Номер 6, страница 129 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

6. В чём преимущество газового термометра перед жидкостным?

5. Как устроен газовый термометр?

Газовый термометр — это прибор для измерения температуры, принцип действия которого основан на зависимости давления или объёма газа от температуры. Наиболее распространённым и точным является газовый термометр постоянного объёма.

Он состоит из следующих основных частей:

1. Резервуар (баллон). Это стеклянный или металлический сосуд, заполненный инертным газом (обычно водородом, гелием или азотом) под определённым давлением. Резервуар помещают в среду, температуру которой необходимо измерить.

2. Соединительная трубка (капилляр). Тонкая трубка, соединяющая резервуар с манометром. Её объём делают как можно меньшим по сравнению с объёмом резервуара, чтобы минимизировать погрешность.

3. Манометр. Устройство для измерения давления газа. Чаще всего используется U-образный ртутный манометр. Он состоит из двух соединённых стеклянных трубок, частично заполненных ртутью. Одно колено манометра соединено с резервуаром, а другое, как правило, открыто или имеет возможность регулировки.

Принцип работы термометра постоянного объёма:

Резервуар с газом приводится в тепловой контакт с телом, температуру которого измеряют. Газ в резервуаре нагревается или охлаждается, что приводит к изменению его давления. Это изменение давления регистрируется манометром по разности уровней ртути в его коленах. Чтобы объём газа оставался постоянным, одно из колен манометра (гибкое) перемещают вверх или вниз до тех пор, пока уровень ртути в другом колене не вернётся к специальной отметке. Таким образом, объём газа в системе (резервуар + часть капилляра) остаётся неизменным.

Согласно закону Шарля, для идеального газа при постоянном объёме давление прямо пропорционально абсолютной температуре ($P \sim T$). Измерив давление газа, можно определить его температуру. Газовые термометры являются эталонными приборами для градуировки других типов термометров.

Ответ: Газовый термометр состоит из резервуара с газом, соединённого капилляром с манометром. Его работа основана на законе Шарля, связывающем давление газа с его температурой при постоянном объёме. Изменение температуры среды, в которую помещён резервуар, вызывает изменение давления газа, которое измеряется манометром.

6. В чём преимущество газового термометра перед жидкостным?

Газовые термометры обладают рядом значительных преимуществ по сравнению с жидкостными (например, ртутными или спиртовыми), что делает их основными приборами для точных научных измерений и для установления температурных шкал.

1. Высокая точность и чувствительность. Газы расширяются значительно сильнее, чем жидкости, при одинаковом изменении температуры. Это означает, что даже небольшое изменение температуры вызывает заметное изменение давления (в термометре постоянного объёма) или объёма (в термометре постоянного давления), что позволяет измерять температуру с очень высокой точностью.

2. Широкий диапазон измерений. Газовые термометры могут работать в очень широком интервале температур. Например, гелиевый термометр может измерять температуры, близкие к абсолютному нулю (до ~1 К), а азотный — до высоких температур (порядка 600-700 °C). Диапазон жидкостных термометров ограничен температурами кипения и замерзания рабочей жидкости (для ртути это от -39 °C до 357 °C).

3. Линейность шкалы. Зависимость давления газа от температуры (при $V = const$) или объёма от температуры (при $P = const$) является практически линейной в широком диапазоне температур. Коэффициент теплового расширения газов почти не зависит от температуры, в отличие от жидкостей, у которых эта зависимость более сложная. Это делает шкалу газового термометра более равномерной и фундаментальной.

4. Независимость показаний от вида газа. При достаточно низких давлениях показания газовых термометров, использующих разные идеальные газы (водород, гелий), практически не отличаются. Это означает, что измеряемая температура является фундаментальной характеристикой, а не свойством конкретного вещества, в отличие от жидкостных термометров, показания которых могут незначительно различаться в зависимости от используемой жидкости (ртуть, спирт, толуол) из-за разной нелинейности их расширения.

Ответ: Преимущества газового термометра перед жидкостным заключаются в его более высокой точности и чувствительности, значительно более широком диапазоне измеряемых температур, почти идеальной линейности шкалы и независимости показаний от конкретного вида используемого газа (при низких давлениях).

7. Как строится абсолютная температурная шкала?

Абсолютная температурная шкала, или шкала Кельвина, является основной температурной шкалой в Международной системе единиц (СИ). Она построена на фундаментальных термодинамических принципах и не зависит от свойств какого-либо конкретного вещества.

Построение шкалы основано на двух ключевых точках:

1. Нулевая точка — абсолютный нуль. Идея абсолютного нуля возникла из изучения свойств газов. Эксперименты показали, что при постоянном объёме давление газа линейно уменьшается с понижением температуры. Если экстраполировать эту зависимость (построить график зависимости давления от температуры и продолжить его до пересечения с осью температур), то для любого газа эта линия пересечёт ось при одной и той же температуре, равной -273,15 °C. В этой теоретической точке давление газа должно стать равным нулю, что означает прекращение теплового движения молекул. Эта предельная температура, ниже которой температура опуститься не может, и была принята за ноль абсолютной шкалы — 0 Кельвинов (0 К).

2. Опорная (реперная) точка — тройная точка воды. Для определения размера единицы температуры (градуса) необходима вторая опорная точка. В современной шкале СИ такой точкой является тройная точка воды. Это строго определённое состояние, при котором вода, лёд и водяной пар находятся в термодинамическом равновесии. Температуре тройной точки воды по международному соглашению было присвоено точное значение: 273,16 К.

Таким образом, единица абсолютной температуры — кельвин (К) — определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Связь между температурой по шкале Кельвина ($\text{T}$) и температурой по шкале Цельсия ($\text{t}$) выражается формулой:

$T(\text{К}) = t(^\circ\text{C}) + 273,15$

Размер одного кельвина равен размеру одного градуса Цельсия, но шкалы сдвинуты относительно друг друга на 273,15 единиц.

Практически для измерения температуры по абсолютной шкале используется газовый термометр. Зная давление газа $P_{tr}$ при температуре тройной точки воды ($T_{tr} = 273,16$ К) и измерив давление $\text{P}$ при искомой температуре $\text{T}$, можно найти эту температуру по формуле:

$T = 273,16 \cdot \frac{P}{P_{tr}}$

Ответ: Абсолютная температурная шкала (шкала Кельвина) строится на основе двух точек: абсолютного нуля (0 К), соответствующего -273,15 °C, где прекращается тепловое движение частиц, и тройной точки воды, которой по определению присвоено значение 273,16 К. Это определяет как начало отсчёта, так и размер единицы измерения — кельвина.