Температура и тепловое равновесие

Тема урока: Температура и тепловое равновесие 📚

Цели урока 🎯

• Понять, что такое тепловое равновесие 🧠

• Освоить шкалу Кельвина и переводы температур 🌡

• Связать температуру со средней энергией молекул 🛠

Основная часть урока 📝

1. Тепловое равновесие 🤔

Горячий чай остывает, а ложка в нём нагревается. Через какое-то время их температуры сравниваются, и все макроскопические параметры перестают меняться. Это состояние называют тепловым равновесием.

✨ Важно: любые тела, приведённые в контакт и изолированные от внешнего мира, рано или поздно приходят к тепловому равновесию.

2. Что такое температура 🔍

Температура — единственный параметр, который одинаков у всех тел в тепловом равновесии. Измеряют её термометром: он приходит в равновесие с телом и показывает их общую температуру. Тепло всегда само переходит от более нагретого тела к менее нагретому — никогда наоборот.

3. Шкала Цельсия и шкала Кельвина 🌡

В шкале Цельсия t (°C): 0 °C — плавление льда, 100 °C — кипение воды при нормальном давлении. В физике удобнее абсолютная шкала Кельвина T (К):

T = t + 273

Абсолютный нуль — 0 К, или −273 °C: предельно низкая температура, при которой энергия теплового движения молекул была бы минимальной. Достичь его невозможно. Шаг обеих шкал одинаков: изменение на 1 К равно изменению на 1 °C.

4. Температура и энергия молекул ⚡

Главный смысл температуры в МКТ: она — мера средней кинетической энергии молекул.

Ē = (3/2) · k · T, где Ē — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы (Дж), k = 1,38·10⁻²³ Дж/К — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура (К).

При одной и той же температуре средняя энергия молекул любых газов одинакова — и у лёгкого водорода, и у тяжёлого ксенона.

5. Задачи: переводы и энергия 🛠

Задача 1. Переведём температуры:

1. 27 °C: T = 27 + 273 = 300 К.

2. −73 °C: T = −73 + 273 = 200 К.

3. 0 К: t = 0 − 273 = −273 °C — абсолютный нуль.

Задача 2. Средняя энергия молекулы при 27 °C:

1. Сначала кельвины: T = 300 К.

2. Ē = (3/2) · 1,38·10⁻²³ · 300 = 2,07·10⁻²³ · 300 = 6,21·10⁻²¹ Дж.

6. Задача 3: находим температуру 🔁

При какой температуре средняя энергия молекулы равна Ē = 8,28·10⁻²¹ Дж?

1. Выражаем T из формулы: T = 2Ē/(3k).

2. T = 2 · 8,28·10⁻²¹/(3 · 1,38·10⁻²³) = 16,56·10⁻²¹/(4,14·10⁻²³) = 400 К.

3. В Цельсиях: t = 400 − 273 = 127 °C. Проверка: (3/2) · 1,38·10⁻²³ · 400 = 8,28·10⁻²¹ Дж ✔.

Типичные ошибки ⚠️

• ❌ Подставляют градусы Цельсия в формулы МКТ. → ✅ Сначала перевод: T = t + 273.

• ❌ Считают, что при 0 °C молекулы останавливаются. → ✅ Движение стало бы минимальным лишь при абсолютном нуле (−273 °C), и достичь его нельзя.

• ❌ Думают, что температура — энергия одной конкретной молекулы. → ✅ Это мера средней энергии огромного числа молекул.

• ❌ Переводят разность температур с добавлением 273. → ✅ Разность одинакова в обеих шкалах: ΔT = 20 °C = 20 К.

Мини-конспект 📋

• Тепловое равновесие: параметры не меняются, температуры тел равны.

• T = t + 273.

• Абсолютный нуль: 0 К = −273 °C, недостижим.

• Ē = (3/2)kT, k = 1,38·10⁻²³ Дж/К.

• Шаг 1 К равен шагу 1 °C, поэтому ΔT одинакова в обеих шкалах.

• В формулы МКТ — только абсолютная температура.

Зачем это нужно? 🚀

• Медицинский термометр работает именно за счёт теплового равновесия с телом 🌡

• Метеорологи строят прогнозы на точных измерениях температуры воздуха 🌦

• Криотехника: жидкий азот (77 К) хранит клетки, продукты и ракетное топливо ❄