З уроків фізики в 7 класі ви знаєте, що тіла складаються з молекул. Молекули перебувають у безперервному хаотичному (безладному) русі й взаємодіють між собою. Кожна окрема молекула здійснює механічний рух, подібний до того, що ми вивчали. Рухаючись із великою швидкістю, вона зіштовхується з іншими молекулами й при цьому змінює напрямок руху.
Слід враховувати, що в результаті безладного механічного руху молекул відбувається переміщення їх у просторі і при цьому змінюється тепловий стан тіла. Що швидше рухаються молекули, то вища температура тіла, і навпаки: якщо підвищується температура тіла, то збільшується й швидкість руху молекул. Тому хаотичний рух величезних кількостей молекул вивчають методами фізики теплових явищ, а сам такий рух називають тепловим.
Тепловий рух — це безладний (хаотичний) рух молекул і атомів, який визначає температуру тіла.
Явища, що підтверджують рух молекул
Дифузія — явище взаємного проникнення частинок однієї речовини у проміжки між частинками іншої при їх безпосередньому контакті. Явище дифузії зумовлене безладним рухом частинок речовини.
Броунівський рух — невпорядкований, хаотичний рух частинки під дією нерівномірних ударів молекул речовини з різних боків у розчинах.
Особливості теплового руху. Усі теплові явища зумовлені рухом і взаємодією частинок речовини (молекул). Таким чином, явище дифузії та броунівський рух є наочним підтвердженням хаотичного й безперервного руху мікрочастинок речовини. Причому швидкість руху молекул збільшується зі збільшенням температури речовини. Тому хаотичний рух молекул і називають тепловим.
Температура — це фізична характеристика теплового стану речовини, що визначається середньою кінетичною енергією хаотичного руху її частинок.
Під час теплообміну більш нагріті тіла віддають тепло менш нагрітим. При цьому кінетична енергія хаотичного руху молекул або атомів, а отже, і температура перших знижується (вони охолоджуються), а других — підвищується (вони нагріваються). У природі під час теплообміну теплота переходить від більш нагрітих до менш нагрітих тіл. За звичайних умов теплота самочинно не може переходити від менш нагрітих до більш нагрітих тіл.
Тіла з різною температурою, що перебувають у певному обмеженому просторі, з часом самочинно переходять у стан теплової рівноваги, тобто їхні температури стають однаковими.
Прилади для вимірювання температури називають термометрами. Дія термометрів ґрунтується на тому, що зі зміною температури змінюються певні властивості тіл.
Термометри показують власну температуру. Для вимірювання температури тіла потрібно забезпечити контакт між ним і термометром протягом певного часу, поки встановиться теплова рівновага і температура рідини термометра зрівняється з температурою тіла.
За основну одиницю температури Міжнародної системи одиниць (СІ) прийнято Кельвін (К); інтервал температури 1 К = 1 °С.
Шкала Цельсія та термодинамічна шкала зміщені між собою на 273,15 К. Тобто: Тк = t °С + 273,15 К.
На Землі є багато спекотних і холодних місць. У Долині смерті (Каліфорнія, США) зафіксовано спеку +56,7 °С, але рекорд належить пустелі Сахара (Африка) - +63 °С у тіні. Найхолоднішими місцями Північної півкулі є Якутія і Гренландія, де температура сягає -70 °С. Але найхолодніше місце планети - це Антарктида. В її глибинних районах зафіксована температура -94,5 °С. На такому морозі метал стає крихким, гас перетворюється на густу желеподібну масу і не спалахує навіть під час контакту з полум’ям.
Долина смерті
Пустеля Сахара
Гренландія
Антарктида
Температура сонячної поверхні становить близько +6000 °С. У надрах Сонця температура сягає +15 000 000 °С.
Одним із найхолодніших місць у Сонячній системі є темний бік Місяця, у кратерах якого температура не піднімається вище -238 °С.
Учені доводять, що в момент Великого вибуху температура Всесвіту становила приблизно +4 000 000 000 °С. Найхолоднішим об’єктом Всесвіту, відкритим на сьогодні, вважається Туманність Бумеранга в сузір’ї Кентавра, розташована від Землі на відстані 5000 світлових років (приблизно 4,73 • 1020 м). Її температура становить -272,15 °С. При цій температурі замерзає Гідроген — найлегший хімічний елемент.
Модель Великого Вибуху від НАСА
Туманність Бумеранга в сузір’ї Кентавра
В Україні фундаментальні дослідження з фізики низьких і наднизьких температур виконуються з 1928 р. в Українському фізико-технічному інституті (м. Харків), де під керівництвом І. В. Обреїмова було засновано одну з найпотужніших в Європі кріогенну лабораторію (лабораторію низьких температур). Вже у 1931 р. в ній було створено технологію отримання рідкого гелію, який має температуру кипіння -268,96 °С. Із 1960 р. ця проблематика вивчається у Фізико-технічному інституті низьких температур імені Б. І. Вєркіна НАН України (м. Харків). Зокрема, науковці провели унікальні у світовій фізичній науці експериментальні дослідження фізичних властивостей гелію при температурах близько тисячних градуса Цельсія.
Запитання для самоперевірки
1. Наведіть приклади явищ, які доводять, що молекули рухаються.
2. Як ви розумієте, що рух молекул неперервний і хаотичний?
3. Чим відрізняється рух молекули газу від механічного руху тіла?
4. Який рух називають тепловим?
Завдання
1. Чому дитячі повітряні кульки поступово зменшуються в об’ємі? Відповідь обґрунтуйте.
2. Поясніть, чому цукор та інші пористі продукти не можна довго зберігати біля речовин, що мають сильний запах.
3. В якій воді — холодній чи гарячій — цукор розчиняється швидше? Чому?