Что такое холод? «Холод - это отсутствие тепла» - так сказал своему профессору студент Альберт Эйнштейн, будущий великий учёный, автор теории относительности.
И в самом деле, в физике не существует величины, называемой «холодом». Это условное понятие, характеризующее отсутствие тепла или состояние более низкой температуры по отношению к более высокой.
Температура
Холод
В физике есть величина, называемая температурой. Температура - это характеристика тепловой энергии вещества, которая представляет собой кинетическую энергию хаотически движущихся частиц (атомов и молекул), составляющих это вещество. Такое движение называют тепловым. Чем больше скорость движения этих частиц, тем выше температура. При охлаждении вещества скорость теплового движения частиц уменьшается, и температура становится ниже.
Как любая физическая величина, температура имеет своё измерение. Прибор, которым определяют температуру, называется термометром. В переводе с греческого дословно это означает «измеряю тепло».
Галилео Галилей
Считается, что первый термометр изобрёл Галилео Галилей, продемонстрировавший студентам в 1597 г. во время своей лекции прибор для измерения тепла. Это была стеклянная трубка, к одному концу которой припаяли небольшой шарик из стекла. Шарик нагревали, а свободный конец трубки опускали в ёмкость с водой. По мере остывания воздуха в шарике уменьшался его объём. Под действием атмосферного давления вода начинала подниматься вверх по трубке. Если температура окружающей среды повышалась - объём воздуха в шарике увеличивался, и водяной столбик опускался вниз. Свой прибор Галилео Галилей назвал термоскопом. Термоскоп не имел шкалы, поэтому не мог показывать числовое значение температуры. По высоте водяного столбика можно было судить только о степени нагретости воздуха.
Термоскоп Галилея
Термоскоп Галилея стал прообразом современных термометров. Впоследствии его усовершенствовали. Добавили шкалу. Вместо воды стали использовать спирт. После заполнения трубки жидкостью из неё откачивали воздух и герметизировали.
Своей современной формой термометр обязан немецкому физику Габриэлю Фаренгейту, который вначале также заполнял стеклянную трубку спиртом. Позднее он заменил спирт ртутью.
Габриэль Даниэль Фаренгейт
В 1742 г. шведский учёный Андерс Цельсий создал шкалу, которой мы пользуемся до сих пор. Правда, на этой шкале точка кипения была отмечена как 00, а 100о соответствовало точке замерзания. Позже эту шкалу перевернули. И сейчас мы знаем, что при нормальных условиях вода закипает при 100оС, а лёд начинает плавиться при 0оС.
Андерс Цельсий
Абсолютный нуль температуры
От температуры зависит состояние вещества, его физические свойства. При разных её значениях вещество может находиться в одном из агрегатных состояний - твёрдом, жидком, газообразном или плазменном. И любое из них определяется движением и взаимным расположением частиц в веществе. Но существует такой предел температуры, при котором все тепловые движения частиц в веществе должны прекратиться. Такую температуру называют абсолютным нулём. Ниже этого значения температура опуститься не может.
Лорд Кельвин
В 1848 г. английский физик сэр Уильям Кельвин (лорд Кельвин) предложил ввести температурную шкалу, в которой нулевая точка соответствует абсолютному нулю, а цена деления - градусу Цельсия. С тех пор абсолютный нуль обозначается как 0 К. А шкала называется термодинамической шкалой Кельвина. Разница между шкалой Кельвина и шкалой Цельсия составляет 273,15 о. Абсолютный нуль соответствует температуре минус 273,15 оС. Температура кипения воды - 0 оС, или плюс 273,16 К.
На практике охладить тело до абсолютно нуля невозможно.
Охлаждение
Охлаждение льдом
Понижение температуры называют охлаждением, или созданием холода. Если контактируют два тела с разной температурой, то тепло от тела с более высокой температурой будет переходить к более холодному телу. Поэтому, чтобы охладить тело, его помещают в среду с более низкой температурой. Тело отдаст теплоту, или получит холод.
В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с явлением охлаждения. Горячий чай в чашке постепенно остывает. Он отдаёт свою теплоту воздуху, который холоднее. Такое охлаждение называется воздушным. Но напиток в чашке тоже можно охладить, бросив в неё кусочек льда. И жидкость передаст часть своего тепла льду. Такой вид теплопередачи называется конвенцией.
Понизить температуру тела можно также, отводя от него тепло с помощью специальных устройств или приспособлений. По такому принципу работает холодильник в нашей квартире. Специальное вещество, называемое холодильным агентом, отнимает теплоту от воздуха и продуктов, находящихся в холодильнике. Они получают холод, или остывают. В качестве холодильного агента в бытовых холодильниках чаще всего используется фреон. Домашний холодильник - это одна из разновидностей холодильных машин, создающих искусственный холод и широко используемых в разных отраслях промышленности.