Begrebet temperatur og temperaturskala. Temperaturdefinition i fysik Temperatur kaldes

Meget ofte i hverdagen bruger vi sådanne begreber som varme, varm, kold, der karakteriserer graden af ​​opvarmning af kroppe. Dette er en subjektiv tilgang, der afhænger af vores følelser. Graden af ​​opvarmning af legemer kan udtrykkes kvantitativt ved hjælp af en fysisk størrelse kaldet temperatur. Hvordan bestemmes temperaturen nøjagtigt? Til dette formål er der enheder kaldet termometre, som er baseret på temperaturens afhængighed af en vis mængde, såsom tryk, volumen og tilstand termisk ligevægt.

Termodynamisk ligevægt

Temperatur karakteriserer tilstanden af ​​termisk ligevægt i et system af kroppe. Hvis du bringer to legemer med forskellige temperaturer i kontakt, vil kroppene begynde at udveksle energi. Legemer med større kinetisk energi vil overføre deres energi til legemer med mindre kinetisk energi. Efter nogen tid vil denne udveksling af energi stoppe, og der vil være termodynamisk (termisk) ligevægt, hvor kroppe kan forblive så længe som ønsket. I denne tilstand er kroppens temperatur den samme.

Galileo Galilei, en italiensk videnskabsmand, udtrykte ideen om varmes mekaniske natur; i 1597 byggede han det første termometer. Termometeret bestod af en glaskugle med et rør ud af den. Røret blev sænket ned i vandet, som steg op gennem det. Når luften i bolden blev opvarmet eller afkølet, faldt eller steg vandsøjlen enten. Dette termometer var ufuldkomment, da vandsøjlens højde ikke kun afhang af temperaturen, men også af lufttrykket.

Alle andre termometre skabt senere brugte væsker. Men det blev bemærket, at i modsætning til væsker udvider fordærvede gasser sig og ændrer tryk afhængigt af temperaturen på samme måde. Det blev eksperimentelt bestemt for fordærvede gasser i en tilstand af termisk ligevægt

Hvor T – absolut temperatur, målt i SI-enheder i Kelvin (K)

k = 1,38*10 -23 J/K – Boltzmanns konstant. Opkaldt efter den australske fysiker, en af ​​grundlæggerne af MKT-teorien om gasser, Ludwig Boltzmann.

Takket være denne afhængighed blev det muligt at lave en temperaturskala, der ikke afhænger af typen af ​​stof, og bruge den til at måle temperatur. Det blev introduceret af den engelske fysiker William Thomson, som blev udnævnt til Lord Kelvin i 1892 for sit arbejde inden for fysik.

Denne skala kaldes absolut (termodynamisk) skala temperaturer eller Kelvin-skalaen. Ud over nulpunktet ( absolut nul temperatur) på denne skala accepteres det punkt, der svarer til den lavest teoretisk mulige temperatur, "den mindste eller sidste grad af kulde". Dens eksistens blev forudsagt af Lomonosov. Temperatur T=0 på Kelvin-skalaen, svarer til Celsius-skalaen

I skole- og universitetslærebøger kan du finde mange forskellige forklaringer på temperatur. Temperatur er defineret som en værdi, der adskiller varmt fra koldt, som opvarmningsgraden af ​​et legeme, som karakteristika for termisk ligevægtstilstand, som en værdi proportional med energien pr. frihedsgrad af en partikel osv. og så videre. Oftest er temperaturen af ​​et stof defineret som et mål for den gennemsnitlige energi af termisk bevægelse af partikler af et stof, eller som et mål for intensiteten af ​​termisk bevægelse af partikler. Fysikkens himmelske væsen, teoretikeren, vil blive overrasket: ”Hvad er uforståeligt her? Temperaturen er dQ/ dS, Hvor Q- varme, og S- entropi! En sådan overflod af definitioner vækker mistanke hos enhver kritisk tænkende person om, at en almindeligt accepteret videnskabelig definition af temperatur i øjeblikket ikke eksisterer i fysikken.

Lad os prøve at finde en enkel og specifik fortolkning af dette koncept på et niveau, der er tilgængeligt for en gymnasial kandidat. Lad os forestille os dette billede. Den første sne faldt, og to brødre startede et sjovt spil kendt som "snebolde" i frikvartererne i skolen. Lad os se, hvilken energi der overføres til spillerne under denne konkurrence. For nemheds skyld antager vi, at alle projektiler rammer målet. Spillet foregår med en klar fordel for den ældre bror. Han har også større snebolde, og han kaster dem med større hastighed. Energien af ​​alle snebolde kastet af ham, hvor N Med– antal kast, og - gennemsnitlig kinetisk energi af en bold. Den gennemsnitlige energi findes ved hjælp af den sædvanlige formel:

Her m- masse snebolde, og v- deres hastighed.

Dog vil ikke al den energi, som den ældre bror bruger, blive overført til hans yngre partner. Faktisk rammer snebolde målet i forskellige vinkler, så nogle af dem, når de reflekteres fra en person, fjerner en del af den oprindelige energi. Sandt nok er der også "succesfuldt" kastede bolde, hvilket kan resultere i et sort øje. I sidstnævnte tilfælde overføres al projektilets kinetiske energi til det emne, der beskydes på. Således kommer vi til den konklusion, at energien fra sneboldene, der overføres til den yngre bror, vil være lig med E Med, A
, Hvor Θ Med– den gennemsnitlige værdi af kinetisk energi, der overføres til den yngre partner, når en snebold rammer ham. Det er klart, at jo større den gennemsnitlige energi pr. kastet bold, jo større vil den gennemsnitlige energi være Θ Med, transmitteret til målet af et projektil. I det enkleste tilfælde kan forholdet mellem dem være direkte proportionalt: Θ Med =-en. Derfor brugte junioreleven energi under hele konkurrencen
, men den energi, der overføres til den ældre bror, vil være mindre: den er lige
, Hvor N m– antal kast, og Θ m– den gennemsnitlige energi af en snebold absorberet af sin ældre bror.

Noget lignende sker under den termiske interaktion mellem kroppe. Hvis du bringer to kroppe i kontakt, vil molekylerne i det første legeme overføre energi til det andet legeme i form af varme i løbet af kort tid.
, Hvor Δ S 1 er antallet af kollisioner af molekyler i det første legeme med det andet legeme, og Θ 1 er den gennemsnitlige energi, som et molekyle af det første legeme overfører til det andet legeme ved en kollision. I løbet af samme tid vil det andet legemes molekyler miste energi
. Her Δ S 2 er antallet af elementære vekselvirkninger (antal påvirkninger) af molekyler i det andet legeme med det første legeme, og Θ 2 - den gennemsnitlige energi, som et molekyle af det andet legeme overfører i et slag til det første legeme. Størrelse Θ i fysik kaldes det temperatur. Som erfaringen viser, er det relateret til den gennemsnitlige kinetiske energi af molekylerne i legemer ved forholdet:

(2)

Og nu kan vi opsummere alle ovenstående argumenter. Hvilken konklusion skal vi drage med hensyn til mængdens fysiske indhold Θ ? Det er efter vores mening helt indlysende.

krop overføres til et andet makroskopisk objekt i ét

kollision med dette objekt.

Som det følger af formel (2), er temperatur en energiparameter, hvilket betyder, at temperaturenheden i SI-systemet er joule. Så strengt taget bør du klage noget som dette: "Det ser ud til, at jeg blev forkølet i går, mit hoved gør ondt, og min temperatur er så meget som 4.294·10 -21 J!" Er det ikke en usædvanlig enhed til temperaturmåling, og værdien er på en eller anden måde for lille? Men glem ikke, at vi taler om energi, der er en brøkdel af den gennemsnitlige kinetiske energi af kun et molekyle!

I praksis måles temperaturen i vilkårligt valgte enheder: Florents, kelvins, grader Celsius, grader Rankine, grader Fahrenheit osv. (Jeg kan bestemme længden ikke i meter, men i kabler, favne, trin, vershoks, fødder osv. Jeg kan huske, at i en af ​​tegneserierne blev længden af ​​en boa constrictor beregnet selv i papegøjer!)

For at måle temperaturen er det nødvendigt at bruge en eller anden sensor, som skal bringes i kontakt med den genstand, vi vil kalde denne sensor. termometrisk krop . Et termometrisk legeme skal have to egenskaber. For det første skal det være væsentligt mindre end objektet under undersøgelse (mere korrekt, varmekapaciteten af ​​det termometriske legeme skal være meget mindre end varmekapaciteten af ​​objektet under undersøgelse). Har du nogensinde prøvet at måle temperaturen på for eksempel en myg ved hjælp af et almindeligt medicinsk termometer? Prøv det! Hvad, intet lykkes? Sagen er, at insektet i varmeudvekslingsprocessen ikke vil være i stand til at ændre termometerets energitilstand, da myggemolekylernes samlede energi er ubetydelig sammenlignet med termometermolekylernes energi.

Nå, okay, jeg tager en lille genstand, for eksempel en blyant, og med dens hjælp vil jeg prøve at måle min temperatur. Igen er der noget, der ikke går godt... Og årsagen til fejlen er, at det termometriske legeme skal have endnu en obligatorisk egenskab: Ved kontakt med det undersøgte objekt skal der ske ændringer i det termometriske legeme, der kan optages visuelt eller vha. instrumenter.

Se nærmere på, hvordan et almindeligt husholdningstermometer fungerer. Dens termometriske krop er et lille sfærisk kar forbundet med et tyndt rør (kapillær). Beholderen er fyldt med væske (oftest kviksølv eller farvet alkohol). Ved kontakt med en varm eller kold genstand ændrer væsken sit volumen, og højden af ​​søjlen i kapillæren ændres tilsvarende. Men for at registrere ændringer i højden af ​​en væskesøjle, er det også nødvendigt at fastgøre en skala til det termometriske legeme. En enhed, der indeholder et termometrisk legeme og en skala valgt på en bestemt måde kaldes termometer . De mest udbredte termometre på nuværende tidspunkt er Celsius-skalaen og Kelvin-skalaen.

Celsius-skalaen er fastsat af to referencepunkter. Det første referencepunkt er vandets tredobbelte punkt - de fysiske forhold, hvorunder de tre faser af vand (væske, gas, fast) er i ligevægt. Det betyder, at væskemassen, massen af ​​vandkrystaller og massen af ​​vanddamp forbliver uændret under disse forhold. I et sådant system forekommer naturligvis processerne med fordampning og kondensation, krystallisation og smeltning, men de balancerer hinanden. Hvis meget høj nøjagtighed af temperaturmåling ikke er nødvendig (for eksempel ved fremstilling af husholdningstermometre), opnås det første referencepunkt ved at placere det termometriske legeme i sne eller is, der smelter ved atmosfærisk tryk. Det andet referencepunkt er de forhold, hvorunder flydende vand er i ligevægt med sin damp (med andre ord vands kogepunkt) ved normalt atmosfærisk tryk. Mærker er lavet på termometerskalaen svarende til referencepunkter; intervallet mellem dem er opdelt i hundrede dele. En opdeling af skalaen valgt på denne måde kaldes en grad Celsius (˚C). Vandets tredobbelte punkt antages at være 0 grader Celsius.

Celsius-skalaen har fået den største praktiske anvendelse i verden; Desværre har det en række væsentlige ulemper. Temperatur på denne skala kan have negative værdier, mens kinetisk energi og følgelig temperatur kun kan være positiv. Derudover afhænger aflæsningerne af termometre med Celsius-skalaen (med undtagelse af referencepunkter) af valget af termometrisk legeme.

Kelvin-skalaen har ikke Celsius-skalaens ulemper. En ideel gas skal bruges som arbejdsstof i termometre med Kelvin-skalaen. Kelvin-skalaen er også etableret af to referencepunkter. Det første referencepunkt er de fysiske forhold, hvorunder den termiske bevægelse af ideelle gasmolekyler stopper. Dette punkt tages som 0 på Kelvin-skalaen. Det andet referencepunkt er vandets tredobbelte punkt. Intervallet mellem referencepunkter er opdelt i 273,15 dele. En inddeling af skalaen valgt på denne måde kaldes kelvin (K). Antallet af divisioner 273,15 blev valgt således, at divisionsprisen på Kelvin-skalaen falder sammen med divisionsprisen på Celsius-skalaen, derefter falder temperaturændringen på Kelvin-skalaen sammen med temperaturændringen på Celsius-skalaen; Dette gør det lettere at gå fra at læse en skala til en anden. Temperatur på Kelvin-skalaen er normalt angivet med bogstavet T. Sammenhæng mellem temperaturer t i Celsius skala og temperatur T, målt i kelvin, fastlægges af relationerne

Og
.

At skifte fra temperatur T, målt i K, til temperatur Θ Boltzmanns konstant bruges i joule k=1,38·10 -23 J/K, det viser hvor mange joule pr. 1 K:

Θ = kT.

Nogle kloge mennesker forsøger at finde en eller anden hemmelig mening i Boltzmann-konstanten; i mellemtiden k- den mest almindelige koefficient til omregning af temperatur fra Kelvin til Joules.

Lad os henlede læserens opmærksomhed på tre specifikke træk ved temperatur. For det første er det en gennemsnitlig (statistisk) parameter for et ensemble af partikler. Forestil dig, at du besluttede at finde gennemsnitsalderen for mennesker på Jorden. For at gøre dette går vi i børnehaven, opsummerer alderen på alle børn og dividerer dette beløb med antallet af børn. Det viser sig, at gennemsnitsalderen for mennesker på Jorden er 3,5 år! Det virkede som om, de troede, det var rigtigt, men resultatet, de fik, var latterligt. Men hele pointen er, at i statistik skal du operere med et stort antal objekter eller begivenheder. Jo højere deres antal (ideelt set bør det være uendeligt stort), jo mere nøjagtig vil værdien af ​​den gennemsnitlige statistiske parameter være. Derfor gælder begrebet temperatur kun for kroppe, der indeholder et stort antal partikler. Når en journalist, i jagten på en sensation, rapporterer, at temperaturen på partikler, der falder på et rumskib, er flere millioner grader, behøver astronauternes pårørende ikke at besvime: intet forfærdeligt sker med skibet: bare en analfabet forfatter forsvinder. energi af et lille antal kosmiske partikler som temperatur. Men hvis skibet, der er på vej til Mars, skulle miste kursen og nærme sig Solen, så ville der være problemer: Antallet af partikler, der bombarderer skibet, er enormt, og solkoronaens temperatur er 1,5 millioner grader.

For det andet karakteriserer temperatur termisk, dvs. forstyrret bevægelse af partikler. I et elektronisk oscilloskop er billedet på skærmen tegnet af en smal strøm af elektroner, fokuseret til et punkt. Disse elektroner passerer gennem en vis identisk potentialforskel og opnår omtrent samme hastighed. For et sådant ensemble af partikler angiver en kompetent specialist deres kinetiske energi (for eksempel 1500 elektronvolt), hvilket selvfølgelig ikke er temperaturen af ​​disse partikler.

Endelig, for det tredje, bemærker vi, at overførsel af varme fra et legeme til et andet kan udføres ikke kun på grund af den direkte kollision af partikler i disse kroppe, men også på grund af absorptionen af ​​energi i form af kvanter af elektromagnetisk stråling ( denne proces opstår, når du solbader på stranden). Derfor bør en mere generel og præcis definition af temperatur formuleres som følger:

Temperaturen af ​​et legeme (stof, system) er en fysisk størrelse, der numerisk er lig med den gennemsnitlige energi, som et molekyle af denne

krop overføres til et andet makroskopisk objekt i ét

den elementære handling af interaktion med dette objekt.

Afslutningsvis, lad os vende tilbage til definitionerne diskuteret i begyndelsen af ​​denne artikel. Af formel (2) følger, at hvis stoffets temperatur er kendt, så kan den gennemsnitlige energi af stoffets partikler entydigt bestemmes. Temperaturen er således i virkeligheden et mål for den gennemsnitlige energi af termisk bevægelse af molekyler eller atomer (bemærk i øvrigt, at partiklernes gennemsnitlige energi ikke kan bestemmes direkte i eksperimentet). På den anden side er kinetisk energi proportional med kvadratet af hastigheden; Det betyder, at jo højere temperatur, jo højere hastighed af molekylerne, jo mere intens deres bevægelse. Derfor er temperatur et mål for intensiteten af ​​partiklers termiske bevægelse. Disse definitioner er bestemt acceptable, men de er for generelle og rent kvalitative.

Temperaturen er let!

Temperatur

Temperatur er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi af molekyler.
Temperatur karakteriserer graden af ​​opvarmning af legemer.

Temperaturmåler - termometer.
Driftsprincip termometer:
Ved måling af temperatur bruges afhængigheden af ​​ændringen i enhver makroskopisk parameter (volumen, tryk, elektrisk modstand osv.) af et stof på temperaturen.
I flydende termometre er dette en ændring i væskevolumen.
Når to medier kommer i kontakt, overføres energi fra det mere opvarmede miljø til det mindre opvarmede.
Under måleprocessen når kropstemperaturen og termometeret en tilstand af termisk ligevægt.

Flydende termometre

I praksis bruges flydende termometre ofte: kviksølv (i området fra -35 o C til +750 o C) og alkohol (fra -80 o C til +70 o C).
De bruger en væskes egenskab til at ændre dens volumen, når temperaturen ændres.
Hver væske har dog sine egne karakteristika for volumenændring (ekspansion) ved forskellige temperaturer.
Som et resultat af sammenligning af f.eks. aflæsninger af kviksølv- og alkoholtermometre, vil et nøjagtigt match kun være på to punkter (ved temperaturer på 0 o C og 100 o C).
Gastermometre har ikke disse ulemper.

Gas termometre

Det første gastermometer blev skabt af den franske fysiker J. Charles.

Fordele gas termometer:
- der anvendes en lineær afhængighed af ændringen i gasvolumen eller tryk på temperaturen, som er gyldig for alle gasser
- målenøjagtighed fra 0,003 o C til 0,02 o C
- temperaturområde fra -271 o C til +1027 o C.

Termisk ligevægt

Når to legemer med forskellige temperaturer kommer i kontakt, overføres intern energi fra den mere opvarmede krop til den mindre opvarmede, og begge legemers temperaturer udlignes.
Der opstår en tilstand af termisk ligevægt, hvor alle makroparametre (volumen, tryk, temperatur) for begge legemer efterfølgende forbliver uændrede under konstante ydre forhold.

Termisk ligevægt er en tilstand, hvor alle makroskopiske parametre forbliver uændrede i uendeligt lang tid.
Tilstanden af ​​termisk ligevægt i et system af legemer er karakteriseret ved temperatur: alle legemer i systemet, der er i termisk ligevægt med hinanden, har samme temperatur.
Det er blevet fastslået, at ved termisk ligevægt er de gennemsnitlige kinetiske energier af translationsbevægelsen af ​​molekylerne af alle gasser de samme, dvs.

For sjældne (ideelle) gasser værdien

og afhænger kun af temperaturen, så

hvor k er Boltzmanns konstant

Denne afhængighed gør det muligt at indføre en ny temperaturskala - en absolut temperaturskala, der ikke afhænger af det stof, der bruges til at måle temperaturen.

Absolut temperaturskala

Introduceret af den engelske fysiker W. Kelvin
- ingen negative temperaturer

SI enhed for absolut temperatur: [T] = 1K (Kelvin)
Nultemperaturen på den absolutte skala er det absolutte nulpunkt (0K = -273 o C), den laveste temperatur i naturen. I øjeblikket er den laveste temperatur nået - 0,0001K.
Værdien af ​​1K er lig med 1 o C.

Forholdet mellem den absolutte skala og Celsius-skalaen

Husk! I formler er absolut temperatur angivet med bogstavet "T", og temperatur på Celsius-skalaen med bogstavet "t".

Efter at have introduceret den absolutte temperatur får vi nye udtryk for formler:

Gennemsnitlig kinetisk energi af translationel bevægelse af molekyler

Gastryk - den grundlæggende ligning for MKT

Gennemsnitlig kvadratisk hastighed af molekyler

Plan:

Introduktion

• 1 Termodynamisk definition
  • 1.1 Historien om den termodynamiske tilgang
• 2 Bestemmelse af temperatur i statistisk fysik
• 3 Temperaturmåling
• 4 Temperaturenheder og skala
  • 4.1 Kelvin temperaturskala
  • 4,2 Celsius skala
  • 4.3 Fahrenheit
• 5 Energi af termisk bevægelse ved absolut nul
  • 5.1 Temperatur og stråling
  • 5.2 Reaumur skala
• 6 Overgange fra forskellige skalaer
• 7 Sammenligning af temperaturskalaer
• 8 Karakteristika for faseovergange
• 9 Interessante fakta
Noter
Litteratur

Introduktion

Temperatur(fra lat. temperatura- korrekt blanding, normal tilstand) er en skalær fysisk størrelse, der karakteriserer den gennemsnitlige kinetiske energi af partikler i et makroskopisk system i en tilstand af termodynamisk ligevægt pr. frihedsgrad.

Temperaturmålet er ikke selve bevægelsen, men denne bevægelses kaotiske natur. Tilfældigheden af ​​et legemes tilstand bestemmer dets temperaturtilstand, og denne idé (som først blev udviklet af Boltzmann), at en bestemt temperaturtilstand i et legeme slet ikke er bestemt af bevægelsesenergien, men af ​​tilfældigheden af ​​denne bevægelse , er det nye koncept i beskrivelsen af ​​temperaturfænomener, som vi skal bruge...

(P. L. Kapitsa)

I International System of Units (SI) er termodynamisk temperatur en af ​​de syv grundlæggende enheder og udtrykkes i kelvin. De afledte SI-mængder, som har et særligt navn, omfatter Celsius-temperatur, målt i grader Celsius. I praksis bruges grader Celsius ofte på grund af deres historiske forbindelse til vigtige egenskaber ved vand - isens smeltepunkt (0 °C) og kogepunktet (100 °C). Dette er praktisk, da de fleste klimaprocesser, processer i dyrelivet osv. er forbundet med dette område. En ændring i temperaturen på en grad Celsius svarer til en ændring i temperaturen på en Kelvin. Derfor, efter indførelsen af ​​en ny definition af Kelvin i 1967, ophørte vandets kogepunkt med at spille rollen som et konstant referencepunkt, og som nøjagtige målinger viser, er det ikke længere lig med 100 °C, men tæt på 99,975 °C.

Der er også Fahrenheit-skalaer og nogle andre.

1. Termodynamisk definition

Eksistensen af ​​en ligevægtstilstand kaldes termodynamikkens første startposition. Termodynamikkens anden startposition er udsagnet om, at ligevægtstilstanden er karakteriseret ved en vis mængde, som ved termisk kontakt mellem to ligevægtssystemer bliver den samme for dem som følge af energiudvekslingen. Denne mængde kaldes temperatur.

1.1. Historien om den termodynamiske tilgang

Ordet "temperatur" opstod i de dage, hvor folk troede, at flere opvarmede kroppe indeholdt en større mængde af et særligt stof - kalorieindhold - end mindre opvarmede. Derfor blev temperatur opfattet som styrken af ​​en blanding af kropsstof og kalorieindhold. Af denne grund kaldes måleenhederne for styrken af ​​alkoholholdige drikkevarer og temperatur de samme - grader.

I en ligevægtstilstand har temperaturen samme værdi for alle makroskopiske dele af systemet. Hvis to legemer i et system har samme temperatur, er der ingen overførsel af kinetisk energi af partikler (varme) mellem dem. Hvis der er en temperaturforskel, så flytter varmen fra et legeme med en højere temperatur til et legeme med en lavere, fordi den samlede entropi stiger.

Temperatur er også forbundet med de subjektive fornemmelser af "varm" og "kold", relateret til om levende væv afgiver eller modtager varme.

Nogle kvantemekaniske systemer kan være i en tilstand, hvor entropien ikke stiger, men aftager ved tilførsel af energi, hvilket formelt svarer til en negativ absolut temperatur. Sådanne tilstande er imidlertid ikke "under det absolutte nul", men "over uendeligheden", da når et sådant system kommer i kontakt med en krop med en positiv temperatur, overføres energi fra systemet til kroppen og ikke omvendt (f. flere detaljer, se Kvantetermodynamik).

Temperaturens egenskaber studeres af fysikkens gren - termodynamik. Temperatur spiller også en vigtig rolle i mange områder af videnskaben, herunder andre grene af fysik, såvel som kemi og biologi.

2. Bestemmelse af temperatur i statistisk fysik

I statistisk fysik bestemmes temperaturen af ​​formlen

,

hvor S er entropi, E er energien i det termodynamiske system. Værdien T introduceret på denne måde er den samme for forskellige legemer ved termodynamisk ligevægt. Når to legemer kommer i kontakt, vil kroppen med en stor T-værdi overføre energi til den anden.

3. Temperaturmåling

For at måle termodynamisk temperatur vælges en bestemt termodynamisk parameter for det termometriske stof. En ændring i denne parameter er klart forbundet med en ændring i temperaturen. Et klassisk eksempel på et termodynamisk termometer er et gastermometer, hvor temperaturen bestemmes ved at måle gastrykket i en cylinder med konstant volumen. Absolutte strålings-, støj- og akustiske termometre er også kendte.

Termodynamiske termometre er meget komplekse enheder, som ikke kan bruges til praktiske formål. Derfor foretages de fleste målinger ved hjælp af praktiske termometre, som er sekundære, da de ikke direkte kan relatere nogen egenskab ved et stof til temperaturen. For at opnå interpolationsfunktionen skal de kalibreres ved referencepunkter på den internationale temperaturskala. Det mest nøjagtige praktiske termometer er platinmodstandstermometeret. Temperaturmåleinstrumenter er ofte kalibreret på relative skalaer - Celsius eller Fahrenheit.

I praksis måles også temperatur

• flydende og mekaniske termometre,
• termoelement,
• modstand termometer,

• gas termometer,
• pyrometer.

De nyeste metoder til måling af temperatur er blevet udviklet, baseret på måling af parametrene for laserstråling.

4. Enheder og skala for temperaturmåling

Da temperatur er molekylers kinetiske energi, er det klart, at det er mest naturligt at måle den i energienheder (altså i SI-systemet i joule). Temperaturmålinger begyndte dog længe før skabelsen af ​​den molekylære kinetiske teori, så praktiske skalaer måler temperaturen i konventionelle enheder - grader.

4.1. Kelvin temperaturskala

Begrebet absolut temperatur blev introduceret af W. Thomson (Kelvin), og derfor kaldes den absolutte temperaturskala for Kelvin-skalaen eller termodynamisk temperaturskala. Enheden for absolut temperatur er kelvin (K).

Den absolutte temperaturskala kaldes så, fordi målet for grundtilstanden for den nedre temperaturgrænse er absolut nul, det vil sige den lavest mulige temperatur, ved hvilken det i princippet er umuligt at udvinde termisk energi fra et stof.

Absolut nul er defineret som 0 K, hvilket er lig med -273,15 °C (præcis).

Kelvin temperaturskalaen er en skala, der starter ved det absolutte nulpunkt.

Af stor betydning er udviklingen, baseret på Kelvin termodynamisk skala, af internationale praktiske skalaer baseret på referencepunkter - faseovergange af rene stoffer bestemt ved primære termometrimetoder. Den første internationale temperaturskala blev vedtaget i 1927 af ITS-27. Siden 1927 er skalaen blevet omdefineret flere gange (MTSh-48, MPTS-68, MTSh-90): referencetemperaturer og interpolationsmetoder er ændret, men princippet forbliver det samme - grundlaget for skalaen er et sæt faseovergange af rene stoffer med visse værdier af termodynamiske temperaturer og interpolationsinstrumenter kalibreret på disse punkter. ITS-90-skalaen er i øjeblikket i kraft. Hoveddokumentet (Forskrifter på skalaen) fastlægger definitionen af ​​Kelvin, værdierne for faseovergangstemperaturer (referencepunkter) og interpolationsmetoder.

Temperaturskalaer, der bruges i hverdagen - både Celsius og Fahrenheit (anvendes hovedsageligt i USA) - er ikke absolutte og derfor ubelejlige, når man udfører forsøg under forhold, hvor temperaturen falder under vands frysepunkt, hvorfor temperaturen skal udtrykkes negativ nummer. For sådanne tilfælde blev der indført absolutte temperaturskalaer.

En af dem kaldes Rankine-skalaen, og den anden er den absolutte termodynamiske skala (Kelvin-skalaen); deres temperaturer måles i henholdsvis grader Rankine (°Ra) og kelvin (K). Begge skalaer begynder ved absolut nultemperatur. De adskiller sig ved, at prisen for en division på Kelvin-skalaen er lig med prisen for en division på Celsius-skalaen, og prisen for en division på Rankine-skalaen svarer til prisen for division af termometre med Fahrenheit-skalaen. Frysepunktet for vand ved standard atmosfærisk tryk svarer til 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Kelvin-skalaen er bundet til vandets tredobbelte punkt (273,16 K), og Boltzmann-konstanten afhænger af det. Dette skaber problemer med nøjagtigheden af ​​fortolkningen af ​​højtemperaturmålinger. BIPM overvejer nu muligheden for at gå over til en ny definition af Kelvin og fastsætte Boltzmann-konstanten i stedet for at henvise til trepunktstemperaturen. .

4.2. Celsius

Inden for teknologi, medicin, meteorologi og i hverdagen bruges Celsius-skalaen, hvor temperaturen af ​​vandets tredobbelte punkt er 0,008 °C, og derfor er frysepunktet for vand ved et tryk på 1 atm 0 ° C. I øjeblikket bestemmes Celsius-skalaen gennem Kelvin-skalaen: prisen for en division på Celsius-skalaen er lig med prisen for en division på Kelvin-skalaen, t(°C) = T(K) - 273,15. Således har kogepunktet for vand, oprindeligt valgt af Celsius som referencepunkt på 100 ° C, mistet sin betydning, og moderne skøn sætter vands kogepunkt ved normalt atmosfærisk tryk på omkring 99,975 ° C. Celsius-skalaen er praktisk talt meget praktisk, da vand er meget udbredt på vores planet, og vores liv er baseret på det. Nul Celsius er et særligt punkt for meteorologi, fordi det er forbundet med frysning af atmosfærisk vand. Skalaen blev foreslået af Anders Celsius i 1742.

4.3. Fahrenheit

I England og især i USA bruges Fahrenheit-skalaen. Nul grader Celsius er 32 grader Fahrenheit, og en grad Fahrenheit er 9/5 grader Celsius.

Den nuværende definition af Fahrenheit-skalaen er som følger: det er en temperaturskala, hvor 1 grad (1 °F) er lig med 1/180 af forskellen mellem vands kogepunkt og isens smeltetemperatur ved atmosfærisk tryk, og smeltepunktet for is er +32 °F. Temperatur på Fahrenheit-skalaen er relateret til temperatur på Celsius-skalaen (t °C) med forholdet t °C = 5/9 (t °F - 32), t °F = 9/5 t °C + 32. Foreslået af G. Fahrenheit i 1724 .

5. Energi af termisk bevægelse ved absolut nul

Når stoffet afkøles, falder mange former for termisk energi og deres tilknyttede virkninger samtidigt i størrelse. Materien bevæger sig fra en mindre ordnet tilstand til en mere ordnet.

... det moderne begreb om absolut nul er ikke begrebet absolut hvile; tværtimod, ved det absolutte nul kan der være bevægelse - og det eksisterer, men det er en tilstand af fuldstændig orden ...

P. L. Kapitsa (egenskaber af flydende helium)

Gassen bliver til en væske og krystalliserer derefter til et fast stof (helium, selv ved det absolutte nulpunkt, forbliver i flydende tilstand ved atmosfærisk tryk). Bevægelsen af ​​atomer og molekyler bremser, deres kinetiske energi falder. Modstanden af ​​de fleste metaller falder på grund af et fald i elektronspredning på atomer i krystalgitteret, der vibrerer med en lavere amplitude. Selv ved det absolutte nulpunkt bevæger ledningselektroner sig således mellem atomer med en Fermi-hastighed af størrelsesordenen 1 × 10 6 m/s.

Den temperatur, ved hvilken stofpartikler har en minimal bevægelsesmængde, kun bevaret på grund af kvantemekanisk bevægelse, er temperaturen på det absolutte nulpunkt (T = 0K).

Den absolutte nultemperatur kan ikke nås. Den laveste temperatur (450 ± 80) × 10 −12 K af Bose-Einstein-kondensatet af natriumatomer blev opnået i 2003 af forskere fra MIT. I dette tilfælde er toppen af ​​termisk stråling placeret i bølgelængdeområdet i størrelsesordenen 6400 km, det vil sige omtrent jordens radius.

5.1. Temperatur og stråling

Den energi, som et legeme udsender, er proportional med dens temperaturs fjerde potens. Så ved 300 K udsendes op til 450 watt fra en kvadratmeter overflade. Dette forklarer for eksempel afkølingen af ​​jordens overflade om natten under den omgivende temperatur. Strålingsenergien fra et absolut sort legeme er beskrevet af Stefan-Boltzmann-loven

5.2. Reaumur skala

Foreslået i 1730 af R. A. Reaumur, som beskrev det alkoholtermometer, han opfandt.

Enheden er graden Reaumur (°R), 1 °R er lig med 1/80 af temperaturintervallet mellem referencepunkterne - smeltetemperaturen for is (0 °R) og kogepunktet for vand (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

I øjeblikket er vægten faldet ud af brug; den overlevede længst i Frankrig, forfatterens hjemland.

6. Overgange fra forskellige skalaer

7. Sammenligning af temperaturskalaer

Sammenligning af temperaturskalaer

Beskrivelse	Kelvin	Celsius	Fahrenheit	Rankin	Delisle	Newton	Reaumur	Rømer
Absolut nul	0	−273.15	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
Smeltetemperatur for Fahrenheit-blanding (salt og is i lige store mængder)	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
Vandets frysepunkt (normale forhold)	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Gennemsnitlig kropstemperatur¹	310.0	36.6	98.2	557.9	94.5	12.21	29.6	26.925
Vands kogepunkt (normale forhold)	373.15	100	212	671.67	0	33	80	60
Smeltende titanium	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Solens overflade	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

¹ Den normale gennemsnitlige kropstemperatur er 36,6 °C ±0,7 °C eller 98,2 °F ±1,3 °F. Den almindeligt citerede værdi på 98,6 °F er en nøjagtig konvertering til Fahrenheit af det 19. århundredes tyske værdi på 37 °C. Denne værdi er dog ikke inden for området for normal gennemsnitlig kropstemperatur, da temperaturen i forskellige dele af kroppen er forskellig.

Nogle værdier i denne tabel er blevet afrundet.

8. Karakteristika for faseovergange

For at beskrive faseovergangspunkterne for forskellige stoffer bruges følgende temperaturværdier:

• Smeltetemperatur
• Kogetemperatur
• Udglødningstemperatur
• Sintringstemperatur
• Syntese temperatur
• Lufttemperatur
• Jordtemperatur
• Homolog temperatur
• Triple point
• Debye-temperatur (karakteristisk temperatur)
• Curie temperatur

9. Interessante fakta

Den laveste temperatur på Jorden indtil 1910 -68, Verkhojansk

• Højeste temperatur skabt af mennesket, ~10 billioner. K (som kan sammenlignes med universets temperatur i de første sekunder af dets liv) blev nået i 2010 under kollisionen af ​​blyioner accelereret til næsten lyshastigheder. Forsøget blev udført ved Large Hadron Collider
• Den højeste teoretisk mulige temperatur er Planck-temperaturen. En højere temperatur kan ikke eksistere, da alt bliver til energi (alle subatomare partikler vil kollapse). Denne temperatur er ca. 1,41679(11)×1032 K (ca. 142 nonillion K).
• Den laveste temperatur skabt af mennesket blev opnået i 1995 af Eric Cornell og Carl Wieman fra USA ved at afkøle rubidium-atomer. . Den var over det absolutte nul med mindre end 1/170 milliardtedel af en brøkdel af en K (5,9 × 10 −12 K).
• Solens overflade har temperaturer på omkring 6000 K.
• Frø af højere planter forbliver levedygtige efter afkøling til -269 °C.

Noter

1. GOST 8.417-2002. MÆNGDENHEDER - nolik.ru/systems/gost.htm
2. Begrebet temperatur - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
3. I. P. Bazarov. Thermodynamics, M., Higher School, 1976, s. 13-14.
4. Platin - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 modstandstermometer - hovedenheden MTSH-90.
5. Lasertermometri - temperatures.ru/newmet/newmet.php?page=0
6. MTSH-90 referencepunkter - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
7. Udvikling af en ny definition af Kelvin - temperatures.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
8. D. A. Parshin, G. G. Zegrya Kritisk punkt. Egenskaber af et stof i en kritisk tilstand. Triple point. Faseovergange af anden slags. Metoder til at opnå lave temperaturer. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. Statistisk termodynamik. Foredrag 11. St. Petersborg Akademiske Universitet.
9. Om forskellige kropstemperaturmålinger - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (engelsk)
10. BBC News - Large Hadron Collider (LHC) genererer et "mini-Big Bang" - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
11. Alt om alt. Temperaturrekorder - tem-6.narod.ru/weather_record.html
12. Videnskabens vidundere - www.seti.ee/ff/34gin.swf

Litteratur

• B. I. Spassky Fysikkens historie del I - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Moskva: "Higher School", 1977.
• Sivukhin D.V. Termodynamik og molekylær fysik. - Moskva: "Science", 1990.

Hent
Dette abstrakt er baseret på en artikel fra russisk Wikipedia. Synkronisering afsluttet 07/09/11 16:20:43
Lignende abstracts: