Как составить свою температурную шкалу

Построение — температурная шкала

Cтраница 1

Построение температурной шкалы по сути дела представляет собой градуировку термометра: каждому значению параметра г /, которое соответствует равновесному состоянию термометрического тела, приписывается определенное числовое значение температуры. Термометр приводится в контакт с телом, температуру которого нужно измерить. По установившемуся равновесному значению параметра у определяется температура термометра и тела.
 [1]

Построение температурных шкал, предложенных в свое время немецким физиком Фаренгейтом ( в 1715 г.), французским физиком Реомюром — ( IB 1730 г.) и шведским астрономом Цельсием ( в 1742 г.) основывалось на приведенном выше принципе, однако сами шкалы значительно отличались одна от другой, так как их авторы применяли различные термометрические вещества и выбирали различные реперные точки, а сами температурные интервалы делили на разное число равных делений. Основные интервалы этих температурных шкал ( между точками, соответствующими температуре плавления льда t и кипения воды tz) разделены соответственно на 100 ( у Цельсия), на 80 ( у Реомюра) и на 180 ( у Фаренгейта) равных частей.
 [2]

Построение температурных шкал, предложенных в свое время немецким физиком Фаренгейтом, французским физиком Реомюром и шведским астрономом Цельсием, основывалось на приведенном выше принципе, однако сами шкалы значительно отличались друг от друга, так как их авторы применяли разные термометрические вещества, выбирали разные реперные точки, а температурные интервалы делили на разное число равных делений.
 [3]

Для построения температурных шкал и иногда для непосредственных измерений употребляются гелиевые газовые термометры постоянного объема.
 [5]

Принцип построения температурных шкал основан на стабильности температур перехода химически чистых веществ из одного фазового состояния в другое — их плавления и затвердевания. Этим температурам ( постоянным точкам) присваиваются числовые значения, а интервал между ними разбивается на определенное число частей. Достоверность таких шкал зависит от химической чистоты веществ.
 [6]

При построении указанной температурной шкалы была произвольно принята пропорциональная зависимость объемного расширения ртути от температуры, что, однако, не соответствует действительности, особенно при температурах выше 100 градусов. Поэтому при помощи такой шкалы можно точно измерить температуру только в двух исходных точках 0 и 100 градусор, тогда как результаты измерения во всем остальном диапазоне шкалы будут неточны.
 [7]

Объясните принципы построения температурных шкал Цельсия и Кельвина.
 [8]

Другой путь построения температурной шкалы, не зависящий от индивидуальных особенностей того или другого вещества, открывает второй закон термодинамики. Коэффициент полезного действия основного термодинамического цикла, выражаемый уравнением ( VII, 2), однозначно определяется температурами теплоприемника и теплоотдатЧика и не зависит от вида вещества.
 [9]

Такой принцип построения температурной шкалы был впервые предложен Томсоном ( Кельвином), и поэтому термодинамическую шкалу называют также шкалой Кельвина.
 [10]

Для установления и построения температурной шкалы на графике пунктиром проведена прямая линия и использованы данные по давлению насыщенных паров воды.
 [12]

Калибровка прибора заключается в построении температурной шкалы и определении в функции температуры констант калориметра К.
 [13]

Все вопросы, связанные с построением температурной шкалы, подробно изложены в.
 [14]

В качестве реперных точек при построении различных температурных шкал использовались или используются ( помимо упомянутых выше точек плавления льда и кипения воды при атмосферном давлении), например, так называемая тройная точка воды, точки затвердевания сурьмы, серы, цинка, золота и другие точки.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

Для построения температурной шкалы выбирают термометрическое вещество и определенную температуру, характеризующую свойство вещества (термометрическую величину). Затем задают начальную точку отсчета и единицу температуры.  [c.112]

Вместе с тем известно, что термодинамическая шкала температур совпадает со шкалой идеального газового термометра, если положить принцип линейности в построении температурной шкалы и интервал от точки таяния льда до точки кипения воды при нормальном атмосферном давлении разделить на 100 равных частей, названных градусами Цельсия.  [c.22]

Использование любого другого свойства вещества, для которого заранее не известна зависимость от температуры, для создания температурной шкалы невозможно. Так, если пытаться создать температурную шкалу, используя свойство расширения ртути от температуры (ртутный термометр), то заранее, до установления температурной шкалы, не известно, как зависит коэффициент расширения ртути от температуры поэтому использование этого свойства приведет к неизбежным ошибкам в температурной шкале (цена одного градуса будет различной при разных температурах, т. е. шкала будет неравномерной). Использование еще какого-либо свойства для построения температурной шкалы приведет к другим ошибкам. Эти шкалы, называемые эмпирическими, не будут совпадать.  [c.71]

Температурная шкала есть непрерывная совокупность чисел, линейно связанных с численными значениями какого-либо физического свойства и являющейся однозначной и монотонной функцией температуры. При построении температурной шкалы необходимо выбрать две основные точки, представляющие собой легко воспроизводимые  [c.121]

Построение температурной шкалы с одной реперной точкой оказалось возможным только после открытия абсолютной термодинамической шкалы Кельвина (см. 8).  [c.7]

Впервые это содержание теоремы Карно было раскрыто в 1848 г. В. Томсоном (1823—1907). Он считал, что характерным свойством предполагаемой им шкалы, является то, что все градусы имеют одно и то же значение, т. е., что единица теплоты, падающая от тела А с температурой Т на этой шкале к телу В с температурой (Т — 1) будет давать один и тот же механический эффект, каково бы ни было число Т. Такая шкала может быть действительно названа абсолютной, так как для нее характерна полная независимость от физических свойств какого-либо вещества [2], Эта шкала носит его имя —шкала Кельвина. Открытие абсолютной термодинамической температуры позволяет устанавливать величину градуса по одной реперной точке. Такой путь построения температурных шкал является наиболее правильным, однако он не мог быть сразу использован.  [c.36]

Под термином температурная шкала принято понимать непрерывную совокупность чисел, линейно связанных с численными значениями какого-либо удобно и достаточно точно измеряемого физического свойства, являющегося однозначной и монотонной функцией температуры. Принцип построения температурной шкалы следующий. Выбирают какие-либо две основные или опорные точки, представляющие собой легко воспроизводимые температуры, неизменность которых обоснована общими физическими соображениями, например, температуры кипения или затвердевания чистых веществ. Этим температурам приписывают произвольные числовые значения и Температурный интервал — tx часто называют основным интервалом температурной шкалы. Его делят на некоторое целое число N раз и //V часть основного интервала принимают за единицу измерения температуры или за масштаб шкалы, экстраполируемой в одну или обе стороны от основного интервала.  [c.15]

ПОСТРОЕНИЕ температурной ШКАЛЫ  [c.22]

Задачу построения температурной шкалы, не зависящей от выбора вещества, можно решить, если использовать для измерения температуры термометрический параметр, зави-  [c.26]

Уравнение (14) может быть использовано для построения температурной шкалы, независимой от природы термометрического вещества.  [c.29]

Для того чтобы использовать уравнение (14) в целях построения температурной шкалы, необходимо установить вид функции / (0). Как указано выше, коэффициент полезного действия тепловой машины Карно не зависит от выбора рабочего тела, и, следовательно, функция Р д) является универсальной, т. е. одинаковой для всех веществ. Однако о виде этой функции термодинамика не может дать никаких сведений. Поэтому, так же как и в общем случае установления температурной шкалы по любому термометрическому параметру (стр. 23), вид функции / (0) можно выбрать лишь произвольно.  [c.29]

Принцип построения температурных шкал 27  [c.27]

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ШКАЛ  [c.27]

Для построения температурных шкал и иногда для непосредственных измерений употребляются гелиевые газовые термометры постоянного объема.  [c.14]

Градуировка дилатометра заключается в определении увеличения по осям координат и построении температурной шкалы.  [c.41]

Возможность измерять температуру термометром основывается на явлении теплового обмена между телами с различной степенью нагретости и на изменении термометрических (физических) свойств веществ при нагревании. Следовательно, для создания термометра и построения температурной шкалы, казалось бы, возможно выбрать любое термометрическое свойство, характеризующее состояние того или иного вещества и на основании его изменений построить шкалу температур. Однако сделать такой выбор не так легко, так как тер-  [c.56]

Термодинамическая температурная шкала Кельвина явилась исходной шкалой для построения температурных шкал, не зависящих от свойств термометрического вещества. В этой шкале интервал, заключающийся между точкой таяния льда и точкой кипения воды (для сохранения преемственности со стоградусной температурной шкалой Цельсия), был разделен на 100 равных частей.  [c.58]

Для построения температурной шкалы по микроволновому излучению используют тепловое излучение с длинами волн более 1 мм.  [c.65]

При построении указанной температурной шкалы была произвольно принята пропорциональная зависимость объемного расширения ртути от температуры, что, однако, не соответствует действительности, особенно при температурах выше 100 градусов. Поэтому при помощи такой шкалы можно точно измерить температуру только в двух исходных точках О и 100 градусов, тогда как результаты измерения во всем остальном диапазоне шкалы будут неточны. То же явление наблюдалось бы и при построении температурной шкалы с использованием других физических свойств рабочего вещества, таких, как изменение электрического сопротивления проводника, возбуждение термоэлектродвижущей силы и т, п.  [c.56]

Принципы построения практической температурной шкалы  [c.43]

Построенная таким образом температурная шкала называется термодинамической температурной шкалой, или шкалой Кельвина. Как уже говорилось ранее, на XI Генеральной конференции по  [c.132]

Построенная таким образом температурная шкала Называется термодинамической.  [c.89]

Температура +1000 К является промежуточной между +500 и —500 К. Искусственность приведенного построения Г-шкалы является случайным результатом произвольного выбора обычной температурной функции. Если бы температурная функция была выбрана в виде — 1 / Г, то самые низкие температуры соответствовали бы —00 для этой функции, бесконечные температуры на обычной Г-шкале — нулю, отрицательные температуры — положительным значениям этой функции. Для такой температурной функции алгебраический порядок и порядок хода от меньшей к большей температуре были бы идентичны. Функция — 1/Г часто используется в термодинамике при исследовании свойств систем в области О К, так как она позволяет расширить температурную шкалу при низких температурах. Из изложенного видно, что для отрицательных температур 7 = —1/Г-шкала по многим причинам более удобна, чем Г-шкала.  [c.138]

Термодинамическая температурная шкала, предложенная Кельвином, основана на втором законе термодинамики и не зависит от термометрических свойств тела. Построение шкалы опирается на следующие положения термодинамики. Если в прямом обратимом цикле Карно к рабочему телу подводится теплота С] от источника с высокой температурой Т и отводится теплота Сг к источнику с низкой температурой Гг, то T T =Q Q2 независимо от природы рабочего тела. Эта зависимость позволяет построить шкалу, опираясь только на одну постоянную или реперную точку с температурой Го. Например, пусть температура источников теплоты Т2—Т0 Т1 = Т, причем Г не известна если между этими источниками осуществить прямой обратимый цикл Карно и измерить количество подводимой и отводимой (Эз теплоты, то неизвестную температуру Г можно определить по формуле Г=Гo(Ql/Q2). Таким же способом можно произвести градуирование температурной шкалы.  [c.171]

Для измерения температуры применяются приборы, основанные на определении тех или иных физических свойств вещества, изменяющихся с изменением температуры. Эти приборы градуируются в соответствии с принятой температурной шкалой. Однако при установлении той или иной температурной шкалы возникают принципиальные трудности, связанные с тем, что свойства каждого вещества по-разному изменяются в одном и том же интервале температур. Например, конструкция многих термометров основана на явлении расширения жидкости при увеличении температуры таковы хорошо известные термометры с ртутным или спиртовым столбиком, длина которого увеличивается с ростом температуры. Но температурный коэффициент расширения даже для одной и той же жидкости различен при различных температурах, что создает сложности в установлении температурной шкалы. В 1742 г. шведский физик А. Цельсий предложил приписать точке плавления льда температуру 0°, а точке кипения воды — 100°, а интервал между ними разделить на сто равных частей . Однако если разделить на сто равных частей столбик ртути между точками плавления льда и кипения воды, то, учитывая зависимость коэффициента расширения ртути от температуры, выясним, что одно и то же приращение длины столбика ртути будет соответствовать различным приращениям температур. Цена деления равномерной шкалы, построенной по различным термометрическим жидкостям.  [c.64]

В качестве реперных точек при построении различных температурных шкал использовались или используются (помимо упомянутых выше точек плавления льда и кипения воды при атмосферном давлении), например, так называемая тройная точка воды, точки затвердевания сурьмы, серы, цинка, золота и другие точки. Численные значения температуры, соответствующие каждой реперной точке, строго установлены с помощью газового термометра (как уже отмечалось ранее, термодинамическая шкала температур — это было показано еще Кельвином — нуждается в одной реперной точке).  [c.76]

В заключение следует отметить, что использование различных термодинамических закономерностей позволило разработать различные методы введения поправок к любым практическим температурным шкалам для приведения этих шкал к термодинамической шкале, т. е. для построения термодинамической шкалы по той или иной практической шкале (например, по шкале газового термометра).  [c.77]

В заключение упомянем об одном интересном применении уравнения Клапейрона— Клаузиуса. Как отмечалось в 3-4, чрезвычайно важной задачей является введение поправок к любой эмпирической (практической) температурной шкале для приведения ее к термодинамической шкале температур, т. е. для построения термодинамической шкалы по данной конкретной эмпирической температурной шкале (например, по шкале газового термометра). В гл. 3 было приведено уравнение, дающее величины поправок к международной практической шкале температур для приведения ее к термодинамической шкапе. Но как были определены сами эти поправки Для определения этих поправок, т. е. раз. ницы между температурами по термодинамической (Г) и практической (Т ) шкалами или, иными словами, зависимости T=f (Т ), существуют разные методы. Один из них основан на использовании уравнения Клапейрона—Клаузиуса.  [c.144]

Со старой шкалой Цельсия, построенной на другой основе, Международная практическая температурная шкала совпадает лишь в точках О и 100° С. Однако, поскольку старая шкала Цельсия к настоящему времени полностью вышла из употребления, было решено использовать распространенный термин градус Цельсия .  [c.210]

Итак, мы определили начало отсчета абсолютной температуры. Обратим внимание читателя на то, что нам пришлось для этого помимо измерений давления и объема (построение системы изотерм в термостате и системы адиабат в адиабате) произвести измерение одной калорической величины — теплоемкости Су (или Ср) и убедиться в ее независимости от температуры. Ситуация не изменилась бы, если бы в качестве рабочего тела для калибровки температурной и энтропийной шкал мы выбрали бы не совершенный газ, а иную термодинамическую систему. И в этом случае для определения начала отсчета температуры нам пришлось бы помимо измерения давлений и объемов базироваться на одном калориметрическом измерении. Глубокая причина этого заключается в том, что термодинамическое определение температурной шкалы в конечном счете базируется на формуле (7.2). Нетрудно видеть, что эта формула неинвариантна по отношению к сдвигу начала отсчета температуры и предполагает определенный выбор величины в, а именно 0 = 0.  [c.32]

Численное значение измеренной температуры зависит от выбранной шкалы температур. Понятие шкалы температур включает в себя два элемента нуль отсчета и значение одного градуса. Так как нуль отсчета и цена деления шкалы выбираются произвольно, то может быть много различных температурных шкал. Строго говоря, любые евойства вещества нелинейно зависят от температуры, что значительно усложняет построение температурных шкал.  [c.13]

КЕЛЬВИНА ШКАЛА — часто применяемое наименование термодивамич. температурной шкалы. Названа в честь лорда Кельвина (У. Томсона), предложившего (1848) принцип построения температурной шкалы на основе второго начала термодинамики. В К. ш, за начало отсчёта принят абс. нуль темп-р (—273,15 С), единица отсчёта — 1 Кельвин (К) 1 К = 1 °С. КЁПЛЕРА ЗАКОНЫ — эмпирич. законы, описывающие движение планет вокруг Солнца. Установлены И. Кеплером (J. Kepler) в нач. 17 в. на основе наблюдений положений планет относительно звёзд.  [c.347]

Для того чтобы перейти к количественному определению температуры, нужно установить шкалу температур, т. е. выбрать начало отсчета температур (нуль температурной шкалы) и единицу измерения те мпера турного интерва ла ( градус ). Все вопросы, связанные с построением температурной шкалы, подробно изложены в следующем параграфе.  [c.24]

Итак, при фиксированном нормальном давлении определяется сбъем газа в двух крайних (реперных) состояниях. Полученный интервал изменения объема Да является, следовательно, базовым интервалом для построения температурной шкалы. Если разбить этот интервал на равные части, то получится равномерная шкала температур. Такой принцип дробления шкалы наиболее прост и целесообразен. Однако его отнюдь не следует считать обязательным (так, пример неравномерного дробления интервала дает предложенная Дальтоном логарифмическая шкала).  [c.122]

Таким образом, можно считать, что средняя случайная (не связанная с неточностью Положения) квадратическая погрешность построения температурной шкалы до 2000° С составляет 0,07%, что и определяет предел достижимой точности измерения температуры по МПТШ.  [c.15]

В частности, разработанные в ХГНИИМ фотоэлектрические приборы позволили повысить точность сличения температурных ламп и черных тел. Это в свою очередь дало возможность ВНИИМ осуществить первое в мире построение температурной шкалы выше точки золота объективным фотоэлектрическим путем с точностью, значительно более высокой, чем это было возможно при использовании визуальных приборов (приведенные выше экспериментальные данные были получены с помощью визуальных приборов). Работа в этом направлении продолжается и сейчас.  [c.16]

В книге английского ученого Т. Куинна, заместителя директора Л еждународного бюро мер н весов, обобщены результаты развития термометрии за последние 25 лет в интервале температур от 0,5 до 3000 К и обсуждается ее современное состояние. Подробно рассмотрены принципы построения термодинамической и практических температурных шкал, возможности различных методов точного измерения термодинамической температуры, термометры сопротивления н термопары, реперные точки температурных шкал, перспективы совершенствования действующей сегодня МПТШ-б8, а также некоторые наиболее важные случаи измерения температуры в промышленных условиях.  [c.4]

Температурная зависимость давления насыщенных паров гелия представляет собой настолько удобную шкалу с хорошей воспроизводимостью, что ею пользовались задолго до появления международных соглашений в гелиевой области температур. Еще в 1924 г., до появления МТШ-27, Камерлинг-Оннес в Лейденском университете первым установил температурную шкалу по давлению паров » Не вплоть до критической точки 5,2 К. Шкала уточнялась в Лейдене в 1929, 1932 и 1938 гг. Международное соглашение о шкале по давлению паров Не было заключено в 1948 г., когда представители лаборатории Камерлинг-Оннеса (КОЛ), Королевской лаборатории Монда в Кембридже и нескольких криогенных лабораторий в США согласились принять усредненную шкалу [55]. Эта шкала была основана на термодинамической формуле Блини и Симона [8] для температур ниже 1,6 К, измерениях давлений паров от 1,6 до 4,3 К, выполненных Шмидтом и Кеезомом [51], и на пяти значениях давлений паров между 4,3 и 5,2 К, найденных Камерлинг-Оннесом и Вебером [37]. Построенная таким образом шкала официально не принималась, однако была широко известна и ею пользовались при  [c.68]

Достигнуть соглашения о шкале по давлению паров Не оказалось значительно труднее, чем можно было ожидать. Эти трудности типичны для построения любой новой практической температурной шкалы. Главным здесь является вопрос обоснования формулы для температурной зависимости, которая может быть или строго выведенной термодинамической формулой или эмпирическим соотношением, хорошо опи-сываюшим экспериментальные данные. Идеальным был бы первый подход, однако, если термодинамическое соотношение содержит много констант, которые трудно оценить и численные значения которых ненадежны, все преимущества описания экспериментальных данных термодинамической формулой теряются. С другой стороны, чисто эмпирическое соотношение для описания результатов может не обнаружить термодинамического несоответствия между частями шкалы и ошибок в измерениях. В начале 50-х годов оценки точности термодинамического способа вычисления температурной зависимости давления паров Не были примерно такими же, как и для чисто эмпирического описания имевшихся экспериментальных данных. Эти оценки были разными в зависимости от давления паров и служили предметом дискуссий [38]. В качестве компромиссного решения была разработана таблица температурной зависимости давления насыщенных паров и никакого уравнения не предлагалось. Эта таблица была представлена ККТ в 1958 г. одновременно сторонниками обоих способов вычисления температурной зависимости. Дискуссия была весьма острой, и ее участники нередко меняли свое мнение на противоположное Принятая в 1958 г. ГКМВ таблица получила название шкалы Не-1958 с обозначением температуры по этой шкале и перекрывала интервал от 0,5 до  [c.69]

Единственность значения температуры троЙ1юй точки воды п определило выбор ее в качестве репергюй точки при построении термодргнамической температурной шкалы. Однако при этом имело значение также и то, что температура тройной точки воды может быть найдена с большей точностью, чем температура кипения воды и температура таяния льда.  [c.90]

ПТШ—76) рекомендована Консультативным комитетом по термометрии (ККТ) при Международном бюро мер и весов для использования в диапазоне от 0,5 до 30 К [19). ККТ разработал эту шкалу в силу того, что температуры, определенные по температурным шкалам, построенным по давлению паров гелия (шкала Не 1962 г. [21] и шкала Не 1958 г. [20]) и по нижнему участку МПТШ—68, существенна отличаются от термодинамической температуры и, кроме того, не согласуются между собой. ПТШ—76 построена с учетом гладкости по отно-  [c.176]

---

“Тепло и холод — это две руки природы, которыми она делает почти всё”.

Френсис Бекон

1627 год

Учебный предмет (дисциплины, близкие к теме):
физика — тема “Тепловые явления”, интеграция с
географией, биологией, историей, астрономией.

Возраст учащихся: 8 класс.

Тип проекта: ролевой, поисковый.

Цель проекта: формирование компетентности в
сфере самостоятельной познавательной
деятельности:

• навыков самостоятельной работы с большими
  объемами информации,
• умений увидеть проблему и наметить пути ее
  решения,
• навыков работы в группе.

Основополагающий вопрос: Бесконечны ли “+”
и “—” ?(Имеют ли предел высокие и низкие
температуры?)

Спросим у историков, географов, биологов,
экспериментаторов, астрономов, физиков.

Продукты проекта: восемь презентаций,
выполненных в программе Power Point (работы связаны
гиперссылками с общей презентацией, сделанной
учителем); коллекция термометров; занимательные
демонстрационные опыты.

Первая группа историков

Творческое название работы — “Прародитель
современных термометров”.

Проблемный вопрос: какова история создания
первого прибора для измерения температуры —
термоскопа?

Задание: воссоздать термоскоп,
продемонстрировать его работу.

Древние учёные о температуре судили по
непосредственному ощущению. Лишь в 1592 году
Галилео Галилей сконструировал прибор для
измерения температуры – термоскоп. Термоскоп —
от греческих слов: “термо” — тепло “скопео” —
смотрю. Термоскоп состоял из стеклянного шара с
припаянной к нему стеклянной трубкой и стакана с
водой.

Попробуем и мы создать термоскоп: нагреем
стеклянную колбу, перевернём её, опустим в стакан
с водой открытым концом. Термоскоп готов.  По
высоте столбика воды в горлышке колбы можно
судить об изменениях температуры: при охлаждении
воздуха в колбе столбик воды поднимается вверх, а
при нагревании – опускается.

Итак:

• Термоскопу 415 лет, но он работает
• С помощью термоскопа можно увидеть изменение
  температуры, но её нельзя измерить
• Показания зависят от атмосферного давления
• У прибора нет шкалы

Вся дальнейшая история создания термометра
есть история совершенствования термоскопа.
Воздух заменили подкрашенным спиртом, а позднее
ртутью. Откачав из трубки воздух и запаяв
открытый конец, исключили влияние атмосферного
давления. Но основным усовершенствованием было
создание шкалы.

Вторая группа историков

Творческое название работы: “Шкалы разные
нужны, шкалы всякие важны”

Проблемный вопрос: Какие существуют шкалы
для измерения температуры, и какова история их
создания?

Фаренгейт Габриель Даниель (1686-1736), немецкий
физик и стеклодув. Работал в Великобритании и
Нидерландах. Изготовил спиртовой (1709) и ртутный
(1714) термометры. Предложил температурную шкалу,
которая носит его имя — шкала Фаренгейта – это
температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен
1/180 разности температур кипения воды и таяния
льда при атмосферном давлении. За одну из опорных
точек своей шкалы (0 °F) Фаренгейт принял самую
низкую температуру, которую мог получить –
температуру смеси воды, льда, нашатыря и соли.
Второй точкой он выбрал температуру смеси воды и
льда. А расстояние между ними разделил на 32 части.
Температура человеческого тела по его шкале
соответствовала 96 °F, точка кипения воды 212 °F.
Шкалу Фаренгейта до сих пор применяют в Англии и
США.

Реомюр Рене Антуан (1683-1757), французский
естествоиспытатель, зоолог, иностранный
почетный член Петербургской Академии Наук. В 1730
году предложил температурную шкалу, которая
носит его имя – шкала Реомюра – это
температурная шкала, один градус которой равен
1/80 разности температур кипения воды и таяния
льда при атмосферном давлении, т. е. 1 °R = 5/4 °С.
Шкала Реомюра практически вышла из употребления.

Цельсий Андерс (1701-1744), шведский астроном и
физик. Предложил в1742 году температурную шкалу –
шкала Цельсия – это температурная шкала, в
которой 1 градус равен 1/100 разности температур
кипения воды и таяния льда при атмосферном
давлении, но Цельсий принимал за ноль кипение
воды, а за 100 градусов – таяние льда.

Известный шведский ботаник Карл Линней
пользовался термометром с переставленными
значениями постоянных точек. За 0⁰ он принял
температуру плавления льда, а за 100⁰
температуру кипения воды. Таким образом,
современная шкала Цельсия по существу является
шкалой Линнея.

Приложение 1— презентация по
данной теме, выполненная в программе Power Point.

Группа техников

Творческое название работы: “Современные
приборы”

Проблемный вопрос: Существуют ли термометры
без жидкости?

Задание: собрать коллекцию термометров
различного назначения.

Жидкостный термометр, прибор для измерения
температуры, действие которого основано на
тепловом расширении жидкости. В зависимости от
температурной области применения жидкостные
термометры заполняют этиловым спиртом (от -80 до
+100 °С) или ртутью (от -35 до +750°С). Первоначально
термометры применялись лишь для
метеорологических наблюдений. Позднее их стали
употреблять для измерения температуры воздуха в
жилых помещениях, в медицине, при химических
исследованиях и т. д.

В настоящее время используются термометры,
действие которых основано на других физических
явлениях. Это позволило увеличить точность
измерений и расширить область применения
приборов.

Электронный термометр более точен, чем обычный
комнатный или уличный. Он с точностью до десятых
долей показывает температуру и в помещении, и на
улице.

Термометр сопротивления — прибор для измерения
температуры, действие которого основано на
изменении электрического сопротивления
металлов и полупроводников с температурой.

Газовый термометр, прибор для измерения
температуры, действие которого основано на
зависимости давления или объема газа от
температуры. Заполненный гелием, азотом или
водородом баллон, соединенный при помощи
капилляра с манометром, помещают в среду,
температуру которой измеряют.

Группа экспериментаторов

Творческое название работы: “Опыт — критерий
истины”.

Проблемный вопрос: какие температуры можно
получить в лабораторных условиях?

Задание: провести опыты с водой в условиях
школьной лаборатории, получить самую высокую и
самую низкую температуру. Заснять ход опытов на
цифровую камера, оформить результаты в виде
презентации. Поставить занимательные
демонстрационные опыты.

Исследование кипения воды показало, что 100⁰С
— температура кипения чистой воды при нормальном
атмосферном давлении (760 мм рт. ст.). Температура
кипения повышалась с ростом внешнего давления,
так при атмосферном давлении выше нормального
температура кипения чистой воды составила 101⁰С,
а при атмосферном давлении ниже нормального – 96⁰С.
Однако добавление в воду соли увеличило
температура кипения до 108⁰С.

На вопрос — можно ли вскипятить воду кипятком –
был получен ответ — нет. Был поставлен и проведён
опыт по кипячению воды снегом.

Температура смеси снега и соли составила
минус18⁰С. Проведён опыт “Примораживание
алюминиевого стаканчика к столу”.

Группа биологов

Творческое название работы: “Биология в мире
температур”

Проблемный вопрос: Каковы особенности
медицинского термометра и с чем это связано?
Каковы температуры живых существ?

Задание: Взять интервью у школьного доктора:

• Как себя чувствует человек при температуре 34 ⁰С
  и 42 ⁰ С?
• Когда это бывает?
• Как помочь человеку при таких обстоятельствах

Это интересно: в 19 веке английские физики
Благден и Чентри проводили на себе опыты по
определению наибольшей температуры воздуха,
которую может выдержать человек. Они проводили
целые часы в натопленной печи хлебопекарни.
Оказалось, что при постепенном нагревании в
сухом воздухе человек способен выдержать не
только температуру кипения воды, но и много выше —
160 ⁰С.

Температуры тел некоторых животных:
температура тела лошади 38 ⁰С, температура
тела коровы 38,5 ⁰С, температура тела утки 41,5 ⁰С.

Температура тела живого организма позволяет
судить о его состоянии и во время начать лечение
в случае заболевания.

Приложение 2 —
презентация по данной теме, выполненная в
программе Power Point.

Группа географов

Творческое название работы: “География
температур”.

Проблемный вопрос: Где находится самое
холодное и самое жаркое место на Земле?

Задание: Рассмотреть планету Земля с точки
зрения температуры.

Земную кору сменяет мантия. Ее толщина около 3000
км, а температура примерно равна 2000 — 2500 °С.
Мантия состоит из раскаленных горных пород,
которые в отдельных ее частях начинают плавиться
до полужидкого состояния. Расплавленные горные
породы из мантии прорываются на поверхность в
виде лавы при извержениях вулканов. На глубине
10км температура достигает 180 ⁰С.

Самый холодный материк – Антарктида, а самый
жаркий – Африка, так в Триполи была
зарегистрирована температура +58⁰С. Это на
1,30 выше максимальной температуры Долины Смерти.

Антарктида — самая большая в мире холодная
пустыня площадью 14 млн. кв. км. Ее покрывают 90 %
всех льдов суши. Максимальная толщина льда — 4800
м. В ледниках сосредоточено около 70% мировых
запасов пресной воды. Этот самый изолированный
материк не имеет коренного населения. Никто еще
не жил здесь дольше 18 месяцев. Температура
воздуха у земной поверхности -88,3⁰С
наблюдалась в августе 1960г. на советской
антарктической станции “Восток” в 1922г. Судя по
климатическая карте России, в Краснодарском крае
температура воздуха летом достигает +43 ⁰С, а
в Якутии в Оймяконе зимой температура опускается
до -77 ⁰С.

Группа астрономов

Творческое название работы: “Лёд и пламень
космоса”.

Проблемный вопрос: Каковы температуры
космических объектов?

Космос (греч. kosmos), синоним астрономического
определения Вселенной; часто выделяют ближний
космос, исследуемый при помощи искусственных
спутников Земли, космических аппаратов и
межпланетных станций, и дальний космос — мир
звезд и галактик.

Температура на поверхности луны, в освещенной
ее части +17⁰С, а в тени температура – 130⁰
С.

Для искусственных спутников и космических
кораблей, перегрев которых происходит в основном
за счет излучения, характерна резкая смена
температуры обшивки – во время прохождения в
тени Земли она опускается до – 100⁰ С, а при
выходе из тени возрастает до + 120⁰ С . Чтобы
поддерживать в кабине космонавтов постоянную
температуру (от 10⁰ до 22⁰ С ), двойную
оболочку корабля заполняют газом – азотом.

На поверхности у солнца температура достигает 6
тысяч градусов. В недрах солнца температура
согласно расчетам около 15 миллионов градусов.
Температура пятен составляет около 3700 градусов.

Как ближайшая к Солнцу планета, Меркурий
получает от центрального светила в 10 раз больше
энергии, чем Земля. Большая продолжительность
дня и ночи приводит к тому, что температуры на
“дневной” и на “ночной” сторонах поверхности
Меркурия могут изменяться примерно от 320⁰С
до -120⁰ С. Но уже на глубине нескольких
десятков сантиметров значительных колебаний
температуры нет, что является следствием весьма
низкой теплопроводности пород. Температура на
поверхности Венеры (на уровне среднего радиуса
планеты) — около 500⁰С, это больше чем на
Меркурии, потому что у Венеры плотная атмосфера,
которая удерживает тепло. Суровы и температурные
условия на Марсе. Вблизи полудня на экваторе
температура достигает 10⁰-30 ⁰С. К
вечеру она падает до -60⁰ С и даже до -100⁰
С. Средняя температура на Марсе -70⁰ С., на
Юпитере -130⁰ С, на Сатурне -170⁰ С, на
Уране -190⁰ С, на Нептуне -200⁰ С.
Температура на планете Плутон, до которой свет от
Солнца идет более пяти часов, низка — ее среднее
значение порядка -230⁰ С.

Температуры большинства звезд заключены в
пределах от 3000 до 30 000 градусов. Горячие,
голубоватые звезды имеют температуру около 30 000
градусов. У многих звезд встречаются температуры
около 100 000 градусов. У холодных — красных звезд —
поверхностные слои нагреты примерно до 2 — 3
тысячи градусов. Но в центре звезд температура
достигает более десяти миллионов градусов.

Приложение 3 — презентация по
данной теме, выполненная в программе Power Point.

Группа Физиков-теоретиков

Творческое название работы: “Стремление к
абсолютному”.

Проблемные вопросы: Что такое абсолютный
нуль температур? Достижим ли он? Что такое
криотехнологии?

Что мы знаем о температуре теоретически?
Температура- мера средней кинетической энергии
движения молекул.

Что будет если скорость молекул уменьшать?
Температура будет уменьшаться.

Абсолютный нуль температур — температура, при
которой прекращается тепловое движение молекул.
Абсолютный нуль температуры, начало отсчета
температуры по термодинамической температурной
шкале – шкале Кельвина. Абсолютный нуль
расположен на 273,16 °С ниже температуры замерзания
воды, для которой принято значение 0 °С.

Температуры некоторых жидких газов: кислород
минус 183 ⁰С, азот минус 196 ⁰С, водород
минус 253 ⁰С, гелий минус 269 ⁰ С.

Физика сверхнизких температур называется
криогенной физикой. Основные проблемы, решаемые
Криогенной физикой: сжижение газов (азота,
кислорода, гелия и др.), их хранение и
транспортировка в жидком состоянии;
конструирование холодильных машин, создающих и
поддерживающих температуру ниже 120 К (-1530 С);
охлаждение до криогенных температур
электротехнических устройств, электронных
приборов, биологических объектов; разработка
аппаратуры и оборудования для проведения
научных исследований при криогенных
температурах .

Применение криогенных температур в ряде
областей науки и техники привело к возникновению
целых самостоятельных направлений, например
криоэлектроники, криобиологии.

Достижим ли абсолютный нуль?

Американские исследователи работали с парами
натрия, температура которых была лишь на
миллионные доли градуса выше абсолютного нуля.
Достичь же абсолютный нуль температур (-273,16⁰
С), согласно законам физики, невозможно.

Итак, мы нашли предел только низким
температурам.

Приложение 4 — презентация по
данной теме, выполненная в программе Power Point.

Проект заканчивается ответом на
основополагающий вопрос и обсуждением следующих
вопросов:

• Что нового узнали?
• С какими трудностями столкнулись?
• Ему вы учились?
• Что тебе пригодится и далее?

Литература

1. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике.-
   М.:Просвещение,1987
2. Кириллова И. Г. Книга для чтения по физике.- М.:
   Просвещение, 1996
3. Колтун М. Мир физики.- М.: Детская литература, 1995
4. Райт М. Что, как и почему? Удивительный мир
   техники.- М.: Астель АСТ, 2001
5. Сёмке А.И. Занимательные материалы к урокам
   физики 8 класс. — М.: НЦ ЭНАС, 2006

Содержание

Введение…………..……………….…………………..…………….… 3

Глава I. Эмпирические температурные шкалы.……………………………. 4

1.1 Температура и ее измерение………………………………..…….. 4

1.2 Эмпирическая температурная шкала, большая энциклопедия.……..….……………………………………………………..…. 5

1.3 Экспериментальные (эмпирические) температурные шкалы..… 7

1.4 Термометрические свойства и эмпирические шкалы…….……. 9

Глава II. Элементарная теория удельной теплоемкости твердого тела… 11

2.1 Теплоемкость твердых тел…………………………………..….. 11

2.2 Удельная теплоемкость вещества……………………………… 12

2.3 Элементарная теория теплоемкости твердых тел………..…… 13

2.4 Методы определения теплоемкости индивидуальных веществ…………………………………………………………………..…… 15

2.5 Квантовая теория теплоемкости Эйнштейна……………….…. 16

Заключение………………….…………………………………………………… 18

Список литературы………….…………………………..…………….. 19

Приложение А……………………………………………………….. 20

Приложение Б………………………………………………………… 21

Введение

Температурные шкалы, системы сопоставимых
числовых значений температуры. температура
не является непосредственно измеряемой величиной; её значение определяют по
температурному изменению какого-либо удобного для измерения физического
свойства термометрического вещества (см. Термометрия). Выбрав
термометрическое вещество и свойство, необходимо задать начальную точку отсчёта
и размер единицы температуры — градуса. Таким образом определяют эмпирические
Т. ш. В Т. ш. обычно фиксируют две основные температуры, соответствующие точкам
фазовых равновесий однокомпонентных систем (так называемые реперные или
постоянные точки), расстояние между которыми называется основным температурным
интервалом шкалы. В качестве реперных точек используют: тройную точку воды,
точки кипения воды, водорода и кислорода, точки затвердевания серебра, золота и
др. Размер единичного интервала (единицы температуры) устанавливают как
определённую долю основного интервала. За начало отсчёта Т. ш. принимают одну
из реперных точек. Так можно определить эмпирическую (условную) Т. ш. по любому
термометрическому свойству х. Если принять, что связь
между х и температурой t линейна, то температура t^x=
n (x_t — х₀) / (x_n —
x₀), где x_t, x₀ и x_n —
числовые значения свойства х при температуре t в
начальной и конечной точках основного интервала, (x_n —
x₀) / n — размер градуса, п —
число делений основного интервала.

Теплоемкость
твердого тела.

В начале 19 века Дюлонг и Пти экспериментально установили, что
молярная теплоемкость химически простых тел в твердом состоянии примерно
одинакова и составляет около 25 Дж/(моль·К). Рассмотрим, как в рамках
классической физики можно трактовать данное утверждение.

Твердые тела в отличие от жидкостей и газов сохраняют объем и
форму. Силы межмолекулярного взаимодействия в твердых телах значительны.
Потенциальная энергия взаимодействия атомов, соответствующая локальному минимуму,
существенно превосходит кинетическую энергию. Атомы образуют кристаллическую
решетку — пространственное регулярное расположение атомов или ионов в кристалле,
характеризующееся периодичностью в трех измерениях.

Глава
I. Эмпирические температурные шкалы

1.1 Температура
и ее измерение

Для измерения температуры
используется тот факт, что с изменением температуры тела изменяются почти все
его физические свойства: длина, объём, плотность, электрическое сопротивление,
упругие свойства и др. Основой для измерения температуры может являться
изменение какого-либо свойства термометрического тела.

Термометрическое
тело –
это тело, для которого известна зависимость какого-либо свойства данного тела
от температуры. Термометрическим телом может быть, например, жидкость или газ,
для которого известна зависимость изменения его объёма от температуры.

Эмпирическая
шкала –
это температурная шкала, установленная с помощью термометрического тела.

Наиболее распространён способ
измерения температуры с помощью жидкостного термометра, в котором используется
расширение жидкости (изменение объёма) при нагревании.

При градуировке термометра
отмечают опорные точки, расстояние между которыми на шкале делят на равные
части, которые называются градусами.

1.2
Эмпирическая температурная шкала, большая энциклопедия

Эмпирические
температурные шкалы строятся на трех допущениях: выбор размера
градуса и положения нуля, а также допущение линейности изменения измеряемого
свойства с температурой. Последнее допущение является необоснованным.

Первоначально
применявшиеся эмпирические температурные шкалы (первая шкала предложена
в 1714) реализуются с помощью зависящих от т-ры разл. Эти шкалы различаются
начальными точками отсчета и размером используемой единицы т-ры: С ( шкала
Цельсия), Р ( шкала Фаренгейта), К.

Эмпирической
температурной шкалой называется шкала, устанавливаемая с помощью
термометра.

Если найдена эмпирическая температурная шкала,
которая в интересующей области давлений для ряда веществ дает строго прямолинейный
ход кривых давления пара, то можно при номографическом способе изображения
определить любую кривую давления пара по одной-единственной точке; таким
образом, в одной диаграмме можно поместить очень большое число веществ.

Для построения эмпирической температурной шкалы задаются
реперными ( опорными) точками.

Установленная описанным выше способом шкала температуры называется эмпирической
температурной шкалой, а измеряемая температура — эмпирической
температурой.

Зависимость от выбранного температурного параметра является
существенным недостатком эмпирических температурных шкал.
Для устранения неоднозначности в измерении температуры можно один термометр
принять за основной, а все остальные термометры градуировать по нему. В широком
температурном интервале наиболее точным и чувствительным является газовый
термометр с давлением газа в качестве температурного параметра. Построенная с
его использованием шкала называется идеальногазовой температурной шкалой. На
основе второго начала термодинамики может быть установлена температурная шкала,
которая вообще не зависит от свойств термометрического тела. Она называется
абсолютной термодинамической шкалой.

Какие требования предъявляются к термометрическому телу,
выбранному для эмпирической температурной шкалы.

Заметим, что теперь у нас появляется возможность ввести понятие
температуры, не зависящее ни от какого-либо эмпирического параметра, как это
было при введении различных эмпирических температурных шкал, в
частности, идеальногазовой температуры, ни от конкретной модели, как мы это
делали в случае газокинетической температуры.

Кроме того, используют большое количество вторичных реперных точек
вплоть до температуры плавления вольфрама. Промежуточные значения температур
определяют с помощью эмпирических температурных шкал со всеми
неточностями, связанными с нелинейностью изменения использованных
термометрических параметров. Погрешность определения промежуточных значений Т
различна при разных температурах. В области 300 — 500 К она изменяется в
пределах сотых долей К, но достигает десятка градусов при 3000 К.

Принципиальная возможность такого построения абсолютной шкалы
температур не означает действительную необходимость создания ряда
взаимосвязанных машин Карно. Можно показать, что абсолютная шкала температур
будет совпадать с эмпирической температурной шкалой, для
построения которой используется термометр с идеальным газом в качестве рабочего
вещества.

При теплообмене энергия переходит от тела с большей температурой к
телу с меньшей температурой. Любая температурная шкала должна удовлетворять
этому свойству. Эмпирические температурные шкалы основаны на
косвенных измерениях, т.е. на измерениях параметров, монотонно зависящих от
температуры. Термодинамическая, или абсолютная шкала температур определяется на
основе второго начала термодинамики.

Ее определяют по численным значениям других физических параметров,
зависящих от температуры, что и положено в основу построения эмпирических
температурных шкал. Однако не всякую физическую величину,
зависящую от температуры, удобно использовать в качестве термометрического
параметра. Для этого выбранная функция должна быть непрерывной, воспроизводимой
и удобной для измерения. В качестве реперных точек — эталонов постоянной
температуры — используют температуры фазовых переходов. Для достаточно чистых
веществ они хорошо воспроизводимы.

1.3 Экспериментальные
(эмпирические) температурные шкалы

Процесс измерения многих физических
величин состоит в экспериментальном определении соотношения между значением
измеряемой величины и величины, условно принятой за единицу.

Температура, являющаяся
характеристикой внутреннего состояния тела и относящаяся к категории
«интенсивных» физических величин (т.е. не зависящих от массы тела), не обладает
свойством аддитивности. Это приводит к тому, что для измерения этой величины
нужна не только единица измерения, но и шкала, по которой как бы
«отсчитывается» значение температуры.

За единицу температуры в системе единиц СИ принят кельвин
(К). Он определяется как часть температуры тройной точки воды: температуры
равновесия трёх фаз – твёрдой, жидкой и газообразной – чистой воды
естественного изотопического состава. Она принята на 0,01 К выше температуры
таяния льда. Воспроизводимость тщательно подготовленной тройной точки воды
составляет 0,0002 К.

Температурная шкала – непрерывная
совокупность чисел, линейно связанных с числовыми значениями какого – либо
удобно и достаточно точно измеряемого физического свойства, представляющего
собой однозначную и монотонную функцию температуры. Это свойство принято
называть термометрическим свойством. Например, в ранней стадии развития
термометрии за термометрическое свойство бралось свойство тел, изменять свой
объём при изменении температуры тела.

Такие шкалы, построения с
использованием выбранного свойства конкретного рабочего тела, принято называть
эмпирическими

Строятся эмпирические температурные
шкалы достаточно просто.

Пусть у нас имеется произвольный
термометр. Обозначим буквой a его термометрическую величину (например, объём
жидкости, ЭДС, электрическое сопротивление и т.д.). При нагревании величина a
должна изменяться монотонно. Иначе между температурой и термометрической
величиной не будет взаимно однозначного соответствия. Так, например, объём воды
нельзя принять за термометрическое свойство, т.к. эта функция проходит через
минимум при 4˚С. По смыслу между термометрической величиной и температурой
должна быть функциональная связь:

                                               
Т = f(a)                                                      (1)

На функцию f нет никакого
ограничения. Но желательно, чтобы функция была как можно проще. Самой простой
функцией является линейная функция, т.е. наиболее выгодно положить, что Т = Аа.

Постоянную А, можно выбирать произвольно. Выбором этой
величины однозначно определится и единица температуры – градус. Но чаще
поступают иначе: постоянную А вычисляют, приписывая какой – либо точке
определённую температуру или двум точкам определенную разность температур. Такие
температурные точки называются реперными.

До 1954 г. темпер шкала строилась по
2 реперным точкам: нормальной точке кипения воды Т_к и
нормальной точке плавления льда Т_пл., разность температур между
этими двумя точками равна 100˚. После этого постоянная А вычисляется очень
просто:

                                       
                                          (2)

, где а_к и а_пл –
значения термометрич величины в этих точках.

Но эксперимент показал, что тройная
точка воды обладает лучшей воспроизводимостью. И поэтому все современные
температурные шкалы строятся по этой реперной точке. В абсолютной
термодинамической шкале Кельвина принимается, что температура этой точки равна
273,16 К. Тогда постоянная А вычисляется так:

                                                                                           (3)

, где а_тр – значение
термометрической величины в тройной точке.

Такой выбор численного значения
температуры тройной точки воды сделан для того, чтобы интервал между
нормальными точками кипения воды и плавления льда составлял точно 100 К. Тем
самым устанавливается преемственность шкалы Кельвина с применявшейся ранее
шкалой с двумя температурными точками.

В абсол термодинамической шкале
Кельвина температуры кипения воды и плавления льда таковы: 273,15 К и 373,15 К
соответственно.

Значение температуры, измеренной по
шкале, описанной выше зависит от термометрического свойства вещества.
Следовательно, в зависимости от выбора термометрической величины а можно
построить бесконечно много температурных шкал. А т.к. термометрические свойства
у тел разные, то эти шкалы, совпадая в основных реперных точках, будут давать
разные показания в других точках.

Для устр этой проблемы можно взять
какой – либо термометр за основной, а ост термометры градуировать по нему.
Таким терм оказался газовый терм и, связанная с ним идеально – газовая шкала
температур.

1.4
Термометрические свойства и эмпирические шкалы

Согласно вышесказанному, измерение температуры можно производить только
косвенным путем, основываясь на зависимости от нее других физических свойств
исследуемого тела. Таких свойств много, но не все они целесообразны для
определения температуры. Поэтому, выбираемые в качестве целесообразных, так
называемые термометрические свойства (параметры), должны отличаться своей
однозначной, монотонной, хорошо воспроизводимой и, наконец, точно определяемой
простым и удобным способом зависимостью от температуры.

Тело, которое обладает выбранным термометрическим свойством, называется
термометрическим. Для измерения температур используют различные
термометрические тела и свойства. Техническое устройство, использующее то или
иное термометрическое тело для измерения температуры, называется термометром
или пирометром.

При измерениях термометр приводится в непосредственный контакт с телом,
температуру которого нужно измерить, для достижения с ним теплового равновесия.
После его установления считают, что термометрическое тело термометра имеет ту
же температуру, что и у измеряемого тела. Термометрическое тело термометра
выражает эту температуру значением своего термометрического свойства. По этому
значению судят о температуре, которую определяют термометром. Для того, чтобы
измерения термометром были наглядны, в состав его устройства включают
термометрическую шкалу или определяют так называемую термометрическую
градуировочную кривую. Эта кривая выражает зависимость термического свойства от
температуры.

Чтобы суждение о значении температуры было конкретным, ее нужно
охарактеризовать количественно. Исторически для этого было осуществлено
несколько различных национальных и межнациональных договоренностей,
устанавливающих закономерности в количественном определении температуры.
Искусственно образованные закономерности называются температурными шкалами.
Каждая температурная шкала устанавливает размер единицы температуры – градус и
начало его отсчета. Таким образом, общая математическая модель температурных
шкал, в соответствии с определением температуры, выражается уравнением:

                                                  t =c ⋅ E + c                                              (4)

где совокупности постоянных 1 c и 2 c соответствуют
различным температурным шкалам, в частности Цельсия, Фаренгейта, Реомюра и
абсолютной термодинамической шкале Кельвина (АТШК). В уравнении (4) постоянная 1
c определяет цену единицы температуры – градуса, 2 c – начало
отсчета температуры. Например, для АТШК:

                                                  
с₁=2/3к, с₂=0                                          
(5)

единица температуры
в этой шкале называется Кельвином (К).

Недостатком выражения (4), мешающим его непосредственному использованию,
является невозможность экспериментального измерения E . Поэтому подход к
практическому определению большинства температурных шкал носит эмпирический
характер. Такой подход опирается на использование реперных (основных,
постоянных) точек и температурных свойств различных термометров. Реперные точки
характеризуют двухфазные состояния плавления (затвердевания) или кипения
(конденсации). Использовать их удобно потому, что, во-первых, они очевидны,
во-вторых, возникают при строго определенных и не зависящих от соотношения фаз,
а потому стабильных, температурах.

Рассмотрим температурное свойство f (t) , линейно
(пропорционально) зависящее от температуры. Согласно уравнению (4), для него
можно получить выражение:

                                       F(t)=c₃t+c₄=c₃(c₁E+c₂)+c₄                                    
(6)

где А=с₃с₁ ,В=с₃с₂+с₄
− постоянные величины.

Таким образом, отвечающее упомянутому условию, температурное свойство f
(t) само оказывается пропорциональным средней кинетической энергии
теплового движения молекул E . Поэтому, наряду с уравнением (4), такое f
(t) также обладает шкалообразующим свойством для температуры,
которая, в соответствии с эмпирическим подходом к ее определению, сама
называется эмпирической.

Для того, чтобы эмпирически определить шкалы Цельсия, Фаренгейта и
Реомюра, использовали реперные точки таяния льда ( 1 t ) и кипения воды
( 2 t ), приписывая им температуры 0 и 100°С, 32 и 212°Ф, 0 и 80°R соответствующих
единиц температуры. Цену единицы определяли, поделив полученную измерениями
разность f t − f t на N − количество градусов, которое
содержит этот интервал на соответствующей температурной шкале. У Цельсия N =
100 ; у Фаренгейта N = 180 ; у Реомюра N = 80 . Таким образом, в
общем, цена градуса равна:

                                             f(t₂)-f(t₁)/N                                               (7)

Деля на цену градуса интервал f t − f t , где f (t) − значение температурного свойства при
температуре t
, получим:

                               t_N=f(t)-f(t₁)/f(t₂)-f(t₁)*N                                           
(8)

где N t
− температура по соответствующей
шкале.

Наиболее важной из этих шкал, использование которой в быту и технике
регламентировано международными соглашениями, является шкала

Глава II. Элементарная теория удельной теплоемкости твердого тела

2.1 Теплоемкость
твердых тел

В твёрдых (кристаллических) телах тепловое движение атомов
представляет собой малые колебания вблизи определённых положений равновесия
(узлов кристаллической решётки). Каждый атом обладает, таким образом, тремя
колебательными степенями свободы и, согласно закону равнораспределения, мольная
теплоемкость твёрдого тела (теплоемкость кристаллической решётки) должна быть
равной 3nR, где n — число атомов в молекуле. В действительности,
однако, это значение — лишь предел, к которому стремятся теплоемкость твёрдого
тела при высоких температурах. Он достигается уже при обычных температурах у
многих элементов, в том числе металлов (n = 1, так
называемый Дюлонга и Пти закон) и у некоторых простых соединений [NaCI,
MnS (n = 2), PbCl2 (n = 3) и др.]; у сложных соединений этот
предел фактически никогда не достигается, т. к. ещё раньше наступает
плавление вещества или его разложение.

Квантовая теория теплоемкости твёрдых тел была развита А. Эйнштейном
(1907) и П. Дебаем (1912). Она основана на квантовании колебательного
движения атомов в кристалле. При низких температурах теплоемкость твёрдого тела
оказывается пропорциональной кубу абсолютной температуры (так называемый закон
Дебая). Критерием, позволяющим различать высокие и низкие температуры, является
сравнение с характерным для каждого данного вещества параметром — так
называемой характеристической, или дебаевской, температурой QD. Эта величина
определяется спектром колебаний атомов в теле и, тем самым, существенно зависит
от его кристаллической структуры. Обычно QD — величина порядка нескольких
сот К, но может достигать (например, у алмаза) и тысяч К.

У металлов определённый вклад в теплоемкость дают также и
электроны проводимости. Эта часть теплоемкости может быть вычислена с помощью
квантовой статистики Ферми, которой подчиняются электроны. Электронная
теплоемкость металла пропорциональна первой степени абсолютной температуры. Она
представляет собой, однако, сравнительно малую величину, её вклад в
теплоемкость становится существенным лишь при температурах, близких к абсолютному
нулю (порядка нескольких градусов), когда обычная теплоемкость, связанная с
колебаниями атомов кристаллической решётки, представляет собой ещё меньшую
величину.

2.2 Удельная
теплоемкость вещества

Теплоемкость — это количество теплоты, поглощаемой
телом при нагревании на 1 градус.

Теплоемкость тела
обозначается заглавной латинской буквой С.

От чего зависит теплоемкость
тела? Прежде всего, от его массы. Ясно, что для нагрева,
например, 1 килограмма воды потребуется больше
тепла, чем для нагрева 200 граммов.

А от рода вещества? Проделаем
опыт. Возьмем два одинаковых сосуда и, налив в один из них воду массой
400 г, а в другой — растительное
масло массой 400 г, начнем их нагревать с помощью одинаковых горелок. Наблюдая
за показаниями термометров, мы увидим, что масло нагревается быстрое. Чтобы
нагреть воду и масло до одной и той же температуры, воду следует нагревать
дольше. Но чем дольше мы нагреваем воду, тем большее количество теплоты она
получает от горелки.

Таким образом, для нагревания
одной и той же массы разных веществ до одинаковой температуры требуется разное
количество теплоты. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела и, следовательно,
его теплоемкость зависят от рода
вещества, из которого состоит это тело.

Так, например, чтобы
увеличить на 1°С температуру воды массой 1 кг, требуется количество теплоты,
равное 4200 Дж, а для нагревания на 1 °С
такой же массы подсолнечного масла необхо­димо количество теплоты, равное 1700
Дж.

Физическая величина,
показывающая, какое количество
теплоты требуется для нагревания 1 кг вещества на 1 ºС, называется удельной теплоемкостью этого
вещества.

У каждого вещества своя
удельная теплоемкость, которая обозначается латинской буквой с и измеряется в
джоулях на килограмм-градус (Дж/(кг ·°С)).

Удельная теплоемкость одного
и того же вещества в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком и
газообразном) различна. Например, удельная теплоемкость воды равна 4200 Дж/(кг ºС),
а удельная теплоемкость льда 2100 Дж/(кг · °С); алюминий в твердом состоянии
имеет удельную теплоемкость, равную 920 Дж/(кг — °С), а в жидком — 1080 Дж/(кг
— °С).

Заметим, что вода имеет очень
большую удельную теплоемкость. Поэтому вода в морях и океанах, нагреваясь
летом, поглощает из воздуха большое количество тепла. Благодаря этому в тех
местах, которые расположены вблизи больших водоемов, лето не бывает таким
жарким, как в местах, удаленных от воды.

2.3 Элементарная
теория теплоемкости твердых тел

Атомы в твердом теле при любой температуре совершают тепловые
колебания около своих средних положений равновесия. С ростом температуры
интенсивность теплового движения увеличивается. При умеренно высоких
температурах этот рост пропорционален .

Рассмотрим
зависимость теплоёмкости твердого тела от температуры. Теплоёмкость вещества,
относящаяся к 1 молю – это энергия, которую необходимо сообщить молю вещества,
для того, что бы повысить его температуру на 1К, т.е. теплоёмкость при постоянном
объёме

                                                                                         (9)

В 1918 году
французские физики Дюлонг и Пти экспериментально установили закон, из которого
следовало, что теплоёмкость всех твердых тел при высоких температурах есть
величина постоянная, независящая от температуры и составляющая 25Дж/(моль·К),
т.е. при нагревании любого твердого тела на 1К каждый его атом поглощает одно и
то же количество энергии.

Классическая
физика даёт следующее объяснение этому закону. Согласно закону равномерного
распределения энергии по степеням свободы, на каждую степень свободы системы
приходится энергия ,
где —
постоянная Больцмана, тогда средняя энергия такой системы равна произведению
числа степеней свободы на .

Атомы твердого
тела совершают малые колебания около положений равновесия в узлах
кристаллической решетки. При этом каждый атом колеблется в трех взаимно
перпендикулярных направлениях, т.е. имеет три независимые колебательные степени
свободы. Такой атом можно уподобить трем линейным гармоническим осцилляторам.
Средняя кинетическая энергия осциллятора (одной
степени свободы) равна его средней потенциальной энергии .
Тогда средняя полная энергия осциллятора равна .

Если кристалл
состоит из атомов
(—
число Авогадро), то он представляет собой систему с 3степенями
свободы, и его полная средняя тепловая энергия Е=3.
Молярная теплоёмкость

                                                                         (10)

, где R —
молярная газовая постоянная (универсальная), R=8,314 Дж ;
тогда =3·8,314=25
Дж /моль ·К.

Этот результат
хорошо согласуется с экспериментом. В классической физике металл представляют
как совокупность колеблющихся атомов и свободных электронов. Каждый электрон
обладает тремя поступательными степенями свободы. Тогда полная средняя тепловая
энергия такой системы

                                                                             (11)

, где N —
число свободных электронов. В случае одновалентного металла и .

Тогда =4,5R=37,6
Дж ,
т.е. в 1,5 раза больше значения, полученного экспериментально. Поэтому физики
сделали вывод о том, что электроны не вносят вклада в теплоёмкость металла.

2.4 Методы
определения теплоемкости индивидуальных веществ

Основным экспериментальным методом является калориметрия.
Теоретический расчет теплоемкости веществ осуществляется методами
статистической термодинамики, но он возможен только для сравнительно простых
молекул в состоянии идеального газа и для кристаллов, причем в обоих случаях
для расчета требуются экспериментальные данные о строении вещества.

Эмпирические методы определения теплоемкости веществ в
состоянии идеального газа основаны на представлении об аддитивности вкладов
отдельных групп атомов или химических связей. Имеются различные таблицы
групповых атомных вкладов в значение Ср. Для жидкостей, помимо
аддитивно-групповых, применяют методы, основанные на использовании
термодинамических циклов, позволяющих перейти к теплоемкости жидкости от
теплоемкости идеального газа через температурную производную энтальпии
испарения.

Для раствора вычисление теплоемкости как аддитивной функции
теплоемкости компонентов в общем случае некорректно, т.к. избыточная
теплоемкость раствора, как правило, значительна. Для ее оценки требуется
привлечение молекулярно-статистической теории растворов. Экспериментально
избыточная теплоемкость может быть определена по температурной зависимости
энтальпии смешения, после чего возможен расчет Ср раствора.

Теплоемкость гетерогенных систем представляет наиболее
сложный случай для термодинамического анализа. На диаграмме состояния
перемещение вдоль кривой равновесия фаз сопровождается изменением и р, и Т.
Если в процессе нагрева происходит смещение точки фазового равновесия, то это
дает дополнительный вклад в теплоемкость, поэтому теплоемкость гетерогенной системы
не равна сумме теплоемкостей составляющих ее фаз, но превосходит ее. На фазовой
диаграмме при переходе от гомогенного состояния к области существования
гетерогенной системы теплоемкость испытывает скачок.

2.5 Квантовая
теория теплоемкости Эйнштейна

С развитием квантовой физики стали понятны ограничения, заложенные
в классической теории теплоемкости кристаллов. Если атом и рассматривать как гармонический
осциллятор, то, конечно же, как квантовый осциллятор. А энергетический спектр
квантового осциллятора дискретен. Выдвинутую Планком идею о дискретности спектра
квантового осциллятора Эйнштейн применил при построении квантовой теории теплоемкости
кристаллов.

В модели Эйнштейна N атомов кристаллической решетки представляет
собой систему 3N независимых квантовых осциллятора. Полагается, что атом
обладает тремя колебательными степенями свободы и колебания атомов происходят
независимо друг от друга с одинаковой частотой. Если собственная частота такого
осциллятора ν, то энергия

                                 en = (n +1 2)hn
, n = 0,1, 2…,                                 (12)

Выражение для энергии квантового осциллятора отличается от
планковского e = nhv
наличием энергии нулевых колебаний, однако при расчете
теплоемкости данное обстоятельство не существенно.

Полагая, что энергетические уровни заселены в соответствии с
теоремой Больцмана, просуммировав по всем уровням, для средней энергии
осциллятора получим выражение

                                         
e=hv/exp(hv/kT)-1                                      
(13)

Тогда внутренняя энергия одного моля

                                                 
U=3Na(e)                                             
(14)

Теплоемкость есть производная от внутренней энергии по температуре.
Именно поэтому энергия нулевых колебаний, не зависящая от температуры, не
вносит вклад в теплоемкость.

Полученное выражение для теплоемкости является функцией
безразмерного параметра hn kT . Параметр этот есть отношение энергии
минимальной энергии квантового осциллятора и энергии теплового движения атомов
кристалла. Для учета количественных соотношений введем понятие характеристической
температуры Эйнштейна.

                                                     
Тк=hv/k                                              (15)

Рассмотрим предельные случаи высоких и низких температур. При
высоких температурах, T >Tg . Тогда, разлагая экспоненту в ряд по малому параметру.

Теплоемкость экспоненциально стремится к нулю при T<Tg .

В приближении Эйнштейна теплоемкость кристалла постоянна при
нормальной и более высокой температуре и убывает экспоненциально при понижении
температуры. Однако согласие с экспериментом лишь качественное. Известно, что
теплоемкость металлов вблизи абсолютного нуля убывает линейно, а диэлектриков –
кубически.

Рисунок
1 – Зависимости теплоемкости от температуры для меды:

1 –
экспериментальная кривая, 2 – рассчитанная по формуле Эйнштейна

На рисунке приведены
зависимости теплоемкости от температуры для меди: 1 − экспериментальная кривая;
2 − рассчитанная по формуле Эйнштейна. Вид рассчитанной кривой позволяет
определить смысл характеристической температуры Эйнштейна. При температурах
ниже характеристической у кристаллов наблюдается сильная зависимость теплоемкости
от температуры.

Применив гипотезу Планка о дискретности спектра энергий квантового
осциллятора, Эйнштейн объяснил уменьшение теплоемкости при температуре, стремящейся
к нулю, однако предположение о том, что частоты колебаний осцилляторов в кристалле
одинаковы, не соответствует реальности.

Заключение

В данном реферате
были рассмотрены два вопрос, а именно: 1) эмпирические
температурные шкалы и 2) Элементарная теория удельной теплоемкости твердого
тела. Для более полного понимая этих вопросов, были включены дополнительные
главы, которые отражали и дополняли основные вопросы.

С
уверенностью можно сказать, что задача реферата выполнена.

Список
литературы

1 Савельев, И.В. Курс физики. Т. 1: Механика. Молекулярная физика/И.В.
Савельев. -М .: Наука, 2014. – 315 с.;

2 Кикоин, А.К. Молекулярная физика / А.К. Кикоин, И.К. Кикоин. —
М.: Наука, 2017. – 255 с.;

3 Лабораторный практикум по физике / Под ред. А.С. Ахматова — М.:
«Высшая школа», 2019. – 440 с.;

4 Техническое описание экспериментальной установки ФПТ1-8.

5 Практические рекомендации по обработке результатов измерений:
Методические указания / Сост.: Л.П. Муркин, Н.В. Мышкина. — Куйбышев: КуАИ,
1992

6. http://ru.wikipedia.org/температура, скалярная величина,
термодинамическое равновесие, термодинамическая система, термометр, абсолютный
нуль, градус Фаренгейта, градус Цельсия, Кельвин, тройная точка воды, градус
Реомюра, градус Ранкина, газовый термометр, электрическое сопротивление.

7. http://meteoinfo.ru/ о различных температурных шкалах.

8. http://www.fizika.ru/ виды термометров и их
применение.

9. http://interneturok.ru/температура.

Приложение
А

Таблица
1 — Удельная теплоемкость некоторых металлов и сплавов

Металлы и сплавы	C, Дж/(кг·К)
Алюминий Al	897
Бронза алюминиевая	420
Бронза оловянистая	380
Вольфрам W	134
Дюралюминий	880
Железо Fe	452
Золото Au	129
Константан	410
Латунь	378
Манганин	420
Медь Cu	383
Никель Ni	443
Нихром	460
Олово Sn	228
Платина Pt	133
Ртуть Hg	139
Свинец Pb	128
Серебро Ag	235
Сталь стержневая арматурная	482
Сталь углеродистая	468
Сталь хромистая	460
Титан Ti	520
Уран U	116
Цинк Zn	385
Чугун белый	540
Чугун серый	470

Приложение
Б

Таблица
2 — Удельная теплоемкость твердых веществ

Строительные, теплоизоляционные и другие материалы	C, Дж/(кг·К)
АБС пластик	1300…2300
Аглопоритобетон и бетон на топливных (котельных) шлаках	840
Алмаз	502
Аргиллит	700…1000
Асбест волокнистый	1050
Асбестоцемент	1500
Асботекстолит	1670
Асбошифер	837
Асфальт	920…2100
Асфальтобетон	1680
Аэрогель (Aspen aerogels)	700
Базальт	850…920
Барит	461
Береза	1250
Бетон	710…1130
Битумоперлит	1130
Битумы нефтяные строительные и кровельные	1680
Бумага	1090…1500
Вата минеральная	920
Вата стеклянная	800
Вата хлопчатобумажная	1675
Вата шлаковая	750
Вермикулит	840
Вермикулитобетон	840
Винипласт	1000
Войлок шерстяной	1700
Воск	2930
Газо- и пенобетон, газо- и пеносиликат, газо- и пенозолобетон	840
Гетинакс	1400
Гипс формованный сухой	1050
Гипсокартон	950
Глина	750

Продолжение
таблицы 2

Строительные, теплоизоляционные и другие материалы	C, Дж/(кг·К)
Глина огнеупорная	800
Глинозем	700…840
Гнейс (облицовка)	880
Гравий (наполнитель)	850
Гравий керамзитовый	840
Гравий шунгизитовый	840
Гранит (облицовка)	880…920
Графит	708
Грунт влажный (почва)	2010
Грунт лунный	740
Грунт песчаный	900
Грунт сухой	850
Гудрон	1675
Диабаз	800…900
Динас	737
Доломит	600…1500
Дуб	2300
Железобетон	840
Железобетон набивной	840
Зола древесная	750
Известняк (облицовка)	850…920
Изделия из вспученного перлита на битумном связующем	1680
Ил песчаный	1000…2100
Камень строительный	920
Капрон	2300
Карболит черный	1900
Картон гофрированный	1150
Картон облицовочный	2300
Картон плотный	1200
Картон строительный многослойный	2390
Каучук натуральный	1400
Кварц кристаллический	836
Кварцит	700…1300

Продолжение таблицы 2

Строительные, теплоизоляционные и другие материалы	C, Дж/(кг·К)
Керамзит	750
Керамзитобетон и керамзитопенобетон	840
Кирпич динасовый	905
Кирпич карборундовый	700
Кирпич красный плотный	840…880
Кирпич магнезитовый	1055
Кирпич облицовочный	880
Кирпич огнеупорный полукислый	885
Кирпич силикатный	750…840
Кирпич строительный	800
Кирпич трепельный	710
Кирпич шамотный	930
Кладка «Поротон»	900
Кладка бутовая из камней средней плотности	880
Кладка газосиликатная	880
Кладка из глиняного обыкновенного кирпича	880
Кладка из керамического пустотного кирпича	880
Кладка из силикатного кирпича	880
Кладка из трепельного кирпича	880
Кладка из шлакового кирпича	880
Кокс порошкообразный	1210
Корунд	711
Краска масляная (эмаль)	650…2000
Кремний	714
Лава вулканическая	840
Латунь	400
Лед из тяжелой воды	2220
Лед при температуре 0°С	2150
Лед при температуре -100°С	1170
Лед при температуре -20°С	1950

Продолжение таблицы 2

Строительные, теплоизоляционные и другие материалы	C, Дж/(кг·К)
Лед при температуре -60°С	1700
Линолеум	1470
Листы асбестоцементные плоские	840
Листы гипсовые обшивочные (сухая штукатурка)	840
Лузга подсолнечная	1500
Магнетит	586
Малахит	740
Маты и полосы из стекловолокна прошивные	840
Маты минераловатные прошивные и на синтетическом связующем	840
Мел	800…880
Миканит	250
Мипора	1420
Мрамор (облицовка)	880
Настил палубный	1100
Нафталин	1300
Нейлон	1600
Неопрен	1700
Пакля	2300
Парафин	2890
Паркет дубовый	1100
Лед при температуре -60°С	1700
Линолеум	1470
Листы асбестоцементные плоские	840
Листы гипсовые обшивочные (сухая штукатурка)	840

Продолжение
таблицы 2

Строительные, теплоизоляционные и другие материалы	C, Дж/(кг·К)
Паркет штучный	880
Паркет щитовой	880
Пемзобетон	840
Пенобетон	840
Пенопласт ПХВ-1 и ПВ-1	1260
Пенополистирол	1340
Пенополистирол «Пеноплекс»	1600
Пенополиуретан	1470
Пеностекло или газостекло	840
Пергамин	1680
Перекрытие армокерамическое с бетонным заполнением без штукатурки	850
Перекрытие из железобетонных элементов со штукатуркой	860
Перекрытие монолитное плоское железобетонное	840
Перлитобетон	840
Перлитопласт-бетон	1050
Перлитофосфогелевые изделия	1050
Песок для строительных работ	840
Песок речной мелкий	700…840
Песок речной мелкий (влажный)	2090
Песок сахарный	1260
Песок сухой	800
Пихта	2700
Пластмасса полиэфирная	1000…2300
Плита пробковая	1850