Температура и её измерение

Проследить движение каждой из огромного числа молекул невозможно. Поэтому состояние тела описывают величинами, относящимися ко всему телу сразу.

Термодинамическая система — любое макроскопическое тело или группа тел.

Макроскопические (термодинамические) параметры — величины, характеризующие состояние системы без учёта её молекулярного строения: объём $V$, давление $p$, температура $t$ ($T$); для смеси газов — ещё и концентрации компонентов.

Ощущение «тепло — холодно» субъективно. Чтобы измерять температуру, нужна шкала; к концу XVIII века их было около двух десятков.

Шкала Цельсия: $0$ — температура тающего льда, $100$ — кипения воды при нормальном атмосферном давлении; между ними $100$ равных частей — градусов (°C).

Термометры бывают механические, электрические, жидкостные (ртутные, спиртовые). Действие любого основано на зависимости какого-то свойства тела от температуры.

• Не меняются объём и давление, нет теплообмена, нет превращений вещества; столбик термометра стоит.
• Лёд в закрытом стакане тает, вода охлаждается, потом нагревается до температуры воздуха — и дальше ничего не происходит.
• Во всех частях системы в равновесии температура одна и та же.

• Если тела A и B каждое в равновесии с телом C (термометром), то A и B имеют одинаковую температуру — даже не соприкасаясь.
• При разных температурах тела обмениваются энергией: тело с большей температурой отдаёт энергию телу с меньшей.
• Разность температур указывает направление теплообмена.

При столкновениях быстрых молекул с медленными быстрые замедляются, медленные разгоняются. Многочисленные удары выравнивают средние кинетические энергии молекул — и одинаковой массы, и разных масс.

Значит, при тепловом равновесии одинакова средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул.

• Галилей (1592): термоскоп — стеклянный шарик с трубкой, опущенной в воду. Нагрев — воздух в шарике расширяется, вода в трубке опускается. Недостаток — показания зависели от атмосферного давления.
• Во Флоренции сделали запаянные термометры, воду заменили спиртом.
• Гюйгенс предложил опорные точки — таяние льда и кипение воды.
• Шкала Фаренгейта: лёд тает при $32$ °F, вода кипит при $212$ °F.

1. Равновесие — когда средние кинетические энергии молекул выровнялись, то есть одинаковы температуры.
2. Давления, концентрации и плотности разных газов при этом могут оставаться разными.
3. Ответ — 1.

1. Переведём кельвины в градусы Цельсия: $t = T - 273 = 187 - 273 = -86$ °C.
2. Термометр показывает ровно расчётную температуру — вариант 3.

1. Медицинский термометр не опускается сам: ртуть удерживает сужение капилляра, его надо встряхнуть.
2. В воздухе при $42$ °C он покажет $42$ °C. Встряхнём его, сбив столбик ниже $36$ °C, и сразу поставим под мышку.
3. Термометр придёт в тепловое равновесие с телом и покажет его температуру — ниже температуры воздуха.

• Макропараметры: объём, давление, температура; термодинамическая система — макроскопические тела.
• Шкала Цельсия: $0$ — таяние льда, $100$ — кипение воды; газовая шкала не зависит от вещества.
• Тепловое равновесие — макропараметры не меняются; нулевой закон: система сама к нему приходит.
• Температура — мера средней кинетической энергии хаотического движения молекул; одинакова в равновесии.