Знакомство с техническими объектами, страница 17 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 1. Газовые законы. Параграф 5. Термодинамическая шкала температур. Вопросы - страница 17.

Условие.

Знакомство с техническими объектами

В физике для измерения температуры системы используют газовые термометры постоянного объёма. Газовый термометр (рис. 18) состоит из колбы 1, наполненной газом. В резервуаре 2, шланге 3 и стеклянной трубке 4 находится ртуть. Если колбу опустить в горячую воду, то находящийся в ней газ, расширяясь, действует на ртуть и вытесняет её из резервуара. Поднимая трубку с резиновым шлангом, можно сохранить объём газа неизменным.

Зная атмосферное давление и разность $\text{h}$ высот уровней столбиков ртути, можно вычислить температуру газа, т. е. измерить её косвенно.

Объясните действие газового термометра.

Рис. 18

Решение.

Решение

Принцип действия газового термометра постоянного объёма, показанного на рисунке, основан на законе Шарля. Этот закон утверждает, что для фиксированного количества газа, находящегося в постоянном объёме ($V = \text{const}$), его давление $\text{p}$ прямо пропорционально абсолютной температуре $\text{T}$:

$\frac{p}{T} = \text{const}$

Процесс измерения температуры включает следующие шаги:

1. Колбу 1 с газом помещают в среду, температуру которой нужно измерить. Газ нагревается или остывает до температуры этой среды.

2. При нагревании газ стремится расшириться и давит на ртуть, вытесняя её из резервуара 2. При остывании газ сжимается, и ртуть под действием внешнего давления поднимается в резервуар 2.

3. Для того чтобы объём газа в колбе 1 оставался постоянным (что является главным условием работы термометра), подвижную стеклянную трубку 4 поднимают или опускают. Её перемещают до тех пор, пока уровень ртути в резервуаре 2 не вернётся к специальной контрольной метке. Это гарантирует, что объём газа вернулся к исходному значению.

4. Когда объём газа зафиксирован, измеряют разность высот $\text{h}$ между уровнями ртути в двух коленах U-образной трубки. Давление газа $\text{p}$ в колбе уравновешивается давлением в открытой трубке 4, которое складывается из атмосферного давления $p_{атм}$ и гидростатического давления столба ртути высотой $\text{h}$. Таким образом, давление газа можно рассчитать по формуле:

$p = p_{атм} + \rho g h$

где $\rho$ — плотность ртути, а $\text{g}$ — ускорение свободного падения.

5. Поскольку давление газа является прямой мерой его абсолютной температуры, зная давление, можно определить температуру. Для этого термометр предварительно калибруют, измеряя давление газа $p_0$ при известной эталонной температуре $T_0$ (например, в тройной точке воды). Тогда искомая температура $\text{T}$ вычисляется из соотношения:

$T = T_0 \cdot \frac{p}{p_0}$

Таким образом, измеряя давление газа при постоянном объёме, можно косвенно, но очень точно определить температуру.

Ответ:

Действие газового термометра основано на прямой пропорциональности давления газа его абсолютной температуре при постоянном объёме (закон Шарля). При изменении температуры среды, в которую помещена колба с газом, изменяется и давление газа. Это изменение давления измеряется с помощью ртутного манометра. Чтобы объём газа оставался неизменным, одно из колен манометра делают подвижным и устанавливают его так, чтобы уровень ртути со стороны колбы всегда был на одной и той же отметке. Измерив разность высот столбов ртути $\text{h}$ и зная атмосферное давление, находят давление газа. Так как давление является мерой температуры, по его значению вычисляют и саму температуру.