# Температура

Физика · 8 класс · Тепловые процессы
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/8/temperatura

Разбираемся, что такое температура на уровне молекул, как термометр её измеряет и как перевести градусы Цельсия в кельвины.

## Чему научишься

- Объяснить, как температура связана с движением молекул, и что такое тепловое равновесие
- Объяснить, почему термометр нужно выдерживать до равновесия с телом, и чем отличаются шкалы Цельсия и Кельвина
- Переводить температуру из °C в K и обратно по формуле $T = t + 273$

## С чего начать

Почему градусник надо держать под мышкой несколько минут, а не одну секунду? И что вообще показывает термометр: температуру больного или свою собственную?

## 1. Температура: что за ней стоит

*От «горячо — холодно» к движению молекул*

Мы говорим «горячий чай», «холодный лёд», «тёплая батарея». В повседневной жизни температура характеризует степень нагретости тел. Но что физически меняется в чае, когда он остывает? Чай не становится легче или другого цвета. Меняется то, что происходит внутри него, на уровне молекул.

*Рисунок: Горящая свеча*

**Тепловые явления**

Тепловые явления — явления, важной характеристикой которых является температура (например, нагревание и охлаждение воды, образование льда, плавление парафина).

*Рисунок: Льдины и айсберги, плавающие в воде*

Вспомни, что молекулы вещества всё время движутся, и движутся беспорядочно. Это движение так и называется.

**Тепловое движение**

Тепловое движение — беспорядочное движение молекул вещества.

Представь танцпол. В зале сотни людей, и каждый пляшет как хочет: кто-то быстро, кто-то медленно, кто-то толкнул соседа и замер. У каждого своя энергия движения. Но если спросить «насколько зал разогрет?», ты не будешь смотреть на одного человека. Ты оценишь, как двигается толпа в среднем. Температура работает так же.

**Температура**

Температура — физическая величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию теплового движения молекул тела.

**Температура — это «разогретость танцпола»**

Аналогия: температура тела — как общий накал танцпола. Чем в среднем энергичнее пляшет толпа молекул, тем выше температура. Оговорка: у молекул нет «настроения», они просто сталкиваются и обмениваются энергией, и у каждой в данный момент энергия своя. Поэтому температура относится ко всему телу, а не к одной молекуле. Способ запомнить: в определении есть слово «средняя» — по нему и вспоминай, что температуру нельзя приписать одной молекуле.

*Рисунок: Два зала с людьми: в левом люди двигаются энергично, в правом спокойно*

**Неправильно:** Температура показывает, как быстро движется каждая молекула тела.
**Правильно:** Температура характеризует среднюю кинетическую энергию молекул. У отдельных молекул энергия разная, а температура — про всю «толпу» сразу.

**Проверь себя:** Кусок льда и чашка кипятка: у какого тела средняя кинетическая энергия молекул больше и почему?
**Ответ:** У кипятка: его температура выше, а температура и характеризует среднюю кинетическую энергию теплового движения молекул.

### Проверь себя

**Что происходящее с броуновскими частицами при нагревании жидкости доказывает о движении молекул?**
- Ускорение броуновских частиц означает, что молекулы жидкости начинают двигаться быстрее — верно
- Молекулы начинают двигаться строго упорядоченно в одном направлении
- Размер самих молекул увеличивается в несколько раз
- Броуновские частицы останавливаются, так как молекулы при нагревании слипаются
> Толчки со стороны более быстрых молекул жидкости заставляют броуновские частицы хаотично двигаться с большей скоростью.

**В чем состоит принципиальное отличие теплового движения от механического?**
- В тепловом движении участвует огромное число молекул, и зафиксировать параметры каждой невозможно — верно
- При механическом движении молекулы разрушаются, а при тепловом — нет
- Тепловое движение происходит только в твердых телах, а механическое — в газах
- Тепловое движение всегда происходит по траектории окружности
> Механическое движение описывает отдельное тело/частицу, а тепловое — статистическую совокупность множества частиц.

**Какую физическую величину на микроскопическом уровне характеризует температура тела?**
- Скорость движения самого тела как целого в пространстве
- Суммарную массу всех молекул в объеме тела
- Среднюю кинетическую энергию теплового движения молекул — верно
- Потенциальную энергию взаимодействия отдельной молекулы
> Температура является мерой средней кинетической энергии беспорядочного движения частиц вещества.

**Характеризует ли температура кинетическую энергию одной отдельно взятой молекулы?**
- Нет, она характеризует только потенциальную энергию крайней молекулы
- Нет, температура характеризует среднюю кинетическую энергию огромного числа молекул тела в целом — верно
- Да, температура любой выбранной молекулы равна температуре всего тела
- Да, но только для веществ в газообразном состоянии
> Температура — это макроскопическая и статистическая величина, применимая только к совокупности частиц.

**Как молекулярно-кинетическая теория объясняет тепловое расширение твердых тел при нагревании?**
- Размух колебаний молекул увеличивается, причем силы отталкивания растут круче сил притяжения, делая колебания несимметричными — верно
- Сами молекулы увеличивают свои размеры при нагревании
- Молекулы начинают притягиваться сильнее, расталкивая соседние кристаллы
- Количество молекул в теле увеличивается при нагревании
> Из-за несимметричности колебаний среднее расстояние между соседними молекулами при нагревании увеличивается.

## 2. Тепловое равновесие и термометр

*Почему градусник нужно ждать*

Опусти одну руку в горячую воду, а другую — в холодную. Подержи их некоторое время, затем одновременно перенеси обе руки в тёплую воду. Одна рука сначала почувствует воду как более холодную, а другая — как более тёплую. Через некоторое время ощущения изменятся: обе руки постепенно придут к одной температуре с тёплой водой. Опыт показывает, что при контакте тела обмениваются энергией и устанавливают тепловое равновесие.

Можно наблюдать это и с водой. Налей в один сосуд горячую воду, а в другой — холодную, затем соедини их или смешай в одном сосуде. Сначала температуры воды различаются. Горячая вода остывает, холодная нагревается, и через некоторое время температура смеси становится одинаковой во всём сосуде. Это и есть установление теплового равновесия: обмен энергией продолжается до тех пор, пока температуры горячей и холодной воды не сравняются.

**Тепловое равновесие**

Тепловое равновесие — состояние системы соприкасающихся тел, при котором температура всех тел через некоторое время становится одинаковой (а средние кинетические энергии их молекул выравниваются).

**Как вода в сообщающихся сосудах**

Аналогия: два сосуда, соединённые трубкой. Уровень воды в них выравнивается. С температурой похоже: выравнивается «накал» молекул в соприкасающихся телах. Оговорка: выравнивается именно температура (средняя энергия молекул), а не всё остальное — у тел могут остаться разные масса и размер. Способ запомнить: в равновесии температуры равны, разницы нет, поэтому показания перестают меняться.

Теперь ответ на вопрос про градусник. Измерение температуры термометром основано именно на достижении теплового равновесия. Ты касаешься термометром тела, и они обмениваются энергией, пока температуры не сравняются. Термометр всегда показывает собственную температуру, приходя в тепловое равновесие с измеряемым телом. Пока равновесия нет, его показания — это ещё не температура тела.

**Правило измерения**

Приведи термометр в контакт с телом и дождись, пока показания перестанут меняться. Только тогда собственная температура термометра равна температуре тела.

Как термометр «показывает» температуру? Принцип действия жидкостного термометра основан на тепловом расширении жидкостей при нагревании: о температуре судят по длине столбика жидкости. Нагрелся сильнее — жидкость расширилась, столбик длиннее.

*Рисунок: Медицинский термометр со шкалой*

Медицинский термометр называют максимальным, так как специальное сужение в капилляре препятствует самопроизвольному опусканию столбика ртути после измерения. Поэтому показание остаётся на месте, и ты спокойно читаешь его уже после снятия градусника.

**Пример: Горячая и холодная вода**

1. Налили в один стакан горячую воду, в другой холодную и опустили в каждый по термометру.
2. Термометры показывают разные температуры. Это их собственные температуры, каждый в равновесии со своей водой.
3. Слили воду в один сосуд. Температуры выравниваются, а с ними и средние кинетические энергии молекул.
4. Через некоторое время термометр показывает одно значение: система пришла в тепловое равновесие.

**Проверь себя:** Термометр только что достали из холодной воды и сунули в горячую. Через секунду он показывает 30, а через минуту 60. Какое показание ближе к температуре горячей воды и почему?
**Ответ:** Показание через минуту: за это время термометр пришёл в тепловое равновесие с водой. Он всегда показывает собственную температуру, а она сравнивается с температурой воды не мгновенно.

### Проверь себя

**Температуру какого объекта непосредственно показывает термометр при измерении?**
- Собственную температуру, ставшую равной температуре тела в результате теплового равновесия — верно
- Исключительно температуру исследуемого тела без изменения собственного состояния
- Среднее арифметическое между температурой воздуха и температурой тела
- Температуру окружающей среды, зафиксированную до контакта с телом
> Термометр всегда показывает именно собственную температуру, которая выравнивается с температурой тела при контакте.

**На каком физическом явлении основан принцип действия жидкостного термометра?**
- На тепловом расширении жидкостей при нагревании — верно
- На изменении химического состава жидкости под действием тепла
- На капиллярном всасывании внешнего воздуха
- На выравнивании электрических зарядов при нагреве
> При нагревании жидкость увеличивает свой объем, что приводит к изменению длины столбика в капилляре.

**Какая особенность конструкции медицинского термометра позволяет ему сохранять показания после извлечения?**
- Пружинный клапан на кончике капилляра
- Специальное сужение в капилляре, разрывающее столбик ртути при охлаждении — верно
- Вакуумная оболочка вокруг шкалы
- Утолщенные стеклянные стенки, изолирующие от внешнего воздуха
> Сужение препятствует обратному перетеканию ртути в резервуар при понижении температуры.

**Почему медицинский термометр называют «максимальным»?**
- Он показывает температуру с максимальной скоростью
- Он имеет максимальную точность среди всех физических приборов
- Он предназначен для измерения максимально возможных в природе температур
- Он фиксирует наивысшую температуру, достигнутую во время измерения — верно
> Благодаря сужению ртуть не опускается сама при охлаждении, сохраняя максимальное значение.

**Что произойдет с показаниями обычного термометра (без сужения), если вынуть его из среды до снятия отсчета?**
- Жидкость полностью уйдет в верхний резервуар
- Они замрут на последнем значении измеряемой среды
- Столбик жидкости мгновенно упадет до нулевой отметки
- Они сразу начнут меняться, приближаясь к температуре окружающего воздуха — верно
> Без сужения столбик жидкости свободно перемещается вслед за изменением температуры самого термометра.

**К какому периоду времени термоскопы снабдили шкалами, превратив их в термометры?**
- В древнегреческий период
- К началу XV века
- К середине XVIII века — верно
- К концу XIX века
> Согласно источнику, изобретенный к началу XVII в. термоскоп стал термометром со шкалой к середине XVIII в.

**Что происходит с молекулами соприкасающихся тел в процессе установления теплового равновесия?**
- Все молекулы начинают колебаться с одинаковой постоянной скоростью
- Молекулы холодного тела переходят в горячее тело
- При столкновениях молекулы обмениваются энергией, и их средние кинетические энергии выравниваются — верно
- Быстрые молекулы полностью передают весь свой импульс и останавливаются
> Тепловое равновесие на микроуровне означает равенство средних кинетических энергий хаотического движения молекул.

**В чем заключается особенность (аномалия) теплового расширения воды в интервале температур от $0\,^{\circ}\text{C}$ до $4\,^{\circ}\text{C}$?**
- При нагревании в этом диапазоне вода мгновенно превращается в пар
- Вода расширяется в $100$ раз сильнее обычной жидкости
- Плотность воды становится равной нулю
- При нагревании от $0\,^{\circ}\text{C}$ до $4\,^{\circ}\text{C}$ объем воды не увеличивается, а уменьшается — верно
> В отличие от большинства веществ, вода при нагревании в этом интервале сжимается, а ее плотность растет.

**При какой температуре плотность воды является максимальной?**
- $-273\,^{\circ}\text{C}$
- $4\,^{\circ}\text{C}$ — верно
- $100\,^{\circ}\text{C}$
- $0\,^{\circ}\text{C}$
> При $4\,^{\circ}\text{C}$ вода имеет минимальный объем и, соответственно, максимальную плотность.

**Почему глубокие водоемы зимой не промерзают до самого дна, а у дна сохраняется температура около $4\,^{\circ}\text{C}$?**
- Дно водоема постоянно подогревается земной корой до $100\,^{\circ}\text{C}$
- Лед погружается на дно и изолирует его от холода
- Соли, растворенные в воде, выпадают в осадок и выделяют тепло
- Вода с температурой $4\,^{\circ}\text{C}$ имеет максимальную плотность и опускается на дно — верно
> Более холодная вода (от $0$ до $3\,^{\circ}\text{C}$) обладает меньшей плотностью и остается на поверхности, образуя лед.

## 3. Шкалы: Цельсий и Кельвин

*Сравниваем два способа отсчёта*

Чтобы измерять температуру числом, нужна шкала: с чего начать отсчёт и какой «шаг» считать единицей. Шкала Цельсия основана на двух реперных точках при нормальном атмосферном давлении: таяние льда (0 °С) и кипение воды (100 °С). Интервал между ними разделён на 100 частей, и одна часть — это один градус Цельсия.

*Рисунок: Две шкалы температуры рядом: в градусах Цельсия и в кельвинах*

Есть ещё один важный ориентир. Температура — мера энергии беспорядочного движения молекул. Значит, «холоднее всего» должно быть тогда, когда это движение полностью останавливается. Ниже уже нечего отнимать: меньшего движения, чем никакого, не бывает.

**Абсолютный нуль**

Абсолютный нуль — температура, при которой в теле прекратилось бы тепловое движение молекул (соответствует 0 К или -273,15 °С; меньшей температуры в природе не существует).

Шкала Кельвина начинается именно с абсолютного нуля. Температура по шкале Цельсия обозначается $t$, по шкале Кельвина — $T$. Единицы: градус Цельсия (°С) и кельвин (К). По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует -273,15 °С, а в расчётах это округляется до -273 °С.

**Связь шкал**

$T = t + 273$

$T$ — температура по шкале Кельвина (К), $t$ — температура по шкале Цельсия (°С).

Для разности температур: $1\ \text{K} = 1\ ^\circ\text{C}$.

**Две линейки с разным нулём**

Аналогия: две линейки с одинаковыми делениями, но нуль на одной сдвинут на 273 деления. Шаг у них одинаковый, поэтому нагревание на 1 °С — это нагревание на 1 К. Оговорка: сдвинут только нуль. Способ запомнить (опорные числа): $0\ ^\circ\text{C}$ — это $273$ К, $100\ ^\circ\text{C}$ — это $373$ К. Правило самопроверки: число в кельвинах всегда на 273 больше, чем в градусах Цельсия, и в кельвинах температура никогда не отрицательна.

**Пример: Переводим туда и обратно**

1. Вода кипит: $t = 100\ ^\circ\text{C}$. Тогда $T = 100 + 273 = 373$ К.
2. Лёд тает: $t = 0\ ^\circ\text{C}$. Тогда $T = 0 + 273 = 273$ К.
3. Абсолютный нуль: $t = -273\ ^\circ\text{C}$. Тогда $T = -273 + 273 = 0$ К.
4. Обратный перевод: $T = 300$ К, тогда $t = T - 273 = 27\ ^\circ\text{C}$.
5. Нагрели воду с $20\ ^\circ\text{C}$ до $50\ ^\circ\text{C}$: изменение $30\ ^\circ\text{C}$, то есть тоже $30$ К, потому что $1\ \text{K} = 1\ ^\circ\text{C}$.

**Две шкалы температуры**

|  | Шкала Цельсия | Шкала Кельвина |
| --- | --- | --- |
| Обозначение | $t$ | $T$ |
| Единица | градус Цельсия (°С) | кельвин (К) |
| Откуда отсчёт | таяние льда: 0 °С | абсолютный нуль: 0 К |
| Абсолютный нуль | -273,15 °С | 0 К |
| Размер деления | один градус | равен градусу Цельсия |
| Связь | $t = T - 273$ | $T = t + 273$ |

**Проверь себя:** Температура тела выросла на 10 K. На сколько градусов Цельсия она выросла?
**Ответ:** На 10 °С: для разности температур $1\ \text{K} = 1\ ^\circ\text{C}$.

### Проверь себя

**Какие две опорные (реперные) точки легли в основу температурной шкалы Цельсия?**
- Абсолютный нуль и температура человеческого тела
- Температура таяния льда и температура кипения воды при нормальном давлении — верно
- Температура замерзания соленой воды и кипения масла
- Температура замерзания ртути и кипения спирта
> Андерс Цельсий выбрал фазовые переходы чистой воды при нормальном атмосферном давлении.

**Как на шкале Цельсия получена величина, соответствующая $1\,^{\circ}\text{C}$?**
- Интервал от абсолютного нуля до точки таяния льда разделен на $273$ части
- Интервал от температуры тела человека до кипения воды разделен на $36.6$ частей
- Объем капилляра разделен на $100$ равных микрообъемов
- Интервал между точками таяния льда и кипения воды разделен на $100$ равных частей — верно
> Один градус Цельсия равен одной сотой части температурного интервала между реперными точками воды.

**Что представляет собой абсолютный нуль температуры?**
- Температуру, при которой в теле прекратилось бы тепловое движение молекул — верно
- Температуру, при которой сжижаются все известные газы
- Температуру замерзания чистой воды при нормальном давлении
- Температуру таяния наиболе тугоплавких металлов
> При абсолютном нуле кинетическая энергия теплового движения молекул равна нулю.

**Чему равен абсолютный нуль температуры по шкале Цельсия?**
- $-273.15\,^{\circ}\text{C}$ — верно
- $-373\,^{\circ}\text{C}$
- $0\,^{\circ}\text{C}$
- $-100\,^{\circ}\text{C}$
> Согласно тексту, по шкале Цельсия абсолютный нуль составляет $-273.15\,^{\circ}\text{C}$ (при расчетах округляют до $-273\,^{\circ}\text{C}$).

**Что взято за начало отсчета в абсолютной температурной шкале Кельвина?**
- Точка кипения воды
- Точка замерзания ртути
- Абсолютный нуль температуры — верно
- Средняя температура поверхности Земли
> Шкала Кельвина начинается от $0\text{ К}$, то есть от точки прекращения теплового движения.

**Как соотносятся между собой единицы разности температур: $1\text{ К}$ и $1\,^{\circ}\text{C}$?**
- Они равны между собой: $1\text{ К} = 1\,^{\circ}\text{C}$ — верно
- $1\,^{\circ}\text{C}$ равен $100\text{ К}$
- $1\text{ К}$ в $1.8$ раза меньше, чем $1\,^{\circ}\text{C}$
- $1\text{ К}$ в $273$ раза больше, чем $1\,^{\circ}\text{C}$
> Размер одного деления (шкального интервала) в шкалах Кельвина и Цельсия одинаков.

**Какая формула связывает температуру по шкале Кельвина ($T$) и шкале Цельсия ($t$)?**
- $T = \frac{t}{273}$
- $T = t - 273$
- $T = t + 273$ — верно
- $T = 273 \cdot t$
> Для перехода от градусов Цельсия к Кельвинам к значению $t$ прибавляют $273$.

**Температура тела изменилась от $25\,^{\circ}\text{C}$ до $27\,^{\circ}\text{C}$. На сколько градусов/кельвинов нагрелось тело по шкале Цельсия и по шкале Кельвина?**
- На $2\,^{\circ}\text{C}$ и на $546\text{ К}$
- На $2\,^{\circ}\text{C}$ и на $275\text{ К}$
- На $27\,^{\circ}\text{C}$ и на $300\text{ К}$
- На $2\,^{\circ}\text{C}$ и на $2\text{ К}$ — верно
> Поскольку $1\text{ К} = 1\,^{\circ}\text{C}$, изменение температуры одинаково в обеих шкалах: $27 - 25 = 2$.

**Переведите значение температуры $300\text{ К}$ в шкалу Цельсия.**
- $0\,^{\circ}\text{C}$
- $573\,^{\circ}\text{C}$
- $-27\,^{\circ}\text{C}$
- $27\,^{\circ}\text{C}$ — верно
> Используя формулу $t = T - 273$, получаем $300 - 273 = 27\,^{\circ}\text{C}$.

**Переведите значение температуры $127\,^{\circ}\text{C}$ в шкалу Кельвина.**
- $373\text{ К}$
- $400\text{ К}$ — верно
- $127\text{ К}$
- $-146\text{ К}$
> Используя формулу $T = t + 273$, получаем $127 + 273 = 400\text{ К}$.

**Расположите значения температуры $290\text{ К}$ и $27\,^{\circ}\text{C}$ в порядке возрастания.**
- Значения равны между собой
- $290\text{ К}, 27\,^{\circ}\text{C}$ — верно
- $27\,^{\circ}\text{C}, 290\text{ К}$
- Сравнить невозможно без указания давления
> $27\,^{\circ}\text{C} = 27 + 273 = 300\text{ К}$. Так как $290\text{ К} < 300\text{ К}$, порядок возрастания: $290\text{ К}, 27\,^{\circ}\text{C}$.

## Ключевые термины

- **Тепловые явления** — Явления, важной характеристикой которых является температура.
- **Тепловое движение** — Беспорядочное движение молекул вещества.
- **Температура** — Физическая величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию теплового движения молекул тела.
- **Тепловое равновесие** — Состояние системы соприкасающихся тел, при котором температура всех тел становится одинаковой.
- **Абсолютный нуль** — Температура, при которой в теле прекратилось бы тепловое движение молекул: 0 К или -273,15 °С.

## Итог

- Температура характеризует среднюю кинетическую энергию теплового движения молекул тела.
- Тепловое равновесие: температуры соприкасающихся тел становятся одинаковыми.
- Термометр показывает собственную температуру, поэтому его нужно выдержать до равновесия с телом.
- Шкала Цельсия: 0 °С — таяние льда, 100 °С — кипение воды при нормальном атмосферном давлении.
- $T = t + 273$, а для разности температур $1\ \text{K} = 1\ ^\circ\text{C}$; абсолютный нуль — 0 К.

## Шпаргалка

### Формулы температуры

- **$T = t + 273$** — из °C в кельвины
- **$t = T - 273$** — из кельвинов в °C
- **$1\ \text{K} = 1\ ^\circ\text{C}$** — для разности температур

### Ключевые понятия

- **Температура** — мера средней кинетической энергии молекул
- **Тепловое равновесие** — температуры соприкасающихся тел одинаковы
- **Тепловое движение** — беспорядочное движение молекул
- **Абсолютный нуль** — 0 К, или -273,15 °С
- **Термометр** — показывает собственную температуру

### Измерение термометром

1. **Контакт** — приведи термометр в соприкосновение с телом
2. **Ожидание** — дождись, пока показания перестанут меняться
3. **Отсчёт** — считай значение: термометр в равновесии с телом

### Цельсий и Кельвин

|  | Цельсий | Кельвин |
| --- | --- | --- |
| Обозначение | $t$ | $T$ |
| Единица | °С | К |
| Нуль шкалы | таяние льда | абсолютный нуль |
| Абсолютный нуль | -273,15 °С | 0 К |

## Любопытное

- Медицинский термометр называют максимальным: специальное сужение в капилляре не даёт столбику ртути самопроизвольно опуститься после измерения.
- Абсолютный нуль равен -273,15 °С, но в расчётах его округляют до -273 °С, отсюда и число 273 в формуле $T = t + 273$.