Главная
Начало темы
Задачи
Помощь

Температура и ее физический смысл

Абсолютная температура – это температура по шкале Кельвина. Кельвин– основная единица измерения температуры в системе СИ. За нуль по  абсолютной шкале температур принимается такая температура, при которой прекратилось бы всякое движение молекул, то есть отрицательной температуры по абсолютной шкале быть не может.  Никакими экспериментами достичь абсолютного нуля невозможно – это один из основных законов природы.
Абсолютная температура связана с температурой по шкале Цельсия следующим соотношением :

Т = t0c + 273

Если в ванну с водой опустить два сосуда с различными газами, концентрации которых известны и равны n1 и n2 соответственно,  затем измерить давления в сосудах с помощью манометров M при постоянной температуре, то получим, что

Если изменить температуру в ванной (например, положить в нее лед) и повторить измерения, то получим, что для любых газов отношение давления к концентрации пропорционально абсолютной температуре

Из полученного соотношения и основного уравнения МКТ получим

Eko – средняя кинетическая энергия каждой молекулы. Постоянная Больцмана 

Значит, температура – мера средней кинетической энергии молекул. Так как средняя кинетическая энергия молекул 
  ,    
m0  и V0  - соответственно масса и скорость движения молекул. На следующей анимационной модели показана зависимость скорости движения молекул от температуры.

Скорости молекул газа, даже при постоянной температуре, неодинаковы, есть небольшое количество очень быстрых молекул и есть небольшое количество очень медленных молекул. Значение скорости молекул - случайная величина, значения этих скоростей удовлетворяют распределению Максвелла (см.рис.).

2

По оси ординат (вертикальная ось) откладывается вероятность процент молекул, обладающих данной скоростью, откладываемой по горизонтальной оси. Значит, существует наиболее вероятная скорость, то есть скорость, которой обладает наибольшее количество молекул. Наиболее вероятная скорость увеличивается с увеличением температуры. Следующая интерактивная модель позволяет с помощью вертуального эксперимента получить кривую распределения Масвелла молекул по скоростям.

Опыт Штерна - метод измерения скоростей молекул, подтверждающий справедливость распределения Масвелла молекул по скоростям.

Максвелл получил выражение для распределения молекул по скоростям теоретически (в школе объяснять это математическое выражение затруднительно, поэтому мы знакомимся только с графическим его изображением). Требовалось экспериментальное подтверждение выражения, полученного теоретическим путем. Впервые такой эксперимент был осуществлен Отто Штерном в 1920 году. Опыт стал возможен благодаря техническим достижениям в области создания насосов, позволивших получение очень низких давлений, или, как теперь говорят, позволивших получение достаточно высокого вакуума.
Схема экспериментальной установки (в поперечном сечении) изображена на рис. 20.1.1. По оси двойного полого цилиндра, в котором до эксперимента создавали вакуум, была протянута проволока, покрытая слоем серебра. Проволоку нагревали электрическим током, при этом молекулы серебра, испаряясь с поверхности проволоки, летели по радиусам цилиндра. Те, которые попадали в щель внутреннего цилиндра, долетали до внутренней стенки второго цилиндра и оседали на ней, образуя слой одинаковой толщины и с резкими краями.

Затем скрепленные цилиндры приводили во вращение с постоянной угловой скоростью . Через некоторое время на внутренней стенке второго цилиндра появлялся размытый слой серебра, но не напротив щели, а  на некотором расстоянии от первоначального пятна. За время пролета молекулой серебра расстояния L наружный цилиндр, вращаясь с известной угловой скоростью  , поворачивался  на угол . Вид и толщина слоя серебра в точности повторяли форму кривой максвелловского распределения молекул по скоростям.

Интерактивная модель этого опыта представлена ниже.

Интерактивная модель, к которой можно перейти по ссылке, демонстрирует еще один вариант опыта, в котором скорость молекул подчиняется распределению Максвелла.