1.2.Температура. Температураны өлшеу тәсілдері.
• Температура нені сипаттайды?
• Температураны өлшеу қандай әдіске негізделген?
І. Негізгі физикалық шама – температура жылу құбылыстарымен тығыз байланысты.
«Температура» сөзі бәрімізге бала кезден таныс. Температура туралы түсінік ғылымда бірнеше жүздеген жылдар бұрын пайда болған.Ертедегі ғалымдар жылудың күйі (дененің температурасы) туралы жылуды немесе суықты нақты сезіну арқылы тұжырымдар жасағанмен, олар субъективті, дәл және анық емес-ті. Біз салқын, жылы немесе ыстық денелерді анықтай аламыз, өйткені дене әртүрлі дәрежеде қызу қасиетіне ие бола алады. Бұл қасиетті температура деп атайды.
Температура ұғымын зерделеу барысында төмендегідей ой-болжамдарға ссүйенеміз. Егер әртүрлі қыздырылғанекі денені жанастырсақ, онда аса қатты қызған дене салқындайды, ал суық дене жылынады. Мұнда екі дененің, жылу берілуі әсерінен бір-бірімен жылуң немесе энергия алмасуын байқаймыз.
Жылу алмасу – екі дене жанасқанда, жылу берілу жолымен энергияның қаттырақ қыздырылған денеден азырақ қыздырылған денеге өту процесі.
Жылуды (энергияны) өзіне қабылдайтын екінші денеге қарағандажылу (энергия) беретін дененің температурасы жоғары болады. Мұнда жүйенің көлемі, қысымы, температурасы сияқты бірқатар параметрлерінде өзгерістер болуы мүмкін.
ІІ. Стакандағы суға мұз кесегін салып, оны қақпақпен нығыздап жабамыз. Біз мұз ерген сайын, стакандағы судың салқындайтынын байқаймыз. Мұз толық еріп болғанда мұздың еруінен жиналғансу жыли бастайды, ақырында су қоршаған ортаның температурасын қабылдайды. Бұдан кейін стакандағы суда ешқандай өзгерістер болмайды. Ендеше біршама уақыт ішінде әрт түрлі ,мпературадағы екі дененің арасында жылулық тепе-теңдік орнайды. Көлем, қысым өзгермесе, онда заттардың өзара түрленуі жәнеодан әрі жылу алмасуы болмайды. Осы жағдайда көлем мен қысым өзгермейді, яғни жүйенің температурасы белгілі бір уақыт ішінде тұрақты болып қалады.
Температураларды өлшеу әдісі екі дене арасында болатын жылу алмасу кезіндегі жылулық тепе-теңдіктің орнауына негізделген.
Осы құбылыс негізінде түрлі термометрлер жасалған.
• Дененің температурасын термометрмен өлшейді.
• Температураны өлшеу үшін сынап, спирт сияқты термометрлік заттар қолданылады. Сынап және спирт термометрлердің көрсетіу тек екі нүктеде ғана сәйкес келеді.
• Сынапты термометрмен мұқият болу керек, себебі сынап буы –улы.
Әдетте температураны термометрдегі термометрлік заттың көлемі бойынша анықтайды. Дене температурасын өлшеу үшін оны қолтыққа қысып, 5-8 мин ұстайды. Бұл уақыт термометрдегі сұйық бағанының деңгейі тоқтағанға дейін созылады. Термометр кернеуін санаған кезде термометрлік заты бар резервуар температурасы өлшенетін ортада болуы тиіс.
Бір стакандағы суды А денесі деп, екінші стакандағы суды В денесі деп атайық.(6-сурет) Егер А және В денелерінің Әр қайсысы С денесімен жылулық тепе-теңдікте болса, онда бұл денелер (А және В) өзара жылулық тепе-теңдікте болады. Сондқтан оларды тікелей байланысқа келтірмей-ақ, денелердің жылулық тепе-теңдік күйін салыстыруға болады және температура ұғымын енгізуге болады. Егер А және В денелерінің әрқайсысы С денесімен жылулық тепе-тееңдікте болса, онда екі дененің температурасын бірдей деп есептеуге болады. С денесін термометр деп атайды.
Термометр – температурасы өлшенетін денемен жылулық байланыста болатын дене.
Кез-келген жүйенің (дененің) температурасы туралы айту үшін жүйе мен термометр жылулық тепе-теңдікте болуы шарт. Тек осы жағдайда ғана термометр жылулық байланыста болған дененің температурасы жайлы айтуға болады.
ІІІ. Термометр құрылысы негізінде температураны сезгіш денелердің әр түрлі қасиеттерін пайдаолану алынған. Көбіне сұйықтың, мәселен, сынаптың немесе спирттің температура артқан кезде ұлғаю немесе салқындағанда сығылу қасиеттері пайдаланылады.
Термометрді дайындау барысында көлем (мәселен, сынаптың) температураға пропорционал өзгереді деп есептеледі.Мұндай жағдайда температуралардың кез келген шкаласын құруға болады. Барлық термометрлерде негізгі екі нүктені — мұздың еру (0°С) және судың қайнау (100°С) температураларын белгілеу қажет.
Атмосфералық қысымдағы таза судың қайнау және қату температуралары айырымының жүзден бір бөлігін бір градус деп алады.
0 мен 100 нүктелері аралығындағы шкаланы бірдей 100 бөлікке бөледі, оларды градустар деп атайды. Сұйық бағанының бір бөлікке орын ауыстыруы температураның 1°-қа өзгеруіне сәйкес келеді.0 градустан төмен температураларға «–» (теріс температуралар) таңбасы қойылады (7-сурет).
Осылай анықталатын температуралық шкаланы ұсынған швед астрономы А. Цельсийдің есімімен оны Цельсий шкаласы деп атайды және оны °С деп белгілейді. Мұндай термометрмен дененің температурасын өлшеу үшін оны температурасы өлшенетін денемен жылулық тепе-теңдікке келтіреді. 8- және 9-суреттерде термометрлердің әр түрлеріне мысалдар келтірілген.
АҚШ-та, Англияда Фаренгейт (°Ғ) температуралық шкаласы қолданылады. Бұл шкала бойынша су 32°Ғ-те қатады, 212°Ғ-те қайнайды (10-сурет).
IV. Газ қысымы температураға тәуелді: температура жоғарылаған сайын газ кысымы ыдыстың қабырғасына көбірек түседі температура төмендегенде кемиді.
Қысымның ұлғаюын молекулалық теория тұрғысынан оңай түсіндіруге болады. Молекулалардың температурасы арткан сайын олар шапшаң қозғалып, ыдыс қабырғасына қатты соғылады. Газдың осы қасиетін көлемі тұрақты болғанда, оның температурасын және қысымын өлшеу үшін пайдаланады. Тұрақты көлемдегі температураға пропорционал газ қысымын температураның сандық өлшемі деп атау қабылданған.
Егер газы (аргон, неон, сутек немесе гелий) бар баллонды манометрмен жалғайтын болсақ, онда газ термометрі деп аталатын құралды алуға болады (11-сурет). Температурасы өлшенетін денемен баллонды жылулық байланысқа келтіреді.
Біраз уақыттан кейін дене мен баллондағы газдың температуралары теңеседі де, манометрдің көрсетуі бойынша дененің температурасын білуге болады.
Газ термометрі — өте күрделі құрылғы. Оны, негізінен, неғұрлым қарапайым, екінші реттік термометрлерді градуирлеуге пайдаланады.
V. Т — температура, V — газ көлемі деген белгілеулер енгізе отырып, газ көлемінің температураға сызықтық тәуелділігін кескіндейік (12-сурет).
Бұл тәуелділікті төмен температуралар аймағында қарастырайық. Температура төмендегенде, газдың көлемі нөлге ұмтылады. Көлем теріс мәнге ие болмайтындықтан температураның мәні де, Цельсий шкаласы бойынша анықталған теріс мәннен аз болмауы тиіс.
Табиғаттағы ең төменгі шектік температура 273,5°С-қа тең. Ол абсолютптпік нөл температура деп аталады.
Өте төмен температуралар жөнінде айту артық. Абсолюттік нөл немесе одан төмен температураны алу мүмкіндігі жоқ, себебі диаметрі нөлден кіші сым жасау мүмкін емес.
VI. Халықаралық бірліктер жүйесінде (81) температуралардың абсолюттік термодинамикалық шкаласы — Кельвин шкаласы қабылданған. Ол XIX ғасырдағы ағылшынның көрнекті ғалымы I лорд Кельвиннің есімімен аталған.
Бұл шкала бойынша есептеу -273°С-ка тең абсолют нөлден басталады. Егер Цельсий шкаласы бойынша температура Г(С) деп белгіленсе, онда Кельвин шкаласы бойынша ол Т(К) болып белгіленеді. Абсолюттік термодинамикалық шкаладағы температура бірлігі кельвин деп аталады, қыскаша К болып белгіленеді.
Бір келъвин — Целъсий шкаласы бойынша температура бірлігіне, яғни 1 градусқа тең: 1 К = 1°С.
Термодинамикалық шкаланың екінші тірек нүктесіне су бір мезгілде қатты, сұйық және газ тәрізді — үш күйде қатар болатын температура кабылданған. Мүндай күй үштік нүкте деп аталады. Цельсий шкаласы бойынша оның температурасы 0°С, ал Кельвин шкаласы бойынша -273,15 0К.
Цельсий шкаласы бойынша температура t°(С) мен абсолюттік термодинамикалық Кельвин шкаласы бойынша температураның Т(К) арасындағы байланыс:
T=(t+273)K немесе t=(T-273)0C
Абсолюттік шкаладағы судың кайнау температурасы 373 К-ге тең екені түсінікті(13-сурет). 13-суретте Цельсий шкаласы мен абсолюттік шкала бойынша температураларды салыстыру берілген.
13-сурет
Температураны өлшеу термометрлік дене (сьшап, спирт, газ) көлемінің өзгерісіне байланысты жүргізіледі, ол — температуралық шкаланы жасаудың бірден-бір мүмкін болатын тәсілі. Электрмагниттік құбылыстарды оқып-үйренгенде, термометрлік дене термистор болып табылатын термометрлердің бар екендігін білетін боласыңдар. Онда температураны термистордағы токтың шамасымен анықтайды.
Жұлдыздардың температурасын анықтау үшін оптикалық пирометрді пайдаланады. Бұл аспаптың температуралық шкаласы, қыздырылған дененің жарықтығының температураға тәуелділігіне негізделіп жасалған.
Кондитерлік пештердегі температура 220-280°С. Одан жоғары температуралар металлургияда қолданылады: 900—1000°С-тан бастап, кейбір балқу пештерінде температура 2000°С-қа дейін жетеді. Газ жанарғысында, оның конус тәріздес көгілдір жалынындағы сыртқы температура 300°С, ал конус ішінде 1800°С-қа дейінжетеді. Арнаулы лабораторияларда қас қағым сәтте екі миллион градусқа дейінгі температураларды алатын құрылғылар бар.
Табиғатта аса жоғары температуралар Жерде емес, ол Әлемнің денелерінде кездеседі. Мысалы, Күндегі температура он миллион градусқа жетеді, ал оның беткі жағындағы температура 6000 К-ге дейін қызады.
VII. Бөлшектердің броундық қозғалысын және диффузия құбылысын бақылаған кезде,сендер ортаның температурасы бөлшек қозғалысының жылдамдығына әсер ететініне көз жеткіздіңдер.Температура артқан сайын заттың молекулалары жылдам қозғалады, яғни олардың кинетикалық энергиясы артады.
Энергия деп дененің жұмыс істеу қабілетін айтады. Ол жұмыс сияқты джоульмен өлшенеді.
Энергияның екі түрі бар — потенциалдық және кинетикалық.
Потенциалдық энергия деп дененің немесе дене бөлшектерінің өзара әрекет энергиясын айтады.
Кинетикалық энергия деп қозғалыстағы денелер ие болатын энергияны айтады.
Молекула қозғалысының кинетикалық энергиясын, температура сияқты, молекуланың жылулық козғалысының өлшеуіші ретінде қарастыруға болады.
Молекула қозғалысының қандай кинетикалық энергиясы туралы сөз қозғайтынымызды анықтайық.
Молекулалы-кинетикалық теорияда статистикалық әдіс пайдаланылады. Оның себебі, механика заңдарын жекелеген молекулаларға емес, молекулалардың үлкен жиынтығына қолданады. Онда мынадай түсініктер мен шамалар енгізіледі: мысалы, молекулалардың орташа жылдамдыгы, орташа қысым, молекулалардың орташа кинетикалық энергиясы. Сондықтан газ молекулалары қозғалысының кинетикалық энергиясы туралы сөз қозғағанда, газ молекулалары қозғалысының орташа кинетикалық энергиясы жайында айтылады.