Temperatura bezwzględna gazu doskonałego. Pojęcie temperatury Definicja, czym jest temperatura
Temperatura (w fizyce) Temperatura(z łac. temperatura - właściwe mieszanie, proporcjonalność, stan normalny), wielkość fizyczna charakteryzująca stan równowagi termodynamicznej układu makroskopowego. T. jest taki sam dla wszystkich części izolowanego systemu znajdującego się w równowaga termodynamiczna.
Jeżeli izolowany układ nie jest w równowadze, to z biegiem czasu przejście energii (przekazywanie ciepła) z bardziej nagrzanych części układu do mniej nagrzanych prowadzi do wyrównania ciepła w całym układzie (pierwszy postulat, czyli początek zerowy termodynamika). T. definiuje: rozkład cząstek tworzących układ poziomy energii(cm. Statystyka Boltzmanna) i rozkład prędkości cząstek (patrz. Dystrybucja Maxwella); stopień jonizacji substancji (patrz Formuła Sacha); właściwości równowagowego promieniowania elektromagnetycznego ciał - widmowa gęstość promieniowania (patrz. Prawo Plancka promieniowania), całkowita objętościowa gęstość promieniowania (patrz. Prawo promieniowania Stefana-Boltzmanna) itd. T., zawarte jako parametr w rozkładzie Boltzmanna, często nazywane jest wzbudzeniem T., w rozkładzie Maxwella - kinetycznym T., we wzorze Saha - jonizacją T., w prawie Stefana-Boltzmanna - temperatura promieniowania.
Ponieważ dla układu będącego w równowadze termodynamicznej wszystkie te parametry są sobie równe, nazywa się je po prostu temperaturą układu. W kinetyczna teoria gazów i innych działach mechaniki statystycznej, T. wyznacza się ilościowo tak, że średnia energia kinetyczna ruchu translacyjnego cząstki (posiadającej trzy stopnie swobody) jest równa T, gdzie k jest Stała Boltzmanna, T- Temperatura ciała. W ogólnym przypadku energię definiuje się jako pochodną energii ciała jako całości zgodnie z jego wartością entropia Temperatura ta jest zawsze dodatnia (ponieważ energia kinetyczna jest dodatnia); nazywa się ją temperaturą bezwzględną lub temperaturą w termodynamicznej skali temperatur. Na jednostkę absolutnej T.in Międzynarodowy układ jednostek(SI) zaakceptowane kelwin(DO). T. często mierzy się w skali Celsjusza (t), wartości t są powiązane z T przez równość t = T √ 273,15 K (stopień Celsjusza jest równy Kelvinowi). Metody pomiaru T. omówiono w artykułach Termometria, termometr.
Jedynie stan równowagi ciał charakteryzuje się ściśle określoną temperaturą. Istnieją jednak układy, których stan można w przybliżeniu scharakteryzować kilkoma nierównymi temperaturami. Na przykład w plazmie składającej się z lekkich (elektronów) i ciężkich (jony) cząstek naładowanych, gdy cząstki zderzają się, energia jest szybko przenoszona z elektronów na elektrony i z jonów na jony, ale powoli z elektronów na jony i z powrotem. Istnieją stany plazmy, w których poszczególne układy elektronów i jonów są bliskie równowagi i możliwe jest wprowadzenie T. elektron T uh i T. jony T I , nie pasujące do siebie.
W ciałach, których cząstki mają Moment magnetyczny,
energia jest zwykle przenoszona powoli z translacyjnych do magnetycznych stopni swobody, co wiąże się z możliwością zmiany kierunku momentu magnetycznego. Z tego powodu istnieją stany, w których układ momentów magnetycznych charakteryzuje się temperaturą nie pokrywającą się z temperaturą kinetyczną odpowiadającą ruchowi translacyjnemu cząstek. Temperatura magnetyczna określa część magnetyczną energii wewnętrznej i może być dodatnia lub ujemna (patrz. Ujemna temperatura). W procesie wyrównywania temperatury energia jest przekazywana od cząstek (stopni swobody) o wyższej temperaturze do cząstek (stopni swobody) o niższej temperaturze, jeśli obie są dodatnie lub ujemne, ale w przeciwnym kierunku, jeśli jedna z nich jest dodatni, a drugi ujemny. W tym sensie ujemne T. jest „wyższe” niż jakiekolwiek dodatnie.
Pojęcie T. służy również do charakteryzowania układów nierównowagowych (patrz. Termodynamika procesów nierównowagowych). Na przykład jasność ciał niebieskich charakteryzuje się temperatura jasności,
skład widmowy promieniowania - temperatura koloru itp.
L. F. Andreev.
Wielka encyklopedia radziecka. - M .: Encyklopedia radziecka. 1969-1978 .
Zobacz, co oznacza „Temperatura (w fizyce)” w innych słownikach:
- ... Wikipedii
TEMPERATURA, w biologii, intensywność ciepła. U zwierząt stałocieplnych (HOMITERMALNYCH), takich jak ptaki i ssaki, temperatura ciała utrzymuje się w wąskich granicach niezależnie od temperatury otoczenia. Dzieje się tak za sprawą mięśni... Naukowy i techniczny słownik encyklopedyczny
Wymiar Θ Jednostki miary SI K ... Wikipedia
Temperatura wrzenia, temperatura wrzenia to temperatura, w której ciecz wrze pod stałym ciśnieniem. Temperatura wrzenia odpowiada temperaturze pary nasyconej nad płaską powierzchnią wrzącej cieczy, ponieważ… Wikipedia
Najważniejszym elementem charakteryzującym pogodę jest temperatura środowiska gazowego otaczającego powierzchnię Ziemi, a właściwie temperatura warstwy powietrza, która jest przedmiotem naszych obserwacji. W obserwacjach meteorologicznych pierwiastek ten zajmuje pierwsze miejsce... Słownik encyklopedyczny F.A. Brockhausa i I.A. Efrona
temperatura- 1) Wielkość charakteryzująca ciało fizyczne w stanie równowagi termicznej związana jest z natężeniem ruchu termicznego części ciała; 2) stopień ogrzania ciała człowieka jako wskaźnik stanu zdrowia; rozkład podwyższony stopień ogrzania ciała przy... ... Historyczny i etymologiczny słownik zapożyczeń łacińskich
Należy sprawdzić jakość tłumaczenia i dostosować artykuł do zasad stylistycznych Wikipedii. Możesz pomóc... Wikipedia
Historia technologii Według okresów i regionów: Rewolucja neolityczna Starożytne technologie Egiptu Nauka i technologia starożytnych Indii Nauka i technologia starożytnych Chin Technologie starożytnej Grecji Technologie starożytnego Rzymu Technologie świata islamu... ... Wikipedia
Temperatura charakteryzująca stany równowagi układu termodynamicznego, w których prawdopodobieństwo znalezienia układu w mikrostanie o wyższej energii jest większe niż w mikrostanie o niższej. W statystyce kwantowej oznacza to, że... ... Wikipedia
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.
Z równania (2.4)
wynika z tego, że ciśnienie gazu doskonałego jest proporcjonalne do jego gęstości (gęstość gazu określa się na podstawie liczby cząsteczek na jednostkę objętości) i średniej energii kinetycznej ruchu translacyjnego cząsteczek. Przy stałej, a zatem przy stałej objętości gazu V (gdzie jest liczba cząsteczek w naczyniu), ciśnienie gazu zależy jedynie od średniej energii kinetycznej cząsteczek.
Tymczasem z doświadczenia wiadomo, że przy stałej objętości ciśnienie gazu można zmienić tylko w jeden sposób: przez jego ogrzewanie lub chłodzenie; Gdy gaz jest podgrzewany, jego ciśnienie wzrasta, a gdy się ochładza, maleje. Ogrzany i schłodzony gaz, jak każde ciało, charakteryzuje się temperaturą - specjalną wartością, która od dawna wykorzystywana jest w nauce, technologii i życiu codziennym. Dlatego musi istnieć związek między temperaturą a średnią energią kinetyczną cząsteczek.
Zanim odkryjemy to powiązanie, przyjrzyjmy się, czym jest temperatura jako wielkość fizyczna.
W życiu codziennym temperatura jest dla nas wielkością odróżniającą „gorąco” od „zimna”. A pierwsze pomysły na temat temperatury zrodziły się z odczuć ciepła i zimna. Możemy wykorzystać te znane wrażenia, aby poznać główną cechę temperatury jako wielkości fizycznej.
Weźmy trzy naczynia. Do jednego z nich wlej gorącą wodę, do drugiego zimną wodę, a do trzeciego mieszankę gorącej i zimnej wody. Włóżmy jedną rękę, np. prawą, do naczynia z gorącą wodą, a lewą rękę do naczynia z zimną wodą. Trzymając ręce przez jakiś czas w tych naczyniach, przeniesiemy je do trzeciego naczynia. Co nasze wrażenia powiedzą nam o wodzie w tym naczyniu? Prawa ręka będzie jak woda
jest zimno, a lewy mówi, że jest ciepło. Ale ta „rozbieżność” zniknie, jeśli dłużej będziesz trzymać obie ręce w trzecim naczyniu. Po pewnym czasie obie ręce zaczną odczuwać dokładnie te same odczucia, odpowiadające temperaturze wody w trzecim naczyniu.
Rzecz w tym, że ręce, które najpierw znajdowały się w naczyniach z ciepłą i zimną wodą, miały różną temperaturę, różniącą się od siebie i od temperatury w trzecim naczyniu. I potrzeba trochę czasu, aby temperatura każdej dłoni zrównała się z temperaturą wody, w której jest zanurzona. Wtedy temperatura dłoni stanie się taka sama. Wrażenia będą takie same. Konieczne jest, jak mówią, ustalenie równowagi termicznej w układzie ciał „prawa ręka - lewa ręka - woda”.
To proste doświadczenie pokazuje, że temperatura jest wielkością charakteryzującą stan równowagi termicznej: ciała w stanie równowagi termicznej mają te same temperatury. I odwrotnie, ciała o tej samej temperaturze znajdują się ze sobą w równowadze termicznej. A jeśli dwa ciała są w równowadze termicznej z jakimś trzecim ciałem, to oba ciała są ze sobą w równowadze termicznej. To ważne stwierdzenie jest jednym z podstawowych praw natury. I na tym opiera się sama możliwość pomiaru temperatury. W opisanym doświadczeniu mówiliśmy np. o równowadze termicznej obu rąk, po tym jak każda z nich znalazła się w równowadze termicznej z wodą.
Jeżeli ciało lub układ ciał nie znajduje się w stanie równowagi termicznej i układ jest izolowany (nie oddziałuje z innymi ciałami), to po pewnym czasie stan równowagi termicznej ustala się sam. Stan równowagi termicznej to stan, w który przechodzi każdy izolowany układ. Po osiągnięciu takiego stanu nie ulega on już zmianom i w układzie nie zachodzą żadne zmiany makroskopowe. Jednym ze znaków stanu równowagi termicznej jest równość temperatur wszystkich części ciała lub wszystkich ciał układu. Wiadomo, że w procesie ustalania się równowagi termicznej, czyli wyrównywania się temperatur dwóch ciał, następuje przekazywanie ciepła z jednego ciała na drugie. Zatem z eksperymentalnego punktu widzenia temperatura ciała jest wielkością określającą, czy przekaże ono ciepło innemu ciału o innej temperaturze, czy też otrzyma od niego ciepło.
Temperatura zajmuje dość szczególne miejsce wśród wielkości fizycznych. Nie jest to zaskakujące, jeśli weźmiemy pod uwagę, że w epoce, gdy wielkość ta pojawiła się w nauce, nie było dokładnie wiadomo, jakie procesy wewnętrzne w materii powodują odczuwanie ciepła i zimna.
Wyjątkowość temperatury jako wielkości fizycznej polega przede wszystkim na tym, że w odróżnieniu od wielu innych wielkości,
nie dodatek. Oznacza to, że jeśli mentalnie podzielisz ciało na części, wówczas temperatura całego ciała nie będzie równa sumie temperatur jego części. W ten sposób temperatura różni się od np. wielkości takich jak długość, objętość, masa, których wartości dla całego ciała składają się z wartości odpowiednich wielkości dla jego części.
W rezultacie nie można zmierzyć temperatury ciała bezpośrednio, mierzy się długość lub masę, czyli poprzez porównanie ze wzorcem. Jeżeli o jednym pręcie można powiedzieć, że jego długość jest wielokrotnie większa od długości innego pręta, to pytanie, ile razy jedna temperatura zawiera się w drugim, nie ma sensu.
Do pomiaru temperatury od dawna stosuje się zasadę, że wraz ze zmianą temperatury ciała zmieniają się także jego właściwości. W konsekwencji zmieniają się wielkości charakteryzujące te właściwości. Dlatego też, aby stworzyć urządzenie mierzące temperaturę, czyli termometr, wybiera się substancję (substancję termometryczną) oraz pewną wielkość charakteryzującą właściwość substancji (wielkość termometryczna). Wybór obu jest całkowicie dowolny. Na przykład w termometrach domowych substancją termometryczną jest rtęć, a wielkością termometryczną jest długość słupka rtęci.
Aby wartość temperatury została powiązana z określonymi wartościami liczbowymi, konieczne jest również określenie tej lub innej zależności wartości termometrycznej od temperatury. Wybór tej zależności również jest dowolny: w końcu, choć nie ma termometru, to nie da się tej zależności ustalić doświadczalnie! Na przykład w przypadku termometru rtęciowego wybiera się liniową zależność długości słupka rtęci (objętości rtęci) od temperatury.
Pozostaje ustalić jednostkę temperatury - stopień (choć w zasadzie można go wyrazić w tych samych jednostkach, w których mierzy się wartość termometryczną, na przykład za pomocą termometru rtęciowego - w centymetrach!). Wartość stopnia również jest dobierana dowolnie (podobnie jak substancja termometryczna, wartość termometryczna i rodzaj funkcji łączącej wartość termometryczną z temperaturą). Rozmiar stopnia jest ustawiany w następujący sposób. Wybierają znowu dowolnie dwie temperatury (nazywają je punktami odniesienia) - zwykle są to temperatury topnienia lodu i wrzącej wody pod ciśnieniem atmosferycznym - i dzielą ten przedział temperatur na pewną (również dowolną) liczbę równych części - stopni, i jednej z tych dwóch temperatur przypisuje się określoną wartość liczbową. Określa to wartość drugiej temperatury i dowolnej temperatury pośredniej. W ten sposób uzyskuje się skalę temperatur. Oczywiste jest, że stosując opisaną procedurę można otrzymać niezliczoną ilość różnych termometrów i skal temperatur,
Współczesna termometria opiera się na skali gazu doskonałego, wyznaczanej za pomocą termometru gazowego. Zasadniczo termometr gazowy to zamknięte naczynie wypełnione gazem doskonałym i wyposażone w manometr do pomiaru ciśnienia gazu. Oznacza to, że substancją termometryczną w takim termometrze jest gaz doskonały, a wielkością termometryczną jest ciśnienie gazu przy stałej objętości. Przyjmuje się, że zależność ciśnienia od temperatury jest (dokładnie przyjęta!) liniowa. Założenie to prowadzi do tego, że stosunek ciśnień w temperaturach wrzącej wody i topniejącego lodu jest równy stosunkowi samych tych temperatur:
Nastawienie można łatwo określić na podstawie doświadczenia. Wykazały to liczne pomiary
Jest to zatem wartość stosunku temperaturowego:
Wielkość stopnia wybiera się dzieląc różnicę na sto części:
Z dwóch ostatnich równości wynika, że temperatura topnienia lodu w wybranej przez nas skali wynosi 273,15 stopnia, a temperatura wrzenia wody Tk wynosi 373,15 stopnia. Aby zmierzyć temperaturę ciała za pomocą termometru gazowego, należy zetknąć ciało z termometrem gazowym i po odczekaniu osiągnięcia równowagi zmierzyć w termometrze ciśnienie gazu. Następnie temperaturę ciała określa się według wzoru
gdzie jest ciśnienie gazu w termometrze umieszczonym w topniejącym lodzie.
W praktyce termometr gazowy jest używany niezwykle rzadko. Powierzono mu bardziej odpowiedzialną rolę - zgodnie z nią kalibruje się wszystkie używane termometry.
Temperatura równa zeru w naszej skali to oczywiście temperatura, w której ciśnienie gazu doskonałego wynosiłoby zero. (Nie oznacza to, że gaz doskonały można faktycznie schłodzić tak bardzo, że jego ciśnienie osiągnie zero.) Jeżeli przy zera skali temperatury wielkość termometryczna osiągnie zero, wówczas taką skalę nazywamy skalą absolutną, a temperaturę mierzoną na taka skala nazywana jest temperaturą absolutną. Opisana tutaj skala termometru gazowego jest bezwzględna. Często nazywana jest także skalą Kelvina,
a jednostką temperatury w tej skali jest stopień Kelvina lub po prostu kelwin (symbol: K).
W technice i życiu codziennym często stosuje się skalę temperatur, która różni się od opisanej tym, że temperaturze topnienia lodu przypisuje się wartość zerową (przy tym samym stopniu wielkości). Skala ta nazywana jest skalą Celsjusza. Temperatura mierzona na tej skali jest powiązana z temperaturą bezwzględną oczywistą zależnością:
W dalszej części będziemy używać skali Kelvina.
Z tego, co tu powiedziano, wynika, że temperatura charakteryzuje równowagę termiczną ciał: po przejściu do stanu równowagi temperatury ciał wyrównują się, a w stanie równowagi temperatura wszystkich części ciała lub ciała układ ciał jest taki sam, z tym wiąże się sama procedura pomiaru temperatury. Rzeczywiście, aby zmierzyć wartość wielkości termometrycznej w temperaturach topniejącego lodu i wrzącej wody, termometr należy doprowadzić do stanu równowagi z topniejącym lodem i wrzącą wodą, a aby zmierzyć temperaturę dowolnego ciała, należy zapewnić możliwość ustalenia równowagi termicznej pomiędzy termometrem a ciałem. I dopiero gdy taka równowaga zostanie osiągnięta, możemy uznać, że temperatura ciała jest równa temperaturze zmierzonej przez termometr.
Zatem temperatura jest tym, co wyrównuje się w procesie ustalania równowagi w układzie. Ale sama koncepcja wyrównania oznacza, że coś jest przenoszone z jednej części systemu do drugiej. Równanie (2.4), które otrzymaliśmy dla ciśnienia gazu doskonałego, pozwoli nam zrozumieć, czym jest to „coś”.
Wyobraźmy sobie izolowaną butlę z gazem doskonałym, w którym została już ustalona równowaga termiczna, tak że temperatura we wszystkich częściach objętości gazu jest taka sama. Załóżmy, że bez naruszania równowagi w cylindrze umieszczony jest ruchomy tłok, dzielący objętość gazu na dwie części (ryc. 3, a). W warunkach równowagi tłok będzie w spoczynku. Oznacza to, że w stanie równowagi nie tylko temperatury, ale także ciśnienia po obu stronach tłoka są takie same. Zgodnie z równaniem (2.4) ilości są również takie same
Przerwijmy teraz tymczasowo izolację naszej butli z gazem i podgrzejmy jedną z jej części, np. tę po lewej stronie tłoka, po czym ponownie przywrócimy izolację. Teraz gaz w butli nie jest w równowadze - temperatura w lewej komorze jest wyższa niż w prawej (ryc. 3, b). Ale gaz jest izolowany i przejście do stanu równowagi rozpocznie się samo. Jednocześnie zobaczymy, że tłok zacznie się poruszać od lewej do prawej. Oznacza to, że praca została wykonana, a zatem energia jest przekazywana z gazu w lewej komorze do gazu w prawej komorze przez tłok. Oznacza to, że w procesie ustalania się równowagi termicznej przekazywana jest energia. Po pewnym czasie ruch tłoka ustanie. Ale tłok zatrzyma się po serii wibracji. I zatrzyma się w tym samym miejscu w którym był przed nagrzaniem lewej komory cylindrów. W butli gazowej ponownie ustalono stan równowagi. Ale teraz temperatura gazu i jego ciśnienie są oczywiście wyższe niż przed ogrzewaniem.
Ponieważ tłok zatrzymał się w tym samym miejscu, stężenie cząsteczek (tj. liczba cząsteczek na jednostkę objętości) pozostało takie samo. Oznacza to, że w wyniku ogrzewania gazu zmienia się jedynie średnia energia kinetyczna jego cząsteczek. Wyrównanie temperatury oznacza zatem wyrównanie średniej energii kinetycznej cząsteczek po obu stronach tłoka. Podczas przejścia do stanu równowagi energia jest przenoszona z jednej części gazu do drugiej, ale wyrównywana jest nie energia całego gazu jako całości, ale średnia energia kinetyczna przypadająca na cząsteczkę. Jest to średnia energia kinetyczna cząsteczki, która zachowuje się jak temperatura.
Te dwie wielkości są podobne także pod tym względem, że średnia energia kinetyczna, podobnie jak temperatura, nie jest wielkością addytywną, lecz jest taka sama dla całego gazu i każdej jego części (zawierającej odpowiednio dużą liczbę cząsteczek). Energia całego gazu jest oczywiście wielkością addytywną – składa się z energii jego części.
Nie myślmy, że nasze rozumowanie dotyczy tylko przypadku, gdy gaz w cylindrze jest dzielony tłokiem na dwie części. A bez tłoka cząsteczki wymieniałyby energię podczas zderzeń ze sobą i byłaby ona przenoszona z części bardziej nagrzanej do mniej nagrzanej, w wyniku czego wyrównałyby się średnie energie kinetyczne cząsteczek. Tłok jedynie sprawia, że przekazywanie energii wydaje się widoczne, gdyż jego ruch związany jest z wykonywaniem pracy.
Powyższe proste, choć niezbyt rygorystyczne rozumowanie pokazuje, że wielkość od dawna znana jako temperatura w rzeczywistości reprezentuje średnią energię kinetyczną ruchu translacyjnego cząsteczek. Nie zmienia się fakt, że uzyskaliśmy ten wynik dla przypadku gazu doskonałego
W odniesieniu do gazu doskonałego wygodniej jest założyć, że temperatura jest równa dwóm trzecim średniej energii kinetycznej cząsteczek, ponieważ uprości to postać wzoru (2.4) na ciśnienie gazu. Oznaczywszy w ten sposób wyznaczoną temperaturę literą, możemy napisać:
Wtedy równanie (2.4) przyjmie prostą postać:
Przy takiej definicji temperatury należy ją oczywiście mierzyć w jednostkach energii (w układzie SI – w dżulach, w układzie jednostek CGS – w ergach). Jednak w praktyce stosowanie takiej jednostki temperatury jest niewygodne. Nawet tak mała jednostka energii jest zbyt duża, aby służyć jako jednostka temperatury. Podczas jego stosowania powszechnie spotykane temperatury byłyby wyrażane w pomijalnie małych liczbach. Na przykład temperatura topnienia lodu będzie wynosić. Ponadto pomiar temperatury wyrażonej w ergach byłby bardzo trudny.
Z tego powodu, a także dlatego, że wartość temperatury stosowano na długo przed opracowaniem koncepcji kinetyki molekularnej, które wyjaśniały prawdziwe znaczenie temperatury, nadal mierzy się ją w starych jednostkach - stopniach, pomimo konwencjonalności tej jednostki.
Ale jeśli mierzysz temperaturę w stopniach, musisz wprowadzić odpowiedni współczynnik, który przelicza jednostki energii i stopnie. Zwykle oznacza się to literą. Następnie związek pomiędzy temperaturą mierzoną w stopniach a średnią energią kinetyczną wyraża się równością:
Przypomnijmy, że wzór (3.1) odnosi się do cząsteczki, którą zgodziliśmy się uważać za podobną do punktu. Jego energia kinetyczna jest energią kinetyczną ruchu postępowego, której prędkość można rozłożyć na trzy składowe. Ze względu na chaotyczny charakter ruchów molekularnych można założyć, że energia
cząsteczki są równomiernie rozłożone na wszystkie trzy składowe prędkości, tak że każda z nich odpowiada za energię
Współczynnik wyrażający związek pomiędzy jednostką energii a jednostką temperatury – kelwinem – nazywany jest stałą Boltzmanna. Oczywiste jest, że jego wartość liczbową należy ustalić eksperymentalnie. Ze względu na szczególne znaczenie tej stałej wyznaczano ją wieloma metodami. Przedstawiamy najdokładniejszą jak dotąd wartość tej stałej. W jednostkach SI
W systemie jednostek GHS
Ze wzoru (3.1) wynika, że temperaturą zerową jest temperatura, w której średnia energia kinetyczna przypadkowych ruchów cząsteczek wynosi zero, czyli temperatura, w której zatrzymują się chaotyczne ruchy cząsteczek. Jest to zero absolutne, początek temperatury absolutnej, o której wspomniano powyżej.
Ze wzoru (3.1) wynika również, że nie może być temperatur ujemnych, gdyż energia kinetyczna jest wielkością zasadniczo dodatnią. Jednakże poniżej, w rozdz. VI zostanie pokazane, że dla niektórych układów możliwe jest formalne wprowadzenie pojęcia temperatur ujemnych. Nie można jednak o nich powiedzieć, że są to temperatury poniżej zera absolutnego i że odnoszą się one do stanu równowagi układu.
Ponieważ temperatura zależy od średniej energii ruchu cząsteczek, jest ona, podobnie jak ciśnienie, wielkością statystyczną. Nie można mówić o „temperaturze” jednej lub kilku cząsteczek, ani o cząsteczkach „gorących” lub „zimnych”. Nie ma sensu na przykład mówić o temperaturze gazu w przestrzeni kosmicznej, gdzie liczba cząsteczek na jednostkę objętości jest tak mała, że nie tworzą one gazu w zwykłym tego słowa znaczeniu i jest to niemożliwe mówić o średniej energii ruchu cząsteczek.
Energie związane z chaotycznymi ruchami cząstek gazu są bardzo małe. Ze wzoru (3.1) i z podanej wartości stałej Boltzmanna wynika, że temperatura 1 K odpowiada energii równej. W najniższej dotychczas osiągniętej temperaturze (około 10 6 K) średnia energia cząsteczek wynosi około 109 dżuli. Nawet najwyższa sztucznie uzyskana temperatura - około 100 milionów stopni, powstająca podczas wybuchu bomby atomowej - odpowiada znikomemu dżulowi energii cząstek.
Ze względu na to, że temperatura odgrywa bardzo ważną rolę w fizyce i technologii, zaliczana jest wraz z długością, masą i czasem do podstawowych wielkości układu miar SI, a jednostka temperatury Kelwin jest jedną z podstawowe jednostki tego układu (wymiar temperaturowy oznaczono literą ).
W SI jednostkę temperatury (kelwin) ustala się nie na podstawie przedziału temperatur „temperatura topnienia lodu - temperatura wrzącej wody”, ale na podstawie przedziału „zero absolutne - temperatura punktu potrójnego wody ”. Punkt potrójny wody to temperatura, w której woda, para wodna i lód znajdują się w równowadze (patrz § 130). Temperatura punktu potrójnego wody ma wartość 273,16 K (dokładną).
Zatem 1 kelwin jest równy części przedziału temperatur od temperatury zera absolutnego do temperatury punktu potrójnego wody.
Ponieważ temperatura punktu potrójnego wody wynosi 0,01 °C, stopnie w skali Celsjusza i Kelvina są takie same, a każdą temperaturę można wyrazić w stopniach Celsjusza lub Kelwinach
W podręcznikach szkolnych i uniwersyteckich można znaleźć wiele różnych wyjaśnień temperatury. Temperaturę definiuje się jako wartość odróżniającą ciepło od zimna, jako stopień nagrzania ciała, jako cechę stanu równowagi termicznej, jako wartość proporcjonalną do energii przypadającej na stopień swobody cząstki itp. i tak dalej. Najczęściej temperaturę substancji definiuje się jako miarę średniej energii ruchu termicznego cząstek substancji lub jako miarę intensywności ruchu termicznego cząstek. Niebiańska istota fizyki, teoretyk, zdziwi się: „Co tu jest niezrozumiałego? Temperatura jest dQ/ dS, Gdzie Q- ciepło i S- entropia! Taka obfitość definicji u każdej krytycznie myślącej osoby budzi podejrzenie, że ogólnie przyjęta naukowa definicja temperatury nie istnieje obecnie w fizyce.
Spróbujmy znaleźć prostą i konkretną interpretację tego pojęcia na poziomie przystępnym dla maturzysty. Wyobraźmy sobie ten obrazek. Spadł pierwszy śnieg i dwaj bracia podczas przerwy w szkole rozpoczęli zabawną grę zwaną „śnieżkami”. Zobaczymy, jaka energia zostanie przekazana zawodnikom podczas tych zawodów. Dla uproszczenia zakładamy, że wszystkie pociski trafiły w cel. Gra toczy się z wyraźną przewagą starszego brata. Ma też większe kule śnieżne i rzuca nimi z większą prędkością. Energia wszystkich rzuconych przez niego śnieżek, gdzie N Z– liczba rzutów, oraz - średnia energia kinetyczna jednej piłki. Średnią energię oblicza się za pomocą zwykłego wzoru:
Tutaj M- masa śnieżek i w- ich prędkość.
Jednak nie cała energia wydatkowana przez starszego brata zostanie przekazana młodszemu partnerowi. Tak naprawdę śnieżki uderzają w cel pod różnymi kątami, dlatego część z nich, odbita od osoby, zabiera część pierwotnej energii. To prawda, że są też „skutecznie” rzucone piłki, które mogą skutkować podbitym okiem. W tym drugim przypadku cała energia kinetyczna pocisku jest przekazywana obiektowi, do którego strzela się. Dochodzimy zatem do wniosku, że energia śnieżek przekazana młodszemu bratu będzie równa mi Z, A , Gdzie Θ
Z– średnia wartość energii kinetycznej, która zostaje przekazana młodszemu partnerowi, gdy uderzy go jedna śnieżka. Oczywiste jest, że im większa jest średnia energia na rzuconą piłkę, tym większa będzie średnia energia Θ
Z, przenoszony na cel przez jeden pocisk. W najprostszym przypadku zależność między nimi może być wprost proporcjonalna: Θ
Z =A. W związku z tym młodszy uczeń zużywał energię przez całe zawody
, ale energia przekazana starszemu bratu będzie mniejsza: będzie równa
, Gdzie N M– liczba rzutów, oraz Θ
M– średnia energia jednej śnieżki pochłonięta przez jej starszego brata.
Coś podobnego dzieje się podczas termicznego oddziaływania ciał. Jeśli zetkniemy dwa ciała, cząsteczki pierwszego ciała w krótkim czasie przekażą energię drugiemu ciału w postaci ciepła. , Gdzie Δ
S 1
jest liczbą zderzeń cząsteczek pierwszego ciała z drugim ciałem, oraz Θ
1
jest średnią energią, jaką cząsteczka pierwszego ciała przekazuje drugiemu ciału w jednym zderzeniu. W tym samym czasie cząsteczki drugiego ciała stracą energię
. Tutaj Δ
S 2
to liczba elementarnych aktów interakcji (liczba uderzeń) cząsteczek drugiego ciała z pierwszym ciałem, oraz Θ
2
- średnia energia, jaką cząsteczka drugiego ciała przekazuje jednym uderzeniem ciału pierwszemu. Ogrom Θ
w fizyce nazywa się to temperaturą. Jak pokazuje doświadczenie, jest ona powiązana ze średnią energią kinetyczną cząsteczek ciał stosunkiem:
(2)
I teraz możemy podsumować wszystkie powyższe argumenty. Jaki wniosek powinniśmy wyciągnąć odnośnie fizycznej zawartości danej ilości Θ ? Naszym zdaniem jest to całkowicie oczywiste.
ciało przenosi się do innego obiektu makroskopowego w jednym
zderzenie z tym obiektem.
Jak wynika ze wzoru (2), temperatura jest parametrem energetycznym, co oznacza, że jednostką temperatury w układzie SI jest dżul. Ściśle rzecz ujmując, należy narzekać mniej więcej tak: „Wygląda na to, że wczoraj się przeziębiłem, boli mnie głowa, a temperatura wynosi aż 4,294·10 -21 J!” Czy nie jest to niezwykła jednostka pomiaru temperatury, a wartość jest jakoś za mała? Ale nie zapominaj, że mówimy o energii, która jest ułamkiem średniej energii kinetycznej tylko jednej cząsteczki!
W praktyce temperaturę mierzy się w dowolnie wybranych jednostkach: florentach, kelwinach, stopniach Celsjusza, stopniach Rankine’a, stopniach Fahrenheita itp. (Długość potrafię określić nie w metrach, ale w kablach, sążniach, stopniach, wershokach, stopach itp. Pamiętam, że w jednym z kreskówek długość boa dusiciela obliczono nawet u papug!)
Aby zmierzyć temperaturę, należy zastosować jakiś czujnik, który należy zetknąć z badanym przedmiotem.Nazwiemy go czujnikiem korpus termometryczny . Ciało termometryczne musi mieć dwie właściwości. Po pierwsze, musi być znacznie mniejszy niż badany obiekt (dokładniej, pojemność cieplna korpusu termometrycznego powinna być znacznie mniejsza niż pojemność cieplna badanego obiektu). Czy próbowałeś kiedyś zmierzyć temperaturę, powiedzmy, komara za pomocą zwykłego termometru medycznego? Spróbuj! Co, nic nie wychodzi? Rzecz w tym, że podczas procesu wymiany ciepła owad nie będzie w stanie zmienić stanu energetycznego termometru, ponieważ całkowita energia cząsteczek komara jest znikoma w porównaniu z energią cząsteczek termometru.
No dobrze, wezmę mały przedmiot, na przykład ołówek i przy jego pomocy spróbuję zmierzyć sobie temperaturę. Znowu coś nie idzie dobrze... A powodem niepowodzenia jest to, że korpus termometryczny musi mieć jeszcze jedną obowiązkową właściwość: w kontakcie z badanym przedmiotem muszą nastąpić zmiany w korpusie termometrycznym, które można zarejestrować wzrokowo lub za pomocą instrumenty.
Przyjrzyj się bliżej, jak działa zwykły termometr domowy. Jego korpus termometryczny to małe kuliste naczynie połączone z cienką rurką (kapilarą). Naczynie wypełnione jest cieczą (najczęściej rtęcią lub kolorowym alkoholem). W kontakcie z gorącym lub zimnym przedmiotem ciecz zmienia swoją objętość i odpowiednio zmienia się wysokość kolumny w kapilarze. Aby jednak zarejestrować zmiany wysokości słupa cieczy, konieczne jest również przymocowanie skali do korpusu termometru. Urządzenie zawierające korpus termometryczny i wybraną w określony sposób skalę nazywa się termometr . Obecnie najczęściej używanymi termometrami są skala Celsjusza i skala Kelvina.
Skalę Celsjusza ustalają dwa punkty odniesienia (odniesienia). Pierwszym punktem odniesienia jest punkt potrójny wody – warunki fizyczne, w których trzy fazy wody (ciecz, gaz, ciało stałe) znajdują się w równowadze. Oznacza to, że w tych warunkach masa cieczy, masa kryształów wody i masa pary wodnej pozostają niezmienione. W takim układzie oczywiście zachodzą procesy parowania i kondensacji, krystalizacji i topienia, ale one się równoważą. Jeżeli nie jest wymagana bardzo duża dokładność pomiaru temperatury (np. przy produkcji termometrów domowych), pierwszy punkt odniesienia uzyskuje się umieszczając korpus termometru w śniegu lub lodzie topiącym się pod ciśnieniem atmosferycznym. Drugim punktem odniesienia są warunki, w których woda w stanie ciekłym znajduje się w równowadze z parą (innymi słowy, temperatura wrzenia wody) przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Oznaczenia wykonuje się na skali termometru odpowiadającej punktom odniesienia; odstęp między nimi jest podzielony na sto części. Jedna jednostka tak wybranej skali nazywa się stopniem Celsjusza (˚C). Za punkt potrójny wody przyjmuje się 0 stopni Celsjusza.
Skala Celsjusza znalazła największe praktyczne zastosowanie na świecie; niestety ma kilka istotnych wad. Temperatura w tej skali może przyjmować wartości ujemne, natomiast energia kinetyczna i odpowiednio temperatura mogą być tylko dodatnie. Dodatkowo odczyty termometrów ze skalą Celsjusza (z wyjątkiem punktów odniesienia) zależą od wyboru korpusu termometrycznego.
Skala Kelvina nie ma wad skali Celsjusza. Jako substancję roboczą w termometrach ze skalą Kelvina należy zastosować gaz doskonały. Skalę Kelvina również wyznaczają dwa punkty odniesienia. Pierwszym punktem odniesienia są warunki fizyczne, w jakich zatrzymuje się ruch termiczny cząsteczek gazu doskonałego. Punkt ten przyjmuje się w skali Kelvina jako 0. Drugim punktem odniesienia jest punkt potrójny wody. Odstęp między punktami odniesienia dzieli się na 273,15 części. Jedna jednostka tak wybranej skali nazywa się kelwinem (K). Liczbę podziałów 273,15 dobrano tak, aby cena podziału w skali Kelvina pokrywała się z ceną podziału w skali Celsjusza, wówczas zmiana temperatury w skali Kelvina pokrywała się ze zmianą temperatury w skali Celsjusza; Ułatwia to przejście od czytania jednej skali do drugiej. Temperatura w skali Kelvina jest zwykle oznaczona literą T. Zależność pomiędzy temperaturami T w skali Celsjusza i temperaturze T, mierzona w kelwinach, ustalana jest na podstawie zależności
I
.
Aby zmienić temperaturę T, mierzona w K, do temperatury Θ Stałą Boltzmanna wyraża się w dżulach k=1,38·10 -23 J/K, pokazuje, ile dżuli przypada na 1 K:
Θ = kT.
Niektórzy mądrzy ludzie próbują znaleźć jakieś tajne znaczenie stałej Boltzmanna; Tymczasem k- najczęstszy współczynnik przeliczający temperaturę z Kelvina na dżule.
Zwróćmy uwagę czytelnika na trzy specyficzne cechy temperatury. Po pierwsze, jest to uśredniony (statystyczny) parametr zespołu cząstek. Wyobraź sobie, że zdecydowałeś się znaleźć średni wiek ludzi na Ziemi. W tym celu idziemy do przedszkola, sumujemy wiek wszystkich dzieci i dzielimy tę kwotę przez liczbę dzieci. Okazuje się, że średni wiek ludzi na Ziemi wynosi 3,5 roku! Wydawało się, że myśleli dobrze, ale wynik, jaki uzyskali, był absurdalny. Ale chodzi o to, że w statystyce trzeba operować ogromną liczbą obiektów lub zdarzeń. Im większa ich liczba (idealnie powinna być nieskończenie duża), tym dokładniejsza będzie wartość średniego parametru statystycznego. Dlatego pojęcie temperatury ma zastosowanie tylko do ciał zawierających ogromną liczbę cząstek. Kiedy dziennikarz w pogoni za sensacją donosi, że temperatura cząstek spadających na statek kosmiczny wynosi kilka milionów stopni, bliscy astronautów nie muszą mdleć: statkowi nie dzieje się nic strasznego: wystarczy, że niepiśmienny pisarz zda egzamin energia niewielkiej liczby cząstek kosmicznych jako temperatura. Gdyby jednak statek zmierzający na Marsa stracił kurs i zbliżył się do Słońca, pojawiłyby się kłopoty: liczba cząstek bombardujących statek jest ogromna, a temperatura korony słonecznej wynosi 1,5 miliona stopni.
Po drugie, temperatura charakteryzuje się termiczną, tj. nieuporządkowany ruch cząstek. W oscyloskopie elektronicznym obraz na ekranie rysowany jest przez wąski strumień elektronów skupiony w jednym punkcie. Elektrony te przechodzą przez pewną identyczną różnicę potencjałów i uzyskują w przybliżeniu tę samą prędkość. Dla takiego zespołu cząstek kompetentny specjalista wskazuje ich energię kinetyczną (na przykład 1500 elektronowoltów), która oczywiście nie jest temperaturą tych cząstek.
Wreszcie, po trzecie, zauważamy, że przenoszenie ciepła z jednego ciała na drugie może odbywać się nie tylko w wyniku bezpośredniego zderzenia cząstek tych ciał, ale także w wyniku absorpcji energii w postaci kwantów promieniowania elektromagnetycznego ( proces ten zachodzi podczas opalania się na plaży). Dlatego bardziej ogólną i dokładną definicję temperatury należy sformułować w następujący sposób:
Temperatura ciała (substancji, układu) jest wielkością fizyczną, która jest liczbowo równa średniej energii, jaką cząsteczka tego ciała
ciało przenosi się do innego obiektu makroskopowego w jednym
elementarny akt interakcji z tym przedmiotem.
Na zakończenie wróćmy do definicji omówionych na początku tego artykułu. Ze wzoru (2) wynika, że znając temperaturę substancji, można jednoznacznie określić średnią energię cząstek substancji. Zatem temperatura jest tak naprawdę miarą średniej energii ruchu termicznego cząsteczek lub atomów (nawiasem mówiąc, średniej energii cząstek nie można wyznaczyć bezpośrednio eksperymentalnie). Z drugiej strony energia kinetyczna jest proporcjonalna do kwadratu prędkości; Oznacza to, że im wyższa temperatura, tym większa prędkość cząsteczek, tym intensywniejszy jest ich ruch. Dlatego temperatura jest miarą intensywności ruchu termicznego cząstek. Definicje te są z pewnością dopuszczalne, ale mają zbyt ogólny i czysto jakościowy charakter.
Plan:
- Wstęp
- 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 Notatki
Literatura
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
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.
4.1. 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 (dokładnie).
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 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.
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. .
4.2. Celsjusz
W technologii, 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.
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.
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.
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 wyemitowana 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
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. Bazarov. 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.
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.