Մոլեկուլների քաոսայինշարժման արագությունը և մարմնի ջերմաստիճանը
Բոլոր նյութերը կազմված են ատոմներից և մոլեկուլներից, որոնք անընդհատ անկանոն (քաոսային) շարժում են կատարում: Ատոմների ու մոլեկուլների անընդհատ քաոսային շարժումն անվանում են ջերմային շարժում:
Եթե ենթադրենք, որ տաք մարմնում ատոմներն ու մոլեկուլները ավելի արագ են շարժվում, քան սառը մարմնում, ապա պարզ կլինի, թե ինչու է պղնձարջասպի դիֆուզիան տաք ջրում ավելի արագ ընթանում, քան սառը ջրում. որովհետև տաք ջրի մոլեկուլների արագությունը մեծ է սառը ջրի մոլեկուլների արագությունից: Ուստի նրանք ավելի շուտ են հասնում ջրի հեռավոր կետերին:
Փորձենք հասկանալ, թե ինչ է նշանակում «տաք» կամ «սառը» մարմին: Իհարկե, մենք բոլորս էլ լավ գիտենք դրանց տարբերությունը: Մենք գիտենք, որ սառը ջուրը տաքանալիս սկզբում դառնում է գոլ, իսկ հետո՝ տաք: «Սառը», «գոլ», «տաք» բառերով մենք նշում ենք ջրի տաքացվածության աստիճանը, իսկ դա մենք զգում ենք զգայարաններով: Շոշափելով՝ մենք որոշում ենք, թե ո՛ր մարմինն է ավելի տաք, ո՛րը՝ սառը: Բայց զգայարաններով ջերմաստիճանի գնահատումը չափազանց մոտավոր և սուբյեկտիվ է, այսինքն` կախված է անհատից: Բացի այդ, մարդը չի կարող շոշափել բոլոր մարմինները, օրինակ` շիկացած երկաթը կամ մաշկի այրվածքներ առաջացնող ծծմբական թթուն:
Ուշադրություն
Անհրաժեշտություն է առաջանում ներմուծել մի ֆիզիկական մեծություն, որը կբնութագրի մարմնի տաքացվածության աստիճանը, և որը հնարավոր կլինի չափել: Այդ ֆիզիկական մեծությունը ջերմաստիճանն է: Եթե մի մարմինը մյուսից տաք է, ասում են, որ այն ունի ավելի բարձր ջերմաստիճան: Բոլորին է հայտնի, որ տաք ջրի ջերմաստիճանը բարձր է սառը ջրի ջերմաստիճանից, որ ձմռանը օդի ջերմաստիճանը դրսում ավելի ցածր է, քան ամռանը:
Մարմնի տաքացվածության աստիճանը բնութագրող ֆիզիկական մեծությունը կոչվում է ջերմաստիճան:
Ուշադրություն
Տաք ջուրը բաղկացած է նույնպիսի մոլեկուլներից, ինչպիսին սառը ջրինն են: Տարբերությունն այն է, որ տաք ջրի մոլեկուլները ավելի արագ են շարժվում, քան սառը ջրինը:
Համաձայն վերևում առաջադրված վարկածի՝ որքան տաք է մարմինը, այնքան արագ են շարժվում նրա մոլեկուլները: Մյուս կողմից՝ պարզեցինք, որ որքան տաք է մարմինը, այնքան բարձր է նրա ջերմաստիճանը: Ստացվեց, որ մոլեկուլների քաոսային շարժման արագության և ջերմաստիճանի միջև կապ կա (այստեղից էլ գալիս է այդ շարժման «ջերմային» անվանումը).
Բարձր ջերմաստիճան ունեցող մարմնում մոլեկուլներն ավելի արագ են շարժվում:
Օրինակ
Օրինակ՝ \(0° \)\(C\)-ում թթվածնի մոլեկուլների շարժման միջին արագությունը \(425\) մ/վ է, իսկ \(20\)°\(C\)-ում` \(440\) մ/վ: Սակայն մի շատ կարևոր դիտարկում. \(20\)° \(C\) ջերմաստիճան ունեցող ազոտի մոլեկուլների միջին արագությունը ավելի մեծ է, քան թթվածնի մոլեկուլներինը: Իսկ ազոտը, որի մոլեկուլների շարժման միջին արագությունը նույնպես \(440\) մ/վ է, ունի ոչ թե \(20\)° \(C\) ջերմաստիճան, ինչպես թթվածինը, այլ ավելի ցածր` \(16\)° \(C\): Սա պայմանավորված է այն բանով, որ ազոտի մոլեկուլները թեթև են թթվածնի մոլեկուլներից:
Ջերմաստիճանը մարմնի մասնիկների միջին կինետիկ էներգիայի չափն է. որքան մեծ է այդ էներգիան, այնքան բարձր է մարմնի ջերմաստիճանը:
Ուշադրություն
Իսկ ջերմաստիճանը որոշվում է հենց մոլեկուլների միջին արագությամբ: Առանձին մոլեկուլների շարժման արագությունները տրված ջերմաստիճանում կարող են միջինից և՛ բարձր, և՛ ցածր լինել:
Ջերմային շարժումը տարբերվում է սովորական մեխանիկական շարժումից նրանով, որ նրա ինտենսիվությունը կախված է մարմնի ջերմաստիճանից, և այդ շարժմանը միշտ մասնակցում են հսկայական քանակությամբ մասնիկներ, որոնք շարժվում են շատ բարդ և խճճված հետագծերով: Իրականում նյութի մոլեկուլները շարժվում են տարբեր արագություններով:
Այսպիսով, մարմնի տաքացման մոլեկուլների միջին կինետիկ էներգիան մեծանում է, և նրանք սկսում են ավելի արագ շարժվել, սառեցման դեպքում դեպքում մոլեկուլների էներգիան նվազում է, և նրանք սկսում են ավելի դանդաղ շարժվել:
Ջերմաստիճանային սանդղակ: Ջերմաչափ
Սարքերը, որոնք ծառայում են ջերմաստիճանը չափելու համար, կոչվում են ջերմաչափեր: Կենցաղում ամենատարածված ջերմաչափի ստեղծողը շվեդ գիտնական Ա. Ցելսիուսն (\(1701-1744\)) է: Նկարում պատկերված ջերմաչափի աշխատանքը նույնպես հիմնված է նյութերի ջերմային ընդարձակման վրա: Տաքանալիս ջերմաչափում օգտագործվող հեղուկը (օրինակ՝ սնդիկը կամ սպիրտը) ընդարձակվում է, և բարակ խողովակում հեղուկի սյան երկարությունը զգալիորեն աճում է: Իսկ սառչելիս` հակառակը, հեղուկը սեղմվում է, իսկ խողովակում հեղուկի սյունը` կարճանում: Ուրեմն, խողովակում հեղուկի սյան երկարությունն էլ կարող է ջերմաստիճանի չափ հանդիսանալ: Հարկավոր է միայն աստիճանավորել ջերմաչափը և ստանալ չափիչ ջերմաստիճանային սանդղակ:Ցելսիուսն այսպես է աստիճանավորել իր ջերմաչափը: Այն տեղադրել է հալվող սառույցում, նշել խողովակում սնդիկի մակարդակը և ընդունել դա որպես \(0° C: \) Այնուհետև ջերմաչափը տեղադրել է եռացող ջրի գոլորշիների մեջ և նշել հեղուկի համապատասխան մակարդակը \(100°\)\(C\)-ով: Այդ երկու մակարդակների միջև եղած հեռավորությունը բաժանելով \(100\) հավասար մասերի, ստացել է \(1°\) -ին համապատասխանող հեղուկի սյան երկարությունը:
Վերջինիս միջոցով աստիճանավորել է նաև \(100° \)\(C\)-ից բարձր և \(0°C\)-ից ցածր տիրույթները: Այս ձևով աստիճանավորված սանդղակը կոչվում է Ցելսիուսի սանդղակ՝ ի պատիվ այն ստեղծողի:
Այսպիսով` Ցելսիուսի սանդղակի \(0\) աստիճանը համապատասխանում է սառույցի հալման, իսկ \(100\) աստիճանը` ջրի եռման ջերմաստիճանին: Հարկավոր է հիշել, որ ամեն մի ջերմաչափ միշտ իր սեփական ջերմաստիճանն է ցույց տալիս:
Միջավայրի ջերմաստիճանը որոշելու համար պետք է ջերմաչափը տեղադրել այդ միջավայրում և սպասել այնքան, մինչև սարքի ջերմաստիճանը դադարի փոփոխվել և ձեռք բերի այն արժեքը, որը հավասար է շրջապատող միջավայրի ջերմաստիճանին:
Ցելսիուսի սանդղակը միակը չէ: Հայտնի են տարբեր սանդղակներով ջերմաչափեր: Օրինակ՝ ԱՄՆ-ում և Անգլիայում այժմ օգտագործվում է \(1714\) թվականին Ֆարենհայթի ստեղծած սանդղակով ջերմաչափը:
Սառույցի հալման ջերմաստիճանն ըստ այդ սանդղակի՝ \(32\)° \(F\) է, իսկ ջրի եռման ջերմաստիճանը`\(212\)° \(F\): Որպես Ֆարենհայթի սանդղակի բաժանման արժեք` \(1°\) F, ընտրված է այդ ջերմաստիճանային տիրույթի 1/180 մասը, ուստի և \(1\)°\(C\)-ին համապատասխանում է \(1\),\(8°\) \(F\): Հաշվի առնելով այս հանգամանքը՝ Ցելսիուսի սանդղակով չափած ջերմաստիճանը կարող ենք արտահայտել ֆարենհայթներով:
Այսպես` առողջ մարդու ջերմաստիճանը \(36,6° C\) է: Հաշվենք, թե Ֆարենհայթի որ ջերմաստիճանին է այն համապատասխանում: Երբ ասում են, որ մարդու ջերմաստիճանը \(36,6°\)\(C\) է, հասկանում են, որ այն \(0°C\)-ից բարձր է \(36,6\)°\(C\)-ով: Քանի որ \(1°C\)\(=\)\(1,8°F\), ապա Ֆարենհայթի սանդղակով մարդու ջերմաստիճանը այդ նույն ջերմաստիճանից, այսինքն \(32°F\)-ից բարձր կլինի \(36,6\)·\(1,8°F\)-ով, հետևաբար`
\( 36,6°C = 32° F +36,6 · 1,8F° =98°F \)
\( \)
Հաշվի առնելով Ցելսիուսի և Ֆարենհայթի սանդղակների տարածվածությունը երկրագնդի վրա` հաճախ ջերմաչափերի վրա երկու սանդղակներն էլ պատկերում են (տե՛ս նկար):
Աղբյուրները
Ս. Վ. Գրոմով , Ն. Ա. Ռոդինա, Ֆիզիկա-8, հանրակրթական դպրոցի դասագիրք ( I, II, III և V գլուխների հեղինակ Ա. Մամյան); Երևան, Անտարես -2014 թ.