Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Температура



План:


Введення

Температура (від лат. temperatura - Належне змішування, нормальний стан) - скалярна фізична величина, що характеризує припадає на одну ступінь свободи середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи, що перебуває в стані термодинамічної рівноваги.

В Міжнародній системі одиниць (СІ) термодинамічна температура входить до складу семи основних одиниць і виражається в кельвінах. До складу похідних величин СІ, які мають спеціальну назву, входить температура Цельсія, яка вимірюється в градусах Цельсія [1]. На практиці часто застосовують градуси Цельсія через історичної прив'язки до важливих характеристик води - температурі танення льоду (0 C) і температурі кипіння (100 C). Це зручно, так як більшість кліматичних процесів, процесів у живій природі і т. д. пов'язані з цим діапазоном. Зміна температури на один градус Цельсія тотожно зміні температури на один Кельвін. Тому після введення в 1967 р. нового визначення Кельвіна, температура кипіння води перестала грати роль незмінною реперної точки і, як показують точні вимірювання, вона вже не дорівнює 100 C, а близька до 99,975 C [2].

Існують також шкали Фаренгейта і деякі інші.


1. Термодинамічне визначення

Існування рівноважного стану називають першим вихідним положенням термодинаміки. Другим початковим положенням термодинаміки називають твердження про те, що рівноважний стан характеризується деякою величиною, яка при тепловому контакті двох рівноважних систем стає для них однаковою в результаті обміну енергією. Ця величина називається температурою. [3]

1.1. Історія термодинамічної підходу

Слово "температура" виникло в ті часи, коли люди вважали, що в більш нагрітих тілах міститься більша кількість особливої ​​речовини - теплорода, ніж в менш нагрітих. Тому температура сприймалась як фортеця суміші речовини тіла і теплорода. З цієї причини одиниці виміру міцності спиртних напоїв та температури називаються однаково - градусами.

В рівноважному стані температура має однакове значення для всіх макроскопічних частин системи. Якщо в системі два тіла мають однакову температуру, то між ними не відбувається передачі кінетичної енергії частинок ( тепла). Якщо ж існує різниця температур, то тепло переходить від тіла з високою температурою до тіла з нижчою, тому що сумарна ентропія при цьому зростає.

Температура пов'язана також із суб'єктивними відчуттями "тепла" і "холоду", пов'язаними з тим, чи віддає жива тканина тепло або одержує її.

Деякі квантово системи можуть перебувати в стані, при якому ентропія не зростає, а зменшується при додаванні енергії, що формально відповідає негативною абсолютній температурі. Однак такі стани знаходяться не "нижче абсолютного нуля", а "вище нескінченності", оскільки при контакті такої системи з тілом, що володіє позитивною температурою, енергія передається від системи до тіла, а не навпаки (докладніше див Квантова термодинаміка).

Властивості температури вивчає розділ фізики - термодинаміка. Температура також відіграє важливу роль у багатьох галузях науки, включаючи інші розділи фізики, а також хімію і біологію.


2. Визначення температури в статистичній фізиці

В статистичної фізики температура визначається за формулою

T = \ frac {dE} {dS} ,

де S - ентропія, E - енергія термодинамічної системи. Введена таким чином величина T є однаковою для різних тіл при термодинамічній рівновазі. При контакті двох тіл тіло з більшим значенням T віддаватиме енергію іншому.



3. Вимірювання температури

Для вимірювання термодинамічної температури вибирається певний термодинамічний параметр термометричної речовини. Зміна цього параметра однозначно пов'язується із зміною температури. Класичним прикладом термодинамічної термометра може служити газовий термометр, в якому температуру визначають методом вимірювання тиску газу в балоні постійного об'єму. Відомі також термометри абсолютні радіаційні, шумові, акустичні.

Термодинамічні термометри - це дуже складні установки, які неможливо використовувати для практичних цілей. Тому більшість вимірювань проводиться за допомогою практичних термометрів, які є вторинними, тому що не можуть безпосередньо пов'язувати якусь властивість речовини з температурою. Для отримання функції інтерполяції вони повинні бути відградуйовані в реперних точках міжнародної температурної шкали.
Засоби вимірювання температури часто проградуіровани за відносними шкалами - Цельсія або Фаренгейта.

На практиці для вимірювання температури також використовують

Найточнішим практичним термометром є платиновий термометр опору [4]. Розроблено новітні методи вимірювання температури, засновані на вимірюванні параметрів лазерного випромінювання [5].


4. Одиниці та шкала вимірювання температури

З того, що температура - це кінетична енергія молекул, ясно, що найбільш природно вимірювати її в енергетичних одиницях (тобто в системі СІ в джоулях). Проте вимір температури почалося задовго до створення молекулярно-кінетичної теорії, тому практичні шкали вимірюють температуру в умовних одиницях - градусах.

4.1. Шкала температур Кельвіна

Поняття абсолютної температури було введено У. Томсоном (Кельвіном), у зв'язку з чим шкалу абсолютної температури називають шкалою Кельвіна або термодинамічної температурної шкали. Одиниця абсолютної температури - кельвін (К).

Абсолютна шкала температури називається так, тому що захід основного стану нижньої межі температури - абсолютний нуль, тобто найнижча можлива температура, при якій в принципі неможливо витягнути з речовини теплову енергію.

Абсолютний нуль визначено як 0 K, що дорівнює -273.15 C (точно).

Шкала температур Кельвіна - це шкала, у якій початок відліку ведеться від абсолютного нуля.

Важливе значення має розробка на основі термодинамічної шкали Кельвіна Міжнародних практичних шкал, заснованих на реперних точках - фазових переходах чистих речовин, визначених методами первинної термометрії. Першої міжнародної температурної шкали була прийнята в 1927 р. МТШ-27. З 1927 р. шкала кілька разів перевизначати (МТШ-48, МПТШ-68, МТШ-90): мінялися реперні температури, методи інтерполяції, але принцип залишився той самий - основою шкали є набір фазових переходів чистих речовин з певними значеннями термодинамічних температур і інтерполяційні прилади, градуйовані в цих точках. В даний час діє шкала МТШ-90. Основний документ (Положення про шкалою) встановлює визначення Кельвіна, значення температур фазових переходів (реперних точок) [6] і методи інтерполяції.

Використовувані в побуті температурні шкали - як Цельсія, так і Фаренгейта (використовувана, в основному, в США), - не є абсолютними і тому незручні при проведенні експериментів в умовах, коли температура опускається нижче точки замерзання води, через що температуру доводиться висловлювати негативним числом. Для таких випадків були введені абсолютні шкали температур.

Одна з них називається шкалою Ранкина, а інша - абсолютної термодинамічної шкали (шкалою Кельвіна); температури по ним вимірюються, відповідно, в градусах Ранкина ( Ra) і кельвінах (К). Обидві шкали починаються при температурі абсолютного нуля. Розрізняються вони тим, що ціна одного розподілу за шкалою Кельвіна дорівнює ціні поділки шкали Цельсія, а ціна поділки шкали Ранкина еквівалентна ціною поділки термометрів зі шкалою Фаренгейта. Температурі замерзання води при стандартному атмосферному тиску відповідають 273,15 K, 0 C, 32 F.

Масштаб шкали Кельвіна прив'язаний до потрійний точці води (273,16 К), при цьому від неї залежить постійна Больцмана. Це створює проблеми з точністю інтерпретації вимірів високих температур. Зараз МБМВ розглядає можливість переходу до нового визначення кельвіна і фіксування постійної Больцмана, замість прив'язки до температури потрійної точки. [7].


4.2. Шкала Цельсія

У техніці, медицині, метеорології і в побуті використовується шкала Цельсія, в якій температура потрійної точки води дорівнює 0,008 C, [8] і, отже, точка замерзання води при тиску в 1 атм дорівнює 0 C. В даний час шкалу Цельсія визначають через шкалу Кельвіна: ціна одного поділу в шкалі Цельсія дорівнює ціні поділки шкали Кельвіна, t ( С) = Т (К) - 273,15. Таким чином, точка кипіння води, спочатку вибрана Цельсієм, як реперна точка, що дорівнює 100 C, втратила своє значення, і за сучасними оцінками температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску складає близько 99,975 C. Шкала Цельсія практично дуже зручна, оскільки вода дуже поширена на нашій планеті і на ній заснована наша життя. Нуль Цельсія - особлива точка для метеорології, оскільки пов'язана з замерзанням атмосферної води. Шкала запропонована Андерсом Цельсієм в 1742 р.


4.3. Шкала Фаренгейта

В Англії і, особливо, в США використовується шкала Фаренгейта. Нуль градусів Цельсія - це 32 градуси Фаренгейта, а градус Фаренгейта дорівнює 9 / 5 градуса Цельсія.

В даний час прийнято таке визначення шкали Фаренгейта: це температурна шкала, 1 градус якої (1 F) дорівнює 1 / 180 різниці температур кипіння води і танення льоду при атмосферному тиску, а точка танення льоду має температуру +32 F. Температура за шкалою Фаренгейта пов'язана з температурою за шкалою Цельсія (t С) співвідношенням t С = 5 / 9 (t F - 32), t F = 9 / 5 t С + 32. Запропоновано Г. Фаренгейтом в 1724.


5. Енергія теплового руху при абсолютному нулі

Коли матерія охолоджується, багато форм теплової енергії та пов'язані з нею ефекти одночасно зменшуються за величиною. Речовина переходить від менш упорядкованого стану до більш впорядкованого.

... Сучасне поняття абсолютного нуля не є поняття абсолютного спокою, навпаки, при абсолютному нулі може бути рух - і воно є, але це є стан повного порядку ...

П. Л. Капіца (Властивості рідкого гелію)

Газ перетворюється в рідину і потім кристалізується в тверде тіло (гелій і при абсолютному нулі залишається в рідкому стані при атмосферному тиску). Рух атомів і молекул сповільнюється, їх кінетична енергія зменшується. Опір більшості металів падає через зменшення розсіювання електронів на вагається з меншою амплітудою атомах кристалічної решітки. Таким чином навіть при абсолютному нулі електрони провідності рухаються між атомами зі швидкістю Фермі порядку 1 10 6 м / с.

Температура, при якій частинки речовини мають мінімальну кількість руху, що зберігається лише завдяки квантовомеханічної руху, - це температура абсолютного нуля (Т = 0К).

Температури абсолютного нуля досягти неможливо. Найнижча температура (450 80) 10 -12 К конденсату Бозе-Ейнштейна атомів натрію була отримана в 2003 дослідниками з МТІ . При цьому пік теплового випромінювання знаходиться в області довжин хвиль близько 6400 км, тобто приблизно радіуса Землі.


5.1. Температура і випромінювання

Випромінювана тілом енергія пропорційна четвертого ступеня його температури. Так, при 300 К з квадратного метра поверхні випромінюється до 450 ват. Цим пояснюється, наприклад, нічне охолодження земної поверхні нижче температури навколишнього повітря. Енергія випромінювання абсолютно чорного тіла описується законом Стефана - Больцмана

5.2. Шкала Реомюра

Запропоновано в 1730 Р. А. Реомюром, який описав винайдений ним спиртової термометр.

Одиниця - градус Реомюра ( R), 1 R дорівнює 1 / 80 частини температурного інтервалу між опорними точками - температурою танення льоду (0 R) і кипіння води (80 R)

1 R = 1,25 C.

В даний час шкала вийшла з ужитку, найдовше вона зберігалася у Франції, на батьківщині автора.

6. Переходи з різних шкал

Перерахунок температури між основними шкалами
в \ з Кельвін Цельсій Фаренгейт
Кельвін (K) = K = С + 273 = (F + 459) / 1,8
Цельсій ( C) = K - 273 = C = (F - 32) / 1,8
Фаренгейт ( F) = K 1,8 - 459 = C 1,8 + 32 = F


7. Порівняння температурних шкал

Порівняння температурних шкал
Опис Кельвін Цельсій Фаренгейт Ранкін Деліль Ньютон Реомюр Ремер
Абсолютний нуль 0 -273.15 -459.67 0 559.725 -90.14 -218.52 -135.90
Температура танення суміші Фаренгейта ( сіль і лід в рівних кількостях) 255.37 -17.78 0 459.67 176.67 -5.87 -14.22 -1.83
Температура замерзання води ( Нормальні умови) 273.15 0 32 491.67 150 0 0 7.5
Середня температура людського тіла 310.0 36.6 98.2 557.9 94.5 12.21 29.6 26.925
Температура кипіння води ( Нормальні умови) 373.15 100 212 671.67 0 33 80 60
Плавлення титану 1941 1668 3034 3494 -2352 550 1334 883
Поверхня Сонця 5800 5526 9980 10440 -8140 1823 4421 2909

Нормальна середня температура людського тіла - 36.6 C 0.7 C, або 98.2 F 1.3 F. Приводиться звичайне значення 98,6 F - це точне перетворення в шкалу Фаренгейта прийнятого в Німеччині в XIX столітті значення 37 C. Проте це значення не входить в діапазон нормальної середньої температури тіла людини, оскільки температура різних частин тіла різна [9].

Деякі значення в цій таблиці були округлені.


8. Характеристика фазових переходів

Для опису точок фазових переходів різних речовин використовують такі значення температури:


9. Цікаві факти

Найнижча температура на Землі до 1910 -68, Верхоянськ
  • Найвища температура, створена людиною, ~ 10 трлн. К (що порівнянно з температурою Всесвіту в перші секунди її життя) була досягнута в 2010 при зіткненні іонів свинцю, прискорених до близькосвітлових швидкостей. Експеримент був проведений на Великому адронному колайдері [10]
  • Найвища теоретично можлива температура - Планка температура. Більш висока температура не може існувати, так як все перетворюється в енергію (всі субатомні частинки зруйнуються). Ця температура приблизно дорівнює 1.41679 (11) 10 32 K (приблизно 142 нонілліона K).
  • Поверхня Сонця має температури близько 6000 K.
  • Найнижча температура, створена людиною, була отримана в 1995 Еріком Корнелло і Карлом виманов із США при охолодженні атомів рубідію. [11] [12]. Вона була вище абсолютного нуля менш ніж на 1 / 170 млрд частку K (5,9 10 -12 K).
  • Насіння вищих рослин зберігає схожість після охолодження до -269 C.

Література

  • Спаський Б. І. Історія фізики ч.I - Москва: "Вища школа", 1977.
  • Сивухин Д. В. Термодинаміка і молекулярна фізика - Москва: "Наука", 1990.

Примітки

  1. ГОСТ 8.417-2002. ОДИНИЦІ ВЕЛИЧИН - nolik.ru / systems / gost.htm
  2. Поняття температури - temperatures.ru / mtsh / mtsh.php? page = 1
  3. І. П. Базаров. Термодинаміка, М., Вища школа, 1976, с. 13-14.
  4. Платиновий - temperatures.ru / mtsh / mtsh.php? page = 81 термометр опору - основний прилад МТШ-90.
  5. Лазерна термометрія - temperatures.ru / newmet / newmet.php? page = 0
  6. Реперні точки МТШ-90 - temperatures.ru / mtsh / mtsh.php? page = 3
  7. Розробка нового визначення кельвіна - temperatures.ru / kelvin / kelvin.php? page = 2
  8. Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря Критична точка. Властивості речовини в критичному стані. Потрійна точка. Фазові переходи II роду. Методи одержання низьких температур. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. Статистична термодинаміка. Лекція 11. Санкт-Петербурзький академічний університет.
  9. Про різні виміри температури тіла - hypertextbook.com / facts / LenaWong.shtml (Англ.)
  10. BBC News - Large Hadron Collider (LHC) generates a 'mini-Big Bang' - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
  11. Все про все. Рекорди температури - tem-6.narod.ru/weather_record.html
  12. Чудеса науки - www.seti.ee/ff/34gin.swf
Шкали вимірювання температури
Gas Mark Делиля Кельвіна Лейденська Ньютона Планка Ранкина Реомюра Ремер Уеджвуда Фаренгейта Цельсія
Формули перетворення

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Віртуальна температура
Антенна температура
Яркостная температура
Температура склування
Критична температура
Кімнатна температура
Температура повітря
Планка температура
Колірна температура
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru