2. Температура и термометры. Температурные шкалы. Температура и состояние теплового равновесия. Связь температуры со средней кинетической энергией движения молекул.

При наблюдении за движением броуновских частиц (броуновским движением называется непрерывное и хаотичное движение частиц, взвешенных в жидкостях или газах) в капельках холодной и горячей воды, было замечено, что в горячей воде они движутся быстрее, чем в холодной. Это означает, что и сами молекулы воды движутся быстрее в горячей воде.

Возьмем два стальных бруска: один горячий, а другой холодный и приведем их в соприкосновение. Через некоторое время оба бруска станут теплыми. Что же произошло с движением их молекул?

Логично предположить, что молекулы в горячем бруске стали двигаться медленнее, а в холодном, наоборот, быстрее.

При изучении явления диффузии мы обнаружили, что диффузия протекает быстрее в более нагретых веществах. Это мы уже объяснили тем, что в этих веществах движение молекул происходит быстрее.

Следовательно, в более нагретых телах молекулы двигаются быстрее. Для того, чтобы охарактеризовать степень нагретости тела была введена особая физическая величина – температура.

Совершенно ясно, что температура тела определяется быстротой перемещения молекул в теле. При более высокой температуре тела молекулы в нем движутся быстрее, а при более низкой – медленнее.

Исторически сложилось так, что представление о температуре связывалось людьми с ощущениями тепла и холода. Но эти ощущения весьма субъективны. Например, если взять в руки холодные деревянный и железный бруски, то железный нам будет казаться холоднее. Если же взять в руки эти же бруски, но горячие, то железный на ощупь будет казаться более горячим.

Для того, чтобы избежать субъективности в измерении температуры были созданы термометры.

Термометр – это прибор, предназначенный для измерения температуры.

Если в сосуд, разделенный пополам металлической теплопроводящей перегородкой налить кипяток (слева) и холодную воду (справа), то через некоторое время вода справа и слева будет одинаково теплая. Следовательно, при контакте двух или нескольких тел через некоторое время наступает тепловое равновесие, при котором температуры тел становятся одинаковыми. А это дает нам возможность измерить температуру тела: просто необходимо привести в контакт термометр и тело, температуру которого необходимо измерить. Через некоторое время их температуры сравняются, и по шкале термометра мы узнаем температуру тела.

Первые попытки измерить температуру были предприняты в 1592 году Г.Галилеем, который сконструировал прибор, названный им термоскопом. Он представлял собой стеклянную колбу, величиной с куриное яйцо с тонким длинным горлышком. Горлышко помещалось в чашу с водой (рис.2.12). Уровень воды в трубке находился примерно посередине ее длины. При нагревании колбы уровень воды в горлышке понижается, а при охлаждении повышается. Термоскоп Галилея был очень чувствителен к изменению температуры.

В настоящее время широко используются жидкостные термометры, в которых для регистрации температуры используют свойство жидкостей расширяться при нагревании. Чаще всего для этих целей используют ртуть или подкрашенный спирт.

Газовые термометры самые точные термометры. Чем выше поднимется ртуть в стеклянной трубке 4, тем больше температура окружающего воздуха. Неудобство газового термометра состоит в том, что он громоздок и неудобен.

Совершенствованием термометров занимались многие ученые. Каждый из них создавал собственную температурную шкалу, используя в качестве опорных (реперных) точек те, которые они считали наиболее разумными. Выбираются две реперные точки, и расстояние между ними делится на равные части. Так строится температурная шкала термометра

Реперные точки выбирались произвольно, поэтому довольно долго в мире существовало много разных температурных шкал. На современном же этапе используются следующие шкалы:

1. Шкала Фаренгейта. Создана в 1714 году немецким физиком Д.Фаренгейтом. Три реперные точки шкалы: 0^оF – температура особо суровой зимы 1709 года, 32^оF – температура таяния льда, 98^оF – температура человеческого тела. Вода по этой шкале кипит при 212^оF. Она и в нынешнее время используется в Англии и США.

2. Шкала Реомюра. Создана в 1730 году французским физиком Реомюром. Реперные точки: 0^оR – температура таяния льда, 80^оR – температура кипения воды. Применялась во Франции.

3. Шкала Цельсия. Создана в 1742 году шведским астрономом Цельсием. Реперные точки: 0^оС – температура таяния льда, 100^оС – температура кипения дистиллированной воды при нормальном атмосферном давлении. Применяется в большинстве стран.

Первым, кто создал температурную шкалу, в основе которой лежала физика явления, был английский физик Уильям Томсон, получивший за научные заслуги титул барона Кельвина, который в 1848 году ввел шкалу абсолютных температур. Кельвин предложил лишь одну реперную точку: принять равной 0К температуру, при которой полностью прекращается поступательное движение молекул в теле. Эту температуру называют абсолютным нулем температур. Это самая низкая температура, которую даже теоретически нельзя получить. Все остальные температуры будут только положительными. То есть, по шкале Кельвина нет отрицательных температур.

За единицу абсолютной температуры принят 1 К (1 Кельвин). 1^оС = 1 К. По шкале Цельсия 0К соответствует отрицательная температура, равна -273^оС. Поэтому абсолютная температура (температура по шкале Кельвина) связана с температурой по шкале Цельсия следующим соотношением:

Т= t + 273^оС.

4. Колебательное движение. Условия возникновения колебаний. Колебательные системы в механике и электродинамике. Собственные и вынужденные колебания. Величины, характеризующие ГКД: период, частота, амплитуда и фаза.

Под колебательным движением понимают движение, которое носит возвратно –поступательный характер и периодически повторяется.

Условия возникновения колебаний:

1. Наличие в системе избыточной энергии.

2. Наличие в системе силы, возвращающей её в исходное положение.

3. Силы трения и сопротивления в системе должны быть достаточно малыми.

Системы, в которых выполняются эти условия, называются колебательными системами. В механике их называют маятниками (математический – тяжёлый шарик малого размера, подвешенный на длинной, невесомой нерастяжимой нити; пружинный – колебательная система, состоящая из груза, подвешенного на пружине; физический – любое тело, имеющее ось вращения, непроходящую через его центр тяжести), а в электродинамике – колебательным контуром.

По природе происхождения колебания делятся на механические и электромагнитные. Несмотря на то, что природа происхождения колебаний может быть различной, математические законы, которые описывают их, одинаковые.

Под механическими колебаниями понимают периодическое изменение координаты тела, его скорости, ускорения, результирующей силы, действующей на тело.

Под электромагнитными колебаниями понимают периодическое изменение заряда и напряжения на обкладках конденсатора, силы тока в колебательном контуре.

По характеру протекания колебания делятся на свободные (они протекают под действием внутренних сил системы) и вынужденные (они происходят под действием внешних сил).

Для упрощения изучения колебательного движения была введена идеализированная модель колебательного движения – гармоническое колебательное движение.

Для характеристики гармонического колебательного движения вводят особые физические величины:

1. Период Т – это время одного полного колебания: Т = , [T] = с.

2. Частота линейная - величина определяемая числом колебаний за единицу времени: , [ ] = Гц.

3. Частота циклическая - величина, определяемая числом колебаний за 2 секунд: , [ ] = рад/с

4. При гармоническом колебательном движении периодически изменяются координата, скорость, ускорение, заряд, напряжение, сила тока и т.д. Максимальное значение, которое принимают эти величины в ходе колебательного процесса называются их амплитудами, или амплитудными значениями.

5. Фаза колебаний – угловая мера времени, выраженного в долях периода. [ ] = рад.