Формирование понятия температуры в средней школе



Понятие температуры является сложным понятием, и его формирование в средней школе проходит в два этапа: пропедевтический и основной. Впервые представление о температуре учащиеся получают в курсе «Природоведение» используя житейские представления школьников о температуре. Ученики изучают устройство термометра и правила использования его для измерения температуры, проводят практическую работу. По новому учебному плану в VI классе при изучении курса физики у учащихся формируют понятие о температуре, характеризующее нагретость тела [1,2]. В VI классе температуру вводят как одну из величин, характеризующих тепловое состояние тел, объясняя, что скорость движения молекул и температура тела связаны между собой: чем больше скорость движения молекул, тем выше температура тела.

Ключевые слова: температура, движение молекул, тепловое состояние, тепловое равновесие, термометрическое тело, эмпирическая шкала.

The concept of temperature is a complex concept and its formation in secondary school takes place in two stages: propaedeutic and basic. For the first time, students get an idea of temperature in the course “Natural History” using schoolchildren’s everyday ideas about temperature. Students study the design of a thermometer and the rules for using it to measure temperature, and carry out practical work. According to the new curriculum in the sixth grade, when studying a physics course, students form the concept of temperature, which characterizes the heating of a body [1,2]. In class VI, temperature is introduced as one of the quantities characterizing the thermal state of bodies, explaining that the speed of movement of molecules and body temperature are related: the greater the speed of movement of molecules, the higher the body temperature.

Keywords : temperature, molecular movement, thermal state, thermal equilibrium, thermometric body, empirical scale.

В быту температуру отождествляют с понятиями тепло-теплый и холодно-холодный. В технической термодинамике под температурой понимается величина, пропорциональная энергии движения молекул и атомов тела [3,4].

Научное содержание понятия температуры опирается на постулат о тепловом равновесии системы и свойства теплового равновесия. Эти свойства следующие:

1. Если два тела находятся в тепловом равновесии с одним и тем же третьим телом, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом;
2. Существует такая физическая величина, значения которой во всех точках равновесной системы одинаковы: эту величину, характеризующую тепловое равновесие, называют температурой;
3. При равновесии возможно единственное распределение энергии системы по ее частям: при увеличении энергии системы растет энергия ее частей.

В связи с этим температуру можно определить как функцию, характеризующую состояние равновесной системы, увеличивающуюся с ростом внутренней энергии системы. Статистический подход углубляет понятие температуры. С точки зрения молекулярных представлений температура мера средней кинетической энергии молекул. Термодинамическим подходом и статистическим подходом является постулат: распределение, которое осуществляется наибольшим числом микросостояний, соответствует равновесному состоянию.

Измерение температуры возможно благодаря транзитивности теплового равновесия. Сложность измерения температуры заключается в том, что она является интенсивным параметром, т. е. не обладает свойством аддитивности. Поэтому ее нельзя сравнивать с эталоном. Для измерения используют зависимость свойства тела от температуры.

Если осуществить контакт двух тел, имеющих разные температуры, то, как свидетельствует опыт, через некоторые время их температуры станут одинаковыми. При этом температура более нагрето тела понизится, а менее нагретого тело повысится. Например, если горячий металлический шар опускать в холодную воду, то через некоторое время и шар и вода будут иметь одинаковую температуру. Эта температура будет ниже первоначальной температуры шара и выше первоначальной температуры воды.

Большое число подобных наблюдений позволяло сделать вывод, что температуры тел, находящихся в тепловом контакте выравниваются. Тела находящиеся между собой в контакте, не взаимодействуют с другими телами, т. е. образуют изолированную систему. Эти тела через некоторое время будут иметь одинаковую температуру, и они находятся в тепловом равновесии.

Таким образом, температура характеризует внутреннее состояние изолированной системы тел, находящихся в термодинамическом равновесии. Чтобы измерить температуру какого-либо тела, его необходимо привести в тепловой контакт с «пробным» телом — термометром. Термометр не должен иметь большой массы: массивный термометр изменит температуру того тела, с которым он приведен в тепловой контакт. Термометр фиксирует свою собственную температуру тела, с которым он находится в термодинамическом равновесии. Для измерения температуры используют в термометрах такие свойства «пробных» тел, которые зависят от температуры. Так, в ртутных и спиртовых термометрах используется линейная зависимость объема жидкости от температуры. В ртутных и спиртовых термометрах используется линейная зависимость объема жидкости от температуры и, как следствие того, линейная зависимость от температуры высоты столбика жидкости в канале термометрической трубки.

В газовых термометрах используется зависимость давления газа от температуры. Установлено, что давление газа, заключенного в замкнутой сосуд, пропорционально температуре: РТ , где Р — давление газа, а Т — его температура.

Газовый термометр — это небольшой заполненный газом баллон, соединенный тонкой трубкой с манометром, измеряющим давление газа в баллоне (рис.1). Баллон приводят в тепловой контакт с телом, температуру которого надо измерять. Через некоторое время происходит выравнивание температуры тела и газа в баллоне термометра. Так как давление газа пропорционально его температуре, то измерение температуры сводится к изменению давления газа в баллоне термометра.

Таким образом, температура — это величина, пропорциональная давлению газа в газовом термометра.

Исторически впервые для измерения температуры было использовано тепловое расширение. Первый прибор для измерения температуры (термоскоп) был сконструирован Г.Галилеем в 1597 г. Прибор был весьма несовершенным, но позволял судить о повышении и понижении температуры.

Термометры, которые делал Галилей состояли из стеклянного шара D, наполненного воздухом, нижней части заполненного водой (рис.1).

Рис. 1.

Когда воздух в шаре расширялся или сжимался, уровень воды в стеклянной трубке изменялся, что и служило указанием на температуру, например, руки, прикоснувшейся к шару. Однако высота столбика зависела как от температуры, так и от атмосферного давления, и измерить таким термометром сколько-нибудь точно было невозможно. О барометре же во времена Галилея ничего не знали. Только ученик Галилея Торричелли смог установить связь между высотой столбика ртути и атмосферным давлением. При Галилее сама идея, что воздух может давить на землю, казалась достаточно дикой. Поэтому термометр Галилея измерял довольно неопределенную величину, но даже такой термометр позволял сравнивать температуру разных тел в одно и то же время и в одном и том же месте. Врач и анатом Санкториус из Падуанского университета для измерения температуры человеческого тела, не зная Галилея, построил похожий термометр. Искусство изготовления термометров необычайно развилось в Тоскане, где члены флорентийской академии впервые стали систематически измерять давление, влажность и температуру воздуха. Термометры были запаяны, из заполняли не водой, а спиртом, и ими можно было измерять даже тогда, когда вода замерзала. Флорентийские мастера были очень искусны. Они изготовляли стеклянные термометры, нанося на них деления расплавленной эмалью, так что ими можно было измерять температуру с точностью примерно 1 ⁰ (по нашей шкале).

Термометры флорентийских мастеров представляли собой очень красивые приборы (рис.2). История термометра многим обязана одному из удивительнейших людей XVII века — Отто фон Герике, бургомистру Магдебурга. Герик оставил о себе хорошую память в науке. Он изготовил первый барометр, построил первый вакуумный насос.

Рис. 2.

Первый современный термометр был описан в 1724 года Даниелом Фаренгейтом, стеклодувом из Голландии. Фаренгейт очень аккуратно наносил деления на шкалу, используя для этого несколько «опорных» постоянных точек. Самую низкую температуру суровой зимы 1709 г. он имитировал смесью льда, поваренной соли и нашатыря. Второй точку он получил, погружая термометр в смесь льда и воды. Расстояние между этими двумя точками Фаренгейт разделил на 32 части. Свою шкалу он проверял, измеряя температуру человеческого тела. Новая точка попадала на 98 ⁰ . Позднее он ввел еще и четвертую «опорную» точку — точку кипения воды. Она соответствовала 212 ⁰ .

Около 1740 г. во Франции в употребление вошла школа Реомюра, построенная на точках замерзания воды (0 ⁰ ) и ее кипения (80 ⁰ ). Реомюр из своих измерений вывел, что вода расширяется между этими двумя точками на 80 тысячных своего объема. Спирт был вскоре заменен ртутью, коэффициент расширении которой меньше изменялся с температурой, чем у спирта.

Современная школа Цельсия была предложена в 1742 г. шведским физиком. В международной системе единиц принята термодинамическая шкала температур. За нулевую температуру на этой шкале принята температура, при которой прекратилась бы поступательное (тепловое) движение молекул. Эту температуру назвали абсолютным нулем. Так как при абсолютном нуле должно было бы прекратится поступательное движение молекул, то это самая низкая из всех возможных температур. Поэтому на абсолютной школе температур отрицательных температур нет.

За вторую опорную точку на термодинамической шкале принята температура, при которой вода находится одновременно в трех состояниях (твердом, жидком и газообразном). Это состояние получило название тройной точки. Его температура по шкале Цельсия 0,01 ⁰ С .

Температуру тройной точки воды по термодинамической шкале приняли равной точно 273,16 единиц (одно такая единица названо Кельвином). Выбор такого числового значения температуры тройной точки воды сделан для того, чтобы 1К был точно равен 1 ⁰ С . Температуру, отчитываемую по термодинамической шкале, иногда называют абсолютной температурой.

Так как температура тройной точки воды по международной термодинамической шкале Т=273,16 К , а по шкале Цельсия t=0,01 ⁰ С и 1 ⁰ С=1К , то соотношение между температурами имеет вид Т-t=273,15. Отсюда Т=(273,15+t)К или t=(Т-273,15) ⁰ С.

Литература:

1. Бугаев А. И. Методика преподавания физики в средней школе. — М.: «Просвещение», 1987.
2. Методика преподавания физики в средней школе. / Под ред. С. Е. Каменецкого, Л. А. Ивановой. — М.: Изд. «Просвещение», 1987.
3. Учебник по физике средней школ VI класса, 2022 г.
4. Смородинский Я. А. Температура. — М.: Изд. «Наука», 2003, 160 с.
5. Трофимова Т. А. Курс физики. — М.: «Наука», 2003.
6. Шахмаев Н. М., Шахмаев С. Н., Шодиев Д. Ш. Физика 10. — М.: «Просвещение», 1991.
7. Перышкин А. В., Родина Н. А. Физика 6, 7. Учебник для 6–7 классов средней школы. Общеобразовательных учреждений. 1979.