Один градус, казалось бы, одно из простейших понятий
Тепло — это форма энергии. Это на самом деле очень глубокая вещь, нет ничего подобного понятию теплоты. Мы рассмотрим ответ на вопрос, что же такое один градус?
Большинство из нас не задумываются над тем, что же такое температура? В чем, например, разница между мороженым при -10°С и чашкой чая при температуре +80°С. В этих, очевидно, простых вопросах скрывается самое глубокое, фундаментальное — научная загадка природы.
Наша задача понять, разобраться вместе с Вами, что есть тепло и что именно мы измеряем.
Так что же такое 1 градус? Вопрос непростой, ведь температура это всего лишь способ описания, нам нужно знать как можно точнее температуру и измерять её. Измерения — это все! Это главное!
Когда мы болеем, мы, прежде всего, обращаемся к врачу, который меряет нам температуру. Её нужно знать для точного диагноза. Необходимо наверняка знать, что происходит с нашим организмом — это единственный способ. Недостаточно поводить рукой и сказать что лоб горячий или холодный, требуется выяснить, насколько он горяч или холоден. Как это сделать правильно?
Известно, что во вселенной есть как очень горячие, так и очень холодные объекты, что между ними общего? Когда мы измеряем температуру, что это означает? Изучая такие физические проблемы, важно вернутся к основам, нужно поставить себя на место пионеров в области изучения температуры. Известно, что за более чем 900 лет идея найти научно-надежный способ измерения температуры овладела умами многих, и была движущей силой прогресса.
Проведём опыт. Опустим правую руку в горячую воду, а левую в холодную. Затем, вынув обе руки и опустив их в ёмкость с теплой водой, замечаем, руке, которая была в горячей воде, стало холодно, а руке, которая была в холодной воде — стало жарко. Это притом, что они находятся в одной чаше. И когда-то люди осознали, что для правильного измерения температуры нельзя полагаться на собственные ощущения. А в промышленную эпоху люди окончательно поняли, что нельзя полагаться на органы чувств, нужен инструмент – термометр, точный доступный прибор!
Сейчас мы можем измерять температуру, но понимают ли люди, что именно они измеряют.
Например, в конце 18-начале 19 века, когда и появились термометры, наиболее распространенным было представление, что теплота — это жидкость, которую назвали «калорик». Многие представляли температуру как показатель плотности этой жидкости в том или ином теле. Температуру начали измерять задолго до того как поняли, что из себя представляет температура. Физикам пришлось долго и упорно трудиться, прежде чем удалось выяснить, что такое температура. У истоков измерения температуры стояли Галилей, Фаренгейт, Цельсий.
Большинство термометров работает по принципу расширяющейся жидкости, поднимающейся из шарообразной емкости в очень тонкую трубку — капилляр. Капилляр с жидкостью — основа термометра! В первых термометрах находилась вода, и лишь Фаренгейт в начале 18 века открыл замечательные свойства ртути. В настоящее время подавляющее большинство термометров содержат жидкий спирт. Для того чтобы задать 1 градус Цельсия необходимы две фиксированные правильные отметки, одна из них точка холода (тройная точка воды – 0°С), другая — точка тепла (кипение дистиллированной воды при н.у. +100°С). На этот отрезок шкалы с капилляром нужно нанести определённое количество J делений, одно из них и будет 1 градусом. Без этих двух фиксированных точек невозможно задать шкалу, иначе ни один термометр не будет совпадать по показаниям с другим. Но для того чтобы градус имел научное значение, нужно чтобы все приняли единую систему измерения.Обратимся к тройной точке воды. Тройная точка — сосуд, где в равновесном состоянии совместно находятся три фазы воды: твердая, жидкая и газообразная.
Тройная точка воды — набор строго определенных параметров температуры и давления. Используется для калибровки приборов, точка 0°С. Температура =273,16 К, Давление =611,657 Па.
Тройная точка-это сосуд, в котором вода находится сразу в трех состояниях и это возможно только при данной, уникальной температуре — это священное состояние для всех изготовителей термометров, отметка в этой точке должна быть максимально точной, тогда и другие показания будут верными. Значения в тройной точке исключительно точны, погрешность зачастую составляет 1/20.000.000 долю градуса. Идет ли речь о медицинском термометре, которым мы измеряем температуру тела или о термометре для измерения температуры воздуха, все эти устройства потрясающе точны в любой точке планеты, благодаря этому наше общество нормально функционирует. Без лабораторий с точным значением тройной точки, жить стало бы гораздо труднее, каждый бы измерял температуру по собственной шкале. Теперь мы можем измерять температуру с высокой степенью точности, но что же такое 1 градус?!
Джеймс Джоуль не был профессиональным ученым, он был пивоваром. Пивоварение требует точного контроля температур и потому Джоуль был просто вынужден стать мастером измерения температуры. Джоуль поставил эксперимент в духе своего времени. Для перемешивания воды в емкости он использовал энергию падающего груза, и он верил, что это поможет выяснить, что же такое тепло. По мысли Джоуля эксперимент должен был привести к повышению температуры воды. Если он окажется прав — это вызовет революцию в наших представлениях о температуре. Температура выросла чуть больше чем на 0,3 градуса. Движение груза разогнало молекулы воды, заставило двигаться их быстрее, вода нагревалась, т.е. тепло — это форма движения, вид энергии!
Энергия объясняет, что такое температура на самом деле. Молекулы соударяются и создают движение — это и есть то определение, которое описывает температуру. Нет такой вещи как тепло, можно вообще обойтись без этого понятия, тепла не существует, если температура тела поднимается, происходит кое-что иное. Речь нужно вести не о тепле, не о текучей распространяющейся субстанции, происходит нечто на молекулярном уровне, в этом суть такого понятия как температура. Когда молекулы движутся медленно — у физического объекта низкая температура, когда же они ускоряются — температура повышается. В этом суть понятия температуры. Значит, термометр за Вашим окном погружён в движущиеся вокруг него молекулы воздуха. Измеряется энергия, с которой эти молекулы ударяются о капилляр термометра. Они передают энергетический импульс стеклу, а затем жидкости наполняющей капилляр. От этого жидкость расширяется, и показания температуры растут.
Теперь мы знаем, что нет такого понятия как тепло. Все дело в энергии. Это фундаментальное понятие, возможно, самое фундаментальное в физике, но виды энергии бывают разные. Энергия это возможность что-то совершить, проделать работу, если у вас есть энергия, вы можете что-то сделать, если у вас ее нет, ничего не получится. Подобный подход применим на всех уровнях, в т.ч. и на молекулярном. При рассмотрении температуры, чем дальше мы погружаемся, тем более фундаментальные проблемы перед нами встают, обнаруживается всё больше загадок. Так и есть, вам кажется, что вы все понимаете, но затем обнаруживается еще один скрытый слой. С одной стороны он вроде бы многое объясняет, но с другой он порождает всё новые вопросы.
Многим покажется, что это всё усложняет, им хотелось бы ограничиться простым объяснением передачи тепла, но важно дойти до самой сути. Открытие того, что температура это всего лишь проявление энергии молекул приводит к интересным заключениям. Если охладить что-либо до такой степени, что энергии не будет — это и будет означать, что вы дошли до самой нижней точки холода, в физике эту температуру называют ”абсолютным нулём”. Чем холоднее предмет, тем более странные процессы в нем происходят. Холодные предметы резко отличаются по своим свойствам от предметов комнатной температуры — это два разных мира. По мере охлаждения, движение молекул замедляется, в итоге оно должно прекратиться, это происходит при абсолютном нуле. Нет движения — нет температуры. Но достичь абсолютного нуля невозможно, потому что каждый раз при охлаждении материала можно продолжить его охлаждать, а потом снова и снова. Так, до бесконечности можно сколь угодно приближаться к абсолютному нулю, но никак его не достичь.
Например, при охлаждении жидкого гелия и понижении его давления, можно приблизиться к абсолютному нулю. В итоге — движение молекул прекращается, а температура равна 2,17 градуса Кельвина выше абсолютного нуля (холоднее, чем в космосе). Каждый отдельный атом жидкого гелия ведет себя неподвижно. Находясь в так называемом кооперативном состоянии, они ведут себя, будто бы иной температуры нет и в каждой точке жидкости температура одинакова. Когда атомы при этой критической температуре становятся сверхтекучими — проявляется их фундаментальная, квантовая природа. Вместо того чтобы сталкиваться друг с другом, атомы ведут себя как единое разумное целое. При этом принцип того, что в твердом (стеклянном) предмете можно удержать жидкость больше не работает. Жидкий гелий течёт сквозь стекло!
Температура — это хаотичное движение молекул. Теперь наблюдая за показаниями термометра каждый день, волей-неволей, вы будете замечать гораздо больше, чем ранее, видеть не только цифры на термометре, а чувствовать скрытую суть явлений, перетекающую от объекта к объекту энергию в соответствии с фундаментальными законами физики. Задумайтесь об огромной роли энергии в нашей вселенной, о том, откуда она появляется и куда исчезает. Всегда ведь остывают горячие объекты, а холодные объекты сами по себе нагреваются, происходит некий фундаментальный процесс. Это, быть может самый удивительный процесс, говорящий многое о природе в нашем мире — охлаждение объектов. Сначала они были горячими, а позже остывают, как чашка горячего чая.
Энергия распространяется в беспорядке: материя, атомы, молекулы — всё находится в хаотичном движении. Хаос дает импульс всем процессам в мире? Беспорядок — правит миром? А может стремление упорядочиться?
На солнце в термоядерную реакцию вступают водород и гелий, поскольку ядро гелия имеет тот же электрический заряд, что и ядро водорода, они отталкиваются, для того чтобы ядра объединились их необходимо разогнать и столкнуть на очень высоких скоростях, а это и есть температура, она является мерой скорости движения частиц. Удивительно осознавать, что возможности человечества управлять температурой столь велики, что мы можем воспроизводить процессы, протекающие в звездах. Как же измеряются температуры столь горячих процессов как термоядерных реакций на солнце? Применяются лазерные технологии, направляется лазерный луч и затем анализируется спектр отражённого луча, не касаясь объекта!
Явление сверхпроводимости было открыто в 1904 году, а воз и ныне там (по большому счёту).
Измерение температур это не просто проблема фундаментальной физики, она касается всех нас. Средняя температура на Земле уже увеличилась на 0,75 градуса за последние 150 лет и она растет дальше. В последнее время наблюдалось много периодов жары и в будущем их количество должно возрасти. Жара становится настоящей проблемой, особенно в больших и растущих городах. Солнце нагревает каменные, бетонные, металлические, стеклянные поверхности; крыши, тротуары, дороги, а от них нагревается воздух в городе. И эти площади на нашей планете постоянно растут. Растут и площади освобождённые от леса, пустыни.
В Европе в 2003 году тысячи людей умерли от жары, потому что жара была невыносимой. Люди спасаются кондиционерами, мокрым обёртыванием, выезжают за город на дачи.
Поэтому измерение температуры является очень важным. Все основано на измерениях, с ними не поспоришь — это основа основ, они погружают нас в суть реальности и рассказывают порой неожиданные, потрясающие, удивительные вещи.
А как Вам народное – градус понижать нельзя !?)
