Тепловое равновесие

При изучении тепловых явлений вводится физическая величина – температура. Понятие температуры вошло в физику из бытовых представлений теплого и холодного посредством нашего чувственного восприятия степени нагретости тела. Однако наши ощущения неоднозначны и зависят от состояния человека и окружающей среды. Так, например, в одной и той же комнате металлические предметы кажутся всегда более холодными, чем деревянные и пластмассовые. Рукой можно грубо отличить холодную воду от горячей, однако мы знаем, что при этом нетрудно и ошибиться.

Проделайте такой опыт. Одну руку опустите в холодную воду, а другую – в горячую, подержите некоторое время. Затем опустите одновременно обе руки в сосуд с теплой водой. Та рука, которая была до этого в горячей воде, почувствует холод, рука же, бывшая до этого в холодной воде, ощутит тепло. Этот опыт показывает, что наши ощущения, обычно надежные, могут оказаться ошибочными, и поэтому желательно иметь такой способ измерения температуры, который не зависел бы от наших ощущений и от нашего настроения.

В физике к понятию температуры приходят через понятие теплового равновесия.

Рассмотрим пример. Пусть в сосуд с холодной водой опускается сильно нагретая стальная деталь, т.е. в контакт приводятся тела, имеющие разные температуры. Опыт показывает, что одно тело (вода) при этом будет нагреваться, а другое (стальная деталь) – охлаждаться. При этом можно наблюдать и видимые признаки изменения состояния тел: раскаленная докрасна деталь изменит свой цвет, вода закипит и т. д.

Через некоторое время процессы охлаждения и нагревания прекратятся. Перестанут быть заметными и всякие видимые изменения в состоянии тел. Тогда говорят, что эти два тела (в рассматриваемом примере – вода и стальная деталь) находятся в тепловом равновесии и имеют одинаковые температуры. Тепловое равновесие, как показывает опыт, устанавливается не только в случае соприкосновения двух, но и в случае соприкосновения нескольких тел.

Опыты показывают, что практически все физические свойства тел изменяются при изменении температуры. Так, например, при нагревании большинство тел расширяются, т. е. увеличивается их объем. Исключение составляет вода в интервале температур от 00 C до 40 C. От температуры зависят также сопротивление проводников и полупроводников, величина термоэлектрического тока, давление газа в сосуде, спектр лазерного излучения нагретых тел и т. д.

Прибор, позволяющий измерять температуру, называется термоскопом, или термометром.

Существуют различные способы измерения температуры. Основным из них стала идея построения температурной шкалы на основе использования двух постоянных точек (реперных точек). Такими точками стали температуры замерзания и кипения воды. Одной из самых распространенных шкал температур является шкала Цельсия. В термометре Цельсия в качестве нулевой отметки на шкале взят уровень ртути, соответствующий температуре замерзания воды, а через 100 единиц обозначен уровень, отвечающий температуре кипения воды. Шкала разделена на 100 равных частей, где величина одной такой части (единицы) называется градусом Цельсия 0 C. Температура замерзания воды равна 00 C. Температура кипения воды равна 1000 C.