Тепловое движение. Температура. Внутренняя энергия

Летом провода между столбами провисают сильнее, чем в мороз, — зимой та же линия натянута, как струна. Металл «расходится» от жары: при нагревании частицы в проводе движутся быстрее и сильнее расталкивают соседей. То же творится в любом теле — в раскалённой плите, в льдинке, в твоей руке. Тепловое движение — это беспорядочное движение частиц тела, и оно не прекращается никогда: даже при −20 °C молекулы воздуха летают со скоростью сотни метров в секунду.

Температура — мера движения частиц

Чем быстрее движутся частицы, тем горячее тело. Температура — мера средней энергии движения частиц. Её измеряют термометром в градусах Цельсия, а в физике часто пишут по шкале Кельвина: $T=t+273$. Вода замерзает при 0 °C, то есть при 273 К, кипит при 100 °C = 373 К, твоё тело держит около 37 °C = 310 К. Минуса по Кельвину не бывает: 0 К (примерно −273 °C) — предел холода, при котором тепловое движение замирает.

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия — сумма энергии движения всех частиц тела и энергии их взаимодействия. Это не то же, что механическая энергия: у летящего мяча есть скорость и высота, но внутренняя энергия от них не зависит — она про то, что происходит внутри. Изменить её можно двумя способами: совершением работы (сжал воздух в насосе — он нагрелся) и теплопередачей. Числа для сравнения: в стакане 0,2 кг воды при 60 °C, в баке 50 кг при тех же 60 °C. Температура одна, а внутренняя энергия в баке в 250 раз больше — частиц больше.

Два способа изменить внутреннюю энергию

Внутреннюю энергию меняют ровно двумя способами, и оба ты проделывал сегодня. Первый — совершение работы: сжал воздух в насосе — корпус потеплел, потер ладони зимой — руки разогрелись, пилка проехала по металлу — металл стал обжигать. Внешняя сила совершает работу, и её энергия оседает внутри тела.

Второй способ — теплопередача: энергия сама перетекает от более горячего тела к более холодному, без всякого движения рук. Вода в чайнике греется от конфорки, чай остывает, отдавая тепло воздуху, ложка в супе раскаляется. Долго было непонятно, одинаков ли эти способы по сути. В 1798 году Румфорд сверлил ствол пушки и заметил, что тупое сверло греет воду в бочке сильнее острого — работа превращается в тепло без огня. А Джоуль в 1840-х крутил лопатки в воде падающим грузом и точно измерил, сколько работы даёт сколько тепла.

• сжатие воздуха в насосе — работа, насос и воздух нагреваются
• трение ладоней друг о друга — работа, руки греются
• Солнце нагревает крышу — теплопередача излучением
• чай остывает в чашке — теплопередача воздуху
• резец нагревается о точильный камень — работа трения

Как устроен термометр

Термометр меряет температуру не напрямую, а через тепловое расширение. В капилляре жидкостного термометра сидит спирт или ртуть: нагреваясь, жидкость расширяется и поднимается по шкале. Ртуть замерзает уже при −39 °C, поэтому в морозы берут спиртовые — спирт остаётся жидким до −114 °C.

У медицинского термометра есть хитрость: у основания столбика узкое сужение, через которое ртуть не стекает обратно в резервуар. Такой термометр «запоминает» самый высокий результат, и его нужно встряхнуть перед новым измерением. Электронные модели следят за сопротивлением датчика, которое меняется с температурой, а инфракрасный пирометр читает излучение лба или уха, даже не касаясь кожи: за секунду и без слёз.

Зачем физикам шкала Кельвина

Шкалу Цельсия придумал швед Андреас Цельсий в 1742 году, причём сначала наоборот: 100 °C — таяние льда, 0 °C — кипение. Перевернули шкалу уже после его смерти. А в 1848 году Уильям Томсон, лорд Кельвин, построил шкалу с жёстким нижним концом — абсолютным нулём, ниже которого температура невозможна в принципе.

Переводится просто: $T=t+273$. Физики любят Кельвина за честный ноль: 0 К означает, что тепловому движению некуда деваться, и в формулах газовых законов температура входит множителем без всяких минусов. Из того же следует, что «в два раза горячее» надо считать по Кельвину: 40 °C не вдвое горячее 20 °C — по Кельвину это 313 К против 293 К, разница меньше семи процентов.

Броуновское движение: тепловое движение видно в микроскоп

Само тепловое движение глазами не поймать, но его следы ловят с 1827 года. Ботаник Роберт Броун разглядывал в микроскоп зёрна пыльцы в капле воды и обнаружил, что они непрерывно дёргаются и мечутся, хотя вода стоит на месте. Объяснение простое: со всех сторон частицу толкают невидимые молекулы воды, и с каждой стороны толчков то больше, то меньше.

Погрей воду — дрожь зёрен станет заметно живее: молекулы разгоняются и бьют сильнее. По той же причине диффузия летом идёт быстрее зимней: молекулы прыгают резвее, и чужие частицы перемешиваются с ними за часы, а не за недели. За опыты с броуновским движением и доказательства существования молекул Жан Перрен получил Нобелевскую премию в 1926 году.

Ты размешиваешь чай, и ложка нагревается — молекулы воды передают ей свою энергию. В кружке с 0,2 кг кипятка запасено около 84 000 Дж лишней энергии по сравнению с холодной водой: при остывании на градус вода отдаёт 840 Дж. Температура лишь показывает, насколько быстро движутся молекулы.

Тепловое расширение: зачем мостам зазоры

Нагретые тела расширяются, и с этим связано всё летнее поведение техники. Стальной рельс в километр удлиняется на 12 миллиметров при потеплении на один градус: оставь стыки без зазоров — в жару пути вздыбятся. Провода ЛЭП летом провисают, зазоры между плитами мостов меняются в течение года, и всё это инженеры закладывают заранее.

На разном расширении металлов работает биметаллическая пластина: два склёпанных слоя растягиваются по-разному, пластина изгибается и размыкает электрический контакт. Так отключается утюг при заданной температуре, щёлкают терморегуляторы холодильника и срабатывают пожарные извещатели. А туго закрученную стеклянную крышку банки отдают, подержав под горячей водой: металл расширяется быстрее стекла и отпускает хватку.

Словарь урока

Тепловое движение#

беспорядочное движение частиц тела, которое не прекращается никогда

Температура#

величина, мера средней кинетической энергии частиц тела

Внутренняя энергия#

сумма энергии движения всех частиц и энергии их взаимодействия

Теплопередача#

изменение внутренней энергии без совершения работы

Абсолютный ноль#

0 К, то есть примерно −273 °C, — предел холода, где тепловое движение замирает

Шкала Кельвина#

абсолютная шкала температур, связь с Цельсием: T = t + 273

Как это спрашивают на проверочных

• перевод °C в Кельвины и обратно: 25 °C — это 298 К
• чем температура отличается от внутренней энергии: стакан и бак при 60 °C
• два способа изменить внутреннюю энергию — с примером каждого
• почему летом провисают провода ЛЭП: тепловое расширение
• какой термометр возьмут в Заполярье и почему: ртутный замёрзнет

В ВПР и ОГЭ такие вопросы почти без вычислений: главное — объяснить словами и физической причиной. Пиши развёрнуто: не «внутренняя энергия больше», а «в баке частиц больше, значит больше и сумма их энергий». За голую цифру без пояснения снимают балл — проверяющий ищет именно объяснение.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема