Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет»

Махно В.И., Щедритский М.П.

Учебно-методическое пособие

«Введение в молекулярную физику. Для студентов классического потока физического факультета. Модули 5-7.»

Ростов-на-Дону

2008

	Махно В.И., Щедритский М.П.
	Учебно-методическое пособие «Введение в молекулярную физику. Модули 5-7. Для студентов классического потока физического факультета». Ростов-на-Дону, 2008.  24с.

В учебно-методическом пособии изложены физические принципы введения одного из самых сложных понятий термодинамики - температуры. Сделана попытка проследить в историческом аспекте основные этапы исследования природы теплоты и развития представлений о возможности количественного анализа тепловых процессов, о развитии термометрии. Приведены сведения о конструкциях самых первых термометров, создание которых связывают с именем Галилея, и о принципах действия современных разработок. Рассмотрены физические предпосылки создания температурных шкал, особенности температурных шкал Фаренгейта, Реомюра, Цельсия, шкалы Кельвина. Анализируется возможность описания поведения неравновесных квантовых систем с использованием понятия отрицательной абсолютной температуры. Учебно-методическое пособие состоит из трех теоретических модулей, каждый из которых содержит набор проектных заданий и тестовых вопросов. Изложенный материал предназначен для самостоятельной работы, семинарских занятий и тьюторинга. При подготовке использована литература, список которой приведен в конце учебно-методического пособия.

Введение

Развитие методов исследования природы теплоты и формирование этого понятия продолжались на протяжении веков. Длительное время с переменным успехом шла борьба сторонников теории теплорода и кинетической теории теплоты.

Экспериментальная база термодинамики начала интенсивно развиваться с середины XVIII века вместе с изучением теплопроводности и расширением веществ при нагревании. Толчком к развитию количественных исследований тепловых процессов послужило изобретение термометра – первого прибора для тепловых измерений. Начались анализы количественных соотношений при исследовании процессов превращения теплоты в работу. Одновременно шлифовалось понятие температуры– мера нагретости тел, фактор, определяющий направление передачи теплоты и т.д. Даже исторически краткий анализ развития отдельной области термодинамики -термометрии – способствует пониманию картины длительного и постоянного научного поиска истины, процессу перехода от уже достигнутого к новому, более совершенному. От интуитивного понимания температуры исследователи постепенно шли к осознанию необходимости поиска путей ее количественного выражения, появилась идея создания термометров, использующих открытые различными учеными некоторые температурные константы, характеризующие температурные свойства веществ. Появились температурные шкалы, использующие температурные константы некоторых веществ. Начался процесс совершенствования конструкции термометра. Развитие промышленности потребовало создание термометров для различных диапазонов температур. Ученые предложили новые физические принципы измерения температур. Термометрия продолжает развиваться и совершенствоваться и в наши дни.

Научное обоснование целесообразности и методики изложения основ термометрии во введении в молекулярную физику.

Процесс введения в науку и технику понятия температуры, при всей кажущейся простоте этого понятия, которая порождается порой из-за смешения понятий температуры и термометра, а также анализ становления в физике методов измерения температуры представляют сложный диалектический процесс, требующий рассмотрения хотя бы некоторых ключевых экспериментальных фактов.

Анализ различных курсов лекций по молекулярной физике для вузов показывает, что понятие температуры фактически вводится на основе классической кинетической теории теплоты. Из-за дефицита времени остаются в тени вопросы истории появления этого понятия, а также важные вопросы истории развития представлений о методах измерения температуры, о создании прибора для ее измерения -термометра.

Знакомство с историей развития какого-либо раздела физики позволяет хотя бы слегка проникнуть в «лабораторию физического мышления» ученых, проследить, как наши знания на протяжении даже короткого исторического периода непрерывно развивались и совершенствовались, порождая новые физические вопросы. При этом полностью разрушается догматический подход к восприятию этих понятий, появляется возможность проследить в историческом контексте этапы формирования предпосылок для становления основных физических понятий, а также методов экспериментального исследования.

Вопросы анализа развития понятий и методов термометрии представляют особый интерес, поскольку температура вошла в формулировки как начал термодинамики, так и многих основных соотношений термодинамики. В разработанное учебно-методическое пособие включен теоретический материал, проектные задания, тестовые вопросы, поэтому оно может быть использовано в самостоятельной работе студентов над программой курса молекулярная физика, на семинарских занятиях, а также в работе тьютора со студентами.

Модуль V. От термометра Галилея до шкалы Цельсия.

Цель данного модуля – ознакомление с проблемой введения в физику понятия температуры, историей появления физических основ изобретения термометра и создания температурных шкал. Одновременно рассматриваются понятия термометрического тела, термометрического свойства (параметра), и анализируется возможность их применения в конструкциях термометров. В итоге студент должен знать основные термометрические понятия, смысл реперных точек вещества, принципы построения температурных шкал Фаренгейта, Реомюра и Цельсия, уметь пересчитывать показания термометра из

одной шкалы в другую. В молекулярной физике и термодинамике изучается более сложная, чем в механике, форма движения материи – тепловое движение: хаотическое движение огромного числа микрочастиц, из которых состоят твёрдые тела, жидкости, газы. Исследования теплового движения материи привели к необходимости определения качественно нового понятия – температуры, которое, строго говоря, можно применять лишь для систем, находящихся в термодинамическом (тепловом) равновесии, не обусловленном внешними воздействиями. В состоянии термодинамического равновесия прекращаются макроскопические процессы в системе (изменение объёма, перенос внутренней энергии, химические реакции, растворение, кристаллизация, диффузия), и параметры системы остаются неизменными сколь угодно долго без внешнего воздействия.

Установление термодинамического равновесия возможно благодаря непрерывному молекулярному движению.

Состояние механической системы определяется координатами и импульсами отдельных частиц, входящих в неё. Однако, состояние термодинамической системы определяется набором значений термодинамических параметров, характеризующих систему в целом.

Термодинамические параметры являются макровеличинами, измеряемыми непосредственно с помощью приборов или вычисляемыми через другие определяемые экспериментально величины. Простейшие термодинамические системы характеризуются давлением, температурой и объёмом. Этих параметров достаточно для определения состояния однородных газов и жидкостей.

Вопрос о природе теплоты занимал учёных во все времена. Но только в XVIII веке начинает развиваться последовательное учение о тепловых явлениях. При описании теплового движения появляется понятие температуры, которого не было в механике. Формированию физических представлений о теплоте способствовало изобретение термометра, что позволило качественные исследования тепловых процессов перевести в область количественных. Начались интенсивные исследования природы теплоты, прогресс в этой области стимулировался потребностями техники, зарождающейся промышленности. Исследования привели к открытию начал термодинамики, изобретению и внедрению паровых машин, начался «век пара». В этой связи трудно переоценить важность создания термометра. Познакомимся с основными вехами из истории термометрии.

Прибор для измерения нагретости тел первым изобрёл Галилей (1597г), понятия температуры тогда не было сформулировано. Галилей использовал свойство воздуха расширяться при нагревании. Трубка с шарообразным наконечником погружалась в сосуд с водой так, что вода частично заполняла трубку. При нагреве или охлаждении воздуха в шаре уровень воды в трубке изменялся. Положение уровня воды в трубке определяет степень нагретости воздуха.

Конечно, прибор Галилея имел множество недостатков: не было шкалы, уровень воды в трубке зависел от атмосферного давления и др. Это был, в действительности, термоскоп, который качественно характеризовал температуру среды, в которой он находился.

Подобный прибор был также изобретён О.Герике. Затем были предприняты попытки использовать другие жидкости в качестве термометрического тела, в связи с чем в истории физики упоминается голландец Ян Баптист Ван Гельмонт (1579-1644) и др. Известно, что в 1640г. в итальянской академии использовался термоскоп, в котором в качестве термометрической жидкости использовался спирт и было исключено влияние атмосферы на показания прибора.

В 1693г. Э.Галлей (Англия) установил постоянство точки кипения воды, в Италии исследователи выявили постоянство точки замерзания воды.

Считается, что К.Ренальдини (1693г., Италия) первым использовал постоянство точек кипения и замерзания воды для создания термометра.

В 1701г. И.Ньютон опубликовал чертёж изготовленного им термометра на основе льняного масла в качестве термометрического тела и со шкалой, в которой использовались реперные точки воды.

Начался процесс создания и совершенствования конструкции термометра.

В отличие от других физических величин для температуры нельзя ввести какой-либо эталон. Температура – величина неаддитивная, она не может быть измерена без использования температурной шкалы, устанавливающей связь температуры с термометрическим свойством (параметром) термометрического тела.

Термометрическим телом может быть спирт, ртуть, газ, твёрдое тело. Однако, вода, например, не может быть выбрана в качестве термометрического тела для создания термометра, предназначенного для измерения температуры, допустим, в диапазоне от 0^оС до 80^оС, т.к. вблизи 4^оС один и тот же объём воды может соответствовать двум разным температурам. Термометрическими свойствами (параметрами) могут быть: тепловое расширение жидкостей и газов, электрическое сопротивление металлов, магнитная восприимчивость парамагнетиков и другие характеристики веществ. Измерение температуры осуществляется на основе уравнений состояния, связывающих температуру с другими параметрами вещества, например, с объёмом, давлением, напряжением, интенсивностью излучения и т.д.

Число возможных температурных шкал может быть неограниченным. При построении температурной шкалы обычно задают значения температур в двух фиксированных (реперных) точках с двумя значениями термометрического параметра.

Установлению температурных шкал способствовал факт обнаружения одних и тех же показаний данного термометра, погруженного в различные смеси воды и льда, а также в кипящую в разных сосудах воду. Эти наблюдения использовал в начале XVIII века немецкий стеклодув и физик Фаренгейт (1724г.). В качестве расширяющихся тел Фаренгейт использовал спирт и ртуть. В его температурой шкале были выбраны следующие реперные точки: температура смеси воды, льда и поваренной соли равна 0^оF, температура смеси льда и воды (таяния льда) равна 32^оF, температура кипения воды 212^оF. Между температурными точками таяния льда (замерзания воды) и кипения воды шкала разделена на 180 равных частей. Шкала Фаренгейта до сих пор широко используется в США.

Изобретение Фаренгейта дало толчок созданию других шкал. Отметим получившую известность температурную шкалу Реомюра (1730г., Франция), согласно которой температура таящего льда равна 0^оR, температура кипения воды 80^оR. Один градус шкалы Реомюра соответствовал увеличению объёма спирта, использовавшегося им в качестве термометрического тела, на 0,1% первоначального объёма.

Шведский астроном Цельсий в 1742г. предложил шкалу, согласно которой 0 ^оС соответствовал температуре кипения воды, 100 ^оС – температура таящего льда. Таким образом, первоначальная шкала Цельсия отличалась от современной, которая была введена астрономом М.Штермером, «перевернувшим» шкалу Цельсия.

Найдём связь температур по шкалам Цельсия и Фаренгейта.

Используя равенство температурных интервалов этих шкал:

100 ^оС – 0 ^оС = 212 ^оF – 32 ^оF = 180 ^оF,

t ^оС – 0 ^оС = t ^оF –32 ^оF,

получаем:

или:

а также:

Аналогично, найдём связь температур по шкалам Цельсия и Реомюра.

100^оС – 80^оR

t ^оC – t ^оR

t ^оC=1,25 t ^оR.

Казалось бы, используя реперные точки воды для шкалы Цельсия, легко шкалу разделить на сто равных частей, и можно определять температуру различных тел. Однако, два термометра, проградуированные по шкале Цельсия, использующие спирт и ртуть, дают несколько разные показания при измерении степени нагретости одного и того же тела. Это означает, что или одно из двух термометрических тел, или оба, расширяются при нагревании не прямо пропорционально температуре, т.е. коэффициент объёмного расширения не постоянен, зависит от температуры. Первоначально условно приняли коэффициент объёмного расширения ртути постоянным.

В начале XVIII века Амонтон сконструировал воздушный термометр, позволявший измерять температуру по изменению давления воздуха при его нагревании.

Амонтон использовал стеклянную U-образную трубку, один конец которой оканчивался стеклянным шаром. Часть шара и трубки заполнены ртутью. Разность уровней ртути в трубке и в шаре равна разности давлений воздуха в шаре и атмосфере. Помещая шар в тающий лёд и кипящую воду, Амонтон отметил соответствующие разности уровней ртути. Считая, что давление воздуха в шаре меняется пропорционально температуре, Амонтон получил проградуированную температурную шкалу.