Лекция по теме"Температура. Способы измерения. Шкалы."

Дата:  24.03.2020

Тема урока: Температура  и тепловое  равновесие. Абсолютная температура. Связь средней кинетической энергии теплового движения молекул с абсолютной температурой.  Постоянная Больцмана

Цель урока: формировать знания о температуре как одном из термодинамических параметров и мере средней кинетической энергии движения молекул, температурных шкалах Кельвина и Цельсия и связи между ними, об из­мерении температуры с помощью термометров.

Задачи урока:

образовательные: Ввести понятие термодинамических параметров, термодинамического процесса, температуры, термометра.

развивающие: - развивать логическое мышление, умение планировать свою работу обобщать и делать выводы, используя новую информацию и имеющийся жизненный опыт, а так же умение рефлексировать;

воспитательные: Воспитывать интерес в изучении материала

Тип урока: урок «открытия» нового знания.

Методы обучения: проблемный, эвристический (поисково-творческий), деятельностный, словесный, наглядный.

Оборудование: компьютер, проектор

  План  урока:

Конспект урока

I.            2.Актуализация опорных знаний

III.            3. Постановка цели деятельности

Почему важно изучать газы, уметь описывать процессы, которые в них происходят? Обоснуйте ответ, используя усвоенные знания по физике, собственный жизненный опыт.

4. Изучение нового материала

4.1 Температура  и тепловое  равновесие

  Под термодинамическими параметрами понимают физические величины, которые характеризуют свойства макротела (макросистем) в целом. К ним относятся: давление газа, объем, температура.

  Термодинамический процесс представляет собой явление изменения какого – то термопараметра или переход системы из одного состояния в другое. К микротелам относятся: объем молекулы (атома), масса молекулы, скоростьмолекулы, концентрация числа молекул.

Основные свойства температуры

Тепловое (термодинамическое) равновесие – состояние тела или системы тел, при котором его термодинамические параметры (p, V, m  и др.) остаются неизменными сколь угодно долго. Температура - характеристика внутреннего состояния макроскопической системы – состояния теплового равновесия. Температура – термодинамический параметр, одинаковый во всех частях термодинамической системы, находящейся в тепловом равновесии. Температуры тел, находящихся в тепловом контакте, выравнива­ются.

 Теп­ло­вое рав­но­ве­сие – такое со­сто­я­ние тела, при ко­то­ром его мак­ро­ско­пи­че­ские па­ра­мет­ры не ме­ня­ют­ся дли­тель­ное время.

Таким образом, температура характеризует состояние термодинамического равновесия изолированной системы тел.

Температура — это мера кинетической энергии теплового движения молекул.

Температура — скалярная величина; в СИ измеряется в Кельвинах (К).

Измерение температуры.

1.Тело необходимо привести в тепловой контакт с термометром.

2.Термометр должен иметь массу значительно меньше массы тела.

3.Показание термометра следует отсчитывать после наступ­ления теплового равновесия.

4.2 Абсолютная температура.

2. Температурные шкалы. Измерение температуры

Температура измеряется с помощью термометров, действие которых основано на явлении термодинамического равновесия, т.е. термометр — это прибор для измерения температуры путем контакта с исследуемым телом. При изготовлении термометров разного типа учитывается зависимость от температуры разных физических явлений: теплового расширения, электрических и магнитных явлений и т.п.

В 1787 году Ж. Шарль из эксперимента установил прямую пропорциональную зависимость давления газа от температуры. Из опытов следовало, что при одинаковом нагревании давление любых газов изменяется одинаково.

Различают такие виды термометров: жидкостные, термопары, газовые, термометры сопротивления. Вещества, которые используются для измерения температуры тел, - термодинамическими.

На современном этапе из многообразия температурных шкал, на практике используются следующие три:

Основные виды шкал:

Рассмотрим основные виды термометров:

1.  Жидкостный термометр спиртовые или ртутные (ртуть: температура от -38до 260⁰С; глицерин: от – 50 до 100⁰С) –   

    тепловое  расширение.

2. Термопара (температура от -269 до 2300⁰ С).

3. Термисторы (зависимость сопротивления от температуры).

4. Манометрические (зависимость давления от температуры).

5. Газовые термометры – тепловое расширение.

4.3 Связь средней кинетической энергии теплового движения молекул с абсолютной температурой. 

Постоянная Больцмана

Температура – мера средней кинетической энергии движения молекул

Опытным путем р = nkT, где - k=1,38×10^-23Дж/К, коэффициент пропорциональности - постоянная Больцмана. Постоянная Больцмана связывает температуру со средней кинетической энергией движения молекул в веществе. Это одна из наиболее важных постоянных в МКТ. Температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии теплового движения частиц вещества. Поскольку температура фактически является мерой энергии, её иногда измеряют в энергетических единицах. Но, дело в том, что в повседневной жизни подобные единицы измерения неудобны. Например, если в баллоне объёмом 10 л находится 1 моль водорода при нормальном давлении, то средняя кинетическая энергия его молекул будет равна 1,68 х 10⁻²¹ Дж. В связи с этим возникает вопрос: как перевести температуру из энергетических единиц измерения в градусы, используемые в повседневной жизни? Ведь, люди могут выбирать какую угодно температурную шкалу, но этот выбор не может повлиять на кинетическую энергию молекул. Поэтому, вводится понятие абсолютной температуры. Будем считать эту температуру прямо пропорциональной температуре, выраженной в энергетических единицах:

В этой формуле мы обозначили коэффициент пропорциональности буквой k.

Учитывая тот факт, что такие величины, как объём, давление и число молекул, не могут быть отрицательными, делаем вывод, что абсолютная температура тоже не может быть отрицательной.

  Абсолютный ноль температуры — это такая температура, при которой давление газа равно нулю, при постоянном объёме. Такое возможно только в случае, если молекулы газа попросту остановились (это следует из основного уравнения молекулярно-кинетической теории).

Абсолютную шкалу температур предложил лорд Кельвин, в честь которого и названа единица измерения температуры по абсолютной шкале. 1 К равен 1 ^оС, поэтому перевести градусы Цельсия в кельвины довольно просто: нужно к температуре в градусах Цельсия прибавить 273 градуса:

Таким образом, абсолютный ноль температуры по шкале Цельсия равен −273 градуса. Необходимо отметить, что абсолютный ноль недостижим.

Вернемся теперь к уравнению, которое мы использовали в начале урока:

Также, мы выяснили, что отношение произведения давления и объёма к числу молекул должно быть пропорционально температуре:

 Мы получили два уравнения, левые части которых равны. Значит, должны быть равны и правые части:

Итак, мы вплотную подошли к связи между средней кинетической энергией и температурой. Остается только разобраться с коэффициентом пропорциональности. Этот коэффициент получил название постоянной Больцмана, в честь Людвига Больцмана.

Больцман был первым, кто нашел соотношение между кинетической энергией и температурой. Постоянная Больцмана определяет связь между температурой в энергетических единицах измерения и температурой в кельвинах. Итак, средняя кинетическая энергия молекул равна:

Сегодня мы можем повторить эксперимент, с помощью которого можно вычислить постоянную Больцмана. Возьмем газ, который можно считать идеальным, и измерим среднюю кинетическую энергию его молекул тем же способом, который мы использовали в начале урока — то есть, выразив её через макроскопические параметры:

Проведем измерения для двух случаев: в одном случае поместим сосуд в тающий лед, а во втором случае — в кипящую воду.

Тогда, разность между температурами в энергетических единицах измерения должна быть равна произведению разности температуры в кельвинах и постоянной Больцмана:

Отсюда выразим постоянную Больцмана:

Расчеты показывают, что эта величина остается постоянной для любого газа, который можно считать идеальным:

Несмотря на то, что соотношение между температурой и кинетической энергией установлено для газов, оно также выполняется для жидкостей и для твердых тел:

Данное соотношение не выполняется только в том случае, если движение частиц не подчиняется законам механики Ньютона. Это происходит при экстремальных условиях, например при колоссальном давлении, огромной температуре или сильнейших электромагнитных полях.

Пример решения задачи.

Задача. При температуре 200 К средняя скорость молекул одного моля неизвестного газа равна 500 м/с. Считая этот газ идеальным, определите его молярную массу.

5.Проверка понимание и осмысления нового материала, и применение нового материала на практике

1. Ответить на вопросы (записать в конспект)

- Какие физические тела – макроскопические?

- Что вы понимаете под микроскопическими телами?

- Какие параметры – макроскопические?

- В чем физический смысл температуры?

- Какое состояние – тепловым равновесием?

- Какая величина является его характеристикой?

- Какая температура называется абсолютным 0 температуры?

2. Выразите в К: 27С, -175С, 100С, 0С

    Выразите в С: 4К, 180К, 310К, 420К.

3. Задачи: стр. 55 №№2.1, 2.2, 2.4, 2.9, 2.13-2.16

6.Домашнее задание:

1. прочитать стр. 113-114; 116; 119-121 §4.9; 4.11; 4.13

2.решить стр.125 учебника № 4-6

7. Глоссарий по теме:

Макроскопические параметры - величины объём V, давление p и температура t, характеризующие состояние макроскопических тел без учёта их молекулярного строения.

Температура характеризует степень нагретости тела (холодное, тёплое, горячее).

Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние) - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Тепловым равновесием называют – такое состояние тел, при котором температура во всех точках системы одинакова.

Тепловым или термодинамическим равновесием, изолированной системы тел, называют состояние, при котором все макроскопические параметры в системе остаются неизменными.

Термометр — это прибор для измерения температуры путём контакта с исследуемым телом. Различают жидкостные, газовые термометры, термопары, термометры сопротивления.

Абсолютная температура Т прямо пропорциональна температуре Θ (тета), выражаемой в энергетических единицах (Дж).

Абсолютный нуль - предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении.

Абсолютный нуль – температура, при которой прекращается тепловое движение молекул.

Абсолютная шкала температур (Шкала Кельвина) – здесь нулевая температура соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры равна градусу по шкале Цельсия.

Кельвин - единица абсолютной температуры в Международной системе измерений (СИ).

Постоянная Больцмана – коэффициент, связывает температуру Θ энергетических единицах (Дж) с абсолютной температурой Т (К).

Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии молекул.

Давление газа прямо пропорционально концентрации его молекул и абсолютной температуре Т.

Закон Авогадро – в равных объёмах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.