Тепловое равновесие.
Температура. Температурные шкалы

Опорный конспект по теме «Тепловое равновесие. Температура». Обновлен 28.07.2026 г. Проверяемые элементы содержания (ПЭС):
👉 Код ПЭС ОГЭ по физике: 2.5. Тепловое равновесие.
👉 Код ПЭС ФОП ООО (приказ 704): 6.6. Температура. Связь температуры со скоростью теплового движения частиц.
Вернуться к Списку конспектов по физике

Тепловое движение молекул

Все вещества состоят из частиц: молекул, атомов, ионов. Эти частицы никогда не находятся в полном покое – они непрерывно и хаотично движутся. Это движение называется тепловым движением. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся его частицы. Интересный факт: если бы вы могли увидеть молекулы воды при комнатной температуре, они бы «пробегали» за одну секунду расстояние, равное нескольким тысячам своих диаметров! А в горячем чае они движутся ещё быстрее.

Тепловое движение может проявляться в разных формах: молекулы газов летают прямолинейно, сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда; молекулы жидкостей колеблются и перескакивают с места на место; молекулы твёрдых тел только колеблются около фиксированных положений равновесия. Важно понимать: тепловое движение – это неупорядоченное, хаотичное движение огромного числа частиц. Оно принципиально отличается от упорядоченного движения всего тела (например, когда тело летит).

Скорость теплового движения напрямую связана с температурой тела. Например, молекулы воздуха при 20 °C движутся со средней скоростью около 500 м/с (это как реактивный самолёт!), а при −30 °C их скорость падает до 430 м/с. Интересный факт: даже при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (−273,15 °C), тепловое движение не прекращается полностью – оно лишь становится минимальным, но всё же существует.

Температура. Температурные шкалы

Температура – это физическая величина, которая характеризует степень нагретости тела и служит мерой средней кинетической энергии теплового движения его частиц. Проще говоря, чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы.

Для измерения температуры используют ТРИ разные шкалы. Самая распространённая в быту – шкала Цельсия, предложенная шведским астрономом Андерсом Цельсием в 1742 году. За 0 °C принята температура таяния льда, а за 100 °C – температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Однако в науке часто используют абсолютную шкалу Кельвина. Здесь за нулевую отметку взят абсолютный ноль (температура, при которой тепловое движение частиц прекращается). В шкале Кельвина нет отрицательных температур. Соотношение простое: T(K) = t(°C) + 273,15. Например, 0 °C = 273,15 K, 100 °C = 373,15 K.

Существует ещё шкала Фаренгейта, популярная в США. В ней вода замерзает при 32 °F, а кипит при 212 °F. Интересный факт: когда Габриэль Фаренгейт создавал свою шкалу, он использовал три реперные точки: температуру самой холодной зимы 1709 года в Данциге (0 °F), температуру человеческого тела (96 °F) и температуру таяния льда (32 °F). Позже шкалу скорректировали.
Абсолютный ноль недостижим теоретически, но учёные уже смогли охладить атомы до температур, всего на несколько миллиардных долей кельвина выше абсолютного нуля. При таких температурах проявляются квантовые эффекты, например, конденсат Бозе-Эйнштейна – пятое состояние вещества.

Видеолекции по теме с таймингом:

Термометры. Виды термометров

Прибор для измерения температуры называется термометром. Его действие основано на изменении какого-либо физического свойства вещества при изменении температуры.

• Жидкостные термометры – самые известные (ртутные, спиртовые). Принцип действия: при нагревании жидкость расширяется, её уровень в капилляре поднимается. Ртуть удобна тем, что не смачивает стекло и имеет широкий диапазон (−38 °C до 356 °C), но она ядовита, поэтому ртутные термометры постепенно вытесняют спиртовыми. Спирт замерзает при −114 °C, поэтому спиртовые термометры работают в морозы.
• Газовые термометры – самые точные. Они измеряют давление газа (при постоянном объёме) или объём газа (при постоянном давлении). Газовый термометр используется как эталон для калибровки других термометров.
• Электрические термометры – например, термопары или терморезисторы. Принцип работы: при нагревании меняется сопротивление металла или полупроводника, либо возникает термо-ЭДС. Они удобны для автоматизации процессов и измерения высоких температур (до 2000 °C).
• Инфракрасные термометры (пирометры) – измеряют температуру дистанционно, по тепловому излучению тела. Интересный факт: с их помощью можно измерить температуру Солнца – на его поверхности около 5500 °C!
• Биметаллические термометры – состоят из двух металлических пластинок с разным коэффициентом расширения. При нагревании пластинка изгибается, и стрелка показывает температуру. Используются в термостатах утюгов и холодильников.

Интересный факт: Самый маленький термометр в мире создан из ДНК – его чувствительный элемент представляет собой молекулу, которая сворачивается или разворачивается при изменении температуры. Диаметр такого термометра – всего несколько нанометров!

Опыты, подтверждающие зависимость скорости движения молекул от температуры

Как доказать, что при повышении температуры молекулы движутся быстрее? Вот несколько классических опытов.

1️⃣ Опыт с диффузией. Возьмём два сосуда: один с холодной водой, другой с горячей. Капнем в каждый по капле чернил. В горячей воде чернила распространяются значительно быстрее, чем в холодной. Объяснение: при высокой температуре молекулы воды движутся быстрее, поэтому процесс перемешивания (диффузия) идёт интенсивнее. Интересный факт: если бы молекулы не двигались, чернила остались бы каплей на месте! Диффузия – прямое доказательство теплового движения.

2️⃣ Опыт с броуновским движением. Если в микроскоп наблюдать за крошечными частицами сажи или цветочной пыльцы, взвешенными в воде, то можно увидеть, что они непрерывно и хаотично прыгают. При повышении температуры воды эти прыжки становятся более энергичными. Объяснение: частички подталкивают невидимые молекулы воды, которые движутся тем быстрее, чем выше температура. Броуновское движение – это визуальное подтверждение теплового движения молекул.

3️⃣ Опыт с давлением газа. Возьмём закрытую колбу с воздухом, соединённую с манометром. Если нагревать колбу, давление воздуха внутри увеличивается. Объяснение: при нагревании молекулы газа движутся быстрее и чаще ударяют о стенки колбы, сила ударов возрастает – растёт давление. Интересный факт: если бы молекулы двигались с одинаковой скоростью, то давление было бы пропорционально средней кинетической энергии. Но из-за хаотичности скоростей используется средняя квадратичная скорость.

4️⃣ Опыт с уменьшением объёма при охлаждении. Если надутый воздушный шарик вынести на мороз, он сжимается. Объяснение: при охлаждении скорость молекул уменьшается, они реже и слабее ударяют о стенки изнутри, и внешнее атмосферное давление сжимает шарик. Обратный процесс: если шарик нагревать, он раздувается – молекулы движутся быстрее и сильнее давят изнутри.

Взаимосвязь температуры, давления и объёма

Эти три величины (температура T, давление p, объём V) связаны для газов законами, открытыми в XVII-XVIII веках. Закон Шарля (для постоянного объёма): если нагревать газ в закрытом сосуде, его давление прямо пропорционально абсолютной температуре: p ~ T (при V = const). Закон Гей-Люссака (для постоянного давления): при нагревании газа под поршнем с постоянным грузом объём газа прямо пропорционален температуре: V ~ T (при p = const). Закон Бойля-Мариотта (для постоянной температуры): при сжатии газа, не меняя его температуры, давление увеличивается обратно пропорционально объёму: p ~ 1/V (при T = const).

Для идеального газа все три закона объединяет уравнение состояния (уравнение Менделеева-Клапейрона): pV = νRT, где ν – количество вещества в молях, R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль·К)). Для 8 класса достаточно понимать: при повышении температуры молекулы движутся быстрее, поэтому, если объём не меняется, давление растёт; если давление не меняется, то объём увеличивается.

Интересный факт: на основе этих законов работают тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания). При сгорании топлива газы нагреваются, расширяются и совершают работу. А также на этих законах основан принцип действия холодильников: сжатие газа (увеличение давления) вызывает его нагрев, а расширение – охлаждение.

Важно: для реальных газов законы выполняются приближённо, особенно при высоких давлениях и низких температурах, когда газ начинает конденсироваться. Но для обычных условий (воздух при комнатной температуре и атмосферном давлении) эти законы работают хорошо.

Тепловое равновесие

Если два тела с разной температурой привести в соприкосновение, то через некоторое время их температуры выравниваются. Это состояние называется тепловым или температурным равновесием. В состоянии теплового равновесия средние кинетические энергии теплового движения частиц обоих тел становятся одинаковыми (температуры равны), и поток тепла прекращается.

• Если оставить горячую чашку с чаем на столе, чай будет остывать, а воздух — нагреваться. В итоге их температуры выровняются, и наступит тепловое равновесие.
• Положите горячую ложку в стакан с холодной водой. Со временем ложка и вода достигнут одной температуры.
• Когда вы кладете лёд в воду, лёд тает, а вода остывает. Процесс идёт до тех пор, пока лёд и вода не станут одинаковой температуры

Процесс передачи тепла от горячего тела к холодному происходит самопроизвольно и необратимо. Температура никогда не переходит сама собой от холодного тела к горячему – это одно из проявлений второго начала термодинамики. Именно поэтому холодильник потребляет энергию, чтобы откачивать тепло из морозилки в комнату (совершается работа).

Важные нюансы:

• Тепловое равновесие — это состояние, а не процесс. Процесс — это сам переход от неравновесного состояния к равновесному. Само же равновесие — это уже стабильное, стационарное состояние.
• Температура — это параметр, который характеризует состояние теплового равновесия. Именно равенство температур означает, что система пришла в равновесие.
• В состоянии теплового равновесия все макроскопические параметры системы постоянны. Но микроскопические процессы (движение и столкновения молекул) внутри тел при этом не прекращаются.
• Нулевой закон термодинамики утверждает, что если система тел изолирована, то со временем она обязательно придёт в состояние теплового равновесия.
• Тепловое равновесие может быть установлено не только при непосредственном контакте, но и через излучение. Например, Земля получает тепло от Солнца через вакуум (излучением). Равновесие устанавливается, когда мощность излучения, поглощаемого телом, равна мощности его собственного излучения (закон Стефана-Больцмана).

Интересный факт: понятие «температура» имеет смысл только для систем, находящихся в тепловом равновесии. Если мы возьмём сильно разреженный газ, где молекулы редко сталкиваются, то разные части газа могут иметь разные температуры – равновесие устанавливается очень медленно. В космосе, например, отдельные атомы могут иметь кинетическую температуру тысячи градусов, но при этом плотность так мала, что макроскопического понятия температуры для всего объёма нет.

Тренировочные задания с решениями

Задание 1. Два тела одинаковой массы, изготовленные из одного материала, имеют температуры 80 °C и 20 °C. Их привели в тепловой контакт и теплоизолировали от окружающей среды. Какая установится температура в состоянии теплового равновесия? Ответ дайте в градусах Цельсия.

Решение. В теплоизолированной системе внутренняя энергия не меняется. Количество теплоты, отданное горячим телом, равно количеству теплоты, полученному холодным. Так как массы и удельные теплоёмкости одинаковы, температура установится средняя арифметическая: (80 + 20)/2 = 50 °C.
Ответ: 50 °C.

Задание 2. В стакан с холодной водой (20 °C) массой 200 г влили 100 г кипятка (100 °C). Пренебрегая теплообменом с окружающей средой, найдите установившуюся температуру воды. Удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг·°C).

Решение. Уравнение теплового баланса: Q_отд = Q_получ. Количество теплоты, отданное горячей водой: Q1 = c·m1·(t1 – t). Количество теплоты, полученное холодной водой: Q2 = c·m2·(t – t2). Приравниваем: c·m1·(t1 – t) = c·m2·(t – t2). Делим на c: m1·(t1 – t) = m2·(t – t2). Подставляем: 0,1·(100 – t) = 0,2·(t – 20) → 10 – 0,1t = 0,2t – 4 → 10 + 4 = 0,2t + 0,1t → 14 = 0,3t → t = 14 / 0,3 ≈ 46,67 °C.
Ответ: ≈ 46,7 °C.

Задание 3. Верно ли утверждение: «Если два тела находятся в тепловом равновесии, то их температуры одинаковы, а внутренние энергии обязательно равны»? Объясните.

Ответ. Утверждение неверно. Внутренняя энергия зависит не только от температуры, но и от массы тела, его агрегатного состояния, химического состава и т.д. Например, при одинаковой температуре 100 °C большая кастрюля кипятка имеет гораздо большую внутреннюю энергию, чем маленький стакан кипятка. В состоянии теплового равновесия выравниваются именно температуры (средние кинетические энергии частиц), а не внутренние энергии.

Вы смотрели конспект темы по физике 8 класса  «Тепловое равновесие. Температура».

• Следующая тема: «Внутренняя энергия»..
• Вернуться к Списку конспектов по физике
• Посмотреть Конспекты параграфов учебника 8 кл. Баз.уровень
• Посмотреть Конспекты параграфов учебника 8 кл. УГЛ.уровень