Просто об электротехнике, электронике, математике, физике
Просто об электротехнике, электронике, математике, физике
Категория: Молекулярно-кинетическая теория

Шкалы температур. История и задачи.


История возникновения температурных шкал и соответствие между ними.

Слово “температура” возникло давно – тогда еще не существовало молекулярно-кинетической теории. Считалось, что в  телах содержится некая материя, называемая “теплородом”, и в теплых телах ее больше, чем в холодных. Температура, таким образом, характеризовала  смесь теплорода и вещества самого тела, и чем выше была температура – тем, значит, крепче эта смесь. Отсюда пошло измерение крепости спиртных напитков в градусах.

Теперь-то мы знаем, что температура – мера средней кинетической энергии молекул вещества, то есть самым естественным кажется измерение температуры в энергетических единицах – Джоулях. Но, как уже было сказано, МКТ еще не создали, а температуру-то измерять надо!

Кто изобрел первый термометр – неизвестно. Многие ученые трудились над этой задачей, в истории упомянуты имена Галилея, лорд Бэкона и многих других. Первые термометры были воздушными, у них не было шкал и поэтому их показания зависели от атмосферного давления и можно было судить лишь об относительном изменении температуры (вчера было холодно, а сегодня теплее). Потом появились термометры, наполненные водой – но жидкость замерзала, и термометры лопались. Поэтому вместо воды стали использовать винный спирт, а потом ученик Галилея  Эванджелиста Торричелли придумал заполнить термометр ртутью и спиртом и запаять, чтобы атмосферное давление не влияло на показания.

В 1723 году термометр с достаточно точной шкалой создал немецкий физик Габриэль Фаренгейт, и его именем была названа шкала термометра. Наименьшую температуру Фаренгейт смог получить у смеси воды, льда, нашатыря и соли – и принял ее за ноль градусов. Температура смеси воды и льда равна была 32 градусам, третья точка шкалы – температура кипения воды – 212 градусов по шкале Фаренгейта.

В 1742 году швед Андерс Цельсий разделил на 100 интервалов расстояние между точками плавления льда (100 градусов) и кипения воды (0 градусов). Нет, никакой ошибки, именно так – ноль – кипение воды и 100 – замерзание. Уже потом, после смерти Цельсия (по одной из версий) ботаник Карл Линней перевернул шкалу, и по сути шкала Цельсия – это шкала Линнея. Поскольку вода – наиболее широко распространенное вещество, то шкала Цельсия является наиболее удобной для практического применения.Ноль Цельсия – особая, важная точка в метеорологии. Чтобы перейти от шкалы Фаренгейта к шкале Цельсия, нужно вычесть  из температуры по Фаренгейту 32 градуса и умножить остаток на 5/9.

t °С = 5/9 (t °F – 32)

Лорд Кельвин в 1848 году ввел абсолютную шкалу температур. В этой шкале отсутствуют отрицательные температуры, так как ноль по шкале Кельвина – это температура, при которой останавливается тепловое движение молекул (абсолютный ноль), то есть дальнейшее охлаждение невозможно.

Согласно основному уравнению МКТ, p={2/3}n{overline{E}}. Представим концентрацию n как отношение количества молекул к объему  n=N/V:

{pV}/N={2/3}{overline{E}}. Температура по шкале Кельвина положительна в силу положительности отношения {pV}/N, отношение это измеряется в Джоуэлях. Так как привычка измерять температуру в градусах укоренилась, то ввели коэффициент пропорциональности между температурой в градусах и температурой в энергетических единицах:

{pV}/N=kT. Каждая единица по шкале абсолютных температур соответствует градусу Цельсия, ноль по Кельвину – это минус 273 по Цельсию:

T(K)=t({circ}C)+273,15 K.

Коэффициент k называется постоянной Больцмана, одного из основателей МКТ.

Ну а теперь –  к задачам!

1. Тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния ацетона по аб­со­лют­ной шкале тем­пе­ра­тур Кель­ви­на со­став­ля­ет 329 К. Чему равна эта тем­пе­ра­ту­ра по шкале Цель­сия?

1)  56({circ}C);
2)  -56({circ}C);
3)  -196({circ}C);
4)  385({circ}C).

Если 273 градуса Кельвина – это ноль по Цельсию, то329({circ}K)-273({circ}K)=56({circ}C).

Ответ: 1.

2. Ка­ко­ва тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния воды при нор­маль­ном ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии по аб­со­лют­ной шкале тем­пе­ра­тур?

1) 100 K
2) 173 K
3) 273 K
4) 373 K

Ноль по Цельсию –  (+273) градуса Кельвина. Сто по Цельсию:273({circ}K)+100=373({circ}K).

Ответ: 4

3. Зна­че­ние тем­пе­ра­ту­ры по шкале Цель­сия, со­от­вет­ству­ю­щее аб­со­лют­ной тем­пе­ра­ту­ре 20 K, равно:

1)  -293({circ}C);
2)  -253({circ}C);
3)  253({circ}C);
4)  293({circ}C).

20({circ}K)=0({circ}K)+20=-273({circ}C)+20=-253({circ}C).

Ответ: 2.

4. Со­глас­но рас­че­там тем­пе­ра­ту­ра жид­ко­сти долж­на быть равна 130 К. Между тем тер­мо­метр в со­су­де по­ка­зы­ва­ет тем­пе­ра­ту­ру  -143({circ}C). Это озна­ча­ет, что

1) тер­мо­метр по­ка­зы­ва­ет более низ­кую тем­пе­ра­ту­ру
2) тер­мо­метр по­ка­зы­ва­ет более вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру
3) тер­мо­метр по­ка­зы­ва­ет рас­чет­ную тем­пе­ра­ту­ру
4) тер­мо­метр не рас­счи­тан на низ­кие тем­пе­ра­ту­ры и тре­бу­ет за­ме­ны
130({circ}K)=0({circ}K)+130=-273({circ}C)+130=-143({circ}C).
Ответ: 3.

5. Цинк  кипит при тем­пе­ра­ту­ре 906({circ}C). Чему равна тем­пе­ра­ту­ра ки­пе­ния цинка при её из­ме­ре­нии по шкале Кельвина?

1) 1179 К
2) 633 К
3) -633 К
4) +1083 К

T({circ}K)=0({circ}K)+273+906=1179({circ}K).
Ответ: 1.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *