Znaczenie słowa „temperatura”. Pojęcie temperatury Fizyka temperatury i czasu

Temperatura (od łac. temperatura - właściwe wymieszanie, stan normalny) to wielkość fizyczna charakteryzująca układ termodynamiczny i ilościowo wyrażająca intuicyjne pojęcie o różnym stopniu nagrzania ciał.
Istoty żywe są w stanie odbierać wrażenia ciepła i zimna bezpośrednio za pomocą zmysłów. Jednak dokładne określenie temperatury wymaga obiektywnego pomiaru temperatury za pomocą przyrządów. Urządzenia takie nazywane są termometrami i mierzą tzw. temperaturę empiryczną. W empirycznej skali temperatur ustalono dwa punkty odniesienia i liczbę podziałów między nimi - w ten sposób wprowadzono obecnie stosowane skale Celsjusza, Fahrenheita i innych. Temperaturę bezwzględną mierzoną w Kelwinach wprowadza się po jednym punkcie odniesienia, biorąc pod uwagę fakt, że w przyrodzie istnieje minimalna granica temperatury - zero absolutne. Górna wartość temperatury jest ograniczona temperaturą Plancka.
Jeśli układ znajduje się w równowadze termicznej, wówczas temperatura wszystkich jego części jest taka sama. W przeciwnym razie energia jest przekazywana w systemie z bardziej nagrzanych części układu do mniej nagrzanych, co prowadzi do wyrównania temperatur w układzie i mówimy o rozkładzie temperatur w układzie lub o skalarnym polu temperatury. W termodynamice temperatura jest intensywną wielkością termodynamiczną.
Wraz z termodynamiką w innych gałęziach fizyki można wprowadzić inne definicje temperatury. Teoria kinetyki molekularnej pokazuje, że temperatura jest proporcjonalna do średniej energii kinetycznej cząstek układu. Temperatura określa rozkład cząstek układu według poziomów energii (patrz statystyka Maxwella – Boltzmanna), rozkład cząstek według prędkości (patrz rozkład Maxwella), stopień jonizacji materii (patrz równanie Saha), widmowa gęstość promieniowania (patrz równanie Saha) patrz wzór Plancka), całkowita objętościowa gęstość promieniowania (patrz prawo Stefana-Boltzmanna) itp. Temperatura zawarta jako parametr w rozkładzie Boltzmanna często nazywana jest temperaturą wzbudzenia, w rozkładzie Maxwella – temperaturą kinetyczną, we wzorze Saha – jonizacją temperatura, w prawie Stefana-Boltzmanna - temperatura promieniowania. W przypadku układu znajdującego się w równowadze termodynamicznej wszystkie te parametry są sobie równe i nazywa się je po prostu temperaturą układu.
W Międzynarodowym Systemie Ilości (ISQ) temperaturę termodynamiczną wybiera się jako jedną z siedmiu podstawowych wielkości fizycznych układu. W Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI), który opiera się na Międzynarodowym Układzie Jednostek, jednostką tej temperatury, kelwin, jest jedna z siedmiu podstawowych jednostek SI. W układzie SI i w praktyce używa się również temperatury Celsjusza, której jednostką jest stopień Celsjusza (°C), wielkości równej kelwinowi. Jest to wygodne, ponieważ większość procesów klimatycznych na Ziemi i procesów zachodzących w przyrodzie żywej wiąże się z zakresem od -50 do +50 °C.

Ciśnienie gazu zależy od chaotycznych uderzeń poruszających się cząsteczek. Oznacza to, że spadek ciśnienia podczas chłodzenia gazu można wytłumaczyć spadkiem średniej energii ruchu translacyjnego cząsteczek (). Ciśnienie gazu osiąga zero, gdy zgodnie z podstawowym prawem teorii kinetyki molekularnej:

Stężenie cząsteczek gazu n uważa się za stałe i niezerowe.

Temperatura bezwzględna gazu doskonałego

Chłodzenie gazem ma swoje ograniczenia. Zero absolutne to temperatura, w której zatrzymuje się ruch translacyjny cząsteczek.

Gaz doskonały (w przeciwieństwie do gazów rzeczywistych) pozostaje w stanie gazowym w dowolnej temperaturze. Temperaturę, w której zatrzymuje się ruch translacyjny cząsteczek, można wyznaczyć z prawa zdefiniowanego przez J. Charlesa: współczynnik temperaturowy ciśnienia gazu doskonałego nie zależy od rodzaju gazu i jest równy . W tym przypadku ciśnienie gazu doskonałego w dowolnej temperaturze jest równe:

gdzie t to temperatura w skali Celsjusza; - ciśnienie o godz. Przyrównajmy ciśnienie wyrażone w wyrażeniu (2) do zera i wyraźmy temperaturę, w której cząsteczki gazu doskonałego zatrzymują swój ruch translacyjny:

V. Kelvin założył, że wynikowa wartość zera absolutnego będzie odpowiadać zaprzestaniu ruchu translacyjnego cząsteczek dowolnej substancji. Temperatury poniżej zera absolutnego (T=0 K) nie występują w przyrodzie. Ponieważ w temperaturze zera absolutnego nie można odebrać energii ruchu termicznego cząsteczek i obniżyć temperaturę ciała, ponieważ energia ruchu termicznego nie może być ujemna. W laboratoriach uzyskano temperatury bliskie zera absolutnego (około jednej tysięcznej stopnia).

Termodynamiczna skala temperatury

Zgodnie z termodynamiczną skalą temperatur (znaną również jako skala Kelvina) punktem wyjścia jest temperatura zera absolutnego. Temperaturę oznacza się przez duże T. Wielkość stopnia jest taka sama jak stopień w skali Celsjusza:

Pochodne będą takie same, jeśli weźmiemy je za pomocą różnych obliczeń temperatury:

Przy przejściu ze skali Kelvina na skalę Celsjusza zachowane zostają definicje termicznych współczynników rozszerzalności objętościowej oraz współczynnika ciśnienia.

W Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) podstawowa jednostka temperatury nazywana jest kelwinem (K). Układ SI wykorzystuje termodynamiczną skalę temperatury do pomiaru temperatury.

Zgodnie z umową międzynarodową wielkość Kelwina określa się na podstawie następujących warunków: przyjmuje się, że temperatura punktu potrójnego wołu wynosi 273,16 K. Punkt potrójny wody w stopniach Celsjusza odpowiada 0,01 o C, temperatura topnienia lodu w kelwin jest równy 273,15 K.

Temperatura mierzona w Kelwinach nazywana jest bezwzględną. Zależność między temperaturą bezwzględną a temperaturą Celsjusza odzwierciedla wyrażenie:

Temperatura bezwzględna, energia kinetyczna cząsteczek i ciśnienie gazu doskonałego

Średnia energia ruchu translacyjnego cząsteczek jest wprost proporcjonalna do temperatury gazu:

gdzie jest stałą Boltzmanna. Wzór (6) oznacza, że średnia wartość energii kinetycznej ruchu translacyjnego cząsteczek nie zależy od rodzaju gazu doskonałego, lecz zależy jedynie od jego temperatury.

Ciśnienie gazu doskonałego zależy tylko od jego temperatury:

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia

W jakiej temperaturze w skali Celsjusza średnia energia kinetyczna ruchu translacyjnego cząsteczek gazu będzie równa J?

Rozwiązanie

Za podstawę rozwiązania zadania przyjmiemy prawo łączące temperaturę w skali termodynamicznej ze średnią energią kinetyczną cząsteczek:

Wyraźmy temperaturę bezwzględną z (1.1):

Obliczmy temperaturę:

Temperatura w Kelwinach i temperatura w stopniach Celsjusza są powiązane wyrażeniem:

Ustalamy, że temperatura gazu wynosi:

Odpowiedź

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia	Jak zmienia się średnia energia kinetyczna ruchu translacyjnego cząsteczek gazu doskonałego, jeśli proces ten można przedstawić na wykresie na rys. 1?
Rozwiązanie	Za podstawę rozwiązania zadania przyjmujemy równanie stanu gazu doskonałego w postaci:

Definicja termodynamiczna

Historia podejścia termodynamicznego

Słowo „temperatura” powstało w czasach, gdy ludzie wierzyli, że ciała bardziej ogrzane zawierają większą ilość specjalnej substancji - kalorycznej, niż ciała mniej ogrzane. Dlatego temperaturę postrzegano jako siłę mieszaniny materii ciała i kalorii. Z tego powodu jednostki miary mocy napojów alkoholowych i temperatury nazywane są tak samo - stopniami.

Wyznaczanie temperatury w fizyce statystycznej

Przyrządy do pomiaru temperatury są często kalibrowane w skali względnej - Celsjusza lub Fahrenheita.

W praktyce mierzy się także temperaturę

Najdokładniejszym praktycznym termometrem jest platynowy termometr oporowy. Opracowano najnowsze metody pomiaru temperatury, oparte na pomiarze parametrów promieniowania laserowego.

Jednostki i skala temperatury

Ponieważ temperatura jest energią kinetyczną cząsteczek, jasne jest, że najbardziej naturalne jest jej mierzenie w jednostkach energii (to znaczy w układzie SI w dżulach). Jednak pomiar temperatury rozpoczął się na długo przed powstaniem teorii kinetyki molekularnej, dlatego praktyczne skale mierzą temperaturę w konwencjonalnych jednostkach – stopniach.

Temperatura absolutna. Skala temperatury Kelvina

Pojęcie temperatury bezwzględnej wprowadził W. Thomson (Kelvin), dlatego też skalę temperatury bezwzględnej nazywa się skalą Kelvina lub termodynamiczną skalą temperatury. Jednostką temperatury bezwzględnej jest kelwin (K).

Absolutna skala temperatury nazywana jest tak, ponieważ miarą stanu podstawowego dolnej granicy temperatury jest zero absolutne, czyli najniższa możliwa temperatura, w której w zasadzie nie jest możliwe wydobycie energii cieplnej z substancji.

Zero absolutne definiuje się jako 0 K, co jest równe -273,15 ° C.

Skala temperatury Kelvina to skala rozpoczynająca się od zera absolutnego.

Duże znaczenie ma rozwój, opartych na termodynamicznej skali Kelvina, międzynarodowych skal praktycznych opartych na punktach odniesienia - przejściach fazowych czystych substancji wyznaczanych metodami termometrii pierwotnej. Pierwsza międzynarodowa skala temperatur została przyjęta w 1927 roku przez ITS-27. Od 1927 r. skala była kilkakrotnie redefiniowana (MTSh-48, MPTS-68, MTSh-90): zmieniały się temperatury odniesienia i metody interpolacji, ale zasada pozostaje ta sama - podstawą skali jest zbiór przejść fazowych czystych substancji o określonych wartościach temperatur termodynamicznych i przyrządów interpolacyjnych skalibrowanych w tych punktach. Obecnie obowiązuje skala ITS-90. Główny dokument (Przepisy dotyczące skali) ustala definicję Kelvina, wartości temperatur przemian fazowych (punktów odniesienia) i metody interpolacji.

Skale temperatur stosowane w życiu codziennym – zarówno stopnie Celsjusza, jak i Fahrenheita (stosowane głównie w USA) – nie mają charakteru bezwzględnego i dlatego są niewygodne przy prowadzeniu eksperymentów w warunkach, gdy temperatura spada poniżej punktu zamarzania wody, dlatego konieczne jest wyrażenie temperatury Liczba ujemna. Dla takich przypadków wprowadzono bezwzględne skale temperatur.

Jedna nazywa się skalą Rankine’a, a druga absolutną skalą termodynamiczną (skala Kelvina); ich temperatury mierzone są odpowiednio w stopniach Rankine’a (°Ra) i kelwinach (K). Obie skale zaczynają się od temperatury zera absolutnego. Różnią się one tym, że cena jednej działki w skali Kelvina jest równa cenie działki w skali Celsjusza, a cena jednej działki w skali Rankine'a jest równoznaczna z ceną podziału termometrów w skali Fahrenheita. Temperatura zamarzania wody przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym odpowiada 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Skala Kelvina jest powiązana z punktem potrójnym wody (273,16 K) i od niej zależy stała Boltzmanna. Stwarza to problemy z dokładnością interpretacji pomiarów wysokich temperatur. BIPM rozważa obecnie możliwość przejścia na nową definicję Kelvina i ustalenia stałej Boltzmanna zamiast odniesienia do temperatury punktu potrójnego. .

Celsjusz

W technice, medycynie, meteorologii i życiu codziennym stosuje się skalę Celsjusza, w której temperatura punktu potrójnego wody wynosi 0,008 °C, a zatem temperatura zamarzania wody pod ciśnieniem 1 atm wynosi 0 °C C. Obecnie skalę Celsjusza określa się za pomocą skali Kelvina: cena jednego działka w skali Celsjusza jest równa cenie działki w skali Kelvina, t(°C) = T(K) - 273,15. Tym samym temperatura wrzenia wody, pierwotnie wybrana przez Celsjusza jako punkt odniesienia 100 ° C, straciła na znaczeniu, a współczesne szacunki wskazują, że temperatura wrzenia wody przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym wynosi około 99,975 ° C. Skala Celsjusza jest praktycznie bardzo wygodne, ponieważ woda jest bardzo rozpowszechniona na naszej planecie i opiera się na niej nasze życie. Zero Celsjusza jest punktem szczególnym dla meteorologii, ponieważ wiąże się z zamarzaniem wody atmosferycznej. Skalę zaproponował Anders Celsjusza w 1742 roku.

Fahrenheita

W Anglii, a zwłaszcza w USA, używana jest skala Fahrenheita. Zero stopni Celsjusza to 32 stopnie Fahrenheita, a 100 stopni Celsjusza to 212 stopni Fahrenheita.

Obecna definicja skali Fahrenheita jest następująca: jest to skala temperatury, w której 1 stopień (1°F) jest równy 1/180 różnicy między temperaturą wrzenia wody a temperaturą topnienia lodu pod ciśnieniem atmosferycznym, oraz temperatura topnienia lodu wynosi +32°F. Temperatura w skali Fahrenheita jest powiązana z temperaturą w skali Celsjusza (t°C) poprzez stosunek t°C = 5/9 (t°F - 32), t°F = 9/5 t°C + 32. Proponowane przez G. Fahrenheita w 1724 roku.

Skala Reaumura

Przejścia z różnych skal

Porównanie skal temperatur

Opis	kelwin	Celsjusz	Fahrenheita	Rankina	Delisle'a	Niuton	Reaumur	Römera
Zero absolutne	0	−273,15	−459,67	0	559,725	−90,14	−218,52	−135,90
Temperatura topnienia mieszaniny Fahrenheita (sól i lód w równych ilościach)	255,37	−17,78	0	459,67	176,67	−5,87	−14,22	−1,83
Temperatura zamarzania wody (warunki normalne)	273,15	0	32	491,67	150	0	0	7,5
Średnia temperatura ciała człowieka¹	310,0	36,6	98,2	557,9	94,5	12,21	29,6	26,925
Temperatura wrzenia wody (warunki normalne)	373,15	100	212	671,67	0	33	80	60
Topienie tytanu	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Powierzchnia Słońca	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

¹ Normalna średnia temperatura ciała człowieka wynosi 36,6°C ±0,7°C lub 98,2°F ±1,3°F. Powszechnie podawana wartość 98,6°F jest dokładną konwersją na stopnie Fahrenheita XIX-wiecznej niemieckiej wartości 37°C. Jednak wartość ta nie mieści się w zakresie normalnej średniej temperatury ciała człowieka, ponieważ temperatura różnych części ciała jest różna.

Niektóre wartości w tej tabeli są zaokrąglone.

Charakterystyka przejść fazowych

Aby opisać punkty przejścia fazowego różnych substancji, stosuje się następujące wartości temperatury:

Temperatura wyżarzania
Temperatura spiekania
Temperatura syntezy
Temperatura powietrza
Temperatura gleby
Temperatura homologiczna
Temperatura Debye'a (temperatura charakterystyczna)

Zobacz też

Notatki

Literatura

Spassky B.I. Historia fizyki Część I. - Moskwa: „Szkoła wyższa”, 1977.
Sivukhin D.V. Termodynamika i fizyka molekularna. - Moskwa: „Nauka”, 1990.

Plan:

1 Definicja termodynamiczna
- 1.1 Historia podejścia termodynamicznego
2 Wyznaczanie temperatury w fizyce statystycznej
3 Pomiar temperatury
4 Jednostki i skala temperatury
- 4.1 Skala temperatury Kelvina
- Skala 4,2 Celsjusza
- 4.3 Fahrenheita
5 Energia ruchu termicznego w temperaturze zera absolutnego
- 5.1 Temperatura i promieniowanie
- 5.2 Skala Reaumura
6 Przejścia z różnych skal
7 Porównanie skal temperatur
8 Charakterystyka przejść fazowych
9 Interesujące fakty

Wstęp

Temperatura(od łac. temperatura- prawidłowe wymieszanie, stan normalny) jest skalarną wielkością fizyczną charakteryzującą średnią energię kinetyczną cząstek układu makroskopowego w stanie równowagi termodynamicznej na jeden stopień swobody.

Miarą temperatury nie jest sam ruch, ale chaotyczny charakter tego ruchu. Przypadkowość stanu ciała determinuje jego stan temperaturowy, a koncepcja (po raz pierwszy rozwinięta przez Boltzmanna), że pewien stan temperaturowy ciała nie jest wcale określony przez energię ruchu, ale przez przypadkowość tego ruchu , to nowe pojęcie w opisie zjawisk temperaturowych, z którego musimy skorzystać. ..

(P. L. Kapitsa)

W Międzynarodowym Układzie Jednostek (SI) temperatura termodynamiczna jest jedną z siedmiu podstawowych jednostek i wyrażana jest w kelwinach. Pochodne wielkości SI, które mają specjalną nazwę, obejmują temperaturę Celsjusza mierzoną w stopniach Celsjusza. W praktyce często stosuje się stopnie Celsjusza ze względu na ich historyczne powiązanie z ważnymi właściwościami wody – temperaturą topnienia lodu (0°C) i temperaturą wrzenia (100°C). Jest to wygodne, ponieważ większość procesów klimatycznych, procesów zachodzących w dzikiej przyrodzie itp. jest powiązana z tym zakresem. Zmiana temperatury o jeden stopień Celsjusza jest równoznaczna ze zmianą temperatury o jeden Kelvin. Dlatego po wprowadzeniu w 1967 roku nowej definicji Kelvina temperatura wrzenia wody przestała pełnić rolę stałego punktu odniesienia i jak pokazują dokładne pomiary, nie jest już równa 100°C, ale bliska 99,975. °C.

Istnieją również skale Fahrenheita i kilka innych.

1. Definicja termodynamiczna

Istnienie stanu równowagi nazywa się pierwszym położeniem początkowym termodynamiki. Drugie stanowisko wyjściowe termodynamiki to stwierdzenie, że stan równowagi charakteryzuje się pewną wielkością, która po zetknięciu termicznym dwóch układów równowagowych staje się dla nich taka sama w wyniku wymiany energii. Wielkość ta nazywana jest temperaturą.

1.1. Historia podejścia termodynamicznego

Słowo „temperatura” powstało w czasach, gdy ludzie wierzyli, że ciała bardziej ogrzane zawierają większą ilość specjalnej substancji – kalorycznej – niż ciała mniej ogrzane. Dlatego temperaturę postrzegano jako siłę mieszaniny materii ciała i kalorii. Z tego powodu jednostki miary mocy napojów alkoholowych i temperatury nazywane są tak samo - stopniami.

W stanie równowagi temperatura ma tę samą wartość dla wszystkich makroskopowych części układu. Jeżeli dwa ciała w układzie mają tę samą temperaturę, to nie następuje transfer energii kinetycznej cząstek (ciepła) pomiędzy nimi. Jeśli występuje różnica temperatur, to ciepło przemieszcza się z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej, ponieważ wzrasta entropia całkowita.

Temperatura jest również powiązana z subiektywnym odczuciem „ciepła” i „zimna”, związanym z tym, czy żywa tkanka oddaje, czy otrzymuje ciepło.

Niektóre układy mechaniki kwantowej mogą znajdować się w stanie, w którym entropia nie rośnie, lecz maleje wraz z dodaniem energii, co formalnie odpowiada ujemnej temperaturze bezwzględnej. Nie są to jednak stany „poniżej zera absolutnego”, ale „powyżej nieskończoności”, gdyż w momencie zetknięcia takiego układu z ciałem o dodatniej temperaturze energia przekazywana jest z układu do ciała, a nie odwrotnie (np. więcej szczegółów można znaleźć w artykule Termodynamika kwantowa).

Właściwości temperatury bada dział fizyki - termodynamika. Temperatura odgrywa także ważną rolę w wielu dziedzinach nauki, m.in. w innych gałęziach fizyki, a także w chemii i biologii.

2. Wyznaczanie temperatury w fizyce statystycznej

W fizyce statystycznej temperaturę określa się za pomocą wzoru

gdzie S to entropia, E to energia układu termodynamicznego. Wprowadzona w ten sposób wartość T jest taka sama dla różnych ciał w równowadze termodynamicznej. Kiedy dwa ciała się zetkną, ciało o dużej wartości T przekaże energię drugiemu.

3. Pomiar temperatury

Aby zmierzyć temperaturę termodynamiczną, wybiera się określony parametr termodynamiczny substancji termometrycznej. Zmiana tego parametru jest wyraźnie powiązana ze zmianą temperatury. Klasycznym przykładem termometru termodynamicznego jest termometr gazowy, w którym temperaturę wyznacza się poprzez pomiar ciśnienia gazu w butli o stałej objętości. Znane są również termometry bezwzględne, szumowe i akustyczne.

Termometry termodynamiczne to bardzo złożone urządzenia, których nie można wykorzystać w celach praktycznych. Dlatego większość pomiarów wykonuje się za pomocą praktycznych termometrów, które mają charakter wtórny, ponieważ nie mogą bezpośrednio powiązać żadnej właściwości substancji z temperaturą. Aby uzyskać funkcję interpolacji, należy je skalibrować w punktach odniesienia na międzynarodowej skali temperatur. Najdokładniejszym praktycznym termometrem jest platynowy termometr oporowy. Przyrządy do pomiaru temperatury są często kalibrowane w skali względnej - Celsjusza lub Fahrenheita.

W praktyce mierzy się także temperaturę

termometry cieczowe i mechaniczne,
termoelement,
termometr oporowy,

termometr gazowy,
pirometr.

Opracowano najnowsze metody pomiaru temperatury, oparte na pomiarze parametrów promieniowania laserowego.

4. Jednostki i skala pomiaru temperatury

4.1. Skala temperatury Kelvina

Zero absolutne definiuje się jako 0 K, co jest równe -273,15 ° C (dokładnie).

Skala temperatury Kelvina to skala rozpoczynająca się od zera absolutnego.

Skale temperatur stosowane w życiu codziennym – zarówno Celsjusza, jak i Fahrenheita (stosowane głównie w USA) – nie mają charakteru bezwzględnego i dlatego są niewygodne przy prowadzeniu eksperymentów w warunkach, gdy temperatura spada poniżej punktu zamarzania wody, dlatego też temperaturę należy wyrażać w sposób ujemny numer. Dla takich przypadków wprowadzono bezwzględne skale temperatur.

Jedna z nich nazywa się skalą Rankine’a, a druga to absolutna skala termodynamiczna (skala Kelvina); ich temperatury mierzone są odpowiednio w stopniach Rankine’a (°Ra) i kelwinach (K). Obie skale zaczynają się od temperatury zera absolutnego. Różnią się one tym, że cena jednej działki w skali Kelvina jest równa cenie działki w skali Celsjusza, a cena jednej działki w skali Rankine'a jest równoznaczna z ceną podziału termometrów w skali Fahrenheita. Temperatura zamarzania wody przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym odpowiada 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

4.2. Celsjusz

4.3. Fahrenheita

W Anglii, a zwłaszcza w USA, używana jest skala Fahrenheita. Zero stopni Celsjusza to 32 stopnie Fahrenheita, a stopień Fahrenheita to 9/5 stopnia Celsjusza.

5. Energia ruchu termicznego w temperaturze zera absolutnego

Kiedy materia ochładza się, wielkość wielu form energii cieplnej i związanych z nimi efektów jednocześnie maleje. Materia przechodzi ze stanu mniej uporządkowanego do stanu bardziej uporządkowanego.

...nowoczesna koncepcja zera absolutnego nie jest koncepcją absolutnego spoczynku, wręcz przeciwnie, przy zera absolutnym może nastąpić ruch - i istnieje, ale jest to stan zupełnego porządku ...

P. L. Kapitsa (Właściwości ciekłego helu)

Gaz zamienia się w ciecz, a następnie krystalizuje w ciało stałe (hel, nawet w temperaturze zera absolutnego, pozostaje w stanie ciekłym pod ciśnieniem atmosferycznym). Ruch atomów i cząsteczek zwalnia, ich energia kinetyczna maleje. Opór większości metali zmniejsza się na skutek zmniejszenia rozpraszania elektronów na atomach sieci krystalicznej wibrujących z mniejszą amplitudą. Zatem nawet w temperaturze zera absolutnego elektrony przewodnictwa poruszają się pomiędzy atomami z prędkością Fermiego rzędu 1 × 10 6 m/s.

Temperatura, w której cząstki materii wykazują minimalny ruch, zachowany jedynie na skutek ruchu mechaniki kwantowej, to temperatura zera absolutnego (T = 0K).

Nie można osiągnąć temperatury zera absolutnego. Najniższą temperaturę (450 ± 80) × 10 −12 K kondensatu Bosego-Einsteina atomów sodu uzyskali w 2003 roku badacze z MIT. W tym przypadku szczyt promieniowania cieplnego znajduje się w obszarze długości fal rzędu 6400 km, czyli w przybliżeniu promienia Ziemi.

5.1. Temperatura i promieniowanie

Energia emitowana przez ciało jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury. Zatem przy temperaturze 300 K z metra kwadratowego powierzchni emitowanych jest do 450 watów. Wyjaśnia to na przykład ochłodzenie powierzchni ziemi w nocy poniżej temperatury otoczenia. Energię promieniowania ciała całkowicie czarnego opisuje prawo Stefana-Boltzmanna

5.2. Skala Reaumura

Zaproponowany w 1730 roku przez RA Reaumur, który opisał wynaleziony przez siebie termometr alkoholowy.

Jednostką jest stopień Reaumur (°R), 1°R jest równy 1/80 przedziału temperatur pomiędzy punktami odniesienia – temperaturą topnienia lodu (0°R) i temperaturą wrzenia wody (80°R)

1°R = 1,25°C.

Obecnie skala wyszła z użycia, najdłużej przetrwała we Francji, ojczyźnie autora.

6. Przejścia z różnych skal

7. Porównanie skal temperatur

Porównanie skal temperatur

Opis	kelwin	Celsjusz	Fahrenheita	Rankina	Delisle'a	Niuton	Reaumur	Römera
Zero absolutne	0	−273.15	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
Temperatura topnienia mieszaniny Fahrenheita (sól i lód w równych ilościach)	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
Temperatura zamarzania wody (warunki normalne)	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Średnia temperatura ciała człowieka¹	310.0	36.6	98.2	557.9	94.5	12.21	29.6	26.925
Temperatura wrzenia wody (warunki normalne)	373.15	100	212	671.67	0	33	80	60
Topienie tytanu	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Powierzchnia Słońca	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

¹ Normalna średnia temperatura ciała człowieka wynosi 36,6°C ±0,7°C lub 98,2°F ±1,3°F. Powszechnie podawana wartość 98,6 °F jest dokładną konwersją na stopnie Fahrenheita XIX-wiecznej niemieckiej wartości 37 °C. Jednak wartość ta nie mieści się w zakresie normalnej średniej temperatury ciała człowieka, ponieważ temperatura różnych części ciała jest różna.

Niektóre wartości w tej tabeli zostały zaokrąglone.

8. Charakterystyka przejść fazowych

Aby opisać punkty przejścia fazowego różnych substancji, stosuje się następujące wartości temperatury:

Temperatura topnienia
Temperatura wrzenia
Temperatura wyżarzania
Temperatura spiekania
Temperatura syntezy
Temperatura powietrza
Temperatura gleby
Temperatura homologiczna
Potrójny punkt
Temperatura Debye'a (temperatura charakterystyczna)
Temperatura Curie'go

9. Ciekawe fakty

Najniższa temperatura na Ziemi do lat 1910-68, Wierchojańsk

Najwyższa temperatura stworzona przez człowieka, ~ 10 bilionów. K (która jest porównywalna z temperaturą Wszechświata w pierwszych sekundach jego życia) została osiągnięta w 2010 roku podczas zderzenia jonów ołowiu rozpędzonych do prędkości bliskich prędkościom świetlnym. Eksperyment przeprowadzono w Wielkim Zderzaczu Hadronów
Najwyższą teoretycznie możliwą temperaturą jest temperatura Plancka. Wyższa temperatura nie może istnieć, ponieważ wszystko zamienia się w energię (wszystkie cząstki subatomowe zapadną się). Temperatura ta wynosi w przybliżeniu 1,41679(11)×10 32 K (około 142 nonillionów K).
Najniższą temperaturę wytworzoną przez człowieka uzyskali w 1995 roku Eric Cornell i Carl Wieman z USA, chłodząc atomy rubidu. . Było powyżej zera absolutnego o mniej niż 1/170 miliardowej części K (5,9 × 10-12 K).
Powierzchnia Słońca ma temperaturę około 6000 K.
Nasiona roślin wyższych zachowują żywotność po schłodzeniu do -269°C.

Notatki

GOST 8.417-2002. JEDNOSTKI ILOŚCI - nolik.ru/systems/gost.htm
Pojęcie temperatury - temperatur.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
I. P. Bazarow. Termodynamika, M., Szkoła Wyższa, 1976, s. 23-35. 13-14.
Platyna - temperatur.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 termometr oporowy - główne urządzenie MTSH-90.
Termometria laserowa - temperatur.ru/newmet/newmet.php?page=0
Punkty odniesienia MTSH-90 - temperatur.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
Opracowanie nowej definicji Kelvina - temperatur.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
D. A. Parshin, G. G. Zegrya Punkt krytyczny. Właściwości substancji w stanie krytycznym. Potrójny punkt. Przejścia fazowe drugiego rzędu. Metody uzyskiwania niskich temperatur. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. Termodynamika statystyczna. Wykład 11. Uniwersytet Akademicki w Petersburgu.
O różnych pomiarach temperatury ciała - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (angielski)
BBC News – Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) generuje „mini-Wielki Wybuch” – www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
Wszystko o wszystkim. Zapisy temperatur - tem-6.narod.ru/weather_record.html
Cuda nauki – www.seti.ee/ff/34gin.swf

Literatura

B. I. Spasski Historia fizyki Część I - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Moskwa: „Szkoła wyższa”, 1977.
Sivukhin D.V. Termodynamika i fizyka molekularna. - Moskwa: „Nauka”, 1990.

pobierać
Streszczenie opiera się na artykule z rosyjskiej Wikipedii. Synchronizacja została zakończona 09.07.11 o godzinie 16:20:43
Podobne streszczenia: Widmo (w fizyce), Przestrzeń w fizyce, Wielkości fizyczne.
Tekst jest dostępny na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa – Na tych samych warunkach.

Każdy człowiek na co dzień spotyka się z pojęciem temperatury. Termin na dobre wpisał się w naszą codzienność: podgrzewamy jedzenie w kuchence mikrofalowej lub gotujemy jedzenie w piekarniku, interesuje nas pogoda na zewnątrz lub dowiadujemy się, czy woda w rzece jest zimna – wszystko to jest ściśle związane z tym pojęciem . Czym jest temperatura, co oznacza ten parametr fizyczny, jak się go mierzy? Na te i inne pytania odpowiemy w artykule.

Wielkość fizyczna

Przyjrzyjmy się, jaka jest temperatura z punktu widzenia izolowanego układu znajdującego się w równowadze termodynamicznej. Termin pochodzi z łaciny i oznacza „właściwą mieszaninę”, „stan normalny”, „proporcjonalność”. Wielkość ta charakteryzuje stan równowagi termodynamicznej dowolnego układu makroskopowego. W przypadku, gdy jest ona poza równowagą, z biegiem czasu następuje przejście energii z obiektów bardziej nagrzanych do obiektów mniej nagrzanych. Rezultatem jest wyrównanie (zmiana) temperatury w całym systemie. Jest to pierwszy postulat (prawo zera) termodynamiki.

Temperatura określa rozkład cząstek składowych układu według poziomów energii i prędkości, stopnia jonizacji substancji, właściwości równowagowego promieniowania elektromagnetycznego ciał i całkowitej objętościowej gęstości promieniowania. Ponieważ dla układu znajdującego się w równowadze termodynamicznej wymienione parametry są równe, zwykle nazywa się je temperaturą układu.

Osocze

Oprócz ciał równowagi istnieją układy, w których stan charakteryzuje się kilkoma wartościami temperatury, które nie są sobie równe. Dobrym przykładem jest plazma. Składa się z elektronów (lekko naładowanych cząstek) i jonów (ciężkich naładowanych cząstek). Kiedy się zderzają, następuje szybki transfer energii z elektronu na elektron i z jonu na jon. Ale między heterogenicznymi elementami następuje powolne przejście. Plazma może znajdować się w stanie, w którym poszczególne elektrony i jony są bliskie równowagi. W takim przypadku można przyjąć oddzielne temperatury dla każdego rodzaju cząstki. Parametry te będą się jednak od siebie różnić.

Magnesy

W ciałach, w których cząstki posiadają moment magnetyczny, przenoszenie energii następuje zwykle powoli: od translacyjnych do magnetycznych stopni swobody, które wiążą się z możliwością zmiany kierunków momentu. Okazuje się, że istnieją stany, w których ciało charakteryzuje się temperaturą, która nie pokrywa się z parametrem kinetycznym. Odpowiada to ruchowi do przodu cząstek elementarnych. Temperatura magnetyczna określa część energii wewnętrznej. Może być zarówno pozytywny, jak i negatywny. Podczas procesu wyrównywania energia zostanie przeniesiona z cząstek o wyższej temperaturze do cząstek o niższej temperaturze, jeśli oba będą dodatnie lub ujemne. W odwrotnej sytuacji proces ten będzie przebiegał w odwrotnym kierunku – temperatura ujemna będzie „wyższa” od dodatniej.

Dlaczego jest to konieczne?

Paradoks polega na tym, że przeciętny człowiek, aby przeprowadzić proces pomiarowy zarówno w życiu codziennym, jak i w przemyśle, nie musi nawet wiedzieć, jaka jest temperatura. Wystarczy, że zrozumie, że jest to stopień nagrzania przedmiotu lub otoczenia, zwłaszcza że pojęcia te znamy od dzieciństwa. Rzeczywiście, najbardziej praktyczne przyrządy przeznaczone do pomiaru tego parametru w rzeczywistości mierzą inne właściwości substancji, które zmieniają się w zależności od poziomu ogrzewania lub chłodzenia. Na przykład ciśnienie, opór elektryczny, objętość itp. Ponadto takie odczyty są ręcznie lub automatycznie przeliczane do wymaganej wartości.

Okazuje się, że aby określić temperaturę, nie trzeba studiować fizyki. Większość populacji naszej planety żyje według tej zasady. Jeśli telewizor działa, nie ma potrzeby rozumienia procesów przejściowych urządzeń półprzewodnikowych, badania gniazda ani sposobu odbioru sygnału. Ludzie są przyzwyczajeni do tego, że w każdej dziedzinie są specjaliści, którzy potrafią naprawić lub zdebugować system. Przeciętny człowiek nie chce obciążać mózgu, bo o wiele lepiej ogląda się operę mydlaną czy piłkę nożną na „pudełku” popijając zimne piwo.

I chcę wiedzieć

Są jednak ludzie, najczęściej studenci, którzy albo z ciekawości, albo z konieczności, zmuszeni są studiować fizykę i ustalać, czym tak naprawdę jest temperatura. W rezultacie w swoich poszukiwaniach trafiają w dżunglę termodynamiki i badają jej zasadę zerową, pierwszą i drugą. Ponadto dociekliwy umysł będzie musiał zrozumieć entropię. A na koniec swojej podróży zapewne przyzna, że określenie temperatury jako parametru odwracalnego układu cieplnego, niezależnego od rodzaju substancji roboczej, nie rozjaśni sensu tego pojęcia. Mimo wszystko widoczną częścią będą pewne stopnie akceptowane przez międzynarodowy układ jednostek (SI).

Temperatura jako energia kinetyczna

Bardziej „namacalne” podejście nazywa się teorią kinetyki molekularnej. Z tego powstaje pomysł, że ciepło jest uważane za formę energii. Na przykład energia kinetyczna cząsteczek i atomów, parametr uśredniony dla ogromnej liczby chaotycznie poruszających się cząstek, okazuje się miarą tego, co powszechnie nazywa się temperaturą ciała. Zatem cząstki w nagrzanym układzie poruszają się szybciej niż w zimnym układzie.

Ponieważ termin, o którym mowa, jest ściśle powiązany ze średnią energią kinetyczną grupy cząstek, całkiem naturalnym byłoby użycie dżula jako jednostki miary temperatury. Tak się jednak nie dzieje, co tłumaczy się faktem, że energia ruchu termicznego cząstek elementarnych jest bardzo mała w stosunku do dżula. Dlatego korzystanie z niego jest niewygodne. Ruch termiczny mierzony jest w jednostkach pochodzących od dżuli przy użyciu specjalnego współczynnika przeliczeniowego.

Jednostki temperatury

Obecnie do wyświetlania tego parametru używa się trzech głównych jednostek. W naszym kraju temperaturę podaje się najczęściej w stopniach Celsjusza. Ta jednostka miary opiera się na punkcie krzepnięcia wody – wartości bezwzględnej. To jest punkt wyjścia. Oznacza to, że temperatura wody, w której zaczyna tworzyć się lód, wynosi zero. W tym przypadku wzorową miarą jest woda. Konwencja ta została przyjęta dla wygody. Drugą wartością bezwzględną jest temperatura pary, czyli moment przejścia wody ze stanu ciekłego w stan gazowy.

Następną jednostką są stopnie Kelvina. Za punkt początkowy tego układu uważa się punkt. Zatem jeden stopień Kelvina jest równy 1. Jedyną różnicą jest punkt początkowy. Ustalamy, że zero Kelwinów będzie równe minus 273,16 stopnia Celsjusza. W 1954 roku Generalna Konferencja Miar i Wag zdecydowała się zastąpić termin „kelwin” w odniesieniu do jednostki temperatury słowem „kelwin”.

Trzecią powszechnie przyjętą jednostką miary są stopnie Fahrenheita. Do 1960 roku były one szeroko stosowane we wszystkich krajach anglojęzycznych. Jednak jednostka ta jest nadal używana w życiu codziennym w Stanach Zjednoczonych. System zasadniczo różni się od opisanych powyżej. Za punkt wyjścia przyjmuje się temperaturę zamarzania mieszaniny soli, amoniaku i wody w stosunku 1:1:1. Zatem w skali Fahrenheita temperatura zamarzania wody wynosi plus 32 stopnie, a temperatura wrzenia plus 212 stopni. W tym systemie jeden stopień jest równy 1/180 różnicy między tymi temperaturami. Zatem zakres od 0 do +100 stopni Fahrenheita odpowiada zakresowi od -18 do +38 stopni Celsjusza.

Absolutna temperatura zera

Zastanówmy się, co oznacza ten parametr. Zero bezwzględne to wartość temperatury granicznej, w której ciśnienie gazu doskonałego osiąga zero dla ustalonej objętości. Jest to najniższa wartość w przyrodzie. Jak przewidywał Michajło Łomonosow, „jest to największy lub ostatni stopień zimna”. Wynika z tego, że równe objętości gazów, poddane tej samej temperaturze i ciśnieniu, zawierają tę samą liczbę cząsteczek. Co z tego wynika? Istnieje minimalna temperatura gazu, przy której jego ciśnienie lub objętość spada do zera. Ta wartość bezwzględna odpowiada zerowi Kelvina, czyli 273 stopniom Celsjusza.

Kilka interesujących faktów na temat Układu Słonecznego

Temperatura na powierzchni Słońca sięga 5700 kelwinów, a w centrum jądra - 15 milionów kelwinów. Planety Układu Słonecznego znacznie różnią się od siebie pod względem poziomu ogrzewania. Zatem temperatura jądra naszej Ziemi jest w przybliżeniu taka sama jak na powierzchni Słońca. Jowisz jest uważany za najgorętszą planetę. Temperatura w centrum jego jądra jest pięciokrotnie wyższa niż na powierzchni Słońca. Jednak najniższą wartość parametru odnotowano na powierzchni Księżyca – wynosiła ona zaledwie 30 kelwinów. Wartość ta jest jeszcze niższa niż na powierzchni Plutona.

Fakty o Ziemi

1. Najwyższa temperatura zarejestrowana przez człowieka wynosiła 4 miliardy stopni Celsjusza. Wartość ta jest 250 razy wyższa niż temperatura jądra Słońca. Rekord został ustanowiony w nowojorskim Brookhaven Natural Laboratory w zderzaczu jonów o długości około 4 kilometrów.

2. Temperatura na naszej planecie również nie zawsze jest idealna i komfortowa. Na przykład w mieście Wierchnojańsk w Jakucji temperatura zimą spada do minus 45 stopni Celsjusza. Ale w etiopskim mieście Dallol sytuacja jest odwrotna. Tam średnia roczna temperatura wynosi plus 34 stopnie.

3. Najbardziej ekstremalne warunki pracy ludzi panują w kopalniach złota w Republice Południowej Afryki. Górnicy pracują na głębokości trzech kilometrów w temperaturze plus 65 stopni Celsjusza.