Учебные пособия по основам физики

Термометры и температурные шкалы

Статья о термометрах и шкалах измерения температуры.

1. Термометры

Прибор, предназначенный для измерения температуры, — это термометр. Существует множество типов термометров, но принцип их работы один и тот же. Обычно мы используем термометрические объекты — вещества, свойства которых изменяются с температурой. Если температура объекта изменяется, то изменяется и его форма, и размер. В большинстве термометров используются объекты, которые могут расширяться или сжиматься при изменении температуры. Часто используемые термометры представляют собой стеклянные трубки, в центре которых находится спирт или ртуть. При повышении температуры спирт или ртуть в сосуде расширяются, так что длина столбика спирта или ртути увеличивается. И наоборот, при понижении температуры длина столбика спирта или ртути уменьшается. На внешней стороне стеклянной трубки нанесены цифры, которые представляют собой шкалу термометра. Число, показанное в верхней части столбика спирта или ртути, указывает значение температуры измеряемого объекта.

Нулевой закон термодинамики

Статья о нулевом законе термодинамики

До сих пор мы наблюдали только тепловое равновесие, существующее между двумя соприкасающимися объектами.

Чтобы глубже понять концепцию теплового равновесия, рассмотрим три объекта (например, объект A, объект B и объект C). Объекты B и C не соприкасаются друг с другом, но объект A находится в контакте с объектом B, а объект A находится в контакте с объектом C. Посмотрите на изображение ниже. Поскольку объекты A и B находятся в тепловом равновесии, соприкасаясь друг с другом, то и объекты A и C находятся в тепловом равновесии. Находятся ли объекты B и C, которые не соприкасаются друг с другом, также в тепловом равновесии? Если использовать только логику, можно сказать, что объекты B и C также находятся в тепловом равновесии, даже несмотря на то, что они не соприкасаются. Объекты A и B находятся в тепловом равновесии, то есть температура объекта A равна температуре объекта B.

Определение температуры и теплового равновесия

Статья об определении температуры и теплового равновесия.

Определение температуры

Вы когда-нибудь прикасались к льду? Что вы чувствуете, когда ваши руки касаются льда? А если вы прикасаетесь к огню? Когда вы прикасаетесь ко льду, ваши руки холодные, когда вы прикасаетесь к огню, ваши руки горячие. Горячий, теплый, холодный, холодный — что это значит?

Понятие температуры начинается с ощущения тепла и холода, воспринимаемого нашим чувством осязания. На основе осязания мы говорим, что один объект горячее другого или холоднее другого. Горячие объекты имеют более высокую температуру, а холодные — более низкую. Чем холоднее объект, тем ниже его температура. И наоборот, чем горячее объект, тем выше его температура. Мера тепла или холода объекта называется температурой. В разделе «Газокинетическая теория» вы более подробно узнаете определение температуры; что происходит с молекулами объекта, чтобы он ощущался горячим, теплым, холодным или холодным.

Фазы вещества (на основе микроскопических свойств)

Статья о фазах вещества (на основе микроскопических свойств)

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с тремя различными фазами вещества. Это твердые вещества (например, камни, железо и т. д.), жидкости (вода, бензин и т. д.) и газообразные вещества (воздух и т. д.). Три фазы этих веществ можно различить по их способности сохранять свою форму и размер.

Твердые вещества обычно сохраняют фиксированную форму и объем. Жидкость не сохраняет свою форму, а подстраивается под занимаемую ею емкость. Например, если мы нальем воду в стакан, ее форма изменится, как у стакана. Если налить воду в ванну, ее форма изменится, как у ванны. Объем жидкости, как правило, всегда постоянен. Если стакан воды поместить в ванну, количество воды останется в стакане. Форма воды может меняться, но объем никогда не меняется. Следует помнить, что количество твердых веществ и жидкостей может изменяться при приложении достаточной силы.

Атомная теория и кинетическая теория

Статья об атомной теории и кинетической теории.

Атомная теория

На протяжении тысячелетий древние греки верили, что каждое чистое вещество (например, золото, железо и т. д.) состоит из атомов. По их мнению, если чистое вещество разрезать на мелкие кусочки, затем эти крошечные части разрезать снова, затем снова… и так далее, то останутся мельчайшие кусочки, которые нельзя разрезать снова. Эти мельчайшие кусочки, которые нельзя разрезать снова, называются атомами. Атом означает «неделимый» (греческий язык).

В то время считалось, что атом уже не делится на части. Но позже некоторые ученые открыли электроны и атомные ядра (протоны и нейтроны), так что предположение о невозможности деления атомов оказалось неверным. Таким образом, атомы состоят из электронов (отрицательно заряженных) и атомных ядер. Электроны вращаются вокруг ядра. Внутри ядра находятся протоны (положительно заряженные) и нейтроны (нейтральные или незаряженные).

Фазовые переходы Критическая температура Тройная точка

Статья об изменениях фазы, критической температуре и тройной точке.

В обсуждении закона идеального газа было объяснено, что закон идеального газа точно описывает поведение реального газа только тогда, когда давление и плотность реального газа не слишком велики. Если давление и плотность реального газа достаточно велики, закон идеального газа дает неточные результаты, аналогично, когда температура реального газа приближается к точке кипения. Это связано с взаимодействиями, происходящими между молекулами реального газа. Давление газа обратно пропорционально объему газа. Когда давление газа достаточно велико, объем газа уменьшается. Поскольку объем газа мал, расстояние между молекулами газа сокращается. Когда расстояние между молекулами сокращается, молекулы притягиваются друг к другу. Это похоже на то, как если бы вы поместили кусок железа на магнит. Если расстояние между магнитом и железом достаточно велико, магнит не может притянуть железо. Но если расстояние между магнитом и железом мало, железо притягивается.

Уравнение состояний Ван дер Ваальса

Ван дер Ваальс — это имя голландского физика Й. Д. ван дер Ваальса (1837–1923). Уравнение состояния Ван дер Ваальса — это уравнение состояния газа, аналогичное уравнению состояния идеального газа. Разница заключается в том, что уравнение состояния идеального газа не может дать точных результатов, если давление и плотность реального газа достаточно велики. В то время как уравнение состояния Ван дер Ваальса может дать более точные результаты.

Это уравнение возникло благодаря Ван дер Ваальсу, который осознал ограничения уравнения идеального состояния. Ваальс модифицировал уравнение состояния идеального газа, добавив несколько факторов, которые также влияют на состояние реального газа при больших значениях давления и плотности.

выпаривание

Процесс испарения можно объяснить с помощью кинетической теории. Как и молекулы газа, молекулы воды также движутся. Разница заключается в том, что молекулы воды не могут рассеиваться, поскольку притяжение между молекулами все еще удерживает их вместе. Напротив, притяжение между молекулами газа является слабым, поэтому молекулы газа не могут сливаться. При движении молекулы воды имеют скорость. Существуют молекулы воды с высокой скоростью; существуют также молекулы воды с низкой скоростью. Распределение скоростей молекул воды напоминает распределение Максвелла.

Испарение происходит, когда скорость молекул воды становится достаточно большой, чтобы сила притяжения между ними перестала удерживать их вместе. Подобно ракетам, движущимся в космос, скорость ракеты достаточно велика, чтобы сила гравитации Земли не могла удержать её на Земле. Следует отметить, что только молекулы с большими скоростями могут преодолеть силу притяжения между собой. Молекулы с малыми скоростями остаются вместе, как вода.

Варка

Кипение — это процесс превращения жидкости в газ. Кипение происходит, когда давление насыщенного пара равно давлению воздуха (давление воздуха = атмосферное давление). Мы рассмотрим только кипение воды. Давление насыщенного пара воды прямо пропорционально температуре воды: чем выше температура воды, тем выше давление насыщенного пара. При нагревании воды на дне сосуда обычно появляются маленькие пузырьки. Наличие пузырьков указывает на превращение жидкости в газ. Если давление насыщенного пара в пузырьке меньше, чем давление наружного воздуха, пузырек сожмется и распадется, не достигнув поверхности. Пузырьки разрушаются, потому что сила давления наружного воздуха выше, чем сила давления пара внутри пузырька. Давление наружного воздуха выше, чем давление пара в пузырьке, поэтому сила давления наружного воздуха более значительна (P = F / A).

Влажность

Влажность воздуха показывает количество водяного пара в воздухе. Когда идет дождь, атмосфера очень влажная, потому что в воздухе много водяного пара. И наоборот, если водяного пара в воздухе очень мало, воздух сухой. Количество водяного пара в воздухе выражается относительной влажностью.

Относительная влажность — это отношение парциального давления пара к давлению насыщенного водяного пара при определенной температуре (пар — это водяной пар). Относительная влажность выражается в процентах и математически формулируется следующим образом: