Страница 18 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Приведите примеры тепловых явлений.

Тепловые явления — это физические процессы, которые происходят в телах при изменении их температуры. Эти явления связаны с изменением внутренней энергии тел, которая, в свою очередь, зависит от кинетической энергии хаотического движения и потенциальной энергии взаимодействия частиц (молекул, атомов), из которых состоят тела.

Можно выделить несколько основных групп тепловых явлений, каждая из которых включает множество примеров из повседневной жизни, природы и техники.

• Нагревание и охлаждение. Это процессы изменения температуры тела в результате теплообмена с окружающей средой.
  • Нагревание воды в чайнике на плите или в электрическом чайнике.
  • Охлаждение чашки с горячим чаем до комнатной температуры.
  • Нагревание земной поверхности солнечными лучами.
  • Остывание пищи, вынутой из духовки.
• Изменение агрегатного состояния вещества. Это переходы вещества из одного состояния (твердого, жидкого, газообразного) в другое, которые сопровождаются поглощением или выделением тепла.
  • Плавление: таяние снега и льда весной, плавление металла для литья.
  • Отвердевание (кристаллизация): замерзание воды в лед при отрицательной температуре, застывание расплавленного воска.
  • Испарение: кипение воды, высыхание мокрого белья, испарение луж после дождя.
  • Конденсация: образование капель воды (росы) на траве утром, запотевание стекол, формирование облаков.
  • Сублимация (возгонка): постепенное исчезновение куска "сухого льда" (твердой углекислоты) на воздухе, минуя жидкую фазу.
  • Десублимация: образование инея на ветвях деревьев и проводах зимой.
• Тепловое расширение и сжатие. Это изменение размеров и объема тела при изменении его температуры.
  • Увеличение длины металлических железнодорожных рельсов в жаркий летний день.
  • Поднятие столбика ртути или спирта в термометре при его нагревании.
  • Расширение воздуха внутри воздушного шара, когда его подогревают, что заставляет шар взлетать.
  • Сжатие тел при охлаждении, например, уменьшение объема воздуха в шинах автомобиля в морозную погоду.
• Теплопередача (теплообмен). Это процесс передачи тепловой энергии от более нагретого тела к менее нагретому.
  • Теплопроводность: нагревание ручки металлической кастрюли, стоящей на огне.
  • Конвекция: обогрев комнаты от батареи отопления (теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз), возникновение ветра.
  • Излучение: передача тепла от Солнца к Земле через космическое пространство, тепло, которое мы чувствуем от костра или камина.

Ответ: Примерами тепловых явлений являются: нагревание и остывание предметов (например, нагрев воды в чайнике и ее охлаждение), изменение агрегатного состояния вещества (таяние льда, кипение воды, образование росы), тепловое расширение тел при нагревании (удлинение рельсов в жару), а также различные виды теплопередачи (тепло от Солнца, обогрев комнаты батареей, нагрев ложки в горячем супе).

2. Что такое тепловое равновесие?

1. Тепловые явления – это физические процессы и явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел, то есть с изменением их температуры и внутренней энергии. Они также включают изменения агрегатного состояния вещества (плавление, кипение, конденсация и др.), вызванные теплообменом.

Примеры тепловых явлений:
- Нагревание и охлаждение: кипение воды в чайнике, остывание чашки с горячим кофе, нагревание земной поверхности солнечными лучами, работа отопительных приборов.
- Изменение агрегатного состояния: таяние льда (плавление), замерзание воды (кристаллизация), образование пара над поверхностью воды (испарение), появление капель воды на холодной поверхности (конденсация).
- Тепловое расширение: увеличение длины металлических рельсов в жаркий день, провисание проводов линий электропередач летом, подъем столбика жидкости в термометре при его нагревании.

Ответ: Тепловые явления — это процессы, связанные с изменением температуры и внутренней энергии тел, такие как нагревание, охлаждение, плавление, кипение, конденсация и тепловое расширение.

2. Тепловое равновесие — это состояние изолированной или замкнутой термодинамической системы, в котором все макроскопические параметры (температура, давление, объем) остаются неизменными с течением времени. Основным условием теплового равновесия является равенство температур всех частей системы. Когда тела находятся в тепловом равновесии, между ними прекращается чистая (направленная) передача теплоты, хотя на микроуровне частицы продолжают обмениваться энергией.

Например, термометр, помещенный в стакан с водой, через некоторое время покажет температуру воды. Это происходит потому, что термометр и вода приходят в состояние теплового равновесия, их температуры выравниваются. Аналогично, любой предмет, оставленный в комнате, со временем приобретает комнатную температуру.

Ответ: Тепловое равновесие — это состояние, при котором температуры всех тел в контактирующей системе выравниваются, и прекращается направленный теплообмен между ними.

3. Данный вопрос, судя по всему, сравнивает обычный (например, спиртовой или комнатный) термометр с максимальным (например, медицинским ртутным) и спрашивает, почему первый не фиксирует максимальное значение температуры, а второй — фиксирует.

Основное различие кроется в их конструкции:
- В обычном термометре рабочая жидкость (например, подкрашенный спирт) находится в капиллярной трубке с равномерным сечением. При изменении температуры жидкость свободно расширяется или сжимается, и ее столбик поднимается или опускается, показывая текущую температуру. У него нет «памяти».
- В максимальном медицинском термометре (ртутном) сразу над резервуаром с ртутью в капилляре есть специальное сужение. При нагревании расширяющаяся ртуть под давлением проходит через это сужение. Однако при охлаждении силы поверхностного натяжения и сцепления ртути в столбике не могут преодолеть сопротивление сужения и втянуть ртуть обратно. В результате столбик ртути разрывается, и его видимый конец остается на отметке максимальной температуры, достигнутой во время измерения. Чтобы вернуть ртуть в резервуар и подготовить термометр к новому измерению, его необходимо резко встряхнуть.

Таким образом, обычный термометр не предназначен для фиксации максимальной температуры из-за отсутствия конструктивных элементов, препятствующих свободному движению жидкости при охлаждении.

Ответ: Обычный термометр не фиксирует максимальную температуру, так как в его устройстве, в отличие от максимального, отсутствует специальное сужение в капилляре, которое бы препятствовало обратному движению рабочей жидкости при охлаждении и тем самым «запоминало» наивысшее достигнутое значение.

3. Почему обычный термометр, в отличие от максимального, нельзя вынимать из среды, температуру которой измеряют?

3. Различие в правилах использования обычного и максимального термометров wynikaет из принципиальных отличий в их конструкции и принципе действия.

Обычный термометр (например, спиртовой или ртутный лабораторный) предназначен для измерения текущей температуры среды, в которой он находится в данный момент. Принцип его работы основан на свойстве жидкостей (спирта, ртути) расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. Когда термометр помещают в измеряемую среду, его рабочее тело вступает в тепловое равновесие с этой средой, и столбик жидкости в капилляре останавливается на делении, соответствующем температуре среды. Если после этого вынуть термометр, он сразу же начнет взаимодействовать с окружающей средой (воздухом), температура которой, как правило, отличается. Столбик жидкости начнет двигаться, показывая уже новую температуру. Поэтому для получения верного результата показания с обычного термометра снимают, не вынимая его из среды.

Максимальный термометр (классический пример – медицинский ртутный градусник) устроен так, чтобы запоминать наивысшую температуру, достигнутую за время измерения. Его ключевая конструктивная особенность – наличие сильного сужения в капиллярной трубке рядом с резервуаром с ртутью. При повышении температуры расширяющаяся ртуть под давлением проходит через это узкое место и поднимается по шкале. Когда температура начинает падать (например, после извлечения термометра), столбик ртути в капилляре разрывается в месте сужения. Силы поверхностного натяжения не дают ртути самостоятельно вернуться в резервуар. В результате столбик ртути остается на отметке, соответствующей максимальной температуре. Это позволяет спокойно вынуть термометр и считать показания. Чтобы вернуть термометр в исходное состояние ("сбросить" показания), его нужно сильно встряхнуть.

Ответ: Обычный термометр показывает текущую температуру, и его показания сразу же меняются при извлечении из измеряемой среды, так как он начинает измерять температуру нового окружения. Максимальный термометр имеет специальное сужение в капилляре, которое не дает жидкости (обычно ртути) опуститься при охлаждении, тем самым "запоминая" максимальное значение температуры, что позволяет считывать показания после извлечения из среды.

4. Чем отличается тепловое движение от механического?

4. Тепловое и механическое движение — это два фундаментальных типа движения, которые принципиально различаются по своей природе, масштабу и характеру.

Механическое движение — это изменение положения тела как единого целого в пространстве относительно других тел с течением времени. Это упорядоченное, макроскопическое движение, которое мы можем наблюдать непосредственно. Например, летящий камень, плывущий корабль или вращение планеты. При механическом движении все частицы тела перемещаются согласованно в одном направлении. Энергия такого движения — это кинетическая энергия тела в целом ($E_k = \frac{m v^2}{2}$).

Тепловое движение — это непрерывное, хаотическое (беспорядочное) движение микроскопических частиц (атомов, молекул, ионов), из которых состоит тело. Это явление микромира, и его интенсивность напрямую зависит от температуры тела: чем выше температура, тем больше средняя кинетическая энергия частиц. Тело, которое находится в состоянии механического покоя (например, книга на столе), на самом деле состоит из частиц, пребывающих в непрерывном тепловом движении. Это движение является основой таких явлений, как диффузия и броуновское движение, и определяет внутреннюю энергию тела.

Ключевые отличия можно свести к следующему:
• Масштаб: механическое движение описывает тело как целое (макроуровень), а тепловое — его составные частицы (микроуровень).
• Характер движения: механическое движение упорядочено и имеет определённое направление, в то время как тепловое — абсолютно хаотично и беспорядочно.
• Состояние тела: любое тело, температура которого выше абсолютного нуля ($0$ К), обладает тепловым движением частиц, даже если оно находится в состоянии механического покоя. Механическое движение тела как целого является дополнительным упорядоченным движением, накладывающимся на хаотическое тепловое движение его частиц.

Таким образом, основное отличие заключается в том, что механическое движение описывает перемещение всего объекта, а тепловое — внутреннее состояние этого объекта на уровне его молекулярной структуры.
Ответ: Механическое движение — это упорядоченное движение тела как единого целого, а тепловое движение — это беспорядочное (хаотическое) движение частиц (молекул, атомов), из которых состоит это тело.

5. Что характеризует температура? Каковы её единицы?

5. Что характеризует температура? Каковы её единицы?

Температура — это физическая величина, которая характеризует степень нагретости тела. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, температура является мерой средней кинетической энергии хаотического поступательного движения частиц (атомов, молекул), из которых состоит вещество. Чем выше температура тела, тем быстрее в среднем движутся его частицы.

Температура также определяет направление теплопередачи. При контакте двух тел с разной температурой энергия (теплота) самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока их температуры не выровняются и не наступит тепловое равновесие.

Единицы измерения температуры:

• Кельвин (К) — основная единица температуры в Международной системе единиц (СИ). Шкала Кельвина является абсолютной термодинамической шкалой, где 0 К (абсолютный нуль) — это теоретическая точка, в которой тепловое движение частиц прекращается.
• Градус Цельсия (°C) — наиболее распространенная в быту и многих научных областях единица. Шкала Цельсия привязана к реперным точкам воды: 0 °C — температура замерзания, 100 °C — температура кипения при нормальном атмосферном давлении. Связь со шкалой Кельвина: $T(K) = t(°C) + 273.15$.
• Градус Фаренгейта (°F) — используется преимущественно в США и некоторых других странах.

Ответ: Температура характеризует среднюю кинетическую энергию хаотического движения частиц вещества и определяет направление теплообмена. Основные единицы измерения — Кельвин (К) в системе СИ и широко используемый градус Цельсия (°C).

6. Как связана температура тела со скоростью теплового движения его молекул? Какие явления это доказывают?

6. Как связана температура тела со скоростью теплового движения его молекул? Какие явления это доказывают?

Решение

Температура тела является физической величиной, характеризующей среднюю кинетическую энергию хаотического (теплового) движения частиц (атомов, молекул, ионов), из которых состоит тело. Связь между температурой и скоростью движения молекул прямая: чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его частиц, и, следовательно, тем выше средняя скорость их движения.

Для идеального газа эта связь выражается строгой математической формулой, связывающей среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул и абсолютную температуру:
$ \bar{E_k} = \frac{3}{2}kT $
где $ \bar{E_k} $ – средняя кинетическая энергия молекул, $ k $ – постоянная Больцмана ($ k \approx 1,38 \cdot 10^{-23} $ Дж/К), а $ T $ – абсолютная температура в кельвинах.

Поскольку кинетическая энергия определяется как $ E_k = \frac{m_0 v^2}{2} $ (где $ m_0 $ – масса молекулы, $ v $ – её скорость), то можно заключить, что абсолютная температура тела прямо пропорциональна среднему квадрату скорости его молекул ($ T \propto \overline{v^2} $). Проще говоря, нагревание тела заставляет его молекулы двигаться быстрее.

Существование этой связи подтверждается рядом физических явлений:

Диффузия. Это процесс взаимного проникновения молекул одного вещества в другое. Скорость диффузии напрямую зависит от температуры. Например, пакетик чая заваривается в горячей воде гораздо быстрее, чем в холодной. Это объясняется тем, что молекулы горячей воды движутся с большей скоростью, чаще и с большей энергией сталкиваются с частицами чая, что ускоряет их распространение по всему объему.

Броуновское движение. Это хаотичное движение микроскопических частиц, взвешенных в жидкости или газе, которое происходит из-за постоянных ударов молекул окружающей среды. Если наблюдать это явление под микроскопом, можно заметить, что при повышении температуры взвешенные частицы начинают двигаться более интенсивно. Это является прямым доказательством того, что молекулы среды стали двигаться быстрее.

Давление газа. Давление, которое газ оказывает на стенки сосуда, является результатом бесчисленных ударов его молекул о стенки. При увеличении температуры (при неизменном объеме) молекулы газа начинают двигаться с большей скоростью. В результате они сталкиваются со стенками чаще и с большей силой (импульсом), что приводит к увеличению давления.

Ответ: Температура тела — это мера средней кинетической энергии его молекул. Чем выше температура, тем выше средняя скорость теплового движения молекул. Эта связь доказывается такими явлениями, как увеличение скорости диффузии и интенсивности броуновского движения при нагревании, а также зависимость давления газа от температуры.

7. Что такое абсолютный нуль температуры?

7. Абсолютный нуль температуры — это минимальный теоретический предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. При этой температуре энергия теплового движения частиц вещества (атомов, молекул) достигает своего минимального значения, возможного в рамках законов квантовой механики.

В рамках классической термодинамики, при абсолютном нуле тепловое движение частиц прекращается, и их кинетическая энергия становится равной нулю. Однако, с точки зрения квантовой механики, даже при абсолютном нуле частицы совершают так называемые «нулевые колебания», обусловленные принципом неопределенности Гейзенберга. Поэтому их энергия не равна нулю, а принимает минимально возможное значение, называемое нулевой энергией.

Абсолютный нуль служит точкой отсчета для абсолютной температурной шкалы (шкалы Кельвина). По этой шкале абсолютному нулю соответствует температура $0$ К (ноль кельвинов). По шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура $-273,15$ °C.

Согласно третьему началу термодинамики, достижение температуры абсолютного нуля в реальном физическом процессе невозможно. К ней можно лишь асимптотически приближаться.

Ответ: Абсолютный нуль температуры — это самая низкая возможная температура, при которой тепловое движение частиц материи затухает до минимального уровня, определяемого квантовыми эффектами. Она равна $0$ К по шкале Кельвина и $-273,15$ °C по шкале Цельсия.

8. Связь между температурой по абсолютной шкале (шкале Кельвина) и температурой по шкале Цельсия выражается простым соотношением. Шкала Кельвина является абсолютной термодинамической шкалой, где за ноль принят абсолютный нуль температуры. Шкала Цельсия привязана к реперным точкам воды: $0$ °C — температура плавления льда, $100$ °C — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Размер единицы температуры в обеих шкалах одинаков: изменение температуры на 1 кельвин ($1$ К) в точности равно изменению температуры на 1 градус Цельсия ($1$ °C). Шкалы просто сдвинуты относительно друг друга на $273,15$ единицы.

Формула для перевода температуры из градусов Цельсия ($t$) в кельвины ($T$):

$T(К) = t(°C) + 273,15$

Формула для обратного перевода, из кельвинов ($T$) в градусы Цельсия ($t$):

$t(°C) = T(К) - 273,15$

В инженерных и многих физических расчетах для упрощения часто используют округленное значение: $T \approx t + 273$ или $t \approx T - 273$.

Ответ: Связь между абсолютной температурой $T$ (в кельвинах) и температурой $t$ (в градусах Цельсия) выражается соотношениями: $T = t + 273,15$ и $t = T - 273,15$.

8. Каким соотношением выражается связь температур по шкале Кельвина и шкале Цельсия?

8. Решение

Связь между температурами по шкале Кельвина (K) и шкале Цельсия (°C) основана на соотношении их нулевых точек, при этом размер единицы измерения (градус) в обеих шкалах одинаков.

Шкала Цельсия — это относительная шкала, в которой за 0 °C принята температура замерзания воды, а за 100 °C — температура её кипения при стандартном атмосферном давлении.

Шкала Кельвина — это абсолютная термодинамическая шкала. Её нулевая точка (0 K) соответствует абсолютному нулю — минимально возможной температуре, при которой тепловое движение частиц вещества прекращается. Экспериментально установлено, что абсолютный ноль соответствует температуре –273,15 °C.

Поскольку размер кельвина и градуса Цельсия совпадают, для перехода от шкалы Цельсия к шкале Кельвина достаточно сдвинуть начало отсчета на 273,15 единиц. Если обозначить температуру по шкале Кельвина как $T$, а температуру по шкале Цельсия как $t$, то их связь выражается следующей формулой:

$T = t + 273,15$

Из этого соотношения можно также выразить температуру в градусах Цельсия через температуру в кельвинах:

$t = T - 273,15$

В инженерных и школьных расчетах, не требующих высокой точности, часто используется округленное значение 273:

$T \approx t + 273$

Ответ: Связь между температурой по шкале Кельвина ($T$) и температурой по шкале Цельсия ($t$) выражается соотношением $T = t + 273,15$.

1. Температура тела изменилась от 25 до 27 °С. На сколько градусов оно нагрелось: а) по шкале Цельсия; б) по шкале Кельвина?

Дано:
Начальная температура $t_1 = 25$ °C
Конечная температура $t_2 = 27$ °C

Найти:
a) Изменение температуры по шкале Цельсия, $\Delta t$ - ?
б) Изменение температуры по шкале Кельвина, $\Delta T$ - ?

Решение:

а) по шкале Цельсия
Изменение температуры по шкале Цельсия ($\Delta t$) вычисляется как разность между конечной ($t_2$) и начальной ($t_1$) температурами.
$\Delta t = t_2 - t_1$
$\Delta t = 27 \text{ °C} - 25 \text{ °C} = 2 \text{ °C}$
Ответ: тело нагрелось на 2 °C.

б) по шкале Кельвина
Величина одного градуса по шкале Цельсия (1 °C) равна одному Кельвину (1 K). Это означает, что любое изменение температуры, выраженное в градусах Цельсия, численно равно изменению температуры, выраженному в Кельвинах.
$\Delta T (\text{K}) = \Delta t (\text{°C})$
Следовательно, изменение температуры по шкале Кельвина также составляет 2 К.
Для проверки можно перевести начальную и конечную температуры из градусов Цельсия в Кельвины по формуле $T(\text{K}) = t(\text{°C}) + 273.15$ и найти их разность.
Начальная температура в Кельвинах:
$T_1 = 25 + 273.15 = 298.15$ К
Конечная температура в Кельвинах:
$T_2 = 27 + 273.15 = 300.15$ К
Изменение температуры в Кельвинах:
$\Delta T = T_2 - T_1 = 300.15 \text{ К} - 298.15 \text{ К} = 2 \text{ К}$
Ответ: тело нагрелось на 2 К.

2. Переведите значения температуры: а) в градусы Цельсия: 300 К, 220 К, 273 К, 673 К; б) в кельвины: 127 °С, -27 °С, 36,6 °С.

Для перевода температуры между шкалами Цельсия и Кельвина используется следующая связь. Температура по шкале Цельсия $t$ (в °C) и абсолютная температура по шкале Кельвина $T$ (в К) связаны формулой:

$T = t + 273,15$

В школьном курсе физики и для упрощения расчетов часто используют приближенное значение, где $0 \text{ °C}$ соответствует $273 \text{ К}$. На основе этого, формулы для перевода выглядят так:

• Для перевода из градусов Цельсия в кельвины: $T (\text{К}) = t (\text{°C}) + 273$
• Для перевода из кельвинов в градусы Цельсия: $t (\text{°C}) = T (\text{К}) - 273$

В данном решении будем использовать эти упрощенные формулы.

Дано:

$T_1 = 300 \text{ К}$

$T_2 = 220 \text{ К}$

$T_3 = 273 \text{ К}$

$T_4 = 673 \text{ К}$

Найти:

$t_1, t_2, t_3, t_4$ — ? (в °C)

Решение:

Воспользуемся формулой для перевода температуры из шкалы Кельвина в шкалу Цельсия: $t = T - 273$.

1. Для $T_1 = 300 \text{ К}$:

$t_1 = 300 - 273 = 27 \text{ °C}$

2. Для $T_2 = 220 \text{ К}$:

$t_2 = 220 - 273 = -53 \text{ °C}$

3. Для $T_3 = 273 \text{ К}$:

$t_3 = 273 - 273 = 0 \text{ °C}$

4. Для $T_4 = 673 \text{ К}$:

$t_4 = 673 - 273 = 400 \text{ °C}$

Ответ: 300 К = 27 °C; 220 К = −53 °C; 273 К = 0 °C; 673 К = 400 °C.

Дано:

$t_1 = 127 \text{ °C}$

$t_2 = -27 \text{ °C}$

$t_3 = 36,6 \text{ °C}$

Найти:

$T_1, T_2, T_3$ — ? (в К)

Решение:

Воспользуемся формулой для перевода температуры из шкалы Цельсия в шкалу Кельвина: $T = t + 273$.

1. Для $t_1 = 127 \text{ °C}$:

$T_1 = 127 + 273 = 400 \text{ К}$

2. Для $t_2 = -27 \text{ °C}$:

$T_2 = -27 + 273 = 246 \text{ К}$

3. Для $t_3 = 36,6 \text{ °C}$:

$T_3 = 36,6 + 273 = 309,6 \text{ К}$

Ответ: 127 °С = 400 К; −27 °С = 246 К; 36,6 °С = 309,6 К.

3. Расположите значения температуры в каждом случае в порядке возрастания: а) 273 К, 10 °С; б) 27 °С, 290 К; в) 0 °С, 0 К.

Для того чтобы расположить значения температуры в порядке возрастания, необходимо все значения привести к одной шкале. Наиболее удобно использовать шкалу Кельвина (К), которая является основной единицей измерения температуры в Международной системе единиц (СИ).

Связь между температурой в градусах Цельсия ($t_{°C}$) и температурой в Кельвинах ($T_K$) выражается формулой (используется приближенное значение, так как в условии дано значение 273 К):

$T_K = t_{°C} + 273$

а) Дано:

$T_1 = 273 \text{ К}$
$T_2 = 10 \text{ °C}$

Переведем все значения в СИ (Кельвины):

$T_1 = 273 \text{ К}$ (уже в СИ)
$T_2 = 10 + 273 = 283 \text{ К}$

Найти:

Расположить данные значения температуры в порядке возрастания.

Решение:

Сравниваем полученные значения в Кельвинах: $273 \text{ К}$ и $283 \text{ К}$.

Поскольку $273 < 283$, то $273 \text{ К} < 10 \text{ °C}$.

Ответ: $273 \text{ К}, 10 \text{ °C}$.

б) Дано:

$T_1 = 27 \text{ °C}$
$T_2 = 290 \text{ К}$

Переведем все значения в СИ (Кельвины):

$T_1 = 27 + 273 = 300 \text{ К}$
$T_2 = 290 \text{ К}$ (уже в СИ)

Найти:

Расположить данные значения температуры в порядке возрастания.

Решение:

Сравниваем полученные значения в Кельвинах: $300 \text{ К}$ и $290 \text{ К}$.

Поскольку $290 < 300$, то $290 \text{ К} < 27 \text{ °C}$.

Ответ: $290 \text{ К}, 27 \text{ °C}$.

в) Дано:

$T_1 = 0 \text{ °C}$
$T_2 = 0 \text{ К}$

Переведем все значения в СИ (Кельвины):

$T_1 = 0 + 273 = 273 \text{ К}$
$T_2 = 0 \text{ К}$ (уже в СИ)

Найти:

Расположить данные значения температуры в порядке возрастания.

Решение:

Сравниваем полученные значения в Кельвинах: $273 \text{ К}$ и $0 \text{ К}$. Температура $0 \text{ К}$ (абсолютный нуль) является самой низкой теоретически возможной температурой.

Поскольку $0 < 273$, то $0 \text{ К} < 0 \text{ °C}$.

Ответ: $0 \text{ К}, 0 \text{ °C}$.

1. Измерьте температуру воздуха в тени на улице. Внесите термометр в комнату. Как меняется его показание? В какой момент вы можете сказать, чему равна температура воздуха в комнате?

Постройте график зависимости показаний термометра t от времени т. Интервал времени возьмите равным 30 с.

После того как термометр, измеривший температуру воздуха на улице, вносят в комнату, его показания начинают изменяться. Это происходит из-за процесса теплообмена между термометром и воздухом в комнате. Направление изменения температуры зависит от соотношения температур на улице и в помещении:

• Если на улице холоднее, чем в комнате, то термометр будет нагреваться, и его показания будут расти.
• Если на улице теплее, чем в комнате, то термометр будет остывать, и его показания будут падать.

Сказать, чему равна температура воздуха в комнате, можно в тот момент, когда показания термометра перестанут изменяться и установятся на некотором постоянном значении. Это означает, что термометр достиг теплового равновесия с окружающей средой (воздухом в комнате), и его температура стала равна температуре воздуха.

Для построения графика зависимости показаний термометра от времени необходимо провести серию измерений.

Дано:

Проведем мысленный эксперимент и возьмем следующие примерные условия:

• Температура воздуха в тени на улице: $t_{улицы} = 5^\circ C$.
• Температура воздуха в комнате: $t_{комнаты} = 23^\circ C$.
• Интервал времени между измерениями: $\Delta \tau = 30 \text{ с}$.

(Перевод в систему СИ не требуется, так как измерения и результат предполагаются в градусах Цельсия, а время — в секундах).

Найти:

Построить график зависимости показаний термометра $t$ от времени $\tau$.

Решение:

При переносе термометра из холодной среды в теплую он начнет нагреваться. Скорость нагрева будет наибольшей в начальный момент времени, так как разница температур между термометром и воздухом в комнате максимальна. По мере нагревания термометра эта разница будет уменьшаться, а скорость изменения температуры — замедляться. Процесс закончится, когда температура термометра сравняется с температурой комнаты.

Запишем предполагаемые результаты измерений в таблицу, фиксируя показания термометра каждые 30 секунд.

Для построения графика по оси абсцисс (горизонтальной) откладываем время $\tau$ в секундах, а по оси ординат (вертикальной) — температуру $t$ в градусах Цельсия. Соединив точки из таблицы плавной линией, получим график зависимости $t(\tau)$.

График будет представлять собой кривую, которая начинается в точке $(0; 5)$, круто идет вверх и постепенно становится все более пологой, приближаясь к горизонтальной прямой (асимптоте) $t = 23^\circ C$. Это отражает замедление процесса нагрева по мере приближения к тепловому равновесию.

Ответ:

При внесении термометра с улицы в комнату его показания будут изменяться (увеличиваться или уменьшаться) до тех пор, пока не достигнут значения температуры воздуха в комнате. Температуру в комнате можно определить по установившимся показаниям термометра. График зависимости показаний термометра от времени — это плавная кривая. Для случая нагревания термометра (с $5^\circ C$ до $23^\circ C$) график представляет собой возрастающую кривую, которая асимптотически приближается к значению комнатной температуры. В случае остывания термометра график будет представлять собой убывающую кривую.

2. Найдите информацию о температурной шкале Фаренгейта. Представьте её одноклассникам в виде презентации.

История создания шкалы Фаренгейта

Температурная шкала Фаренгейта была предложена в 1724 году немецко-польским физиком Даниэлем Габриелем Фаренгейтом. Он был одним из пионеров в области точной термометрии и изобрёл первый в мире надёжный ртутный термометр. Изначально эта шкала была разработана именно для его новых, более точных приборов. Фаренгейт стремился создать шкалу без отрицательных значений для повседневных измерений, так как зимы в его родном городе Гданьске были довольно суровыми.

Ответ: Температурная шкала Фаренгейта была предложена в 1724 году физиком Даниэлем Габриелем Фаренгейтом для использования с изобретённым им ртутным термометром.

Определение и реперные точки

Шкала Фаренгейта основана на нескольких ключевых точках (реперных точках). Существует несколько версий того, как Фаренгейт их выбирал, но наиболее распространённая следующая:
- За 0 °F была принята температура замерзания смеси воды, льда и хлорида аммония (нашатыря). Это была самая низкая температура, которую Фаренгейт мог стабильно воспроизвести в своей лаборатории.
- За 32 °F была принята точка замерзания чистой воды.
- За 96 °F была принята нормальная температура человеческого тела. Выбор числа 96 был удобен тем, что интервал между температурой замерзания воды и температурой тела ($96 - 32 = 64$) легко делился на 2 много раз, что упрощало нанесение делений на шкалу термометра.
Позже шкалу уточнили, и точка кипения воды была установлена на отметке 212 °F. Таким образом, интервал между точками замерзания и кипения воды составляет ровно 180 градусов ($212 - 32 = 180$).

Ответ: Ключевые точки шкалы Фаренгейта: 0 °F — температура замерзания солевого раствора, 32 °F — температура замерзания воды, 96 °F — приблизительная температура человеческого тела, 212 °F — температура кипения воды.

Перевод в другие шкалы

Для перевода температуры из шкалы Фаренгейта в более привычную нам шкалу Цельсия и наоборот, а также в научную шкалу Кельвина, используются следующие формулы:
Из градусов Фаренгейта в градусы Цельсия:
$T_C = (T_F - 32) \times \frac{5}{9}$
Из градусов Цельсия в градусы Фаренгейта:
$T_F = T_C \times \frac{9}{5} + 32$
Из градусов Фаренгейта в Кельвины:
$T_K = (T_F - 32) \times \frac{5}{9} + 273.15$
где $T_C$ — температура в градусах Цельсия, $T_F$ — температура в градусах Фаренгейта, а $T_K$ — температура в Кельвинах.

Ответ: Формула для перевода из Фаренгейта в Цельсий: $T_C = (T_F - 32) \times \frac{5}{9}$. Формула для перевода из Цельсия в Фаренгейт: $T_F = T_C \times \frac{9}{5} + 32$.

Применение в современном мире

В настоящее время шкала Фаренгейта используется в качестве основной для бытовых измерений температуры в Соединённых Штатах Америки и на некоторых их территориях (например, Пуэрто-Рико). Также она распространена на Багамских островах, в Белизе, на Каймановых островах и в нескольких других странах. В большинстве стран мира, включая Россию, для повседневных измерений используется шкала Цельсия. В научных и технических расчётах по всему миру принято использовать шкалу Цельсия и абсолютную шкалу температур — шкалу Кельвина.

Ответ: Шкала Фаренгейта используется в основном в США и нескольких других странах для бытовых измерений температуры. В науке и в большинстве стран мира используется шкала Цельсия.

3. Перед вами стоит задача выяснить, как зависит давление газа от его объёма и температуры. Придумайте, как это можно сделать, используя воздушный шарик и резиновый мячик.

Для выяснения зависимости давления газа от его объёма и температуры можно провести два отдельных качественных эксперимента, используя предложенные предметы. Один эксперимент будет демонстрировать зависимость давления от объёма при постоянной температуре, а второй — зависимость давления от температуры при постоянном объёме.

Зависимость давления газа от его объёма (при постоянной температуре)

Для этого эксперимента лучше всего подойдёт воздушный шарик, так как его объём легко изменить.

Порядок проведения эксперимента:

1. Надуйте воздушный шарик, но не полностью, чтобы оставался запас для сжатия.
2. Оставьте шарик на некоторое время при комнатной температуре, чтобы температура воздуха внутри него сравнялась с температурой окружающей среды. Будем считать эту температуру постоянной в ходе эксперимента.
3. Медленно сожмите шарик руками. При этом вы уменьшаете объём газа внутри него.

Наблюдение и вывод:

Вы почувствуете, что по мере сжатия шарик становится всё более упругим и оказывает большее сопротивление. Это означает, что давление воздуха внутри шарика увеличивается. Таким образом, мы приходим к выводу, что при постоянной температуре уменьшение объёма газа ведёт к увеличению его давления. Это качественное подтверждение закона Бойля-Мариотта, согласно которому для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления на объём есть величина постоянная ($p \cdot V = \text{const}$), или давление обратно пропорционально объёму ($p \propto \frac{1}{V}$).

Ответ: При постоянной температуре давление газа обратно пропорционально его объёму: при уменьшении объёма давление растёт, а при увеличении — падает.

Зависимость давления газа от его температуры (при постоянном объёме)

Для этого эксперимента лучше использовать резиновый мячик, так как его объём, в отличие от шарика, можно считать практически неизменным.

Порядок проведения эксперимента:

1. Возьмите хорошо надутый резиновый мячик. Его объём в ходе эксперимента будет оставаться постоянным.
2. При комнатной температуре оцените его упругость, надавив пальцами. Это будет исходной точкой для сравнения.
3. Охладите мячик. Для этого можно поместить его в холодильник или в ёмкость с холодной водой на 10-15 минут.
4. Достаньте охлаждённый мячик и снова оцените его упругость.
5. Теперь нагрейте мячик. Это можно сделать, оставив его на солнце или поместив в ёмкость с тёплой (не горячей) водой.
6. Снова оцените упругость нагретого мячика.

Наблюдение и вывод:

Вы заметите, что после охлаждения мячик стал менее упругим, более мягким на ощупь. Это говорит об уменьшении давления газа внутри него. После нагревания, наоборот, мячик станет заметно более твёрдым и упругим, что свидетельствует об увеличении внутреннего давления. Таким образом, можно сделать вывод, что при постоянном объёме давление газа увеличивается при росте температуры и уменьшается при её снижении. Это качественное подтверждение закона Шарля, который гласит, что для данной массы газа при постоянном объёме давление прямо пропорционально абсолютной температуре ($p \propto T$ или $\frac{p}{T} = \text{const}$).

Ответ: При постоянном объёме давление газа прямо пропорционально его температуре: при нагревании давление растёт, а при охлаждении — падает.