Podstawowe samouczki fizyki

Artykuł o termometrach i skalach temperatur

1. Termometry

Narzędziem przeznaczonym do pomiaru temperatury jest termometr. Istnieje wiele rodzajów termometrów, ale zasada działania jest taka sama. Zazwyczaj używamy obiektów termometrycznych, czyli materii, która zmienia się wraz z temperaturą. Wraz ze zmianą temperatury obiektu zmienia się również jego kształt i rozmiar. Większość termometrów wykorzystuje obiekty, które mogą się rozszerzać lub kurczyć wraz ze zmianą temperatury. Często używane termometry składają się ze szklanych rurek, w których środku znajduje się alkohol lub rtęć. Wraz ze wzrostem temperatury alkohol lub rtęć w pojemniku rozszerzają się, co powoduje zwiększenie długości słupka alkoholu lub rtęci. I odwrotnie, wraz ze spadkiem temperatury długość słupka alkoholu lub rtęci maleje. Na zewnątrz szklanej rurki znajdują się liczby, które stanowią skalę termometru. Liczba wyświetlana na górnym końcu słupka alkoholu lub rtęci określa wartość temperatury mierzonego obiektu.

Przeczytaj więcej

Artykuł o zerowej zasadzie termodynamiki

Do tej pory obserwowaliśmy jedynie równowagę termiczną między dwoma ciałami będącymi w kontakcie.

Aby lepiej zrozumieć koncepcję równowagi termicznej, przyjrzyjmy się trzem obiektom (powiedzmy obiektom A, obiektowi B i obiektom C). Na przykład, obiekt B i obiekt C nie stykają się ze sobą, ale obiekt A styka się z obiektem B, a obiekt A styka się z obiektem C. Przyjrzyj się poniższemu obrazkowi. Ponieważ w kontakcie z każdym z nich, oprócz obiektu A i obiektu B, znajdują się one w równowadze termicznej, więc również obiekt A i obiekt C znajdują się w równowadze termicznej. Czy obiekty B i C, które się nie stykają, również znajdują się w równowadze termicznej? Jeśli użyjemy tylko logiki, możemy powiedzieć, że obiekt B i obiekt C również znajdują się w równowadze termicznej, mimo że się nie stykają. Obiekt A i obiekt B znajdują się w równowadze termicznej, co oznacza, że ​​temperatura obiektu A jest równa temperaturze obiektu B.

Przeczytaj więcej

Artykuł o definicji temperatury i równowagi termicznej

Definicja temperatury

Czy kiedykolwiek dotykałeś lodu? Co czujesz, gdy twoje dłonie dotykają lodu? Co, jeśli dotykasz ognia? Dotykając lodu, twoje dłonie są zimne, gdy dotykasz ognia, twoje dłonie są gorące. Gorąco, ciepło, zimno, zimno – co oznaczają te słowa?

Pojęcie temperatury wywodzi się z ciepła i zimna odczuwanych przez nasz zmysł dotyku. Na podstawie tego, co odczuwamy zmysłem dotyku, mówimy, że obiekt jest cieplejszy od innego obiektu lub chłodniejszy od innego. Gorące obiekty mają wyższą temperaturę, a zimne – niższą. Im chłodniejszy obiekt, tym niższa jego temperatura. I odwrotnie, im cieplejszy obiekt, tym wyższa jego temperatura. Miarą ciepła lub zimna obiektu jest temperatura. W teorii kinetyki gazów lepiej zrozumiesz definicję temperatury; co dzieje się z cząsteczkami obiektu, aby mógł on być odczuwany jako gorący, ciepły, chłodny lub zimny.

Przeczytaj więcej

Artykuł o fazach materii (na podstawie właściwości mikroskopowych)

W życiu codziennym często spotykamy się z trzema różnymi stanami skupienia materii. Istnieją substancje stałe (np. kamienie, żelazo itp.), ciekłe (woda, benzyna itp.) oraz gazowe (powietrze itp.). Trójfazowość tych substancji można rozróżnić na podstawie ich zdolności do zachowania kształtu i rozmiaru.

Ciała stałe zazwyczaj zachowują stały kształt i objętość. Ciecz nie utrzymuje stałej formy, lecz dostosowuje się do pojemnika, w którym się znajduje. Na przykład, jeśli wlejemy wodę do szklanki, jej kształt zmienia się jak w przypadku szklanki. Jeśli wlejemy wodę do wanny, kształt zmienia się jak w wannie. Objętość cieczy jest zazwyczaj zawsze stała. Jeśli szklanka wody zostanie umieszczona w wannie, ilość wody pozostanie w szklance. Kształt wody może się zmieniać, ale jej objętość nigdy. Należy pamiętać, że liczba ciał stałych i cieczy może się zmieniać, jeśli zostanie zastosowana wystarczająca siła.

Przeczytaj więcej

Artykuł o teorii atomu i teorii kinetycznej

Teoria atomowa

Przez tysiące lat starożytni Grecy wierzyli, że każda czysta substancja (taka jak złoto, żelazo itp.) składa się z atomów. Według nich, jeśli pokroimy czystą substancję na małe kawałki, to te drobne części zostaną ponownie pocięte, a potem znowu… i tak dalej, to pozostaną najmniejsze kawałki, których nie da się już pociąć. Najmniejsze kawałki, których nie da się ponownie pociąć, nazywane są atomami. Atom oznacza „nie da się podzielić” (z języka greckiego).

W tamtym czasie uważano, że atom nie jest już podzielony. Jednak później niektórzy naukowcy odkryli elektrony i jądra atomowe (protony i neutrony), co sprawiło, że założenie, iż atomy nie mogą być podzielone, było błędne. Zatem atomy składają się z elektronów (o ładunku ujemnym) i jąder atomowych. Elektrony krążą wokół jądra. Wewnątrz jądra znajdują się protony (o ładunku dodatnim) i neutrony (obojętne lub nienaładowane).

Przeczytaj więcej

Artykuł o zmianach fazy Temperatura krytyczna Punkt potrójny

W dyskusji na temat prawa gazu doskonałego wyjaśniono, że prawo gazu doskonałego dokładnie opisuje zachowanie gazu rzeczywistego tylko wtedy, gdy ciśnienie i gęstość gazu rzeczywistego nie są zbyt duże. Jeśli ciśnienie i gęstość gazu rzeczywistego są wystarczająco duże, prawo gazu doskonałego daje niedokładne wyniki, podobnie gdy temperatura gazu rzeczywistego zbliża się do temperatury wrzenia. Jest to związane z oddziaływaniami zachodzącymi między cząsteczkami gazu rzeczywistego. Ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do objętości gazu. Gdy ciśnienie gazu jest wystarczająco duże, objętość gazu się zmniejsza. Ponieważ objętość gazu jest mała, odległość między cząsteczkami gazu zmniejsza się. Gdy odległość między cząsteczkami zmniejsza się, cząsteczki przyciągają się. To tak, jak gdy umieścisz kawałek żelaza na magnesie. Jeśli odległość między magnesem a żelazem jest wystarczająco duża, magnes nie może przyciągnąć żelaza. Ale jeśli odległość między magnesem a żelazem jest mała, żelazo jest przyciągane bliżej.

Przeczytaj więcej

Van der Walls to nazwisko holenderskiego fizyka J.D. van der Waalsa (1837–1923). Równanie stanu van der Waalsa to równanie stanu gazu, podobne do równania stanu gazu doskonałego. Różnica polega na tym, że równanie stanu gazu doskonałego nie może dać dokładnych wyników, jeśli ciśnienie i gęstość gazu rzeczywistego są wystarczająco duże. Natomiast równanie stanu van der Waalsa może dać dokładniejsze wyniki.

Istnienie tego równania wywodzi się od van der Waalsa, który zdał sobie sprawę z ograniczeń równania stanu idealnego. Waals zmodyfikował równanie stanu gazu doskonałego, dodając kilka czynników, które również wpływają na rzeczywisty stan gazu, gdy ciśnienie i gęstość gazu rzeczywistego są duże.

Przeczytaj więcej

Proces parowania można wyjaśnić za pomocą teorii kinetycznej. Podobnie jak cząsteczki gazu, cząsteczki wody również się poruszają. Różnica polega na tym, że cząsteczki wody nie mogą się rozproszyć, ponieważ przyciąganie między cząsteczkami nadal utrzymuje je razem. I odwrotnie, przyciąganie między cząsteczkami gazu jest kruche, więc cząsteczki gazu nie mogą się połączyć. Poruszające się cząsteczki wody mają prędkość. Istnieją cząsteczki wody o dużej prędkości; istnieją również cząsteczki wody o małej prędkości. Rozkład prędkości cząsteczki wody przypomina rozkład Maxwella.

Parowanie zachodzi, gdy prędkość cząsteczek wody jest na tyle duża, że ​​przyciąganie między cząsteczkami wody nie jest w stanie ich utrzymać razem. Podobnie jak w przypadku rakiet lecących w kosmos, prędkość rakiety jest na tyle duża, że ​​siła grawitacji Ziemi nie jest w stanie utrzymać jej na powierzchni. Należy zauważyć, że tylko cząsteczki o dużych prędkościach mogą uniknąć przyciągania między cząsteczkami. Cząsteczki o małych prędkościach pozostają razem jak woda.

Przeczytaj więcej

Wrzenie to proces przemiany cieczy w gaz. Wrzenie następuje, gdy prężność pary nasyconej jest równa ciśnieniu powietrza (ciśnienie powietrza = ciśnienie atmosferyczne). Omawiamy tylko wrzącą wodę. Prężność pary nasyconej wody jest wprost proporcjonalna do temperatury wody, im wyższa temperatura wody, tym wyższe ciśnienie pary nasyconej. Gdy podgrzewamy wodę, na dnie pojemnika zwykle pojawiają się małe pęcherzyki. Istnienie pęcherzyków wskazuje na przemianę cieczy w gaz. Jeśli prężność pary nasyconej w pęcherzyku jest mniejsza niż ciśnienie powietrza na zewnątrz, pęcherzyk skurczy się i rozpadnie przed dotarciem do powierzchni. Pęcherzyki ulegają zniszczeniu, ponieważ siła ciągu powietrza zewnętrznego jest większa niż siła ciągu pary wewnątrz pęcherzyka. Ciśnienie powietrza zewnętrznego jest wyższe niż ciśnienie pary w pęcherzyku, więc powietrze zewnętrzne ma większą siłę (P = F / A).

Przeczytaj więcej

Wilgotność powietrza określa ilość pary wodnej w powietrzu. Podczas deszczu atmosfera jest bardzo wilgotna, ponieważ zawiera dużo pary wodnej. I odwrotnie, jeśli ilość pary wodnej w powietrzu jest bardzo mała, powietrze jest suche. Ilość pary wodnej w powietrzu wyraża się za pomocą wilgotności względnej.

Wilgotność względna to stosunek ciśnienia parcjalnego pary wodnej do ciśnienia pary nasyconej wody w danej temperaturze (para wodna to para wodna). Wilgotność względna jest wyrażana w procentach, a jej wzór matematyczny jest następujący:

Przeczytaj więcej