Меню

Для того чтобы измерить температуру абсолютному нулю



Почему абсолютный ноль это -273,15°С?

Физические явления, ежесекундно происходящие в каждой точке Вселенной, бывают как просты, так и сложны одновременно. Ежедневно ученые бьются над разгадкой их тайн, желая подчинить себе законы природы. Одна из таких тайн – это явление под названием «Абсолютный нуль».

В чем заключается его суть? Можно ли достичь абсолютного нуля? И почему он соответствует значению -273,15°С?

Что такое температура?

Прежде чем затронуть более глубокий вопрос, стоит разобраться в таком простом понятии, как температура. Что это такое? Под температурой тела подразумевают степень его нагретости .

Согласно термодинамике, данная степень находится в тесной взаимосвязи со скоростью движения молекул тела. В зависимости от его состояния, молекулы либо хаотически движутся (газообразное, жидкое), либо упорядочены и заключены в решетки, но при этом колеблются (твердое). Хаотичное движение молекул еще называют броуновским движением.

Таким образом, нагрев тела лишь увеличивает его энтропию, то есть хаотичность и интенсивность движения частиц. Если твердому телу передать тепловую энергию, его молекулы из более упорядоченного состояния начнут переходить в состояние хаотичное. Материя станет плавиться и превратится в жидкость.

Молекулы данной жидкости будут разгоняться все быстрее, и после точки кипения состояние тела начнет переходить в газообразное . А что если провести обратный опыт? Молекулы охлаждаемого газа станут замедляться, в результате чего он начнет процесс конденсации.

Газ превратиться в жидкость, которая затем затвердеет и перейдет в состояние твердого тела. Его молекулы упорядочены, и каждая находится в узле кристаллической решетки, но при этом все же колеблется. Охлаждение твердого тела приведет к тому, что это колебание будет становиться все менее заметным.

А можно ли охладить тело настолько, чтобы молекулы и вовсе замерли на месте? Этот вопрос будет рассмотрен позже. А пока стоит остановиться еще раз на том, что такое понятие, как температура, независимо от способа ее измерения (шкала Цельсия, Фаренгейта или Кельвина) – это все лишь удобная физическая величина, помогающая передать информацию о кинетической энергии молекул того или иного тела.

Почему -273,15°С?

Существует несколько систем измерения температуры – это градусы по Цельсию и Фаренгейту, и Кельвины. Упоминая абсолютный нуль, физики имеют в виду именно последнюю шкалу, которая, по сути, является абсолютной. Потому что начальной точкой шкалы Кельвина является абсолютный нуль.

При этом в ней отсутствуют отрицательные значения. В физике при измерении температур используются Кельвины. По Фаренгейту это значение соответствует -459,67°F.

В системе привычного всем Цельсия абсолютный нуль равен -273,15°С. Все потому, что разработавший ее шведский астроном Андрес Цельсий решил упростить систему, сделав ее основными точками температуру таяния льда (0°С) и температуру закипания воды (100°С). Согласно Кельвину температура замерзания воды это 273,16 К.

То есть разница между системой Кельвина и Цельсия составляет 273,15°. Именно из-за данной разницы абсолютный ноль соответствует такой отметке на шкале Цельсия. Но откуда же взялся этот ноль?

Что же такое абсолютный нуль?

В изложенном выше примере с охлаждением твердого тела было показано, что чем ниже его температура, тем более упорядочено ведут себя молекулы. Их колебания замедляются, а при температуре -273,15°С они совершенно «замерзают». Можно сказать, что при абсолютном нуле молекулы абсолютно замедляются и прекращают движение.

Правда, согласно принципу неопределенности, мельчайшие частицы все равно будут осуществлять минимальное движение. Но это уже понятия квантовой физики. Поэтому абсолютный ноль не подразумевает совершенный покой, однако он подразумевает полный порядок среди частиц твердого тела.

Исходя из данного контекста, абсолютный нуль – этот та минимальная граница температуры, которую способно иметь физическое тело. Ниже уже некуда. Более того, еще никто и никогда не добивался температуры тела, равной абсолютному нулю. Согласно законам термодинамики достижение абсолютного нуля является невозможным.

Источник

Измерение температуры. Абсолютный нуль температуры


С возрастанием энергии хаотического движения молекул возрастает и температура. Поскольку изменение энергии теплового движения молекул всегда приводит к изменению целого ряда других физических характеристик системы, то по численным значениям этих характеристик можно судить о температуре и устанавливать соответствующие шкалы.

При любом методе определения температуры на температурной шкале можно отметить некоторую точку, имеющую абсолютное значение. Эта точка отвечает температуре, при которой отсутствует хаотическое (тепловое) движение молекул, и носит название абсолютного нуля температуры. В случае идеального газа значению абсолютного нуля отвечает отсутствие кинетической энергии поступательного движения молекул ( ) и отсутствие давления ( ).

Не следует думать, что при абсолютном нуле температуры прекращается всякое движение частиц вещества. Даже если все молекулы газа остановятся, то внутри них будут двигаться электроны по определенным орбитам вокруг ядер, определенным образом будут участвовать в движении протоны и нейтроны внутри ядер. Например, средняя кинетическая энергия свободных электронов в металле при абсолютном нуле в сотни раз превышает среднюю кинетическую энергию молекул газа при комнатной температуре.

Абсолютный нуль температуры означает не отсутствие движения, но такое состояние тела, при котором дальнейшее уменьшение интенсивности этого движения за счет отдачи его энергии окружающим телам невозможно.

Следовательно, при абсолютном нуле система находится в состоянии с наименьшей возможной энергией.

Триста лет назад флорентийские академики открыли, что в смеси воды и льда температура постоянна. Спустя 50 лет стеклодув Фаренгейт установил, что температура кипения воды остается постоянной, если давление не меняется. Эти две постоянные температурные точки дали возможность прокалибровать термоскоп, что и превратило его в термометр.

Первое время, чтобы измерять высоту столбика жидкости, расширяющейся при нагревании, делили расстояние между двумя точками – от точки плавления льда до точки кипения воды – на произвольное число частей. В 1742 г. Цельсий предложил делить расстояние между этими точками ровно на 100 частей. Он обозначил температуру плавления льда как сто градусов, а температуру кипения воды как нуль градусов. Вскоре эти значения поменяли местами и этой шкалой пользуются до сих пор.

Температуры по шкале Цельсия и по шкале Кельвина связаны соотношением:

; ,15. (2.10)

Температурная шкала Фаренгейта, появившаяся в 1715 г, применялась в США. За нуль градусов своей шкалы Фаренгейт принял температуру смеси льда с нашатырем (хлористым аммонием), полагая, что это самая низкая температура на Земле. За вторую точку шкалы Фаренгейт принял температуру тела здорового человека, приписав ей значение 96 0 F. Перевести температуру из градусов Фаренгейта в градусы Цельсия можно по формуле

.

100 0 C = 212 0 F.

Атмосферное давление

Газы всегда полностью занимают объем, ограниченный непроницаемыми для газа стенками.

Стремясь расшириться, газ оказывает давление на стенки баллона, камеры или любые другие тела, с которыми он соприкасается.

Давлением называют физическую величину, равную отношению силы, действующей на определенную площадь, к величине этой площади:

Самый важный для нас газ – воздух. Земля окружена атмосферой – слоем воздуха, представляющего собой смесь целого ряда газов. Мы не будем учитывать, что воздух имеет сложный состав: в интересующих нас механических явлениях это не играет роли.

Атмосфера (атмос – пар, воздух) удерживается вблизи земной поверхности силой притяжения Земли. Масса атмосферы примерно 5·10 18 кг. Плотность воздуха при температуре 0 0 С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 1,293 кг/м 3 .

Давление воздуха вблизи поверхности Земли обусловлено его собственным весом; он сжат этим весом подобно тому, как сжата своим весом вода на дне океана. Давление воздуха вблизи поверхности Земли (точнее на уровне моря) примерно равно 10 5 Па. Следовательно, на каждый квадратный метр поверхности земли воздух давит с силой 10 5 Н. Поверхность Земли составляет примерно 5·10 14 м 2 . Таким образом, воздух давит на поверхность Земли с силой 5·10 19 Н. Если бы плотность воздуха на любой высоте была такая же, как вблизи поверхности Земли, то толщина атмосферы составила бы около 8 км. В действительности плотность быстро убывает с расстоянием от поверхности Земли, так что атмосфера простирается на сотни километров и не имеет четкой границы.

Атмосферное давление было измерено в опытах Торричелли и составляет 760 мм рт. ст. = 1, 013·10 5 Па.

Давление воздуха в одной и той же точке земной поверхности не остается постоянным, но меняется в зависимости от различных процессов, происходящих в атмосфере. Давление воздуха над уровнем моря во всех пунктах земного шара близко в среднем к одной атмосфере. Чем больше высота над уровнем моря, тем давление меньше. При небольших подъемах в среднем на каждые двенадцать метров подъема давление уменьшается на 1 мм рт. ст.

Убывание давления воздуха при подъеме объясняется так же, как и убывание давления в морских глубинах при подъеме от дна к поверхности. Воздух на уровнем моря сжат всем весом атмосферы Земли, а более высокие слои сжаты весом только того воздуха, который лежит выше этих слоев. Вообще изменение давления от точки к точке в атмосфере, как и в любом другом газе, находящимся под действием силы тяжести, подчиняется тем же законам, что и давление жидкости: давление одно и то же во всех точках горизонтальной плоскости; при переходе снизу в верх давление уменьшается на вес столба воздуха, высота которого равна высоте перехода, а площадь поперечного сечения равна единице.

Однако вследствие большой сжимаемости газов общая картина распределения давления по высоте в атмосфере оказывается совсем другая, чем для жидкостей. В самом деле, построим график убывания давления воздуха с высотой. По оси ординат откладывают высоты h, 2h, 3h, 4h и т. д., а по оси абсцисс – давление р (рис. 2.1). Будем подниматься вверх по ступенькам высоты h.

Рис. 2.1. Изменение атмосферного давления с высотой

Чтобы найти давление на следующей ступеньке, нужно из давления на предыдущей ступеньке вычесть вес столба воздуха высоты h, равный ρgh. Но с увеличением высоты давление воздуха уменьшается. Поэтому убыль давления, происходящая при подъеме на следующую ступеньку, будет тем меньше, чем выше расположена ступенька. Таким образом, при подъеме давление будет убывать неравномерно: на малой высоте давление убывает быстро; чем выше, тем меньше плотность ρ и тем медленнее падает давление.

Мы считали, что давление р во всем слое толщины h одно и то же, поэтому мы получили ступенчатую линию. Но убывание плотности происходит непрерывно, поэтому в действительности график имеет вид плавной линии. Таким образом, в отличие от прямолинейного графика давления для жидкостей, закон убывания давления в атмосфере изображается кривой линией. Для небольших объемов достаточно пользоваться маленьким участком графика. В этом случае криволинейный участок можно без большой ошибки заменить прямым отрезком, как и для жидкости.

Насыщенный пар

Количество воды или какой-либо другой жидкости в открытом сосуде постепенно уменьшается. Происходит испарение жидкости. Одновременно с испарением происходит обратный процесс – переход части хаотически движущихся молекул пара в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.

В особенно больших размерах происходят в природе и технике взаимные превращения водяного пара и воды.

Для испарения жидкости нужно, чтобы образующийся пар удалялся. Когда поток воздуха над сосудом уносит образовавшиеся пары, жидкость испаряется быстрее, так как у молекулы пара уменьшается возможность вновь вернуться в жидкость. Если пар совсем не удаляется, например, если закупорить пробкой бутылку с жидкостью, то испарение скоро прекратится.

При неизменной температуре система «жидкость – пар» придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно долго.

В первый момент, после того как жидкость нальют в сосуд и закроют его, она будет испаряться и плотность пара над жидкостью будет расти. Однако одновременно с этим будет расти и число молекул, возвращающихся в жидкость. Чем больше плотность пара, тем большее число молекул пара возвращается в жидкость. В результате в закрытом сосуде при постоянной температуре, в конце концов, установится динамическое равновесие. Одновременно с процессом испарения будет происходить конденсация, и оба процесса в среднем компенсируют друг друга.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Это название подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

При сжатии пара равновесие начинает нарушаться. Плотность пара в первый момент немного увеличивается, и из газа в жидкость начинает переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ. Это продолжается до тех пор, пока вновь не установится равновесие и плотность, а значит, и концентрация молекул примет прежнее значение. Следовательно, концентрация молекул насыщенного пара не зависит от объема при постоянной температуре.

Так как давление пропорционально концентрации в соответствии с формулой p = nkT, то из независимости концентрации (или плотности) насыщенных паров от объема следует независимость давления насыщенного пара от занимаемого им объема.

Независимое от объема давление пара ро, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называется давлением насыщенного пара.

Читайте также:  Единицы измерения глубины точки цвета

При сжатии насыщенного пара все большая часть его переходит в жидкое состояние. Жидкость данной массы занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем уменьшается при неизменной плотности пара.

Принципиальной разницы между паром и газом нет. Слово «газ» обычно применяют к тем веществам, давление насыщенного пара которых при обычных температурах выше атмосферного (например, углекислый газ). Напротив, о паре говорят тогда, когда при комнатной температуре давление насыщенного пара меньше атмосферного и вещество более устойчиво в жидком состоянии, например, водяной пар.

Итак, плотность и давление насыщенного пара при неизменной температуре являются постоянными величинами, у разных жидкостей – разными.

Состояние насыщенного пара приближенно описывается уравнением состояния идеального газа, а его давление приближенно определяется формулой

.

С ростом температуры давление растет. Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

Однако эта зависимость р(Т), найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объеме. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа. При нагревании жидкости с паром в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате давление пара растет не только вследствиеувеличения температуры, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Основные различия в поведении идеального газа и насыщенного пара в том, что при изменение температуры пара в закрытом сосуде (или при изменение объема при постоянной температуре) меняется масса пара. Жидкость частично превращается в пар или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.

Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным, и его давление при постоянном объеме будет расти прямо пропорционально температуре.

Кипение

Проследим за процессом закипания воды. При размещении сосуда с холодной водой на горелке стенки его покроются пузырьками, в которых находятся воздух и пар воды. Пузырьки появляются в тех местах стенок сосуда, где нет полного смачивания. Наблюдая за пузырьками при неизменной температуре, мы видим, что он сохраняет свои размеры; значит, давление изнутри и извне на его поверхность взаимно уравновешиваются. Так как внутри пузырька находится воздух, количество которого надо считать постоянным, то это равновесие является устойчивым.

При увеличении температуры пузырек постепенно расширяется настолько, что сумма давления воздуха и пара в нем остается равной внешнему давлению. Однако когда пузырек сделается достаточно большим, выталкивающая сила воды заставит его оторваться, подобно тому, как отрывается слишком тяжелая капля воды, повисшая на крыше.

При этом между пузырьком и стенкой сосуда образуется все сужающаяся воздушная перемычка и, наконец, пузырек отрывается, оставляя у стенки небольшое количество воздуха, из которого с течением времени разовьется новый пузырек. Поднимаясь кверху, оторвавшиеся пузырьки снова уменьшаются в размерах. Почему это происходит? Пузырек содержит пар и немного воздуха. Когда пузырек достигает верхних, еще не успевших нагреться слоев воды, то значительная часть водяного пара конденсируется в воду и пузырек уменьшается. Это попеременное уменьшение и увеличение пузырьков сопровождается звуками: закипающая вода «шумит». Наконец, вся вода прогревается в достаточной мере. Тогда поднимающиеся пузырьки уже не уменьшаются в размерах и лопаются на поверхности, выбрасывая пар во внешнее пространство. «Шум» прекращается, и начинается «бульканье» – вода закипела. Термометр, помещенный в пар над кипящей водой, все время, пока вода кипит, показывает одну и ту же температуру около 100 0 С.

Очевидно, что при кипении давление паров, образующихся внутри пузырьков у дна сосуда, таково, что пузырьки могут расширяться, преодолевая атмосферное давление, действующее на свободную поверхность воды, а также давление столба воды. Таким образом, кипение происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению. Температуру пара кипящей жидкости называют температурой кипения.

Температура кипения зависит от внешнего давления. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. При давлении равном 15 атмосфер температура кипения воды приблизительно равна 200 0 С. При давлении 300 мм рт. ст. – 70 0 С. Когда говорят о температуре кипения, не указывая давления, всегда имеют в виду нормальное давление (760 мм рт. ст.).

Различие температур кипения жидкостей определяется различием в давлении их насыщенных паров. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, так как при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному.

Источник

Температура

Долгое время в качестве инструмента для измерения температуры человек использовал лишь собственный палец. Думаю, многие из вас и сейчас время от времени измеряют ее, доверяя своим тактильным ощущениям. (Очень холодно, холодно, тепло, горячо, ожог.)

Но на сколько объективны такие измерения? Приведу простой пример. Плюшевый медведь и чугунная гиря, находясь в одной комнате длительное время, имеют одинаковую температуру. Но на ощупь гиря скорее всего покажется нам более холодной.

Чтобы понять, что такое температура, как ее точно измерить, а также помочь всем тем, кто страдает бессонницей, давайте обратимся к скучной теории.

Макроскопические и микроскопические тела.

Мы живем в макромире, и все предметы, которые нас окружают принято называть макроскопическими телами.

Да может быть ваша любимая кружка в масштабах вселенной кажется не такой уж и большой, чтоб носить приставку макро. Но относительно огромного числа атомов и молекул, из которых она состоит, это название вполне заслуженно.

Сами же атомы и молекулы, а также электроны, протоны, нейтроны принято называть микроскопическими телами или микроскопическими частицами.

Совокупности макроскопических тел или иногда отдельные макроскопические тела называют термодинамическими системами.

Так как эти системы состоят из огромного числа подвижных микроскопических частиц, они способны обмениваться веществом и энергией, как внутри самой системы, так и с окружающей средой.

Только представьте какие процессы происходят в Вашей кружке пока она остывает, дожидаясь Вас на кухне.

И здесь интересный момент. Для описания термодинамической системы не обязательно рассматривать поведение каждой отдельной ее молекулы. Это в принципе невозможно.

Состояние термодинамической системы прекрасно характеризуется набором макроскопических параметров, которые описывают систему в целом. Одним из таких параметров и является температура.

Температура и нулевое начало термодинамики

Я говорил в самом начале, что гиря и плюшевый медведь, находясь длительное время в комнате будут иметь примерно одинаковую температуру.

В основе этого утверждения лежит фундаментальный постулат или нулевое начало термодинамики, которое фактически дает определение температуры.

В каком бы состоянии не находились тела в изолированной термодинамической системе, со временем эта система придет в состояние теплового (термодинамического) равновесия, и все части этой системы будут иметь одинаковую температуру.

Конечно, комната не совсем изолированная термодинамическая система. Но в физике главное что? Правильно! Умение пренебрегать.

Пока тела имеют разную температуру между ними может происходить теплообмен. Горячие тела будут остывать, холодные нагреваться. Но как только температура тел сравняется, теплообмен между ними прекратится.

По этому поводу Рудольф Клаузиус в 1865 году выдвинул даже гипотезу о тепловой смерти вселенной. Согласно этой гипотезе вселенная рано или поздно должна прийти к термодинамическому равновесию и умереть.

Но вернемся к температуре. Мы разобрались что фактически температура является величиной, характеризующей способность тел или термодинамических систем вступать в тепловое взаимодействие друг с другом. Давайте теперь подумаем, как можно ее измерять, не прибегая к помощи пальца.

Измерение температуры

Думаю, не для кого не секрет, что прибор для измерения температуры называется термометром. На сегодняшний день их существует большое количество, отличающихся друг от друга формами, размерами, областями применения и конечно принципами работы.

И хотя 2020 год внес свои коррективы и пирометром, позволяющим измерять температуру на расстоянии, уже никого не удивишь. Все же самыми распространёнными термометрами являются жидкостные.

Забавно, но первые термометры появились еще до того, как человек понял, что он ими измеряет. Поэтому сейчас очень трудно сказать кто именно изобрел это устройство. Да, здесь часто называют имя Галилео Галилея. Но его термоскоп даже не имел шкалы, чтоб измерять что либо, поэтому термометром его можно назвать с большой натяжкой.

Но вот то, что жидкостные термометры приобрели современный, знакомый нам с детства вид в этом определенно заслуга Габриэля Фаренгейта.

Термометры Фаренгейта отличались особой точностью. Причем показания любых двух его экземпляров всегда соответствовали друг другу. Не удивительно что они в свое время завоевали большую популярность.

Особенность температуры заключается в том, что мы не можем измерять ее напрямую, а можем лишь судить о ней по изменению других макропараметров. В основе жидкостных термометров лежит тепловое расширение жидкости. То есть о изменении температуры мы судим по изменению ее объема.

В своих первых термометрах, начиная с 1709 года, Фаренгейт использовал подкрашенный спирт. Но позже, в 1714 году, он перешел на тяжелый металл. То есть на ртуть.

Как придумать свою температурную шкалу?

Если нам необходимо измерить температуру. Ну скажем температуру воды в кастрюле. Помещаем термометр в воду. Его температура быстро уравняется с температурой воды. Вспоминаем нулевое начало термодинамики. В свою очередь спирт займет соответствующий этой температуре объем, и столбик термометра укажет нам температуру.

Но хорошо если за окнами 21 век, и мы купили термометр в ближайшем сетевом супермаркете. А если нет? Если на дворе начало 18 века, и термометр мы изготовили сами, буквально на коленке?

Необходимо придумать свою температурную шкалу, что позволит сопоставлять показания термометра с температурами физических явлений, взятыми за эталон.

Измеряем температуру соседского кота и берем ее за ноль. Это будет наша первая реперная точка. За вторую точку можно взять температуру борща, кипящего на плите. Измеряем ее, и принимаем за 100. Теперь столбик термометра от первой до второй точки делим на 100 равных частей (градусов) и наша шкала готова.

Все очень просто, поэтому не мудрено что к концу 18 века общее количество известных шкал достигало девятнадцати. А если прикинуть что могли существовать и неизвестные, вроде нашей… Благо до сегодняшнего дня дожили не все. Давайте рассмотрим самые живучие.

Шкала Фаренгейта

В своей шкале Фаренгейт использовал не две, а три основные реперные точки. За ноль была принята температура замерзания смеси льда, воды и нашатыря, которая, по одной из версий, соответствовала температуре самого холодного дня зимы 1709 года.

Вторая точка — это температура замерзания воды. Она заняла отметку в 32 градуса.

И третьей точкой, в 100 градусов, должна была стать температура здорового человека. Но толи 300 лет назад люди были более горячие, толи Фаренгейт что-то намерил неправильно.

В общем 100 F это температура не здорового человека, а самого что ни на есть больного. Существует версия, согласно которой за эталон температуры здорового человека, фаренгейт взял температуру своей жены. Но на тот момент она приболела и получилось, то, что получилось.

Давайте воспользуемся формулой для перевода градусов Фаренгейта в привычные нам цельсии, и узнаем какая же температура была у жены ученого.

T(°С) = 5/9 х (t (°F) — 32)

Чтобы определить какой же будет нормальная температура человека по шкале Фаренгейта, воспользуемся обратной формулой:

T(°F) = 9/5 х (t (°C) + 32)

То есть нормальная температура человека соответствует примерно 98 °F.

Шкала Фаренгейта использовалась в англоязычных странах вплоть до 1960 года, пока не была введена международная система единиц (СИ), с ее кельвинами и цельсиями. Как известно США не приняла систему СИ. Так что, если ваша температура 98 градусов, и вы при этом не испытываете никаких беспокойств, то скорее всего вы живете в США. Ну или в Либерии, Белизе, Палау, на Каймановых островах, или на Багамах. В общем в тех уголках нашей планеты, где еще сохранился Фаренгейт. А мы переходим к Цельсию.

Шкала Цельсия

Со шкалой Цельсия тоже не все так просто. Мы привыкли что при нуле градусов тает лед, а при ста кипит вода. Но если бы вы сказали об этом шведскому астроному, геологу и метеорологу Андерсу Цельсию, чье собственно имя и носит эта шкала, то скорее всего он был бы крайне удивлен.

Цельсия смущали отрицательные температуры, поэтому ноль в своей шкале он определил как температуру кипения воды, а сто градусов как температуру плавления льда. То есть современная шкала является перевернутой шкалой Цельсия. Ну а придал ей привычный нам всем вид, соотечественник Цельсия Мартин (Мортен) Штремер. После смерти самого Цельсия.

Так что фактически, то, что называется шкалой Цельсия правильней было бы назвать шкалой Штремера. И вроде как по началу в Швеции она так и называлась, пока Йонс Якоб Берцелиус не назвал ее по ошибке шкалой Цельсия в своем учебнике химии. Учебник издавался не только в Швеции, но и за ее пределами…

Читайте также:  Какие приборы предназначены для измерения напряжения

Опять же это одна из версий. Существуют и другие. Так по одной из них шкалу перевернул Линей, Шведский ботаник, а по другой сам Цельсий. По совету, опять же, Мартина Штремера.

Абсолютный ноль, и шкала Кельвина.

Шкала фаренгейта, шкала цельсия, да и наша собственная шкала имеют один существенный недостаток. Они относительные. Вода, в зависимости от давления, может кипеть при разных температурах, температура жены тоже вещь не постоянная, как, собственно, и температура кота.

Да, для того чтобы понять, что одеть, пальто или пуховик, термометра со шкалой цельсия за окном будет вполне достаточно. Но для науки все эти заморочки с давлением, зимой 1709 года, и борщом на плите будут вносить определенные неудобства. Необходима абсолютная шкала, которая уже не зависит от всяких глупостей.

Такую шкалу предложил лорд Кельвин он же Томпсон.

Точкой отсчета в этой шкале был взят абсолютный ноль — температура, при которой останавливаются все процессы внутри вещества. То есть атомы и молекулы перестают двигаться.

Понятно, что для такой шкалы не существует отрицательных температур.

Причем за ее основу Кельвин взял уже существующую шкалу Цельсия, просто опустив ее вниз на 273,15 градуса. Все это очень удобно для перехода между шкалами.

Нужно цельсии перевести в кельвины прибавляем 273. Если наоборот кельвины в цельсии отнимаем 273.

Зная, это легко определить абсолютный ноль по шкале Кельвина. От нуля отнимаем 273 и получаем — 273 градуса Цельсия.

−273,15° С если быть точнее. Просто часто для расчетов используют округленное до целых значение.

Все. На этом на сегодня остановимся. Для разминки можете перевести в цельсии температуру холодной зимы 1709 года, выразить в кельвинах температуру вашего кота, и конечно определить температуру кипения борща в США. Результаты пишите в комментариях. Всем тепла!

Источник

Температура

Долгое время в качестве инструмента для измерения температуры человек использовал лишь собственный палец. Думаю, многие из вас и сейчас время от времени измеряют ее, доверяя своим тактильным ощущениям. (Очень холодно, холодно, тепло, горячо, ожог.)

Но на сколько объективны такие измерения? Приведу простой пример. Плюшевый медведь и чугунная гиря, находясь в одной комнате длительное время, имеют одинаковую температуру. Но на ощупь гиря скорее всего покажется нам более холодной.

Чтобы понять, что такое температура, как ее точно измерить, а также помочь всем тем, кто страдает бессонницей, давайте обратимся к скучной теории.

Макроскопические и микроскопические тела.

Мы живем в макромире, и все предметы, которые нас окружают принято называть макроскопическими телами.

Да может быть ваша любимая кружка в масштабах вселенной кажется не такой уж и большой, чтоб носить приставку макро. Но относительно огромного числа атомов и молекул, из которых она состоит, это название вполне заслуженно.

Сами же атомы и молекулы, а также электроны, протоны, нейтроны принято называть микроскопическими телами или микроскопическими частицами.

Совокупности макроскопических тел или иногда отдельные макроскопические тела называют термодинамическими системами.

Так как эти системы состоят из огромного числа подвижных микроскопических частиц, они способны обмениваться веществом и энергией, как внутри самой системы, так и с окружающей средой.

Только представьте какие процессы происходят в Вашей кружке пока она остывает, дожидаясь Вас на кухне.

И здесь интересный момент. Для описания термодинамической системы не обязательно рассматривать поведение каждой отдельной ее молекулы. Это в принципе невозможно.

Состояние термодинамической системы прекрасно характеризуется набором макроскопических параметров, которые описывают систему в целом. Одним из таких параметров и является температура.

Температура и нулевое начало термодинамики

Я говорил в самом начале, что гиря и плюшевый медведь, находясь длительное время в комнате будут иметь примерно одинаковую температуру.

В основе этого утверждения лежит фундаментальный постулат или нулевое начало термодинамики, которое фактически дает определение температуры.

В каком бы состоянии не находились тела в изолированной термодинамической системе, со временем эта система придет в состояние теплового (термодинамического) равновесия, и все части этой системы будут иметь одинаковую температуру.

Конечно, комната не совсем изолированная термодинамическая система. Но в физике главное что? Правильно! Умение пренебрегать.

Пока тела имеют разную температуру между ними может происходить теплообмен. Горячие тела будут остывать, холодные нагреваться. Но как только температура тел сравняется, теплообмен между ними прекратится.

По этому поводу Рудольф Клаузиус в 1865 году выдвинул даже гипотезу о тепловой смерти вселенной. Согласно этой гипотезе вселенная рано или поздно должна прийти к термодинамическому равновесию и умереть.

Но вернемся к температуре. Мы разобрались что фактически температура является величиной, характеризующей способность тел или термодинамических систем вступать в тепловое взаимодействие друг с другом. Давайте теперь подумаем, как можно ее измерять, не прибегая к помощи пальца.

Измерение температуры

Думаю, не для кого не секрет, что прибор для измерения температуры называется термометром. На сегодняшний день их существует большое количество, отличающихся друг от друга формами, размерами, областями применения и конечно принципами работы.

И хотя 2020 год внес свои коррективы и пирометром, позволяющим измерять температуру на расстоянии, уже никого не удивишь. Все же самыми распространёнными термометрами являются жидкостные.

Забавно, но первые термометры появились еще до того, как человек понял, что он ими измеряет. Поэтому сейчас очень трудно сказать кто именно изобрел это устройство. Да, здесь часто называют имя Галилео Галилея. Но его термоскоп даже не имел шкалы, чтоб измерять что либо, поэтому термометром его можно назвать с большой натяжкой.

Но вот то, что жидкостные термометры приобрели современный, знакомый нам с детства вид в этом определенно заслуга Габриэля Фаренгейта.

Термометры Фаренгейта отличались особой точностью. Причем показания любых двух его экземпляров всегда соответствовали друг другу. Не удивительно что они в свое время завоевали большую популярность.

Особенность температуры заключается в том, что мы не можем измерять ее напрямую, а можем лишь судить о ней по изменению других макропараметров. В основе жидкостных термометров лежит тепловое расширение жидкости. То есть о изменении температуры мы судим по изменению ее объема.

В своих первых термометрах, начиная с 1709 года, Фаренгейт использовал подкрашенный спирт. Но позже, в 1714 году, он перешел на тяжелый металл. То есть на ртуть.

Как придумать свою температурную шкалу?

Если нам необходимо измерить температуру. Ну скажем температуру воды в кастрюле. Помещаем термометр в воду. Его температура быстро уравняется с температурой воды. Вспоминаем нулевое начало термодинамики. В свою очередь спирт займет соответствующий этой температуре объем, и столбик термометра укажет нам температуру.

Но хорошо если за окнами 21 век, и мы купили термометр в ближайшем сетевом супермаркете. А если нет? Если на дворе начало 18 века, и термометр мы изготовили сами, буквально на коленке?

Необходимо придумать свою температурную шкалу, что позволит сопоставлять показания термометра с температурами физических явлений, взятыми за эталон.

Измеряем температуру соседского кота и берем ее за ноль. Это будет наша первая реперная точка. За вторую точку можно взять температуру борща, кипящего на плите. Измеряем ее, и принимаем за 100. Теперь столбик термометра от первой до второй точки делим на 100 равных частей (градусов) и наша шкала готова.

Все очень просто, поэтому не мудрено что к концу 18 века общее количество известных шкал достигало девятнадцати. А если прикинуть что могли существовать и неизвестные, вроде нашей… Благо до сегодняшнего дня дожили не все. Давайте рассмотрим самые живучие.

Шкала Фаренгейта

В своей шкале Фаренгейт использовал не две, а три основные реперные точки. За ноль была принята температура замерзания смеси льда, воды и нашатыря, которая, по одной из версий, соответствовала температуре самого холодного дня зимы 1709 года.

Вторая точка — это температура замерзания воды. Она заняла отметку в 32 градуса.

И третьей точкой, в 100 градусов, должна была стать температура здорового человека. Но толи 300 лет назад люди были более горячие, толи Фаренгейт что-то намерил неправильно.

В общем 100 F это температура не здорового человека, а самого что ни на есть больного. Существует версия, согласно которой за эталон температуры здорового человека, фаренгейт взял температуру своей жены. Но на тот момент она приболела и получилось, то, что получилось.

Давайте воспользуемся формулой для перевода градусов Фаренгейта в привычные нам цельсии, и узнаем какая же температура была у жены ученого.

T(°С) = 5/9 х (t (°F) — 32)

Чтобы определить какой же будет нормальная температура человека по шкале Фаренгейта, воспользуемся обратной формулой:

T(°F) = 9/5 х (t (°C) + 32)

То есть нормальная температура человека соответствует примерно 98 °F.

Шкала Фаренгейта использовалась в англоязычных странах вплоть до 1960 года, пока не была введена международная система единиц (СИ), с ее кельвинами и цельсиями. Как известно США не приняла систему СИ. Так что, если ваша температура 98 градусов, и вы при этом не испытываете никаких беспокойств, то скорее всего вы живете в США. Ну или в Либерии, Белизе, Палау, на Каймановых островах, или на Багамах. В общем в тех уголках нашей планеты, где еще сохранился Фаренгейт. А мы переходим к Цельсию.

Шкала Цельсия

Со шкалой Цельсия тоже не все так просто. Мы привыкли что при нуле градусов тает лед, а при ста кипит вода. Но если бы вы сказали об этом шведскому астроному, геологу и метеорологу Андерсу Цельсию, чье собственно имя и носит эта шкала, то скорее всего он был бы крайне удивлен.

Цельсия смущали отрицательные температуры, поэтому ноль в своей шкале он определил как температуру кипения воды, а сто градусов как температуру плавления льда. То есть современная шкала является перевернутой шкалой Цельсия. Ну а придал ей привычный нам всем вид, соотечественник Цельсия Мартин (Мортен) Штремер. После смерти самого Цельсия.

Так что фактически, то, что называется шкалой Цельсия правильней было бы назвать шкалой Штремера. И вроде как по началу в Швеции она так и называлась, пока Йонс Якоб Берцелиус не назвал ее по ошибке шкалой Цельсия в своем учебнике химии. Учебник издавался не только в Швеции, но и за ее пределами…

Опять же это одна из версий. Существуют и другие. Так по одной из них шкалу перевернул Линей, Шведский ботаник, а по другой сам Цельсий. По совету, опять же, Мартина Штремера.

Абсолютный ноль, и шкала Кельвина.

Шкала фаренгейта, шкала цельсия, да и наша собственная шкала имеют один существенный недостаток. Они относительные. Вода, в зависимости от давления, может кипеть при разных температурах, температура жены тоже вещь не постоянная, как, собственно, и температура кота.

Да, для того чтобы понять, что одеть, пальто или пуховик, термометра со шкалой цельсия за окном будет вполне достаточно. Но для науки все эти заморочки с давлением, зимой 1709 года, и борщом на плите будут вносить определенные неудобства. Необходима абсолютная шкала, которая уже не зависит от всяких глупостей.

Такую шкалу предложил лорд Кельвин он же Томпсон.

Точкой отсчета в этой шкале был взят абсолютный ноль — температура, при которой останавливаются все процессы внутри вещества. То есть атомы и молекулы перестают двигаться.

Понятно, что для такой шкалы не существует отрицательных температур.

Причем за ее основу Кельвин взял уже существующую шкалу Цельсия, просто опустив ее вниз на 273,15 градуса. Все это очень удобно для перехода между шкалами.

Нужно цельсии перевести в кельвины прибавляем 273. Если наоборот кельвины в цельсии отнимаем 273.

Зная, это легко определить абсолютный ноль по шкале Кельвина. От нуля отнимаем 273 и получаем — 273 градуса Цельсия.

−273,15° С если быть точнее. Просто часто для расчетов используют округленное до целых значение.

Все. На этом на сегодня остановимся. Для разминки можете перевести в цельсии температуру холодной зимы 1709 года, выразить в кельвинах температуру вашего кота, и конечно определить температуру кипения борща в США. Результаты пишите в комментариях. Всем тепла!

Источник

Измерение температуры. Абсолютный нуль температуры


С возрастанием энергии хаотического движения молекул возрастает и температура. Поскольку изменение энергии теплового движения молекул всегда приводит к изменению целого ряда других физических характеристик системы, то по численным значениям этих характеристик можно судить о температуре и устанавливать соответствующие шкалы.

При любом методе определения температуры на температурной шкале можно отметить некоторую точку, имеющую абсолютное значение. Эта точка отвечает температуре, при которой отсутствует хаотическое (тепловое) движение молекул, и носит название абсолютного нуля температуры. В случае идеального газа значению абсолютного нуля отвечает отсутствие кинетической энергии поступательного движения молекул ( ) и отсутствие давления ( ).

Не следует думать, что при абсолютном нуле температуры прекращается всякое движение частиц вещества. Даже если все молекулы газа остановятся, то внутри них будут двигаться электроны по определенным орбитам вокруг ядер, определенным образом будут участвовать в движении протоны и нейтроны внутри ядер. Например, средняя кинетическая энергия свободных электронов в металле при абсолютном нуле в сотни раз превышает среднюю кинетическую энергию молекул газа при комнатной температуре.

Читайте также:  Центр лабораторного анализа технических измерений юфо

Абсолютный нуль температуры означает не отсутствие движения, но такое состояние тела, при котором дальнейшее уменьшение интенсивности этого движения за счет отдачи его энергии окружающим телам невозможно.

Следовательно, при абсолютном нуле система находится в состоянии с наименьшей возможной энергией.

Триста лет назад флорентийские академики открыли, что в смеси воды и льда температура постоянна. Спустя 50 лет стеклодув Фаренгейт установил, что температура кипения воды остается постоянной, если давление не меняется. Эти две постоянные температурные точки дали возможность прокалибровать термоскоп, что и превратило его в термометр.

Первое время, чтобы измерять высоту столбика жидкости, расширяющейся при нагревании, делили расстояние между двумя точками – от точки плавления льда до точки кипения воды – на произвольное число частей. В 1742 г. Цельсий предложил делить расстояние между этими точками ровно на 100 частей. Он обозначил температуру плавления льда как сто градусов, а температуру кипения воды как нуль градусов. Вскоре эти значения поменяли местами и этой шкалой пользуются до сих пор.

Температуры по шкале Цельсия и по шкале Кельвина связаны соотношением:

; ,15. (2.10)

Температурная шкала Фаренгейта, появившаяся в 1715 г, применялась в США. За нуль градусов своей шкалы Фаренгейт принял температуру смеси льда с нашатырем (хлористым аммонием), полагая, что это самая низкая температура на Земле. За вторую точку шкалы Фаренгейт принял температуру тела здорового человека, приписав ей значение 96 0 F. Перевести температуру из градусов Фаренгейта в градусы Цельсия можно по формуле

.

100 0 C = 212 0 F.

Атмосферное давление

Газы всегда полностью занимают объем, ограниченный непроницаемыми для газа стенками.

Стремясь расшириться, газ оказывает давление на стенки баллона, камеры или любые другие тела, с которыми он соприкасается.

Давлением называют физическую величину, равную отношению силы, действующей на определенную площадь, к величине этой площади:

Самый важный для нас газ – воздух. Земля окружена атмосферой – слоем воздуха, представляющего собой смесь целого ряда газов. Мы не будем учитывать, что воздух имеет сложный состав: в интересующих нас механических явлениях это не играет роли.

Атмосфера (атмос – пар, воздух) удерживается вблизи земной поверхности силой притяжения Земли. Масса атмосферы примерно 5·10 18 кг. Плотность воздуха при температуре 0 0 С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 1,293 кг/м 3 .

Давление воздуха вблизи поверхности Земли обусловлено его собственным весом; он сжат этим весом подобно тому, как сжата своим весом вода на дне океана. Давление воздуха вблизи поверхности Земли (точнее на уровне моря) примерно равно 10 5 Па. Следовательно, на каждый квадратный метр поверхности земли воздух давит с силой 10 5 Н. Поверхность Земли составляет примерно 5·10 14 м 2 . Таким образом, воздух давит на поверхность Земли с силой 5·10 19 Н. Если бы плотность воздуха на любой высоте была такая же, как вблизи поверхности Земли, то толщина атмосферы составила бы около 8 км. В действительности плотность быстро убывает с расстоянием от поверхности Земли, так что атмосфера простирается на сотни километров и не имеет четкой границы.

Атмосферное давление было измерено в опытах Торричелли и составляет 760 мм рт. ст. = 1, 013·10 5 Па.

Давление воздуха в одной и той же точке земной поверхности не остается постоянным, но меняется в зависимости от различных процессов, происходящих в атмосфере. Давление воздуха над уровнем моря во всех пунктах земного шара близко в среднем к одной атмосфере. Чем больше высота над уровнем моря, тем давление меньше. При небольших подъемах в среднем на каждые двенадцать метров подъема давление уменьшается на 1 мм рт. ст.

Убывание давления воздуха при подъеме объясняется так же, как и убывание давления в морских глубинах при подъеме от дна к поверхности. Воздух на уровнем моря сжат всем весом атмосферы Земли, а более высокие слои сжаты весом только того воздуха, который лежит выше этих слоев. Вообще изменение давления от точки к точке в атмосфере, как и в любом другом газе, находящимся под действием силы тяжести, подчиняется тем же законам, что и давление жидкости: давление одно и то же во всех точках горизонтальной плоскости; при переходе снизу в верх давление уменьшается на вес столба воздуха, высота которого равна высоте перехода, а площадь поперечного сечения равна единице.

Однако вследствие большой сжимаемости газов общая картина распределения давления по высоте в атмосфере оказывается совсем другая, чем для жидкостей. В самом деле, построим график убывания давления воздуха с высотой. По оси ординат откладывают высоты h, 2h, 3h, 4h и т. д., а по оси абсцисс – давление р (рис. 2.1). Будем подниматься вверх по ступенькам высоты h.

Рис. 2.1. Изменение атмосферного давления с высотой

Чтобы найти давление на следующей ступеньке, нужно из давления на предыдущей ступеньке вычесть вес столба воздуха высоты h, равный ρgh. Но с увеличением высоты давление воздуха уменьшается. Поэтому убыль давления, происходящая при подъеме на следующую ступеньку, будет тем меньше, чем выше расположена ступенька. Таким образом, при подъеме давление будет убывать неравномерно: на малой высоте давление убывает быстро; чем выше, тем меньше плотность ρ и тем медленнее падает давление.

Мы считали, что давление р во всем слое толщины h одно и то же, поэтому мы получили ступенчатую линию. Но убывание плотности происходит непрерывно, поэтому в действительности график имеет вид плавной линии. Таким образом, в отличие от прямолинейного графика давления для жидкостей, закон убывания давления в атмосфере изображается кривой линией. Для небольших объемов достаточно пользоваться маленьким участком графика. В этом случае криволинейный участок можно без большой ошибки заменить прямым отрезком, как и для жидкости.

Насыщенный пар

Количество воды или какой-либо другой жидкости в открытом сосуде постепенно уменьшается. Происходит испарение жидкости. Одновременно с испарением происходит обратный процесс – переход части хаотически движущихся молекул пара в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.

В особенно больших размерах происходят в природе и технике взаимные превращения водяного пара и воды.

Для испарения жидкости нужно, чтобы образующийся пар удалялся. Когда поток воздуха над сосудом уносит образовавшиеся пары, жидкость испаряется быстрее, так как у молекулы пара уменьшается возможность вновь вернуться в жидкость. Если пар совсем не удаляется, например, если закупорить пробкой бутылку с жидкостью, то испарение скоро прекратится.

При неизменной температуре система «жидкость – пар» придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно долго.

В первый момент, после того как жидкость нальют в сосуд и закроют его, она будет испаряться и плотность пара над жидкостью будет расти. Однако одновременно с этим будет расти и число молекул, возвращающихся в жидкость. Чем больше плотность пара, тем большее число молекул пара возвращается в жидкость. В результате в закрытом сосуде при постоянной температуре, в конце концов, установится динамическое равновесие. Одновременно с процессом испарения будет происходить конденсация, и оба процесса в среднем компенсируют друг друга.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Это название подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

При сжатии пара равновесие начинает нарушаться. Плотность пара в первый момент немного увеличивается, и из газа в жидкость начинает переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ. Это продолжается до тех пор, пока вновь не установится равновесие и плотность, а значит, и концентрация молекул примет прежнее значение. Следовательно, концентрация молекул насыщенного пара не зависит от объема при постоянной температуре.

Так как давление пропорционально концентрации в соответствии с формулой p = nkT, то из независимости концентрации (или плотности) насыщенных паров от объема следует независимость давления насыщенного пара от занимаемого им объема.

Независимое от объема давление пара ро, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называется давлением насыщенного пара.

При сжатии насыщенного пара все большая часть его переходит в жидкое состояние. Жидкость данной массы занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем уменьшается при неизменной плотности пара.

Принципиальной разницы между паром и газом нет. Слово «газ» обычно применяют к тем веществам, давление насыщенного пара которых при обычных температурах выше атмосферного (например, углекислый газ). Напротив, о паре говорят тогда, когда при комнатной температуре давление насыщенного пара меньше атмосферного и вещество более устойчиво в жидком состоянии, например, водяной пар.

Итак, плотность и давление насыщенного пара при неизменной температуре являются постоянными величинами, у разных жидкостей – разными.

Состояние насыщенного пара приближенно описывается уравнением состояния идеального газа, а его давление приближенно определяется формулой

.

С ростом температуры давление растет. Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

Однако эта зависимость р(Т), найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объеме. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа. При нагревании жидкости с паром в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате давление пара растет не только вследствиеувеличения температуры, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Основные различия в поведении идеального газа и насыщенного пара в том, что при изменение температуры пара в закрытом сосуде (или при изменение объема при постоянной температуре) меняется масса пара. Жидкость частично превращается в пар или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.

Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным, и его давление при постоянном объеме будет расти прямо пропорционально температуре.

Кипение

Проследим за процессом закипания воды. При размещении сосуда с холодной водой на горелке стенки его покроются пузырьками, в которых находятся воздух и пар воды. Пузырьки появляются в тех местах стенок сосуда, где нет полного смачивания. Наблюдая за пузырьками при неизменной температуре, мы видим, что он сохраняет свои размеры; значит, давление изнутри и извне на его поверхность взаимно уравновешиваются. Так как внутри пузырька находится воздух, количество которого надо считать постоянным, то это равновесие является устойчивым.

При увеличении температуры пузырек постепенно расширяется настолько, что сумма давления воздуха и пара в нем остается равной внешнему давлению. Однако когда пузырек сделается достаточно большим, выталкивающая сила воды заставит его оторваться, подобно тому, как отрывается слишком тяжелая капля воды, повисшая на крыше.

При этом между пузырьком и стенкой сосуда образуется все сужающаяся воздушная перемычка и, наконец, пузырек отрывается, оставляя у стенки небольшое количество воздуха, из которого с течением времени разовьется новый пузырек. Поднимаясь кверху, оторвавшиеся пузырьки снова уменьшаются в размерах. Почему это происходит? Пузырек содержит пар и немного воздуха. Когда пузырек достигает верхних, еще не успевших нагреться слоев воды, то значительная часть водяного пара конденсируется в воду и пузырек уменьшается. Это попеременное уменьшение и увеличение пузырьков сопровождается звуками: закипающая вода «шумит». Наконец, вся вода прогревается в достаточной мере. Тогда поднимающиеся пузырьки уже не уменьшаются в размерах и лопаются на поверхности, выбрасывая пар во внешнее пространство. «Шум» прекращается, и начинается «бульканье» – вода закипела. Термометр, помещенный в пар над кипящей водой, все время, пока вода кипит, показывает одну и ту же температуру около 100 0 С.

Очевидно, что при кипении давление паров, образующихся внутри пузырьков у дна сосуда, таково, что пузырьки могут расширяться, преодолевая атмосферное давление, действующее на свободную поверхность воды, а также давление столба воды. Таким образом, кипение происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению. Температуру пара кипящей жидкости называют температурой кипения.

Температура кипения зависит от внешнего давления. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. При давлении равном 15 атмосфер температура кипения воды приблизительно равна 200 0 С. При давлении 300 мм рт. ст. – 70 0 С. Когда говорят о температуре кипения, не указывая давления, всегда имеют в виду нормальное давление (760 мм рт. ст.).

Различие температур кипения жидкостей определяется различием в давлении их насыщенных паров. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, так как при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному.

Источник