между температурой окружающей среды и комнатной температурой буквально не стоит делать. И, конечно же, температура окружающей среды в помещении обычно комнатная.
Тем не менее, небольшие перепады температур оказывают большое влияние на многие естественные процессы. Поэтому ученые, которые наблюдают различие между двумя спецификациями, могут быть приверженцами того, какую из них применять. Например, тепло, выделяемое электроникой или двигателями, может нагревать пространство вокруг эксперимента по сравнению с остальной частью комнаты. При таких обстоятельствах и в зависимости от исследуемого вопроса некоторые ученые сочли бы неверным сообщить, что эксперимент проводился при комнатной температуре.
См. также
Примечания
Ссылки
Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов
- Блумберг, Марк С. 2004. Тепло тела: температура и жизнь на Земле . Новое издание Эда. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. ISBN 0674013697
- Чайлдс, Грегг Э., Льюис Дж. Эрикс, Роберт Л. Пауэлл и Роберт Л. Пауэлл. 1973. Теплопроводность твердых тел при комнатной температуре и ниже; обзор и подборка литературы. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное бюро стандартов. ОСЛК 814474
- Кремер, Герберт и Чарльз Киттель. 1980. Теплофизика , 2-е изд. Сан-Франциско: Компания WH Freeman. ISBN 0-7167-1088-9
Кредиты
New World Encyclopedia авторов и редакторов переписали и дополнили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям Creative Commons CC-by-sa 3.0 Лицензия (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:
История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :
Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.
Комнатная температура — Энциклопедия Нового Света
Некоторые химические эксперименты удобно проводить при комнатной температуре.Комнатная температура (также называемая температура окружающей среды ) является общим термином для обозначения определенной температуры в замкнутом пространстве, к которой привыкли люди. Таким образом, комнатная температура часто определяется общим комфортом для человека, с общим диапазоном от 18 ° C (64 ° F) до 23 ° C (73 ° F), хотя различия в климате могут акклиматизировать людей к более высоким или более низким температурам — например, 78°F может быть обычной температурой для некоторых людей.
Этот термин может также относиться к температуре потребляемой пищи (например, красного вина), которую помещают в определенную комнату на определенное время. Кроме того, это может относиться к определенной температуре в условиях научных экспериментов и расчетов.
Комфорт и здоровье человека
Для комфорта человека желаемая комнатная температура во многом зависит от индивидуальных потребностей и различных других факторов. По данным Обсерватории общественного здравоохранения Уэст-Мидлендса (Великобритания), [1] 21 ° C (70 ° F) является рекомендуемой температурой в гостиной, а 18 ° C (64 ° F) — для температуры в спальне.Исследование качества воздуха в помещении и субъективного качества воздуха в помещении (SIAQ) в начальных школах, проведенное в Университете Упсалы (Швеция), [2] , показало, что восприятие высокой комнатной температуры было связано с плохим климатом сотрудничества. Для достижения хорошего SIAQ рекомендуется, чтобы комнатная температура была не выше 22,0 °C (71,6 °F).
Научные расчеты
Для научных расчетов комнатная температура принимается примерно от 20 до 23,5 градусов по Цельсию, от 528 до 537 градусов Ранкина (°R) или от 293 до 296 кельвинов (К), в среднем 21 °C, около 72.8 градусов по Фаренгейту (°F). [3] Для удобства числовых значений часто используется либо 20 °C, либо 300 K. Однако комнатная температура — это 90 395, а не 90 396, точно определенный научный термин, в отличие от стандартной температуры и давления, которые имеют несколько немного отличающихся определений.
Условия для физических экспериментов
Ход и результаты многих научных и промышленных процессов мало или совсем не зависят от температуры окружающей среды оборудования.Например, измерение заряда электрона не зависит от температуры испытательного оборудования. В таких случаях, если делается какое-либо упоминание о температуре, обычно и достаточно говорить просто о «комнатной температуре», что, по существу, просто подразумевает, что то, о чем говорится, не подвергалось специальному нагреву или охлаждению. Обычно это означает температуру, при которой многим людям комфортно, около 20 °C. В большинстве случаев значительные колебания температуры не имеют значения; работа может производиться зимой или летом без отопления и кондиционирования воздуха, без упоминания температуры.Однако производительность зависит от теплового комфорта.
Явления, которые исследователи могут выбрать для изучения при комнатной температуре, могут естественным образом происходить в диапазоне от 20 до 23,5 °C, а могут и не происходить. Исследователи предпочитают изучать процесс за пределами его естественного температурного диапазона по разным причинам, в зависимости от того, что они хотят проверить экспериментально.
Экспериментаторы имеют преимущество в предвидении аспектов эксперимента при комнатной температуре, потому что температура близка к 20 °C (68 °F, 527.4 °R, 293 K), при котором были измерены многие свойства материалов и физические константы в таблицах стандартов. Обращаясь к таким таблицам, исследователь может оценить, например, насколько быстро может протекать химическая реакция при комнатной температуре.
Если нет причин работать при определенной температуре, то явно удобнее не контролировать температуру. Даже в тех случаях, когда известная контролируемая температура благоприятна, но не обязательна, работа может выполняться при комнатной температуре.Но, например, в очень больших экспериментальных помещениях складского типа может не хватать достаточных возможностей обогрева и охлаждения для поддержания «комнатной температуры».
Если предполагается, что работа, которая может в некоторой степени зависеть от температуры, выполнялась при температурах, значительно выходящих за пределы диапазона от 20 до 23,5 °С, может быть указано, что она выполнялась при температуре окружающей среды, равной некоторому приблизительно определенному значению.
Для общих расчетов можно использовать предполагаемую типичную температуру окружающей среды; например, термический КПД типичного двигателя внутреннего сгорания может составлять примерно 25 процентов без упоминания температуры воздуха: фактический КПД будет в некоторой степени зависеть от температуры окружающей среды, уменьшаясь в очень жарких погодных условиях из-за более низкой температуры воздуха. плотность.
Окружающая среда по сравнению с комнатной температурой
Будучи еще менее точным параметром, чем «комнатная температура», «температура окружающей среды» может быть более точным описанием температуры. Поскольку ученые стремятся к точности в своих отчетах, многие используют эту спецификацию исключительно как само собой разумеющееся, даже для описания экспериментов, которые они могли бы с полным основанием охарактеризовать как проведенные при комнатной температуре.
Это туманная проблема, зависящая от используемого языка.Во многих языках, например в испанском, нет выражения для «комнаты», в отличие от «температуры окружающей среды».
Можно утверждать, что в этой практике не теряется точность: в дисциплинах, где экспериментаторы всегда работают в лабораториях и где разница температур в несколько градусов не имеет большого значения в отношении вопросов, которые задают ученые, разница между температурой окружающей среды и комнатной температурой буквально не стоит делать. И, конечно же, температура окружающей среды в помещении обычно комнатная.
Тем не менее, небольшие перепады температур оказывают большое влияние на многие естественные процессы. Поэтому ученые, которые наблюдают различие между двумя спецификациями, могут быть приверженцами того, какую из них применять. Например, тепло, выделяемое электроникой или двигателями, может нагревать пространство вокруг эксперимента по сравнению с остальной частью комнаты. При таких обстоятельствах и в зависимости от исследуемого вопроса некоторые ученые сочли бы неверным сообщить, что эксперимент проводился при комнатной температуре.
См. также
Примечания
Ссылки
Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов
- Блумберг, Марк С. 2004. Тепло тела: температура и жизнь на Земле . Новое издание Эда. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. ISBN 0674013697
- Чайлдс, Грегг Э., Льюис Дж. Эрикс, Роберт Л. Пауэлл и Роберт Л. Пауэлл. 1973. Теплопроводность твердых тел при комнатной температуре и ниже; обзор и подборка литературы. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное бюро стандартов. ОСЛК 814474
- Кремер, Герберт и Чарльз Киттель. 1980. Теплофизика , 2-е изд. Сан-Франциско: Компания WH Freeman. ISBN 0-7167-1088-9
Кредиты
New World Encyclopedia авторов и редакторов переписали и дополнили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям Creative Commons CC-by-sa 3.0 Лицензия (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:
История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :
Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.
Комнатная температура — Энциклопедия Нового Света
Некоторые химические эксперименты удобно проводить при комнатной температуре.Комнатная температура (также называемая температура окружающей среды ) является общим термином для обозначения определенной температуры в замкнутом пространстве, к которой привыкли люди. Таким образом, комнатная температура часто определяется общим комфортом для человека, с общим диапазоном от 18 ° C (64 ° F) до 23 ° C (73 ° F), хотя различия в климате могут акклиматизировать людей к более высоким или более низким температурам — например, 78°F может быть обычной температурой для некоторых людей.
Этот термин может также относиться к температуре потребляемой пищи (например, красного вина), которую помещают в определенную комнату на определенное время. Кроме того, это может относиться к определенной температуре в условиях научных экспериментов и расчетов.
Комфорт и здоровье человека
Для комфорта человека желаемая комнатная температура во многом зависит от индивидуальных потребностей и различных других факторов. По данным Обсерватории общественного здравоохранения Уэст-Мидлендса (Великобритания), [1] 21 ° C (70 ° F) является рекомендуемой температурой в гостиной, а 18 ° C (64 ° F) — для температуры в спальне.Исследование качества воздуха в помещении и субъективного качества воздуха в помещении (SIAQ) в начальных школах, проведенное в Университете Упсалы (Швеция), [2] , показало, что восприятие высокой комнатной температуры было связано с плохим климатом сотрудничества. Для достижения хорошего SIAQ рекомендуется, чтобы комнатная температура была не выше 22,0 °C (71,6 °F).
Научные расчеты
Для научных расчетов комнатная температура принимается примерно от 20 до 23,5 градусов по Цельсию, от 528 до 537 градусов Ранкина (°R) или от 293 до 296 кельвинов (К), в среднем 21 °C, около 72.8 градусов по Фаренгейту (°F). [3] Для удобства числовых значений часто используется либо 20 °C, либо 300 K. Однако комнатная температура — это 90 395, а не 90 396, точно определенный научный термин, в отличие от стандартной температуры и давления, которые имеют несколько немного отличающихся определений.
Условия для физических экспериментов
Ход и результаты многих научных и промышленных процессов мало или совсем не зависят от температуры окружающей среды оборудования.Например, измерение заряда электрона не зависит от температуры испытательного оборудования. В таких случаях, если делается какое-либо упоминание о температуре, обычно и достаточно говорить просто о «комнатной температуре», что, по существу, просто подразумевает, что то, о чем говорится, не подвергалось специальному нагреву или охлаждению. Обычно это означает температуру, при которой многим людям комфортно, около 20 °C. В большинстве случаев значительные колебания температуры не имеют значения; работа может производиться зимой или летом без отопления и кондиционирования воздуха, без упоминания температуры.Однако производительность зависит от теплового комфорта.
Явления, которые исследователи могут выбрать для изучения при комнатной температуре, могут естественным образом происходить в диапазоне от 20 до 23,5 °C, а могут и не происходить. Исследователи предпочитают изучать процесс за пределами его естественного температурного диапазона по разным причинам, в зависимости от того, что они хотят проверить экспериментально.
Экспериментаторы имеют преимущество в предвидении аспектов эксперимента при комнатной температуре, потому что температура близка к 20 °C (68 °F, 527.4 °R, 293 K), при котором были измерены многие свойства материалов и физические константы в таблицах стандартов. Обращаясь к таким таблицам, исследователь может оценить, например, насколько быстро может протекать химическая реакция при комнатной температуре.
Если нет причин работать при определенной температуре, то явно удобнее не контролировать температуру. Даже в тех случаях, когда известная контролируемая температура благоприятна, но не обязательна, работа может выполняться при комнатной температуре.Но, например, в очень больших экспериментальных помещениях складского типа может не хватать достаточных возможностей обогрева и охлаждения для поддержания «комнатной температуры».
Если предполагается, что работа, которая может в некоторой степени зависеть от температуры, выполнялась при температурах, значительно выходящих за пределы диапазона от 20 до 23,5 °С, может быть указано, что она выполнялась при температуре окружающей среды, равной некоторому приблизительно определенному значению.
Для общих расчетов можно использовать предполагаемую типичную температуру окружающей среды; например, термический КПД типичного двигателя внутреннего сгорания может составлять примерно 25 процентов без упоминания температуры воздуха: фактический КПД будет в некоторой степени зависеть от температуры окружающей среды, уменьшаясь в очень жарких погодных условиях из-за более низкой температуры воздуха. плотность.
Окружающая среда по сравнению с комнатной температурой
Будучи еще менее точным параметром, чем «комнатная температура», «температура окружающей среды» может быть более точным описанием температуры. Поскольку ученые стремятся к точности в своих отчетах, многие используют эту спецификацию исключительно как само собой разумеющееся, даже для описания экспериментов, которые они могли бы с полным основанием охарактеризовать как проведенные при комнатной температуре.
Это туманная проблема, зависящая от используемого языка.Во многих языках, например в испанском, нет выражения для «комнаты», в отличие от «температуры окружающей среды».
Можно утверждать, что в этой практике не теряется точность: в дисциплинах, где экспериментаторы всегда работают в лабораториях и где разница температур в несколько градусов не имеет большого значения в отношении вопросов, которые задают ученые, разница между температурой окружающей среды и комнатной температурой буквально не стоит делать. И, конечно же, температура окружающей среды в помещении обычно комнатная.
Тем не менее, небольшие перепады температур оказывают большое влияние на многие естественные процессы. Поэтому ученые, которые наблюдают различие между двумя спецификациями, могут быть приверженцами того, какую из них применять. Например, тепло, выделяемое электроникой или двигателями, может нагревать пространство вокруг эксперимента по сравнению с остальной частью комнаты. При таких обстоятельствах и в зависимости от исследуемого вопроса некоторые ученые сочли бы неверным сообщить, что эксперимент проводился при комнатной температуре.
См. также
Примечания
Ссылки
Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов
- Блумберг, Марк С. 2004. Тепло тела: температура и жизнь на Земле . Новое издание Эда. Кембридж, Массачусетс: Издательство Гарвардского университета. ISBN 0674013697
- Чайлдс, Грегг Э., Льюис Дж. Эрикс, Роберт Л. Пауэлл и Роберт Л. Пауэлл. 1973. Теплопроводность твердых тел при комнатной температуре и ниже; обзор и подборка литературы. Вашингтон, округ Колумбия: Национальное бюро стандартов. ОСЛК 814474
- Кремер, Герберт и Чарльз Киттель. 1980. Теплофизика , 2-е изд. Сан-Франциско: Компания WH Freeman. ISBN 0-7167-1088-9
Кредиты
New World Encyclopedia авторов и редакторов переписали и дополнили статью Wikipedia в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям Creative Commons CC-by-sa 3.0 Лицензия (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:
История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :
Примечание. На использование отдельных изображений, лицензированных отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.
Что такое температура окружающей среды?
ОтТемпература окружающей среды — это температура воздуха любого объекта или среды, в которой хранится оборудование. Прилагательное ambient означает «относящийся к ближайшему окружению». Это значение, также иногда называемое обычной температурой или базовой температурой, важно для проектирования системы и теплового анализа.
В компьютерном контексте поддержание соответствующей температуры окружающей среды имеет решающее значение для правильного функционирования и долговечности компьютерного оборудования.Как правило, безопасный диапазон составляет от 60 до 75 градусов по Фаренгейту или от 15 до 25 градусов Цельсия, хотя более холодный конец этого диапазона предпочтительнее. Температура окружающей среды выше этих диапазонов затрудняет поддержание безопасной рабочей температуры системой охлаждения компьютера.
Измерение температуры окружающей средыИзмерение температуры окружающей среды в помещении или компонентах осуществляется с помощью термометра или датчика. Чтобы показания были наиболее точными, измерительный прибор следует держать в тени, на средней высоте комнаты и в хорошо проветриваемом помещении, обеспечивающем свободную циркуляцию воздуха.При измерении температуры окружающей среды в помещении важно отслеживать значения температуры в течение дня, чтобы определить максимальную и минимальную температуру окружающей среды. При определении температуры окружающей среды на открытом воздухе может быть полезно посмотреть на исторические средние значения температуры.
techtarget.com/definition/ambient-temperature&enablejsapi=1&origin=https://searchdatacenter.techtarget.com» type=»text/html» frameborder=»0″/>
Важно отметить, что существуют факторы, которые могут влиять на ощущение температуры окружающей среды, но не на показания температуры.Некоторые из этих факторов включают влажность, охлаждение ветром и изоляцию.
Значение температуры окружающей средыИзмерение температуры окружающей среды является важным компонентом для максимального увеличения срока службы устройств, предотвращения сбоев в работе и предотвращения повреждений. Вот несколько приложений для определения температуры окружающей среды предмета:
- Проверка достаточной работы внутренней системы охлаждения устройства, например вентилятора ноутбука.
- Обеспечение безопасного хранения материалов, таких как продукты питания или химикаты.
- Определение энергоэффективности системы отопления или охлаждения.
- Анализ компонентов, чтобы убедиться, что максимальные и минимальные температуры не влияют на функциональность или использование.
- Контроль температуры окружающей среды в допустимых пределах.
- Ограничение рассеиваемой мощности или силы тока до более безопасного значения.
В то время как температура окружающей среды — это фактическая температура воздуха в помещении, комнатная температура относится к диапазону температур, в котором большинство людей чувствуют себя комфортно.Температура окружающей среды измеряется термометром, тогда как комнатная температура больше зависит от ощущений. Температура окружающей среды может сильно отличаться от приемлемой комнатной температуры, например, при неисправности кондиционера или обогревателя.
Последнее обновление было в сентябре 2019 года.
Продолжить чтение О температуре окружающей среды Подробное изучение оборудования и стратегии центра обработки данныхПервый сверхпроводник при комнатной температуре волнует и сбивает с толку ученых
Ученые создали загадочный материал, который, кажется, проводит электричество без какого-либо сопротивления при температуре примерно до 15 °C. Это новый рекорд сверхпроводимости, явления, обычно связанного с очень низкими температурами. Сам материал плохо изучен, но он показывает потенциал класса сверхпроводников, открытого в 2015 году.
Однако у сверхпроводника есть одно серьезное ограничение: он выживает только при чрезвычайно высоких давлениях, приближающихся к давлениям в центре Земли, а это означает, что он не будет иметь непосредственного практического применения. Тем не менее, физики надеются, что это может проложить путь к разработке материалов с нулевым сопротивлением, которые могут работать при более низких давлениях.
Сверхпроводники имеют ряд технологических применений, от машин для магнитно-резонансной томографии до вышек мобильной связи, и исследователи начинают экспериментировать с ними в высокопроизводительных генераторах для ветряных турбин. Но их полезность по-прежнему ограничена потребностью в громоздких криогенных устройствах. Обычные сверхпроводники работают при атмосферном давлении, но только если они очень холодные. Даже самые сложные из них — керамические материалы на основе оксида меди — работают только при температуре ниже 133 кельвинов (-140 °C).Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, могут иметь большое технологическое значение, например, в электронике, которая работает быстрее без перегрева.
Последнее исследование, опубликованное 14 октября в журнале Nature , по-видимому, предоставляет убедительные доказательства высокотемпературной проводимости, говорит физик Михаил Еремец из Института химии им. Макса Планка в Майнце, Германия, хотя он добавляет, что хотел бы больше «сырых данных» из эксперимента. Он добавляет, что это подтверждает направление работы, которое он начал в 2015 году, когда его группа сообщила о первом высокотемпературном сверхпроводнике высокого давления — соединении водорода и серы, которое имело нулевое сопротивление до -70 °C.
В 2018 году было показано, что соединение водорода и лантана, работающее под высоким давлением, обладает сверхпроводимостью при температуре −13 °C. Но последний результат знаменует собой первый случай такого рода сверхпроводимости в соединении трех элементов, а не двух — материал состоит из углерода, серы и водорода. Добавление третьего элемента значительно расширяет комбинации, которые могут быть включены в будущие эксперименты по поиску новых сверхпроводников, говорит соавтор исследования Ашкан Саламат, физик из Университета Невады в Лас-Вегасе.«Мы открыли совершенно новый регион исследований», — говорит он.
Материалы, обладающие сверхпроводимостью при высоких, но не экстремальных давлениях, уже могут быть использованы, говорит Маддури Сомаязулу, специалист по материалам высокого давления из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс. Исследование показывает, что, по его словам, «разумно выбирая третий и четвертый элемент» в сверхпроводнике, вы в принципе можете снизить его рабочее давление.
Работа также подтверждает сделанные десятилетия назад предсказания физика-теоретика Нила Эшкрофта из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, о том, что материалы, богатые водородом, могут проявлять сверхпроводимость при температурах намного выше, чем считалось возможным. «Я думаю, что очень немногие люди за пределами сообщества с высоким давлением воспринимали его всерьез», — говорит Сомаязулу.
Таинственный материалФизик Ранга Диас из Университета Рочестера в Нью-Йорке вместе с Саламатом и другими сотрудниками поместили смесь углерода, водорода и серы в микроскопическую нишу, которую они вырезали между вершинами двух алмазов. Затем они инициировали химические реакции в образце с помощью лазерного излучения и наблюдали, как формируется кристалл.Когда они понизили экспериментальную температуру, сопротивление току, проходящему через материал, упало до нуля, что указывает на то, что образец стал сверхпроводящим. Затем они увеличили давление и обнаружили, что этот переход происходит при все более и более высоких температурах. Их лучшим результатом была температура перехода 287,7 Кельвина при 267 гигапаскалях, что в 2,6 миллиона раз превышает атмосферное давление на уровне моря.
Исследователи также обнаружили доказательства того, что кристалл излучает свое магнитное поле при температуре перехода, что является решающим испытанием сверхпроводимости. Но многое в материале остается неизвестным, предупреждают исследователи. «Есть много дел, — говорит Еремец. Даже точная структура кристалла и химическая формула еще не поняты. «По мере того, как вы переходите к более высоким давлениям, размер выборки становится меньше», — говорит Саламат. «Вот что делает эти типы измерений действительно сложными».
Сверхпроводники высокого давления из водорода и еще одного элемента хорошо изучены. И исследователи сделали компьютерное моделирование смесей углерода, водорода и серы под высоким давлением, говорит Ева Зурек, химик-вычислитель из Университета штата Нью-Йорк в Буффало.Но она говорит, что эти исследования не могут объяснить исключительно высокие температуры сверхпроводимости, наблюдаемые группой Диаса. «Я уверена, что после публикации этой рукописи многие теоретические и экспериментальные группы займутся этой проблемой», — говорит она.
Эта статья воспроизводится с разрешения и впервые опубликована 14 октября 2020 г.
Учебное пособие по физике
Ранее в этом уроке было дано пять определений температуры в словарном стиле. Их было:
- Степень жара или холода тела или окружающей среды.
- Мера теплоты или холодности объекта или вещества по отношению к некоторому стандартному значению.
- Мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества, выраженная в единицах или градусах по стандартной шкале.
- Мера способности вещества или, в более общем смысле, любой физической системы передавать тепловую энергию другой физической системе.
- Любой из различных стандартных числовых показателей этой способности, таких как шкала Кельвина, Фаренгейта и Цельсия
Как уже упоминалось, первые два пункта имеют довольно очевидное значение. Третий пункт списка был темой предыдущей страницы этого урока. Пятым пунктом было определение, с которого мы начали, когда обсуждали температуру и работу термометров; это была тема второй страницы этого урока. Это оставляет нам четвертый пункт — определение температуры с точки зрения способности вещества передавать тепло другому веществу. Эта часть Урока 1 посвящена пониманию того, как относительная температура двух объектов влияет на направление передачи тепла между двумя объектами.
Представьте себе очень горячую кружку кофе на кухонном столе. В целях обсуждения мы будем говорить, что чашка кофе имеет температуру 80°C, а окружающая среда (столешница, воздух на кухне и т. д.) имеет температуру 26°C.Как вы думаете, что произойдет в этой ситуации? Я подозреваю, что вы знаете, что чашка кофе со временем постепенно остывает. При температуре 80°C вы не посмеете пить кофе. Даже кофейная кружка, скорее всего, будет слишком горячей, чтобы до нее можно было дотронуться. Но со временем и кофейная кружка, и кофе остынут. Скоро будет питьевая температура. И если вы не поддадитесь искушению выпить кофе, он в конечном итоге станет комнатной температуры. Кофе охлаждается с 80°C до примерно 26°C. Так что же происходит с течением времени, из-за чего кофе остывает? Ответ на этот вопрос может быть как макроскопическим , так и макроскопическим в природе.
На макроскопическом уровне мы бы сказали, что кофе и кружка передают тепло окружающей среде. Эта передача тепла происходит от горячего кофе и горячей кружки к окружающему воздуху. Тот факт, что кофе понижает свою температуру, является признаком того, что средняя кинетическая энергия его частиц уменьшается. Кофе теряет энергию. Кружка также снижает свою температуру; средняя кинетическая энергия его частиц также уменьшается.Кружка тоже теряет энергию. Энергия, которая теряется из-за кофе и кружки, передается в более холодную среду. Эту передачу энергии от кофе и кружки к окружающему воздуху и столешнице мы называем теплом. В этом смысле тепло — это просто передача энергии от горячего объекта к более холодному.
Теперь давайте рассмотрим другой сценарий — банку холодной газировки, поставленную на ту же кухонную стойку. В целях обсуждения мы скажем, что газировка и банка, в которой она содержится, имеют температуру 5°C, а окружающая среда (столешница, воздух на кухне и т. ) имеет температуру 26°C. Что произойдет с холодной банкой газировки с течением времени? Еще раз, я подозреваю, что вы знаете ответ. Колд поп и контейнер нагреются до комнатной температуры. Но что происходит, что заставляет эти объекты с температурой ниже комнатной повышать свою температуру? Холод уходит от шипучки и контейнера с ней? Нет! Нет такой вещи, как холод, выходящий из или протечка . Скорее, наше объяснение очень похоже на объяснение, используемое для объяснения того, почему кофе остывает.Есть теплообмен.
Со временем поп и контейнер нагреваются. Температура повышается с 5°C до почти 26°C. Это повышение температуры является признаком того, что средняя кинетическая энергия частиц внутри шипучки и контейнера увеличивается. Чтобы частицы внутри шипучки и контейнера увеличили свою кинетическую энергию, они должны откуда-то получать энергию. Но откуда? Энергия передается из окружающей среды (столешница, воздух на кухне и т. д.).) в виде тепла. Как и в случае с охлаждающей кофейной кружкой, энергия передается от объектов с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой. Еще раз, это известно как тепло — передача энергии от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой.
Другое определение температурыОба этих сценария можно описать двумя простыми утверждениями. Объект снижает свою температуру, выделяя энергию в виде тепла в окружающую среду.И объект увеличивает свою температуру, получая энергию в виде тепла от своего окружения. И , нагревающий , и , охлаждающий объектов, работают одинаково — путем передачи тепла от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой. Итак, теперь мы можем осмысленно переформулировать определение температуры. Температура — это мера способности вещества или, в более общем смысле, любой физической системы передавать тепловую энергию другой физической системе.Чем выше температура объекта, тем больше склонность этого объекта к передаче тепла. Чем ниже температура объекта, тем больше вероятность того, что этот объект окажется на принимающей стороне теплопередачи.
Но, возможно, вы спрашивали: что происходит с температурой окружающей среды? Повышается ли температура столешницы и воздуха на кухне, когда кружка и кофе остывают? И понижается ли температура столешницы и воздуха на кухне, когда банка и ее попка нагреваются? Ответ – твердое Да! Доказательство? Просто коснитесь столешницы — она должна стать прохладнее или теплее, чем до того, как на нее поставили кофейную кружку или банку с газировкой.А как же воздух на кухне? Теперь немного сложнее представить убедительное доказательство. Тот факт, что объем воздуха в комнате настолько велик и что энергия быстро рассеивается от поверхности кружки, означает, что изменение температуры воздуха на кухне будет аномально малым. На самом деле это будет пренебрежимо малое . Прежде чем произойдет заметное изменение температуры, должно произойти намного больше теплопередачи.
При обсуждении охлаждения кофейной кружки столешница и воздух на кухне упоминались как окружение . В дискуссиях по физике такого типа обычно используется ментальная структура системы и окружения . Кофейная кружка (и кофе) будет рассматриваться как система , а все остальное во вселенной будет рассматриваться как окружение . Для простоты мы часто сужаем область окружения от остальной вселенной до тех объектов, которые непосредственно окружают систему. Этот подход к анализу ситуации с точки зрения системы и окружения настолько полезен, что мы будем использовать его в оставшейся части этой главы и в следующей.
Теперь представим третью ситуацию. Предположим, что маленькая металлическая чашка с горячей водой помещена внутрь большой пенопластовой чашки с холодной водой. Предположим, что температура горячей воды изначально равна 70°С, а температура холодной воды во внешнем стакане изначально равна 5°С. И давайте предположим, что обе чашки снабжены термометрами (или датчиками температуры), которые измеряют температуру воды в каждой чашке с течением времени. Как вы думаете, что произойдет? Прежде чем читать дальше, подумайте над вопросом и придумайте какой-либо вариант ответа.Когда холодная вода нагревается, а горячая охлаждается, будут ли их температуры одинаковыми или разными? Будет ли холодная вода нагреваться до более низкой температуры, чем температура, до которой остывает горячая вода? Или по мере нагревания и охлаждения их температуры будут пересекаться друг с другом ?
К счастью, этот эксперимент можно провести, и он уже неоднократно проводился. График ниже является типичным представлением результатов.
Как видно из графика, горячая вода остыла примерно до 30°C, а холодная вода нагрелась примерно до такой же температуры. Тепло передается от объекта с высокой температурой (внутренняя банка с горячей водой) к объекту с низкой температурой (внешняя банка с холодной водой). Если мы обозначим внутреннюю чашу с горячей водой как систему , то мы можем сказать, что существует поток тепла от системы к окружающей среде . Пока существует разница температур между системой и окружающей средой, между ними существует тепловой поток. Поток тепла сначала более быстрый, как показано более крутыми наклонами линий. Со временем разница температур между системой и окружающей средой уменьшается, а скорость теплообмена снижается. Это обозначено более пологим наклоном двух линий. (Подробная информация о скоростях теплопередачи будет обсуждаться далее в этом уроке.) В конце концов, система и окружающая среда достигают одинаковой температуры, и теплопередача прекращается.Говорят, что именно в этот момент два объекта достигли теплового равновесия.
В нашей главе об электрических цепях мы узнали, что разница в электрическом потенциале между двумя точками вызывает поток заряда вдоль проводящего пути между этими точками. Пока сохраняется разность электрических потенциалов, будет существовать поток заряда. Теперь в этой главе мы изучаем аналогичный принцип, связанный с потоком тепла. Разница температур между двумя точками вызовет поток тепла вдоль (теплопроводящего) пути между этими двумя точками. Пока сохраняется разница температур, будет происходить поток тепла. Этот поток тепла продолжается до тех пор, пока два объекта не достигнут одинаковой температуры. Как только их температуры становятся равными, говорят, что они находятся в тепловом равновесии, и поток тепла больше не происходит.
Этот принцип иногда называют нулевым законом термодинамики.Этот принцип был оформлен в виде закона после того, как были открыты первый, второй и третий законы термодинамики . Но поскольку этот закон казался более фундаментальным, чем три ранее открытых, он был назван нулевым законом . Все объекты подчиняются этому закону — стремлению к тепловому равновесию. Это ежедневный вызов для тех, кто хочет контролировать температуру своего тела, еды, напитков и дома. Мы используем лед и изоляцию, чтобы сохранить холодными наши холодные напитки, и мы используем изоляцию и непрерывные импульсы микроволновой энергии, чтобы наши горячие напитки оставались горячими. Мы оборудуем наши автомобили, наши дома и офисные здания кондиционерами и вентиляторами, чтобы в теплые летние месяцы в них не было жары. И мы оборудуем эти же автомобили и здания печами и обогревателями, чтобы согревать их в холодные зимние месяцы. Всякий раз, когда какая-либо из этих систем имеет температуру, отличную от температуры окружающей среды, и не полностью изолирована от окружающей среды (идеальная ситуация), тепло будет течь. Этот тепловой поток будет продолжаться до тех пор, пока температура системы и окружающей среды не сравняется.Поскольку эти системы имеют значительно меньший объем, чем окружающая среда, будет более заметное и существенное изменение температуры этих систем.
Калорическая теория
Ученые долго размышляли над природой тепла. Вплоть до середины 19 века наиболее общепринятым понятием тепла было то, что оно связывалось с жидкостью, известной как теплотворная среда. Известный химик Антуан Лавуазье пришел к выводу, что существует две формы теплотворной способности: та, которая находится в скрытом состоянии или хранится в горючих материалах, и та, которая ощущается и наблюдается при изменении температуры. Для Лавуазье и его последователей сжигание топлива приводило к высвобождению этого скрытого тепла в окружающую среду, где наблюдалось изменение температуры окружающей среды. Для Лавуазье и его последователей тепло присутствовало всегда — либо в скрытой, либо в ощутимой форме. Если горячий чайник с водой охлаждался до комнатной температуры, это объяснялось потоком калорий из горячей воды в окружающую среду.
Согласно теории теплоты, теплота была веществом в природе.Это была физическая субстанция. Было штук . Как и все в мире Лавуазье, калорийность была законсервированной субстанцией. Подобно нашему современному взгляду на тепло, точка зрения калориста заключалась в том, что если калория выделяется одним объектом, то ее получает другой объект. Общее количество калорий никогда не менялось; оно просто переносилось с одного объекта на другой и трансформировалось из одного типа (латентного) в другой тип (чувственный). Но в отличие от нашего современного взгляда на тепло, теплород был реальной физической субстанцией — жидкостью, которая могла перетекать от одного объекта к другому. И в отличие от нашего современного представления, тепло всегда присутствовало в той или иной форме. Наконец, с современной точки зрения, теплота присутствует только тогда, когда есть передача энергии. Бессмысленно говорить о тепле как о существующем после того, как два объекта пришли к тепловому равновесию. Тепло не содержится в объекте; скорее это нечто, передаваемое между объектами. Тепло больше не существует, когда передача прекращается.
Падение теории калорий
Хотя всегда существовали альтернативы калорийной теории, до середины 19 века она была наиболее распространенной точкой зрения.Одним из первых вызовов теории калорий выступил англо-американский ученый Бенджамин Томпсон (также известный как граф Рамфорд). Томпсон был одним из первых ученых, которым было поручено рассверливать стволы пушек для британского правительства. Томпсон был поражен высокими температурами, достигаемыми пушками, и стружкой, которая выпадала из пушек в процессе сверления. В одном эксперименте он погрузил пушку в резервуар с водой во время процесса бурения и заметил, что тепло, выделяемое в процессе бурения, способно вскипятить окружающую воду в течение нескольких часов.Томпсон продемонстрировал, что это тепловыделение происходило без каких-либо химических или физических изменений в составе пушки. Он объяснил выделение тепла трением между пушкой и буровым инструментом и утверждал, что это не могло быть результатом попадания жидкости в воду. В 1798 году Томпсон опубликовал статью, в которой оспаривал представление о том, что тепло — это сохраняющаяся жидкость. Он отстаивал механический взгляд на тепло, предполагая, что его происхождение связано с движением атомов, а не с переносом жидкости.
Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль продолжил то, на чем остановился Томпсон, нанеся несколько смертельных ударов по теории калорий посредством серии экспериментов. Джоуль, в честь которого теперь названа стандартная метрическая единица энергии, проводил опыты, в которых экспериментально связывал количество механической работы с количеством теплоты, переданной от механической системы. В одном эксперименте Джоуль позволил падающим грузам вращать гребное колесо, погруженное в резервуар с водой.Рисунок аппарата изображен справа (из Викимедиа; общественное достояние). Падающие грузы воздействовали на гребное колесо, которое, в свою очередь, нагревало воду. Джоуль измерял как количество выполненной механической работы, так и количество тепла, полученного водой. Подобные эксперименты, демонстрирующие, что тепло может генерироваться электрическим током, нанесли еще один удар по представлению о том, что тепло — это жидкость, которая содержится в веществах и всегда сохраняется.
Как мы подробно узнаем из следующей главы, объекты обладают внутренней энергией.В химических реакциях часть этой энергии может выделяться в окружающую среду в виде тепла. Однако эта внутренняя энергия не является материальной субстанцией или жидкостью, содержащейся в объекте. Это просто потенциальная энергия, хранящаяся в связях, удерживающих вместе частицы внутри объекта. Тепло или тепловая энергия — это форма, которой обладает эта энергия, когда она передается между системами и окружением . В тепле нет ничего материального. Это не вещество и не жидкость, которые сохраняются.Тепло – это форма энергии, которая может передаваться от одного объекта к другому или даже создаваться за счет потери других форм энергии.
Итак, температура — это мера способности вещества или, в более общем смысле, любой физической системы передавать тепловую энергию другой физической системе. Если два объекта — или система и ее окружение — имеют разную температуру, то они обладают разной способностью передавать тепло. Со временем будет происходить поток энергии от более горячего объекта к более холодному.Этот поток энергии называется теплом. Тепловой поток заставляет более горячий объект охлаждаться, а более холодный нагреваться. Поток тепла будет продолжаться до тех пор, пока они не достигнут одинаковой температуры. В этот момент два объекта установили тепловое равновесие друг с другом.
В следующей части этого урока мы рассмотрим механизм теплопередачи. Мы рассмотрим различные способы передачи тепла от объекта к объекту или даже от одного места внутри объекта к другому. Мы узнаем, что макроскопическое можно объяснить в терминах микроскопического.
Проверьте свое понимание
1. Для каждого из следующих обозначений системы и окружающей среды укажите направление теплового потока как от системы к окружающей среде или от окружающей среды к системе.
Система | Окрестности | Направление теплопередачи | |
а. | Гостиная (T=78°F) | Наружный воздух | |
б. | Гостиная | Чердак | |
в. | Чердак | Наружный воздух |
2.