urodzony 29 marca 1561 r Włoski lekarz Santorio jest jednym z wynalazców pierwszego termometru rtęciowego, urządzenia będącego na tamte czasy innowacją, bez którego nikt dziś się nie obejdzie.
Santorio był nie tylko lekarzem, ale także anatomem i fizjologiem. Pracował w Polsce, na Węgrzech i w Chorwacji, aktywnie badał proces oddychania, „niewidzialne parowanie” z powierzchni skóry, prowadził badania z zakresu metabolizmu człowieka. Santorio przeprowadzał eksperymenty na sobie i badał cechy Ludzkie ciało, stworzył wiele urządzenia pomiarowe- urządzenie do pomiaru siły pulsacji tętnic, wagi do monitorowania zmian masy ciała człowieka oraz - pierwszy termometr rtęciowy.
Trzej wynalazcy
Trudno dziś powiedzieć, kto dokładnie stworzył termometr. Wynalazek termometru przypisuje się jednocześnie wielu naukowcom - Galileo, Santorio, Lordowi Baconowi, Robertowi Fluddowi, Scarpiemu, Corneliusowi Drebbelowi, Porte i Salomonowi de Caus. Wynika to z faktu, że wielu naukowców jednocześnie pracowało nad stworzeniem urządzenia, które pomogłoby mierzyć temperaturę powietrza, gleby, wody i ludzi.
W własne pisma Galileusz nie posiada opisu tego urządzenia, jednak jego uczniowie zeznali, że w 1597 roku stworzył termoskop – urządzenie do podnoszenia wody poprzez ogrzewanie. Termoskop był małą szklaną kulką z przylutowaną do niej szklaną rurką. Różnica między termoskopem a nowoczesnym termometrem polega na tym, że w wynalazku Galileusza zamiast rtęci rozszerzało się powietrze. Można go było również używać jedynie do oceny względnego stopnia nagrzania lub ochłodzenia ciała, ponieważ nie miał on jeszcze skali.
Santorio z Uniwersytetu w Padwie stworzył własne urządzenie, za pomocą którego można było mierzyć temperaturę Ludzkie ciało, ale urządzenie było tak nieporęczne, że zainstalowano je na dziedzińcu domu. Wynalazek Santorio miał kształt kuli i podłużnej rurki nawojowej, na której narysowano podziałki; wolny koniec rurki był wypełniony zabarwioną cieczą. Jego wynalazek datuje się na rok 1626.
W 1657 roku florenccy naukowcy udoskonalili termoskop Galileusza, w szczególności wyposażając urządzenie w skalę koralikową.
Później naukowcy próbowali ulepszyć urządzenie, ale wszystkie termometry były powietrzne, a ich odczyty zależały nie tylko od zmian temperatury ciała, ale także od ciśnienie atmosferyczne.
Pierwsze termometry płynne opisano w 1667 roku, ale pękały, gdy zamarzła woda, dlatego do ich tworzenia zaczęto używać alkoholu winnego. Wynalezienie termometru, którego danych nie można określić na podstawie zmian ciśnienia atmosferycznego, nastąpiło dzięki eksperymentom fizyka Evangelisty Torricellego, ucznia Galileusza. W rezultacie termometr napełniono rtęcią, odwrócono do góry nogami, do kulki dodano kolorowy alkohol i zamknięto górny koniec rurki.
Pojedyncza skala i rtęć
Przez długi czas naukowcy nie mogli znaleźć punkty początkowe, których odległość można równomiernie podzielić.
Początkowymi danymi dla skali były temperatury rozmrażania lodu i roztopionego masła, temperatura wrzenia wody i pewna abstrakcyjne koncepcje jak „znaczny stopień zimna”.
Termometr nowoczesna forma, najbardziej odpowiedni do użytku domowego, z utworzoną dokładną skalą pomiarową Niemiecki fizyk Gabriela Fahrenheita. Opisał swoją metodę tworzenia termometru w 1723 roku. Początkowo Fahrenheit stworzył dwa termometry alkoholowe, ale potem fizyk zdecydował się użyć w termometrze rtęci. Skala Fahrenheita opierała się na trzech ustalonych punktach:
pierwszy punkt był równy zero stopni - jest to temperatura składu wody, lodu i amoniaku;
druga, oznaczona jako 32 stopnie, to temperatura mieszaniny wody i lodu;
trzecia, temperatura wrzenia wody, wynosiła 212 stopni.
Skala została później nazwana na cześć jej twórcy.
Odniesienie
Obecnie najpowszechniejszą jest skala Celsjusza, w USA i Anglii nadal stosowana jest skala Fahrenheita, a w badaniach naukowych wykorzystywana jest skala Kelvina.
Ale to szwedzki astronom, geolog i meteorolog Anders Celsjusza ostatecznie ustalił oba punkty stałe – topniejący lód i wrzącą wodę – w 1742 roku. Podzielił odległość między punktami na 100 przedziałów, gdzie liczba 100 oznaczała temperaturę topnienia lodu, a 0 temperaturę wrzenia wody.
Obecnie stosuje się odwróconą skalę Celsjusza, co oznacza, że temperaturę topnienia lodu przyjmuje się jako 0°, a temperaturę wrzenia wody jako 100°.
Według jednej wersji skalę „odwrócili” jego współcześni i rodacy, botanik Carl Linnaeus i astronom Morten Stremer, po śmierci Celsjusza, ale według innej, Celsjusza sam przewrócił swoją skalę za radą Stremera.
W 1848 r Fizyk angielski William Thomson (Lord Kelvin) udowodnił możliwość stworzenia absolutnej skali temperatur, gdzie punktem odniesienia jest wartość zera absolutnego: -273,15°C – w tej temperaturze dalsze schładzanie ciał nie jest już możliwe.
Już w środku połowy XVIII wieku wieków termometry stały się przedmiotem handlu i wykonywali je rzemieślnicy, lecz termometry weszły do medycyny znacznie później, bo w połowie XIX wieku.
Nowoczesne termometry
O ile w XVIII wieku nastąpił „rozkwit” odkryć w dziedzinie systemów pomiaru temperatury, to dziś coraz częściej prowadzone są prace nad stworzeniem metod pomiaru temperatury.
Zakres zastosowania termometrów jest niezwykle szeroki i ma specjalne znaczenie Dla Nowoczesne życie osoba. Termometr za oknem informuje o temperaturze na zewnątrz, termometr w lodówce pomaga kontrolować jakość przechowywania żywności, termometr w piekarniku pozwala utrzymać temperaturę podczas pieczenia, a termometr mierzy temperaturę ciała i pomaga ocenić przyczyny złego samopoczucia zdrowie.
Termometr to najpopularniejszy rodzaj termometru, który można znaleźć w każdym domu. Jednak termometry rtęciowe, które kiedyś były genialnym odkryciem naukowców, obecnie stopniowo odchodzą w przeszłość ze względu na ryzyko. Termometry rtęciowe zawierają 2 gramy rtęci i mają ich najwięcej wysoka celność określenie temperatury, ale trzeba nie tylko prawidłowo się z nimi obchodzić, ale także wiedzieć, co zrobić, jeśli termometr nagle się zepsuje.
Zamienić termometry rtęciowe Istnieją termometry elektroniczne lub cyfrowe, które działają w oparciu o wbudowany czujnik metalowy. Istnieją również specjalne paski termiczne i termometry na podczerwień.
Teraz potrzebujemy tylko śniegu, kubka, termometru i odrobiny cierpliwości. Przynieśmy z mrozu kubek śniegu, postawmy go w ciepłym, ale nie gorącym miejscu, zanurzmy termometr w śniegu i obserwujmy temperaturę. Początkowo słup rtęci będzie pełzał w górę stosunkowo szybko. Śnieg pozostaje suchy. Po osiągnięciu zera kolumna rtęci zatrzyma się. Od tego momentu śnieg zaczyna się topić. Na dnie filiżanki pojawia się woda, a termometr nadal wskazuje zero. Ciągłe mieszanie śniegu nie jest trudne, aby upewnić się, że dopóki cały się nie stopi, rtęć się nie poruszy.
Co powoduje, że temperatura się zatrzymuje i właśnie w momencie, gdy śnieg zamienia się w wodę? Ciepło dostarczane do kubka jest w całości wykorzystywane na niszczenie kryształów płatków śniegu. A gdy tylko ostatni kryształ się zapadnie, temperatura wody zacznie rosnąć.
To samo zjawisko można zaobserwować podczas topienia dowolnej innej substancji krystalicznej. Wszystkie wymagają pewnej ilości ciepła, aby się z nich wydostać stan stały w płyn. Ilość ta, dość specyficzna dla każdej substancji, nazywana jest ciepłem topnienia.
Ciepło topnienia dla różne substancje różny. I tu zaczynamy porównywać ciepło właściwe topnienia różne substancje wśród nich ponownie wyróżnia się woda. Podobnie jak pojemność cieplna właściwa, ciepło właściwe Temperatura topnienia lodu znacznie przewyższa ciepło topnienia jakiejkolwiek innej substancji.
Aby stopić jeden gram benzenu, potrzeba 30 kalorii, ciepło topnienia cyny wynosi 13 kalorii, ołowiu – około 6 kalorii, cynku – 28, miedzi – 42 kalorii. A zamiana lodu w wodę w temperaturze zero stopni wymaga 80 kalorii! Ta ilość ciepła wystarczy, aby podnieść temperaturę jednego grama ciekłej wody z 20 stopni do wrzenia. Tylko jeden metal, aluminium, ma ciepło topnienia wyższe niż ciepło topnienia lodu.
Zatem woda o temperaturze zerowej różni się od lodu o tej samej temperaturze tym, że każdy gram wody zawiera o 80 kalorii więcej ciepła niż gram lodu.
Teraz, gdy wiemy, jak wysokie jest ciepło topnienia lodu, widzimy, że nie mamy powodu czasami narzekać, że lód topi się „zbyt szybko”. Gdyby lód miał takie samo ciepło topnienia jak większość innych ciał, topiłby się kilka razy szybciej.
W życiu naszej planety topnienie śniegu i lodu ma absolutnie wyjątkowe znaczenie. Trzeba pamiętać, że sama pokrywa lodowa zajmuje ponad trzy procent całości powierzchnia ziemi lub 11 procent całej ziemi. W pobliżu biegun południowy kłamstwa ogromny kontynent Antarktyda, większa niż Europa i Australia razem wzięta, pokryta jest ciągłą warstwą lodu. Na milionach kilometrów kwadratowych króluje sushi wieczna zmarzlina. Same lodowce i wieczna zmarzlina stanowią jedną piątą masy lądu. Do tego musimy dodać powierzchnię zawartą w zimowy czasśnieg. A wtedy możemy powiedzieć, że od jednej czwartej do jednej trzeciej ziemi jest zawsze pokryta lodem i śniegiem. Przez kilka miesięcy w roku obszar ten przekracza połowę całego lądu.
Oczywiste jest, że ogromne masy zamarzniętej wody nie mogą nie wpłynąć na klimat Ziemi. Cóż za kolosalna ilość ciepła słonecznego zużywana na roztopienie jednej pokrywy śnieżnej na wiosnę! Przecież średnio osiąga około 60 centymetrów grubości, a na każdy gram trzeba wydać 80 kalorii. Ale słońce takie jest potężne źródło energii, że w naszych szerokościach geograficznych radzi sobie z tą pracą czasami nawet w kilka dni. I trudno sobie wyobrazić, jaka powódź by nas czekała, gdyby lód miał na przykład takie samo ciepło topnienia jak ołów. Cały śnieg mógłby stopić się w ciągu jednego dnia lub nawet kilku godzin, a wtedy rzeki wezbrane do niezwykłych rozmiarów zmyły z powierzchni ziemi zarówno najżyźniejszą warstwę gleby, jak i rośliny, sprowadzając niewypowiedziane katastrofy na całe życie na ziemi.
Lód podczas topienia pochłania ogromną ilość ciepła. Tę samą ilość ciepła wydziela woda, gdy zamarza. Gdyby woda miała małe ciepło topnienia, to nasze rzeki, jeziora i morza prawdopodobnie zamarzłyby już po pierwszych przymrozkach.
Więc do wysoka pojemność cieplna woda dodała jeszcze jedną niezwykłą cechę – wysokie ciepło topnienia.
Jeśli mechanicy są w środku XVIII wiek staje się dojrzałą, dobrze określoną dziedziną nauk przyrodniczych, wówczas nauka o cieple w zasadzie stawia dopiero pierwsze kroki. Z pewnością, nowe podejście badania zjawisk termicznych rozpoczęły się w XVII wieku. Termoskop Galileusza i późniejsze termometry florenckich akademików, Guerickego i Newtona przygotowały grunt, na którym rozwinęła się termometria już w pierwszym ćwierćwieczu nowego stulecia. Termometry Fahrenheita, Delisle'a, Łomonosowa, Reaumura i Celsjusza, różniące się od siebie cechami konstrukcyjnymi, jednocześnie określiły typ termometru z dwoma stałymi punktami, co jest nadal akceptowane do dziś.
Już w 1703 roku paryski akademik Amonton (1663-1705) zaprojektował termometr gazowy, w którym do pomiaru temperatury służyła rurka manometryczna podłączona do zbiornika gazu o stałej objętości. Zainteresowany w teoretycznie urządzenie będące prototypem nowoczesnych termometrów wodorowych było niewygodne ze względów praktycznych. Od 1709 roku gdański dmuchacz szkła Fahrenheit (1686-1736) zajmował się produkcją termometrów alkoholowych ze stałymi punktami. W 1714 roku rozpoczął produkcję termometrów rtęciowych. Fahrenheit przyjął temperaturę zamarzania wody na 32°, a temperaturę wrzenia wody na 212°. Za temperaturę Fahrenheita uważano temperaturę zamarzania mieszaniny wody, lodu i amoniaku, czyli sól kuchenna. Punkt wrzenia wody podał dopiero w 1724 roku w publikacji drukowanej. Nie wiadomo, czy używał go wcześniej.
Francuski zoolog i metalurg Reaumur (1683-1757) zaproponował termometr o stałej temperaturze punkt zerowy, dla którego przyjął temperaturę zamarzania wody. Wykorzystując jako ciało termometryczne 80% roztwór alkoholu, a w ostatecznej wersji rtęć, za drugi punkt stały przyjął temperaturę wrzenia wody, oznaczając ją liczbą 80. Reaumur opisywał swój termometr w artykułach publikowanych w czasopiśmie Akademia Paryska nauki w latach 1730,1731
Test termometru Reaumura przeprowadził szwedzki astronom Celsjusza (1701-1744), który opisał swoje doświadczenia w 1742 r. „Doświadczenia te – pisał – „powtarzałem przez dwa lata w sumie Zimowe miesiące, przy różnej pogodzie i różnych zmianach stanu barometru i zawsze znajdował dokładnie ten sam punkt na termometrze. Termometr umieściłem nie tylko w topiącym się lodzie, ale także w nim ekstremalnie zimno przyniósł śnieg do mojego pokoju, aby ogrzał go, aż zaczął się topić. Umieściłem także kocioł z topniejącym śniegiem wraz z termometrem w piecu grzewczym i zawsze stwierdzałem, że termometr pokazywał ten sam punkt, gdyby tylko śnieg owinął ciasno kulkę termometru. Po dokładnym sprawdzeniu stałości temperatury topnienia lodu, Celsjusz zbadał temperaturę wrzenia wody i stwierdził, że zależy ona od ciśnienia. W wyniku badań pojawił się nowy termometr, obecnie znany jako termometr Celsjusza. Celsjusz przyjął temperaturę topnienia lodu jako 100, temperaturę wrzenia wody pod ciśnieniem 25 cali 3 linie rtęci jako 0. Słynny szwedzki botanik Carl Linnaeus (1707-1788) użył termometru z przestawionymi wartościami punktów stałych . O oznaczało temperaturę topnienia lodu, 100 oznaczało temperaturę wrzenia wody. Zatem współczesna skala Celsjusza jest zasadniczo skalą Linneusza.
W Akademia w Petersburgu Sciences, akademik Delisle zaproponował skalę, w której temperaturę topnienia lodu przyjęto jako 150, a temperaturę wrzenia wody jako 0. Akademik P. S. Pallas w swoich wyprawach w latach 1768-1774. na Uralu i Syberii korzystałem z termometru Deli. M.V. Łomonosow wykorzystał w swoich badaniach zaprojektowany przez siebie termometr ze skalą odwrotną do skali Deli.
Termometry wykorzystywano przede wszystkim do celów meteorologicznych i geofizycznych. Łomonosow, który odkrył istnienie prądów pionowych w atmosferze, badając zależność gęstości warstw atmosfery od temperatury, dostarcza danych, z których można wyznaczyć współczynnik rozszerzalności objętościowej powietrza, który według tych danych wynosi około ]/367. Łomonosow z pasją bronił priorytetu petersburskiego akademika Browna w odkryciu temperatury zamarzania rtęci, który 14 grudnia 1759 r. jako pierwszy zamroził rtęć za pomocą mieszanin chłodzących. To było najniższa temperatura osiągnąć do tego czasu.
Najwyższe temperatury (bez szacunki ilościowe) uzyskano w 1772 roku na zlecenie Paryskiej Akademii Nauk pod przewodnictwem słynnego chemika Lavoisiera. Wysokie temperatury uzyskano stosując specjalnie wykonaną soczewkę. Soczewkę zbudowano z dwóch wklęsło-wypukłych soczewic, których przestrzeń wypełniono alkoholem. Do soczewki o średnicy 120 cm wlano około 130 litrów alkoholu, a jej grubość sięgała w środku 16 cm promienie słoneczne, udało się stopić cynk, złoto, spalić diament. Zarówno w eksperymentach Browna-Łomonosowa, gdzie „lodówką” było zimowe powietrze, jak i w eksperymentach Lavoisiera, źródłem wysokich temperatur był naturalny „piec” – Słońce.
Rozwój termometrii był pierwszym naukowym i praktyczne użycie Rozszerzalność cieplna ciał. Naturalnie samo zjawisko rozszerzalności cieplnej zaczęto badać nie tylko jakościowo, ale także ilościowo dokładne pomiary rozszerzalność cieplną ciał stałych przeprowadzili Lavoisier i Laplace w 1782 r. Ich metoda przez długi czas został opisany na kursach fizyki, począwszy od kursu Biota w 1819 r., a kończąc na kursie fizyki O. D. Khvolsona w 1923 r.
Pasek badanego ciała umieszczano najpierw w topniejącym lodzie, a następnie we wrzącej wodzie. Dane uzyskano dla różnych rodzajów szkła, stali i żelaza, a także dla różnych rodzajów złota, miedzi, mosiądzu, srebra, cyny i ołowiu. Naukowcy odkryli, że w zależności od metody przygotowania metalu wyniki są różne. Niehartowana taśma stalowa zwiększa się o 0,001079 oryginalna wartość długość po podgrzaniu o 100°, a ze stali hartowanej - o 0,001239. Dla żelaza kutego uzyskano wartość 0,001220, dla żelaza ciągnionego na okrągło 0,001235. Dane te dają wyobrażenie o dokładności metody.
Tak więc już w pierwszej połowie XVIII wieku powstały termometry ilościowe pomiary termiczne, doprowadzony wysoki stopień dokładność w eksperymentach termofizycznych Laplace'a i Lavoisiera. Jednak podstawowe ilościowe koncepcje termofizyki nie skrystalizowały się natychmiast. W pracach ówczesnych fizyków panowało spore zamieszanie w zakresie takich pojęć, jak „ilość ciepła”, „stopień ciepła”, „stopień ciepła”. Na potrzebę rozróżnienia pojęć temperatury i ilości ciepła zwrócił uwagę już w 1755 roku I. G. Lambert (1728-1777). Jednak jego instrukcje nie zostały docenione przez współczesnych i rozwój poprawne koncepcje minęło powoli.
Pierwsze podejścia do kalorymetrii zawarte są w pracach petersburskich akademików G.V. Krafta i G.V. Richmana (1711-1753). W artykule Krafta „Różne eksperymenty z ciepłem i zimnem”, przedstawionym na Konferencji Akademii w 1744 r. i opublikowanym w 1751 r., mówimy o o problemie wyznaczania temperatury mieszaniny dwóch porcji cieczy pobranych w temp różne temperatury. Problem ten był często nazywany w podręcznikach „problemem Richmanna”, chociaż Richmann rozwiązał problem bardziej ogólny i bardziej ogólny trudne zadanie niż Kraft. Kraft podał błędny wzór empiryczny, aby rozwiązać problem.
Zupełnie inne podejście do rozwiązania problemu znajdujemy u Richmana. W opublikowanym w 1750 roku artykule „Rozważania o ilości ciepła, jakie należy uzyskać mieszając ciecze o określonym stopniu ciepła” Richmann stawia problem określenia temperatury mieszaniny kilku (a nie dwóch, jak u Krafta) cieczy i rozwiązuje je w oparciu o zasadę bilans cieplny. „Załóżmy”, mówi Richman, „że masa cieczy jest równa a; ciepło rozprowadzane w tej masie jest równe m; niech druga masa, w której rozłożone jest to samo ciepło m, co w masie a, będzie równa a + b. Następnie powstałe ciepło
jest równe am/(a+b). Tutaj Richmann rozumie temperaturę przez „ciepło”, ale sformułowana przez niego zasada, że „to samo ciepło jest odwrotnie proporcjonalne do mas, w których jest rozprowadzane”, jest czysto kalorymetryczna. „Tak więc” – pisze dalej Richmann – „ciepło masy a równe m i ciepło masy b równe n są równomiernie rozłożone na masie a + b, a ciepło tej masy, tj. mieszanina aib, musi być równa sumie ciepła m + n rozłożonych w masie a + b lub równa (ma + nb) / (a + b) . Wzór ten pojawiał się w podręcznikach jako „wzór Richmanna”. „Aby uzyskać więcej ogólna formuła, – kontynuuje Richman, – dzięki któremu można by określić stopień ciepła przy mieszaniu 3, 4, 5 itd. mas tej samej cieczy, mających różny stopień ciepła, nazwałem te masy a, b, c, d, e itd., a odpowiadające im ciepło to m, n, o, p, q itd. W zupełnie analogiczny sposób założyłem, że każdy z nich jest rozłożony na całość wszystkich mas.” W rezultacie „ciepło po zmieszaniu wszystkich ciepłych mas wynosi:
(am + bп + с + dp + równ.) itd./(a + b + c+d + e) itp.
to znaczy suma mas cieczy, w których ciepło poszczególnych mas po zmieszaniu rozkłada się równomiernie, wiąże się z sumą wszystkich produktów każdej masy przez jej ciepło w taki sam sposób, jak jedność ma się do ciepła mieszaniny. ”
Richmann nie opanował jeszcze pojęcia ilości ciepła, ale napisał i logicznie uzasadnił całkowicie poprawny wzór kalorymetryczny. Z łatwością odkrył, że jego wzór lepiej zgadza się z doświadczeniem niż wzór Krafga. Prawidłowo ustalił, że jego „ciepło” nie było „rzeczywistym ciepłem, ale nadmiarem ciepła mieszaniny w porównaniu do zera stopni Fahrenheita”. Wyraźnie zrozumiał, że: 1. „Ciepło mieszaniny rozkłada się nie tylko w samej jej masie, ale także wzdłuż ścian naczynia i samego termometru”. 2. „Ciepło własne termometru i ciepło naczynia rozprowadzane są po całej mieszaninie, wzdłuż ścianek naczynia, w którym znajduje się mieszanina, oraz po całym termometrze.” 3. „Część ciepła mieszaniny w czasie przeprowadzania doświadczenia przechodzi do otaczającego powietrza…”
Richman trafnie sformułował źródła błędów w eksperymentach kalorymetrycznych, wskazał przyczyny rozbieżności wzoru Krafta z eksperymentem, czyli położył podwaliny kalorymetrii, chociaż sam nie zbliżył się jeszcze do pojęcia ilości ciepła. Prace Richmanna kontynuowali szwedzki akademik Johann Wilcke (1732-1796) i szkocki chemik Joseph Black (1728-1799). Obaj naukowcy, opierając się na wzorze Richmanna, uznali za konieczne wprowadzenie do nauki nowych koncepcji. Wilke badając ciepło mieszaniny wody i śniegu w 1772 roku odkrył, że część ciepła zanika, stąd doszedł do koncepcji ciepła utajonego topnienia śniegu i konieczności wprowadzenia nowego pojęcia, które później nazwano "pojemność cieplna."
Do tego samego wniosku doszedł Black, który nie opublikował swoich wyników. Jego badania opublikowano dopiero w 1803 roku i wtedy okazało się, że Black jako pierwszy wyraźnie rozróżnił pojęcia ilości ciepła i temperatury oraz jako pierwszy wprowadził termin „pojemność cieplna”. Już w latach 1754-1755 Black odkrył nie tylko stałość temperatury topnienia lodu, ale także to, że termometr utrzymuje tę samą temperaturę pomimo napływu ciepła, aż cały lód się stopi. Stąd Black doszedł do koncepcji utajonego ciepła topnienia. Później ustalił koncepcję utajonego ciepła parowania. Tym samym już w latach 70. XVIII w. ustalono podstawowe koncepcje kalorymetryczne. Dopiero prawie sto lat później (w 1852 r.) wprowadzono jednostkę ilości ciepła, która znacznie później otrzymała nazwę „kaloria”. Clausius również mówi po prostu o jednostce ciepła i nie używa terminu „kalorie”.)
W 1777 r. Lavoisier i Laplace ustalili, po zbudowaniu kalorymetru lodowego specyficzne pojemności cieplne różne ciała. Podstawową cechę Arystotelesa, ciepło, zaczęto badać w drodze precyzyjnego eksperymentu.
Pojawił się i teorie naukowe ciepło. Jedną z najpowszechniejszych koncepcji (której wyznawał także Black) jest teoria specjalnego płynu termicznego – kalorycznego. Drugi, którego Łomonosow był zagorzałym zwolennikiem, uważał ciepło za rodzaj ruchu „niewrażliwych cząstek”. Pojęcie kaloryczności bardzo dobrze pasowało do opisu faktów kalorymetrycznych: wzór Richmanna i późniejsze wzory uwzględniające ciepło utajone można było doskonale wyjaśnić, dzięki czemu teoria kaloryczności dominowała aż do połowy XIX wieku, kiedy to odkryto Prawo zachowania energii zmusiło fizyków do powrotu do koncepcji, którą Łomonosow z sukcesem rozwinął na kolejne sto lat przed odkryciem tego prawa.
Pogląd, że ciepło jest formą ruchu, był bardzo powszechny w XVII wieku. F. Bacon w New Organon, stosując swoją metodę do badania natury ciepła, dochodzi do wniosku, że „ciepło jest ruchem propagacji, utrudnionym i zachodzącym w małych częściach”. Kartezjusz mówi bardziej szczegółowo i wyraźnie o cieple jako o ruchu małych cząstek. Rozważając naturę ognia dochodzi do wniosku, że „ciało płomienia... składa się z drobne cząstki poruszających się bardzo szybko i gwałtownie, oddzielnie od siebie.” Dalej wskazuje, że „tylko ten ruch, w zależności od różnych wywoływanych przez niego działań, nazywany jest ciepłem lub światłem”. Przechodząc do reszty ciał stwierdza, że „drobne cząstki, które nie zatrzymują swego ruchu, występują nie tylko w ogniu, ale także we wszystkich innych ciałach, choć w tych ostatnich ich działanie nie jest tak silne, a ze względu na ich niewielkich rozmiarów, same w sobie nie mogą być zauważone przez żaden z naszych zmysłów.”
Atomizm zdominował fizyczne poglądy naukowców i myślicieli XVII wieku. Hooke, Huygens i Newton wyobrażali sobie, że wszystkie ciała Wszechświata składają się z drobnych cząstek, „niewrażliwych”, jak później krótko je nazwał Łomonosow. Koncepcja ciepła jako formy ruchu tych cząstek wydawała się naukowcom całkiem rozsądna. Ale te poglądy na temat ciepła były charakter jakościowy i powstały na bardzo wątłych podstawach faktycznych. W XVIII wieku wiedza o zjawiskach termicznych stała się dokładniejsza i bardziej określona; duże postępy poczyniła także chemia, w której teoria flogistonu, jeszcze przed odkryciem tlenu, pomogła zrozumieć procesy spalania i utleniania. Wszystko to przyczyniło się do asymilacji nowy punkt widok ciepła jako specjalna substancja, a pierwsze sukcesy kalorymetrii umocniły pozycję zwolenników kaloryczności. Opracowanie kinetycznej teorii ciepła w tej sytuacji wymagało wielkiej odwagi naukowej.
Kinetyczna teoria ciepła została w naturalny sposób połączona z kinetyczną teorią materii, a przede wszystkim powietrza i pary. Gazy (słowo „gaz” wprowadził Van Helmont; 1577-1644) w zasadzie nie zostały jeszcze odkryte i nawet Lavoisier uważał parę za połączenie wody i ognia. Sam Łomonosow, obserwując rozpuszczanie żelaza w mocnej wódce ( kwas azotowy), uważany za
pęcherzyki azotu uwalniane przez powietrze. Zatem powietrze i para były w czasach Łomonosowa prawie jedynymi gazami - „płynami elastycznymi”, zgodnie z ówczesną terminologią.
D. Bernoulli w swojej „Hydrodynamice” przedstawił powietrze jako składające się z cząstek poruszających się „niezwykle szybko w różne kierunki" i wierzył, że cząstki te tworzą "elastyczną ciecz". Bernoulli uzasadnił prawo Boyle’a-Mariotte’a swoim modelem „płynu sprężystego”. Ustalił związek między prędkością ruchu cząstek a nagrzewaniem powietrza i w ten sposób wyjaśnił wzrost sprężystości powietrza po ogrzaniu. Była to pierwsza w historii fizyki próba interpretacji zachowania gazów poprzez ruch cząsteczek, próba niewątpliwie genialna, a Bernoulli przeszedł do historii fizyki jako jeden z założycieli teoria kinetyczna gazy
Sześć lat po opublikowaniu Hydrodynamiki Łomonosow przedstawił Zgromadzeniu Akademickiemu swoją pracę „Refleksje na temat przyczyn ciepła i zimna”. Opublikowano ją dopiero sześć lat później, w 1750 r., wraz z inną, późniejszą pracą: „Doświadczenie z teorii sprężystości powietrza”. Tym samym teoria sprężystości gazów Łomonosowa jest nierozerwalnie związana z jego teorią ciepła i na niej się opiera.
D. Bernoulli także zapłacił duże skupienie zagadnienia ciepła, w szczególności zagadnienie zależności gęstości powietrza od temperatury. Nie ograniczając się do odwoływania się do eksperymentów Amontona, sam próbował doświadczalnie określić zależność sprężystości powietrza od temperatury. „Odkryłem” – pisze Bernoulli – „że elastyczność powietrza, które tutaj, w Petersburgu, było bardzo zimne 25 grudnia 1731 r. art. Art. odnosi się do elastyczności tego samego powietrza, które ma taką samą temperaturę jak wrząca woda i wynosi od 523 do 1000. Ta wartość Bernoulliego jest wyraźnie błędna, ponieważ zakłada, że temperatura zimnego powietrza odpowiada - 78 ° C.
Podobne obliczenia Łomonosowa, wspomniane powyżej, są znacznie dokładniejsze. Ale końcowy wynik Bernoulliego jest bardzo niezwykły: „sprężystości są wyrażone w stosunku złożonym z kwadratu prędkości cząstek i pierwszej potęgi gęstości”, co jest całkowicie zgodne z podstawowym równaniem kinetycznej teorii gazów we współczesnej prezentacja.
Bernoulli w ogóle nie poruszył kwestii natury ciepła, która była kluczowa dla teorii Łomonosowa. Łomonosow wysuwa hipotezę, że ciepło jest formą ruchu niewrażliwych cząstek. Rozważa możliwą naturę tych ruchów: ruch do przodu, rotacyjny i wibracyjny - i stwierdza, że „ciepło polega na wewnętrznym ruchu obrotowym związanej materii”.
Przyjmując jako wstępną hipotezę ruchu obrotowego cząsteczek jako przyczyny ciepła, Łomonosow wnioskuje z tego szereg konsekwencji: 1) cząsteczki (cząsteczki) mają kształt kulisty; 2) „...przy szybszym obrocie cząstek materii związanej ciepło powinno rosnąć, a przy wolniejszym obrocie powinno maleć; 3) cząstki ciał gorących obracają się szybciej, cząstki ciał zimnych wolniej; 4) ciała gorące muszą się ochładzać w kontakcie z zimnymi, gdyż spowalnia to kaloryczny ruch cząstek; wręcz przeciwnie, zimne ciała muszą się nagrzewać w wyniku przyspieszenia ruchu w wyniku kontaktu. Zatem obserwowane w przyrodzie przejście ciepła z ciała gorącego do zimnego jest potwierdzeniem hipotezy Łomonosowa.
Bardzo znaczący jest fakt, że Łomonosow jako jedną z głównych konsekwencji wymienił wymianę ciepła, co według niektórych autorów stanowi podstawę do zaklasyfikowania Łomonosowa jako odkrywcy drugiej zasady termodynamiki. Jest jednak mało prawdopodobne, aby powyższe stwierdzenie można było uznać za pierwotne sformułowanie drugiego prawa, jednak cała praca jako całość stanowi niewątpliwie pierwszy szkic termodynamiki. W ten sposób Łomonosow wyjaśnia w nim powstawanie ciepła podczas tarcia, które służyło podstawa eksperymentalna pierwsza zasada klasycznych eksperymentów Joule'a. Łomonosow dalej, poruszając kwestię przejścia ciepła z ciała gorącego do zimnego, odnosi się do następującego stanowiska: „Ciało A, działając na ciało B, nie może nadać temu drugiemu większej prędkości ruchu niż samo .” Przepis ten jest konkretny przypadek„uniwersalne prawo zachowania”. Na podstawie tego stanowiska dowodzi, że zimne ciało B zanurzone w ciepłej cieczy A „w sposób oczywisty nie jest w stanie dostrzec wyższy stopień ciepło niż to, co ma L.
Łomonosow odkłada kwestię rozszerzalności cieplnej „na inny czas”, dopóki nie rozważy elastyczności powietrza. Jego prace termodynamiczne sąsiadują zatem bezpośrednio z jego późniejszymi pracami nad sprężystością gazów. Jednakże mówiąc o swoim zamiarze odłożenia rozważań na temat rozszerzalności cieplnej „na inny czas”, Łomonosow wskazuje również, że skoro Górna granica Jeśli nie ma prędkości cząstek (teoria względności jeszcze nie istnieje!), to nie ma górnej granicy temperatury. Ale „z konieczności musi nastąpić największy i ostateczny stopień zimna, który musi polegać na całkowitym ustaniu ruch obrotowy cząstki.” Łomonosow stwierdza zatem istnienie „ostatniego stopnia zimna” – zera absolutnego.
Podsumowując, Łomonosow krytykuje teorię kaloryczną, którą uważa za powrót do starożytnej idei ognia elementarnego. Rozbieranie na części różne zjawiska, zarówno fizyczne, jak i chemiczne, związane z wydzielaniem i pochłanianiem ciepła, Łomonosow konkluduje, że „ciepła ciał nie można przypisać kondensacji jakiejś cienkiej, specjalnie przeznaczonej materii, ale ciepło to polega na wewnętrznym ruchu obrotowym połączonej materii rozgrzanego ciała.” Przez materię „związaną” Łomonosow rozumie materię cząstek ciał, odróżniając ją od materii „płynącej”, która może przepływać „jak rzeka” przez pory ciała.
Jednocześnie Łomonosow uwzględnia w swoim układ termodynamiczny i przekaz światowy, znacznie wyprzedzający nie tylko swoje czasy, ale także XIX wiek. „W ten sposób – kontynuuje Łomonosow – nie tylko mówimy, że taki ruch i ciepło są charakterystyczne także dla tej najsubtelniejszej materii eteru, która wypełnia wszystkie przestrzenie niezawierające wrażliwe ciała, ale twierdzimy również, że materia eteru może przekazywać kaloryczny ruch otrzymany od Słońca naszej ziemi i reszcie ciał świata oraz ogrzewać je, będąc ośrodkiem, przez który ciała odległe od siebie przekazują ciepło bez pośrednictwo czegokolwiek namacalnego.”
A więc Łomonosow, na długo przed Boltzmannem, Golicynem i Wiedniem, wliczając w to promieniowanie cieplne w termodynamikę. Termodynamika Łomonosowa jest niezwykłym osiągnięciem myśl naukowa XVIII wiek, znacznie wyprzedzający swoją epokę.
Powstaje pytanie: dlaczego Łomonosow odmówił uwzględnienia termicznego ruchu translacyjnego cząstek i zdecydował się na ruch obrotowy? Założenie to znacznie osłabiło jego pracę, a teoria D. Bernoulliego znacznie się do niej zbliżyła późniejsze badania Clausiusa i Maxwella niż teoria Łomonosowa. Łomonosow miał w tej sprawie bardzo głębokie przemyślenia. Musiał to wyjaśnić sprzeczni przyjaciele inne rzeczy, takie jak spójność i elastyczność, spójność cząstek ciała i zdolność ciał do rozszerzania się. Łomonosow był zagorzałym przeciwnikiem sił dalekiego zasięgu i nie mógł się do nich odwołać, rozważając struktura molekularna tel. Nie chciał też sprowadzać wyjaśnienia sprężystości gazów do sprężystych uderzeń cząstek, czyli wyjaśniać sprężystość sprężystością. Szukał mechanizmu, który w najbardziej naturalny sposób wyjaśniałby zarówno elastyczność, jak i rozszerzalność cieplną. W swojej pracy „Doświadczenie z teorii sprężystości powietrza” odrzuca hipotezę o sprężystości samych cząstek, które według Łomonosowa „pozbawione są jakiegokolwiek składu fizycznego i zorganizowanej struktury...” i są atomami. Dlatego właściwość sprężystości nie wykazują pojedyncze cząstki, które nie mają żadnej fizycznej złożoności i zorganizowanej struktury, ale jest wytwarzana przez ich zbiór. Zatem elastyczność gazu (powietrza) według Łomonosowa jest „właściwością zbiorowości atomów”. Same atomy, według Łomonosowa, „muszą być solidne i mieć rozciągłość”, a ich kształt uważa za „bardzo zbliżony” do kulistego. Zjawisko ciepła powstające w wyniku tarcia zmusza go do przyjęcia hipotezy, że „atomy powietrza są szorstkie”. Fakt, że elastyczność powietrza jest proporcjonalna do gęstości, prowadzi Łomonosowa do wniosku, że „pochodzi ona z jakiegoś bezpośredniego oddziaływania jego atomów”. Ale atomy, zdaniem Łomonosowa, nie mogą działać na odległość, lecz działają jedynie w kontakcie. Ściśliwość powietrza świadczy o obecności w nim pustych przestrzeni, które uniemożliwiają wzajemne oddziaływanie atomów. Stąd Łomonosow dochodzi do dynamicznego obrazu, w którym interakcję atomów zastępuje się w czasie tworzeniem się pustej przestrzeni między nimi, a przestrzenną separację atomów zastępuje kontakt. „Jest zatem oczywiste, że poszczególne atomy powietrza w nieuporządkowanej kolejności zderzają się z najbliższymi w niewrażliwych odstępach czasu, a gdy jedne się stykają, inne odbijają się od siebie i zderzają z najbliższymi, aby ponownie się odbić; W ten sposób nieustannie odpychane od siebie przez częste wzajemne wstrząsy, mają tendencję do rozprzestrzeniania się we wszystkich kierunkach. Łomonosow widzi elastyczność tego rozproszenia we wszystkich kierunkach. „Siła sprężystości polega na tendencji powietrza do rozprzestrzeniania się we wszystkich kierunkach.”
Konieczne jest jednak wyjaśnienie, dlaczego atomy odbijają się od siebie podczas oddziaływania. Według Łomonosowa powodem jest ruch termiczny: „Współdziałanie atomów powietrza wynika wyłącznie z ciepła”. A ponieważ ciepło polega na ruchu obrotowym cząstek, aby wyjaśnić ich odpychanie, wystarczy rozważyć, co się dzieje, gdy zetkną się dwie wirujące, kuliste, szorstkie cząstki. Łomonosow pokazuje, że będą się od siebie odpychać, i ilustruje to znanym mu z dzieciństwa przykładem odbicia szczytów („po piętach”), które chłopcy rzucają na lód. Kiedy takie bączki stykają się ze sobą, odbijają się od siebie na znaczne odległości. Zatem, zderzenia sprężyste Według Łomonosowa atomy powstają w wyniku wzajemnego oddziaływania ich momenty obrotowe. Dlatego potrzebował hipotezy o termicznym ruchu rotacyjnym cząstek! W ten sposób Łomonosow całkowicie uzasadnił model sprężystego gazu składającego się z chaotycznie poruszających się i zderzających cząstek.
Model ten pozwolił Łomonosowowi nie tylko wyjaśnić prawo Boyle'a-Mariotte'a, ale także przewidzieć odchylenia od niego przy dużych ściskaniach. Wyjaśnienia prawa i odstępstw od niego udzielił Łomonosow w swojej pracy „Dodatek do refleksji na temat sprężystości powietrza”, opublikowanej w tym samym tomie „Nowych komentarzy” Akademii Nauk w Petersburgu, w której dwaj poprzednie prace. W pracach Łomonosowa pojawiają się także błędne stwierdzenia, które można w pełni wytłumaczyć poziomem ówczesnej wiedzy. Ale nie one przesądzają o znaczeniu pracy naukowca. Nie sposób nie podziwiać odwagi i głębi myśli naukowej Łomonosowa, który w powijakach stworzył potężną naukę o cieple. koncepcja teoretyczna, znacznie wyprzedzając swoją epokę. Współcześni nie poszli drogą Łomonosowa; w teorii ciepła, jak powiedziano, królowało kaloryczne myślenie; fizyczne myślenie XVIII wieku wymagało różnych substancji: termicznych, świetlnych, elektrycznych, magnetycznych. Zwykle postrzega się to jako metafizyczny charakter myślenia przyrodników XVIII wieku i po części jego reakcyjny charakter. Ale dlaczego tak się stało? Wydaje się, że przyczyną tego jest postęp nauk ścisłych. W XVIII wieku nauczył się mierzyć ciepło, światło, elektryczność, magnetyzm. Znaleziono miary dla wszystkich tych czynników, tak jak dawno temu znaleziono je dla zwykłych mas i objętości. Fakt ten przybliżył środki nieważkie do zwykłych mas i cieczy i zmusił do uznania ich za analogię zwykłych cieczy. Koncepcja „nieważkości” była niezbędny krok w rozwoju fizyki pozwoliło nam to wniknąć głębiej w świat termiczny, elektryczny i zjawiska magnetyczne. Przyczyniła się do rozwoju precyzyjnego eksperymentowania, akumulacji liczne fakty i ich pierwotna interpretacja.
Pytanie „Co to jest skala temperatury?” - odpowiedni dla każdego fizyka - od studenta do profesora. Pełna odpowiedź na to pytanie zajęłaby całą książkę i stanowiłaby dobrą ilustrację zmieniających się poglądów i postępu fizyków w ciągu ostatnich czterech stuleci.
Temperatura to stopień nagrzania w określonej skali. Możesz użyć wrażliwości własnej skóry, aby dokonać przybliżonej oceny bez termometru, ale nasze zmysły ciepła i zimna są ograniczone i zawodne.
Doświadczenie. Wrażliwość skóry na ciepło i zimno. To doświadczenie jest bardzo pouczające. Umieść trzy miski z wodą: jedną z bardzo gorącą wodą, drugą z umiarkowanie ciepłą wodą i trzecią z bardzo zimną wodą. Umieść jedną rękę w gorącej misce, a drugą w zimnej misce na 3 minuty. Następnie opuść obie ręce do miski za pomocą ciepła woda. Teraz zapytaj każdą rękę, co „powie” ci o temperaturze wody?
Termometr mówi nam dokładnie, o ile jest cieplej, a o ile zimniej; można go wykorzystać do porównania stopnia nagrzania różne przedmioty, używając go wielokrotnie, możemy porównać obserwacje poczynione w inny czas. Wyposażony jest w pewną stałą, powtarzalną skalę – cechę charakterystyczną każdego dobrego instrumentu. Sposób wykonania termometru i samo urządzenie dyktują nam skalę i system pomiarowy, jakiego musimy użyć. Przejście od szorstkich wrażeń do instrumentu ze skalą to nie tylko usprawnienie naszego dziergania. Wynajdujemy i wprowadzamy nową koncepcję - temperaturę.
Nasza prymitywna koncepcja ciepła i zimna zawiera w zarodku koncepcję temperatury. Badania pokazują, że po podgrzaniu wiele z nich najważniejsze właściwości coś się zmienia itp. Do badania tych zmian potrzebne są termometry. Powszechne stosowanie termometrów w życiu codziennym zepchnęło znaczenie pojęcia temperatury na dalszy plan. Myślimy, że termometr mierzy temperaturę naszego ciała, powietrza czy wody w wannie, chociaż tak naprawdę pokazuje tylko swoją temperaturę. Zmiany temperatury od 60 do 70° i od 40 do 50° uważamy za takie same. Jednak najwyraźniej nie mamy gwarancji, że są naprawdę takie same. Tylko z definicji możemy je uważać za takie same.Termometry nadal służą nam jako wiernym sługom. Ale czy Jej Wysokość Temperatura naprawdę kryje się za ich oddaną „twarzą” – łuską?
Proste termometry i skala Celsjusza
Temperaturę w termometrach pokazuje kropla cieczy (rtęć lub kolorowy alkohol) rozszerzająca się pod wpływem ogrzewania, umieszczona w rurce z przegrodami. Aby skala jednego termometru pokrywała się z drugim, bierzemy dwa punkty: topnienie lodu i wrzenie wody w standardowych warunkach i przypisujemy im podziałki 0 i 100, a odstęp między nimi dzielimy na 100 równych części . Jeśli więc według jednego termometru temperatura wody w wannie wynosi 30°, to każdy inny termometr (o ile jest odpowiednio skalibrowany) będzie pokazywał to samo, nawet jeśli będzie miał bąbelek i rurkę zupełnie innej wielkości. W pierwszym termometrze rtęć rozszerza się o 30/100 od temperatury topnienia do temperatury wrzenia. Rozsądnie jest oczekiwać, że w innych termometrach rtęć rozszerzy się w tym samym stopniu i również wskaże 30°. Tutaj stawiamy na Uniwersalność Natury 2>.
Załóżmy teraz, że bierzemy inny płyn, na przykład glicerynę. Czy da to tę samą skalę w tych samych punktach? Oczywiście, aby zharmonizować się z rtęcią, termometr glicerynowy musi wskazywać 0° przy topieniu lodu i 100° przy wrzeniu wody. Ale czy odczyty termometru będą takie same w temperaturach pośrednich? Okazuje się, że gdy termometr rtęciowy wskazuje 50,0° C, termometr glicerynowy wskazuje 47,6° C. W porównaniu z termometrem rtęciowym termometr glicerynowy pozostaje nieco w tyle w pierwszej połowie drogi między temperaturą topnienia lodu a temperaturą wrzenia punkt wody. (Można zrobić termometry, które dadzą jeszcze większą rozbieżność. Na przykład termometr z parą wodną pokazywałby 12° w punkcie, w którym rtęć wynosi 50°!
W ten sposób powstaje tak zwana skala Celsjusza, która jest obecnie powszechnie stosowana. W USA, Anglii i niektórych innych krajach stosowana jest skala Fahrenheita, na której temperatury topnienia lodu i wrzącej wody oznaczane są liczbami 32 i 212. Początkowo skala Fahrenheita opierała się na dwóch innych punktach. Temperaturę zamrożonej mieszaniny przyjęto jako zero, a liczbę 96 (liczbę, która dzieli się na duża liczba czynników i dlatego jest łatwy w obsłudze) porównano z normalną temperaturą ludzkiego ciała. Po modyfikacji, gdy punktom standardowym przypisano liczby całkowite, temperatura ciała mieściła się w przedziale 98–99. Temperatura pokojowa 68° P odpowiada 20° C. Mimo to przejście z jednej skali do drugiej ulega zmianie wartość numeryczna jednostek temperatury, nie ma to wpływu na samo pojęcie temperatury. Najnowsze porozumienie międzynarodowe wprowadziło kolejną zmianę: zamiast standardowych temperatur topnienia lodu i wrzenia wody określających skalę, „ zero absolutne" i "punkt potrójny" dla wody. Chociaż ta zmiana w definicji temperatury jest zasadnicza, w zwykłym przypadku Praca naukowa nie robi to praktycznie żadnej różnicy. Dla punktu potrójnego liczbę dobiera się tak, aby nowa skala bardzo dobrze zgadzała się ze starą.
2> To rozumowanie jest nieco naiwne. Szkło również się rozszerza. Czy rozszerzanie się szkła wpływa na wysokość słupa rtęci? Z tego powodu, poza zwykłą ekspansją rtęci, co pokazuje termometr? Załóżmy, że dwa termometry zawierają czystą rtęć, ale ich kulki są wykonane z różnych rodzajów szkła o różnej rozszerzalności. Czy będzie to miało wpływ na wynik?
Mam na imię Vlada, chodzę do 4 klasy.
Na lekcjach historii naturalnej i otaczającego nas świata poznajemy przyrodę i obserwujemy zachodzące zjawiska.
W tym roku jesień była bardzo długa i zdziwiliśmy się, że kałuże na zewnątrz długo nie zamarzły. Zauważyliśmy również, że czasami w kałużach wraz z wodą może znajdować się mokry śnieg lub lód. A zdarzały się dni, kiedy te kałuże zamarzały doszczętnie i nie było w nich wody, ale po pewnym czasie udało im się ponownie całkowicie roztopić.
A potem postanowiliśmy zbadać zjawiska topnienia i krzepnięcia substancji.
W trakcie badania rozwiązaliśmy następujące problemy:
1. Znajomość procesów topienia i krzepnięcia różnych substancji.
2. Określ warunki, w jakich topią się substancje.
3. Określanie warunków utwardzania substancji.
Substancje występujące w przyrodzie można znaleźć m.in różne stany: ciecz, ciało stałe i gaz. Niektóre substancje możemy obserwować we wszystkich stanach, na przykład wodę. I żeby obserwować różne stany inne substancje, konieczne jest stworzenie określonych warunków: ochłodzenie ich lub podgrzanie.
Jeśli substancja w stanie stałym zostanie podgrzana, można ją przekształcić w ciecz. Proces ten nazywa się topnieniem.
Jeśli substancja jest w środku stan ciekły super, można go zamienić w bryłę. Proces ten nazywa się hartowaniem.
Substancje w stanie stałym dzielą się na kryształy i ciała amorficzne.
Kryształy topią się w określonej temperaturze. Podczas topienia kryształu jego temperatura się nie zmienia.
Zestalanie kryształów zachodzi w tej samej temperaturze co topnienie. Temperatura podczas ich utwardzania nie ulega zmianie.
Kiedy ciała amorficzne topią się i krzepną, temperatura się zmienia.
1. Badanie procesu krzepnięcia wody.
Cel: Badanie procesu utwardzania wody. Określ warunki krzepnięcia wody.
Wyposażenie: szklanka wody, termometr, stoper.
Postęp badania.
Obserwujemy twardnienie wody na boisku szkolnym.
Opuszczamy termometr do naczynia z wodą i obserwujemy zmiany temperatury wody. Do monitorowania czasu chłodzenia należy używać stopera.
Wyniki obserwacji wpisuje się do tabeli:
|
Temperatura wody, 0 C |
||||||||||
|
Temperatura wody, 0 C |
||||||||||
Budujemy wykres temperatury w funkcji czasu.
Wnioski z badania :
Hartowanie woda nadchodzi w stałej temperaturze 0 0 C. W procesie hartowania temperatura nie ulega zmianie.
2. Badanie procesów topnienia śniegu (lodu).
Cel: Badanie procesu topnienia śniegu (lód). Poznaj warunki topnienia śniegu.
Wyposażenie: szkło ze śniegiem, termometr, stoper.
Postęp badania.
Obserwujemy topnienie śniegu w szkolnej sali fizyki.
Opuszczamy termometr do pojemnika ze śniegiem i obserwujemy zmiany temperatury. Użyj stopera, aby monitorować czas topnienia.
|
Temperatura, 0 stopni C |
||||||||||||||
|
Temperatura, 0 stopni C |
||||||||||
Wnioski z badania :
Lód jest substancją krystaliczną.
Topienie pada śnieg w stałej temperaturze 0 0 C. Podczas topienia temperatura nie ulega zmianie.
3. Badanie procesu topienia parafiny.
Cel: Badanie procesu topienia parafiny. Poznaj warunki topienia parafiny.
Postęp badania.
Obserwujemy topienie parafiny w szkolnej sali fizyki.
Termometr znajduje się w probówce z parafiną. Umieść probówkę w gorącej wodzie i obserwuj zmiany temperatury. Użyj stopera, aby monitorować czas topnienia.
Wyniki obserwacji wpisuje się do tabeli:
|
Temperatura, 0 stopni C |
||||||||||||
Wnioski z badania :
Parafina jest ciałem amorficznym. W miarę topnienia parafiny temperatura stopniowo wzrasta.
4. Badanie procesu utwardzania parafinowego.
Cel: Badanie procesu utwardzania parafinowego. Poznaj warunki utwardzania parafinowego.
Wyposażenie: probówka z parafiną, termometr, stoper, naczynie z gorącą wodą.
Postęp badania.
W szkolnej sali fizyki obserwujemy twardnienie parafiny.
Termometr znajduje się w probówce z parafiną. Probówka w gorąca woda i monitorować zmiany temperatury. Użyj stopera, aby monitorować czas topnienia.
Wyniki obserwacji wpisuje się do tabeli:
|
Temperatura, 0 stopni C |
||||||||||||||
Wnioski z badania :
Parafina jest ciałem amorficznym. W miarę twardnienia parafiny temperatura stopniowo spada.
W trakcie badań odkryliśmy, że procesy topienia i krzepnięcia kryształów i ciał amorficznych przebiegają odmiennie.
Kryształy mają określoną temperaturę topnienia i krzepnięcia. Ustaliliśmy, że dla wody temperatura topnienia i krzepnięcia wynosi 0 0 C. Podczas gdy proces topienia lub krzepnięcia trwa, temperatura wody nie ulega zmianie. Aby jednak woda stwardniała, temperatura powietrza musi być niższa niż 0,0 C. Aby lód się stopił, temperatura powietrza musi być wyższa niż 0,0 C.
Ciała amorficzne Nie mam pewna temperatura topienie i zestalanie. Po podgrzaniu substancji amorficznych stopniowo topią się, a ich temperatura wzrasta. Po ochłodzeniu twardnieją, a ich temperatura spada.