Konsep skala suhu dan suhu. Definisi suhu dalam fizik Suhu dipanggil

Selalunya dalam kehidupan seharian kita menggunakan konsep seperti haba, panas, sejuk, mencirikan tahap pemanasan badan. Ini adalah pendekatan subjektif yang bergantung pada perasaan kita. Darjah pemanasan badan boleh dinyatakan secara kuantitatif menggunakan kuantiti fizik yang dipanggil suhu. Bagaimana untuk menentukan suhu dengan tepat? Untuk tujuan ini, terdapat peranti yang dipanggil termometer, yang berdasarkan pergantungan suhu pada sebarang kuantiti, seperti tekanan, isipadu dan keadaan. keseimbangan haba.

Keseimbangan termodinamik

Suhu mencirikan keadaan keseimbangan terma sistem badan. Jika anda membawa dua jasad yang berbeza suhu bersentuhan, jasad tersebut akan mula bertukar tenaga. Badan yang mempunyai tenaga kinetik yang lebih besar akan memindahkan tenaga mereka kepada badan yang kurang tenaga kinetik. Selepas beberapa lama, pertukaran tenaga ini akan berhenti dan akan berlaku keseimbangan termodinamik (terma)., di mana badan boleh kekal selama yang dikehendaki. Dalam keadaan ini, suhu badan adalah sama.

Galileo Galilei, seorang saintis Itali, menyatakan idea tentang sifat mekanikal haba; pada tahun 1597 dia membina termometer pertama. Termometer itu terdiri daripada bola kaca dengan tiub yang keluar daripadanya. Tiub itu diturunkan ke dalam air, yang naik di sepanjangnya. Apabila udara di dalam bola dipanaskan atau disejukkan, lajur air sama ada jatuh atau naik. Termometer ini tidak sempurna, kerana ketinggian lajur air bergantung bukan sahaja pada suhu, tetapi juga pada tekanan udara.

Semua termometer lain yang dicipta kemudiannya menggunakan cecair. Tetapi, ia diperhatikan bahawa, tidak seperti cecair, gas jarang mengembang dan menukar tekanan bergantung pada suhu dengan cara yang sama. Ia telah ditentukan secara eksperimen untuk gas jarang dalam keadaan keseimbangan terma itu

Di mana T - suhu mutlak, diukur dalam unit SI dalam Kelvin (K)

k = 1.38*10 -23 J/K – pemalar Boltzmann. Dinamakan sempena ahli fizik Australia, salah seorang pengasas teori gas MKT, Ludwig Boltzmann.

Terima kasih kepada pergantungan ini, ia menjadi mungkin untuk mencipta skala suhu yang tidak bergantung pada jenis bahan dan menggunakannya untuk mengukur suhu. Ia diperkenalkan oleh ahli fizik Inggeris William Thomson, yang dinamakan Lord Kelvin pada tahun 1892 untuk kerjanya dalam bidang fizik.

Skala ini dipanggil skala mutlak (termodinamik). suhu atau skala Kelvin. Melepasi titik sifar ( suhu sifar mutlak) pada skala ini, titik yang sepadan dengan suhu terendah secara teori yang mungkin, "darjah sejuk paling rendah atau terakhir," diterima. Kewujudannya telah diramalkan oleh Lomonosov. Suhu T=0 pada skala Kelvin, sepadan dengan skala Celsius

Dalam buku teks sekolah dan universiti, anda boleh menemui banyak penjelasan suhu yang berbeza. Suhu ditakrifkan sebagai nilai yang membezakan panas daripada sejuk, sebagai tahap pemanasan badan, sebagai ciri keadaan keseimbangan terma, sebagai nilai yang berkadar dengan tenaga setiap darjah kebebasan zarah, dsb. dan sebagainya. Selalunya, suhu bahan ditakrifkan sebagai ukuran tenaga purata pergerakan haba zarah bahan, atau sebagai ukuran keamatan gerakan haba zarah. Makhluk cakerawala fizik, ahli teori, akan terkejut: “Apakah yang tidak dapat difahami di sini? Suhu adalah dQ/ dS, Di mana Q- kehangatan, dan S- entropi! Kelimpahan takrifan sedemikian menimbulkan syak wasangka di kalangan mana-mana orang yang berfikiran kritis bahawa takrif saintifik suhu yang diterima umum pada masa ini tidak wujud dalam fizik.

Mari kita cuba mencari tafsiran yang mudah dan khusus tentang konsep ini pada tahap yang boleh diakses oleh graduan sekolah menengah. Cuba kita bayangkan gambar ini. Salji pertama turun, dan dua beradik memulakan permainan yang menyeronokkan yang dikenali sebagai "bola salji" semasa rehat di sekolah. Mari kita lihat apakah tenaga yang dipindahkan kepada pemain semasa pertandingan ini. Untuk kesederhanaan, kami mengandaikan bahawa semua projektil mencapai sasaran. Permainan ini berjalan dengan kelebihan yang jelas untuk abang. Dia juga mempunyai bola salji yang lebih besar, dan dia melemparkannya dengan lebih laju. Tenaga semua bola salji yang dilemparkan olehnya, ke mana N Dengan– bilangan balingan, dan - tenaga kinetik purata satu bola. Purata tenaga didapati menggunakan formula biasa:

Di sini m- jisim bola salji, dan v- kelajuan mereka.

Namun, tidak semua tenaga yang dibelanjakan oleh si abang akan dipindahkan kepada pasangan yang lebih muda. Sebenarnya, bola salji mengenai sasaran pada sudut yang berbeza, jadi sebahagian daripadanya, apabila dipantulkan dari seseorang, membawa sebahagian daripada tenaga asal. Benar, terdapat juga bola yang "berjaya" dibaling, yang boleh mengakibatkan mata hitam. Dalam kes kedua, semua tenaga kinetik peluru dipindahkan ke subjek yang ditembak. Oleh itu, kami sampai pada kesimpulan bahawa tenaga bola salji yang dipindahkan kepada adik lelaki akan sama dengan E Dengan, A
, Di mana Θ Dengan– nilai purata tenaga kinetik yang dipindahkan kepada pasangan yang lebih muda apabila satu bola salji terkena dia. Adalah jelas bahawa semakin besar tenaga purata bagi setiap bola yang dilontar, semakin besar tenaga purata akan berlaku Θ Dengan, dihantar ke sasaran dengan satu peluru. Dalam kes yang paling mudah, hubungan antara mereka boleh berkadar terus: Θ Dengan =a. Sehubungan itu, pelajar junior itu menghabiskan tenaga sepanjang pertandingan
, tetapi tenaga yang dipindahkan kepada abang akan menjadi kurang: ia adalah sama
, Di mana N m– bilangan balingan, dan Θ m– tenaga purata satu bola salji yang diserap oleh abangnya.

Sesuatu yang serupa berlaku semasa interaksi haba badan. Jika anda membawa dua jasad bersentuhan, molekul jasad pertama akan memindahkan tenaga ke jasad kedua dalam bentuk haba dalam tempoh yang singkat.
, Di mana Δ S 1 ialah bilangan perlanggaran molekul jasad pertama dengan jasad kedua, dan Θ 1 ialah tenaga purata yang dipindahkan oleh molekul jasad pertama ke jasad kedua dalam satu perlanggaran. Pada masa yang sama, molekul badan kedua akan kehilangan tenaga
. Di sini Δ S 2 ialah bilangan tindakan asas interaksi (bilangan kesan) molekul jasad kedua dengan jasad pertama, dan Θ 2 - tenaga purata yang dipindahkan oleh molekul jasad kedua dalam satu pukulan ke jasad pertama. Magnitud Θ dalam fizik ia dipanggil suhu. Seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman, ia berkaitan dengan tenaga kinetik purata molekul badan mengikut nisbah:

(2)

Dan sekarang kita boleh meringkaskan semua hujah di atas. Apakah kesimpulan yang harus kita buat mengenai kandungan fizikal kuantiti Θ ? Ia, pada pendapat kami, benar-benar jelas.

badan berpindah ke objek makroskopik lain dalam satu

perlanggaran dengan objek ini.

Seperti berikut dari formula (2), suhu ialah parameter tenaga, yang bermaksud bahawa unit suhu dalam sistem SI ialah joule. Jadi, secara tegasnya, anda harus mengadu seperti ini: "Nampaknya saya selsema semalam, kepala saya sakit, dan suhu saya adalah sebanyak 4.294·10 -21 J!" Bukankah ia unit yang luar biasa untuk mengukur suhu, dan nilainya entah bagaimana terlalu kecil? Tetapi jangan lupa bahawa kita bercakap tentang tenaga yang merupakan sebahagian kecil daripada tenaga kinetik purata hanya satu molekul!

Dalam amalan, suhu diukur dalam unit yang dipilih secara sewenang-wenangnya: florents, kelvin, darjah Celsius, darjah Rankine, darjah Fahrenheit, dsb. (Saya boleh menentukan panjang bukan dalam meter, tetapi dalam kabel, fathoms, langkah, vershok, kaki, dll. Saya masih ingat bahawa dalam salah satu kartun panjang boa constrictor dikira walaupun dalam burung kakak tua!)

Untuk mengukur suhu, perlu menggunakan beberapa penderia, yang harus bersentuhan dengan objek yang dikaji. Kami akan memanggil penderia ini badan termometrik . Jasad termometrik mesti mempunyai dua sifat. Pertama, ia mestilah jauh lebih kecil daripada objek yang dikaji (lebih tepat lagi, kapasiti haba badan termometrik mestilah lebih kecil daripada kapasiti haba objek yang dikaji). Pernahkah anda cuba mengukur suhu, katakan, nyamuk menggunakan termometer perubatan biasa? Cuba ia! Apa, tiada apa yang berjaya? Masalahnya ialah semasa proses pertukaran haba, serangga tidak akan dapat mengubah keadaan tenaga termometer, kerana jumlah tenaga molekul nyamuk diabaikan berbanding dengan tenaga molekul termometer.

Baiklah, saya akan mengambil objek kecil, sebagai contoh, pensel, dan dengan bantuannya saya akan cuba mengukur suhu saya. Sekali lagi, sesuatu tidak berjalan dengan baik... Dan sebab kegagalannya ialah badan termometrik mesti mempunyai satu lagi sifat wajib: apabila bersentuhan dengan objek yang dikaji, perubahan mesti berlaku dalam badan termometrik yang boleh dirakam secara visual atau menggunakan instrumen.

Lihat dengan lebih dekat cara termometer isi rumah biasa berfungsi. Badan termometriknya ialah bekas sfera kecil yang disambungkan kepada tiub nipis (kapilari). Kapal itu diisi dengan cecair (paling kerap merkuri atau alkohol berwarna). Apabila bersentuhan dengan objek panas atau sejuk, cecair menukar isipadunya, dan ketinggian lajur dalam kapilari berubah dengan sewajarnya. Tetapi untuk mendaftarkan perubahan dalam ketinggian lajur cecair, ia juga perlu untuk melampirkan skala pada badan termometrik. Peranti yang mengandungi badan termometrik dan skala yang dipilih dengan cara tertentu dipanggil termometer . Termometer yang paling banyak digunakan pada masa kini ialah skala Celsius dan skala Kelvin.

Skala Celsius ditubuhkan oleh dua titik rujukan (rujukan). Titik rujukan pertama ialah titik tiga air - keadaan fizikal di mana tiga fasa air (cecair, gas, pepejal) berada dalam keseimbangan. Ini bermakna jisim cecair, jisim hablur air dan jisim wap air kekal tidak berubah di bawah keadaan ini. Dalam sistem sedemikian, sudah tentu, proses penyejatan dan pemeluwapan, penghabluran dan lebur berlaku, tetapi ia mengimbangi antara satu sama lain. Jika ketepatan pengukuran suhu yang sangat tinggi tidak diperlukan (contohnya, dalam pembuatan termometer rumah), titik rujukan pertama diperoleh dengan meletakkan badan termometrik dalam salji atau ais yang cair pada tekanan atmosfera. Titik rujukan kedua ialah keadaan di mana air cecair berada dalam keseimbangan dengan wapnya (dengan kata lain, takat didih air) pada tekanan atmosfera biasa. Tanda dibuat pada skala termometer yang sepadan dengan titik rujukan; selang antara mereka dibahagikan kepada seratus bahagian. Satu bahagian skala yang dipilih dengan cara ini dipanggil darjah Celsius (˚C). Titik tiga air diambil sebagai 0 darjah Celsius.

Skala Celsius telah menerima penggunaan praktikal terbesar di dunia; malangnya, ia mempunyai beberapa kelemahan yang ketara. Suhu pada skala ini boleh mengambil nilai negatif, manakala tenaga kinetik dan, dengan itu, suhu hanya boleh positif. Di samping itu, bacaan termometer dengan skala Celsius (kecuali titik rujukan) bergantung pada pilihan badan termometrik.

Skala Kelvin tidak mempunyai kelemahan skala Celsius. Gas ideal mesti digunakan sebagai bahan kerja dalam termometer dengan skala Kelvin. Skala Kelvin juga ditubuhkan oleh dua titik rujukan. Titik rujukan pertama ialah keadaan fizikal di mana gerakan terma molekul gas ideal berhenti. Titik ini diambil sebagai 0 pada skala Kelvin. Titik rujukan kedua ialah titik tiga air. Selang antara titik rujukan dibahagikan kepada 273.15 bahagian. Satu bahagian skala yang dipilih dengan cara ini dipanggil kelvin (K). Bilangan pembahagian 273.15 dipilih supaya harga pembahagian skala Kelvin bertepatan dengan harga pembahagian skala Celsius, kemudian perubahan suhu pada skala Kelvin bertepatan dengan perubahan suhu pada skala Celsius; Ini memudahkan untuk bergerak daripada membaca satu skala ke skala yang lain. Suhu pada skala Kelvin biasanya ditunjukkan oleh huruf T. Hubungan antara suhu t dalam skala Celsius dan suhu T, diukur dalam kelvin, ditubuhkan oleh hubungan

Dan
.

Untuk menukar daripada suhu T, diukur dalam K, kepada suhu Θ Pemalar Boltzmann digunakan dalam joule k=1.38·10 -23 J/K, ia menunjukkan berapa banyak joule setiap 1 K:

Θ = kT.

Sesetengah orang yang bijak cuba mencari beberapa makna rahsia dalam pemalar Boltzmann; sementara itu k- pekali paling biasa untuk menukar suhu daripada Kelvin kepada Joule.

Marilah kita menarik perhatian pembaca kepada tiga ciri khusus suhu. Pertama, ia ialah parameter purata (statistik) bagi ensembel zarah. Bayangkan anda memutuskan untuk mencari purata umur orang di Bumi. Untuk melakukan ini, kami pergi ke tadika, jumlahkan umur semua kanak-kanak dan bahagikan jumlah ini dengan bilangan kanak-kanak. Ternyata purata umur manusia di Bumi ialah 3.5 tahun! Nampaknya mereka fikir ia betul, tetapi keputusan yang mereka perolehi adalah tidak masuk akal. Tetapi intinya ialah dalam statistik anda perlu beroperasi dengan sejumlah besar objek atau peristiwa. Semakin tinggi bilangan mereka (sebaik-baiknya ia sepatutnya besar tidak terhingga), semakin tepat nilai parameter statistik purata. Oleh itu, konsep suhu hanya terpakai kepada jasad yang mengandungi sejumlah besar zarah. Apabila seorang wartawan, dalam mengejar sensasi, melaporkan bahawa suhu zarah yang jatuh pada kapal angkasa adalah beberapa juta darjah, saudara-mara angkasawan tidak perlu pengsan: tiada apa-apa yang buruk berlaku kepada kapal itu: hanya seorang penulis yang buta huruf berlalu pergi. tenaga sebilangan kecil zarah kosmik sebagai suhu. Tetapi jika kapal itu, yang menuju ke Marikh, hilang arah dan mendekati Matahari, maka akan ada masalah: bilangan zarah yang mengebom kapal itu sangat besar, dan suhu korona suria ialah 1.5 juta darjah.

Kedua, suhu mencirikan haba, i.e. pergerakan zarah yang tidak teratur. Dalam osiloskop elektronik, gambar pada skrin dilukis oleh aliran elektron yang sempit, difokuskan pada satu titik. Elektron ini melalui beza keupayaan yang sama dan memperoleh kelajuan yang lebih kurang sama. Untuk kumpulan zarah sedemikian, pakar yang cekap menunjukkan tenaga kinetik mereka (contohnya, 1500 volt elektron), yang, tentu saja, bukan suhu zarah ini.

Akhirnya, ketiga, kita perhatikan bahawa pemindahan haba dari satu badan ke badan lain boleh dilakukan bukan sahaja disebabkan oleh perlanggaran langsung zarah-zarah badan ini, tetapi juga disebabkan oleh penyerapan tenaga dalam bentuk kuanta sinaran elektromagnet ( proses ini berlaku apabila anda berjemur di pantai) . Oleh itu, definisi suhu yang lebih umum dan tepat hendaklah dirumuskan seperti berikut:

Suhu badan (zat, ​​sistem) ialah kuantiti fizik yang secara berangka sama dengan tenaga purata yang molekul ini

badan berpindah ke objek makroskopik lain dalam satu

tindakan asas interaksi dengan objek ini.

Kesimpulannya, mari kita kembali kepada definisi yang dibincangkan pada permulaan artikel ini. Daripada formula (2) ia mengikuti bahawa jika suhu bahan diketahui, maka tenaga purata zarah bahan boleh ditentukan dengan jelas. Oleh itu, suhu adalah benar-benar ukuran tenaga purata gerakan terma molekul atau atom (perhatikan, dengan cara itu, tenaga purata zarah tidak dapat ditentukan secara langsung dalam eksperimen). Sebaliknya, tenaga kinetik adalah berkadar dengan kuasa dua kelajuan; Ini bermakna semakin tinggi suhu, semakin tinggi kelajuan molekul, semakin sengit pergerakannya. Oleh itu, suhu ialah ukuran keamatan pergerakan haba zarah. Takrifan ini sudah tentu boleh diterima, tetapi ia terlalu umum dan bersifat kualitatif semata-mata.

Suhu adalah mudah!

Suhu

Suhu ialah ukuran tenaga kinetik purata molekul.
Suhu mencirikan tahap pemanasan badan.

Alat pengukur suhu - termometer.
Prinsip operasi termometer:
Apabila mengukur suhu, pergantungan perubahan dalam mana-mana parameter makroskopik (isipadu, tekanan, rintangan elektrik, dll.) sesuatu bahan pada suhu digunakan.
Dalam termometer cecair, ini adalah perubahan dalam isipadu cecair.
Apabila dua media bersentuhan, tenaga dipindahkan dari persekitaran yang lebih panas kepada persekitaran yang kurang panas.
Semasa proses pengukuran, suhu badan dan termometer mencapai keadaan keseimbangan terma.

Termometer cecair

Dalam amalan, termometer cecair sering digunakan: merkuri (dalam julat dari -35 o C hingga +750 o C) dan alkohol (dari -80 o C hingga +70 o C).
Mereka menggunakan sifat cecair untuk menukar isipadu apabila suhu berubah.
Walau bagaimanapun, setiap cecair mempunyai ciri-ciri perubahan isipadu (pengembangan) yang tersendiri pada suhu yang berbeza.
Sebagai hasil daripada membandingkan, sebagai contoh, bacaan termometer merkuri dan alkohol, padanan tepat hanya akan berada pada dua titik (pada suhu 0 o C dan 100 o C).
Termometer gas tidak mempunyai kelemahan ini.

Termometer gas

Termometer gas pertama dicipta oleh ahli fizik Perancis J. Charles.

Kelebihan termometer gas:
- pergantungan linear perubahan isipadu gas atau tekanan pada suhu digunakan, yang sah untuk semua gas
- ketepatan pengukuran dari 0.003 o C hingga 0.02 o C
- julat suhu dari -271 o C hingga +1027 o C.

Keseimbangan haba

Apabila dua jasad suhu berbeza bersentuhan, tenaga dalaman dipindahkan dari jasad yang lebih panas kepada jasad yang kurang panas, dan suhu kedua-dua jasad adalah sama.
Keadaan keseimbangan terma berlaku, di mana semua makroparameter (isipadu, tekanan, suhu) kedua-dua jasad kemudiannya kekal tidak berubah di bawah keadaan luaran yang tetap.

Keseimbangan haba ialah keadaan di mana semua parameter makroskopik kekal tidak berubah untuk jangka masa yang lama.
Keadaan keseimbangan terma sistem jasad dicirikan oleh suhu: semua jasad sistem yang berada dalam keseimbangan terma antara satu sama lain mempunyai suhu yang sama.
Telah ditetapkan bahawa pada keseimbangan terma, tenaga kinetik purata bagi gerakan translasi bagi molekul semua gas adalah sama, i.e.

Untuk gas jarang (ideal) nilainya

dan hanya bergantung pada suhu, kemudian

di mana k ialah pemalar Boltzmann

Pergantungan ini memungkinkan untuk memperkenalkan skala suhu baharu - skala suhu mutlak yang tidak bergantung pada bahan yang digunakan untuk mengukur suhu.

Skala suhu mutlak

Diperkenalkan oleh ahli fizik Inggeris W. Kelvin
- tiada suhu negatif

Unit SI bagi suhu mutlak: [T] = 1K (Kelvin)
Suhu sifar skala mutlak ialah sifar mutlak (0K = -273 o C), suhu terendah dalam alam semula jadi. Pada masa ini, suhu terendah telah dicapai - 0.0001K.
Nilai 1K bersamaan dengan 1 o C.

Hubungan antara skala mutlak dan skala Celsius

Ingat! Dalam formula, suhu mutlak dilambangkan dengan huruf "T", dan suhu pada skala Celsius dengan huruf "t".

Selepas memperkenalkan suhu mutlak yang kita dapat ungkapan baharu untuk formula:

Purata tenaga kinetik pergerakan translasi molekul

Tekanan gas - persamaan asas MKT

Purata kelajuan persegi molekul

Pelan:

pengenalan

• 1 Definisi termodinamik
  • 1.1 Sejarah pendekatan termodinamik
• 2 Penentuan suhu dalam fizik statistik
• 3 Pengukuran suhu
• 4 Unit suhu dan skala
  • 4.1 Skala suhu Kelvin
  • Skala 4.2 Celsius
  • 4.3 Fahrenheit
• 5 Tenaga gerakan haba pada sifar mutlak
  • 5.1 Suhu dan sinaran
  • 5.2 Skala Reaumur
• 6 Peralihan daripada skala yang berbeza
• 7 Perbandingan skala suhu
• 8 Ciri-ciri peralihan fasa
• 9 Fakta menarik
Nota
kesusasteraan

pengenalan

Suhu(dari lat. suhu- pencampuran yang betul, keadaan normal) ialah kuantiti fizik skalar yang mencirikan purata tenaga kinetik zarah sistem makroskopik dalam keadaan keseimbangan termodinamik setiap satu darjah kebebasan.

Ukuran suhu bukanlah pergerakan itu sendiri, tetapi sifat huru-hara pergerakan ini. Rawak keadaan badan menentukan keadaan suhunya, dan idea ini (yang pertama kali dibangunkan oleh Boltzmann) bahawa keadaan suhu tertentu badan tidak sama sekali ditentukan oleh tenaga pergerakan, tetapi oleh rawak pergerakan ini , adalah konsep baharu dalam penerangan fenomena suhu yang mesti kita gunakan. ..

(P. L. Kapitsa)

Dalam Sistem Unit Antarabangsa (SI), suhu termodinamik adalah salah satu daripada tujuh unit asas dan dinyatakan dalam kelvin. Kuantiti SI terbitan, yang mempunyai nama khas, termasuk suhu Celsius, diukur dalam darjah Celsius. Dalam amalan, darjah Celsius sering digunakan kerana hubungan sejarahnya dengan ciri penting air - takat lebur ais (0 °C) dan takat didih (100 °C). Ini mudah kerana kebanyakan proses iklim, proses dalam hidupan liar, dll. dikaitkan dengan julat ini. Perubahan suhu satu darjah Celsius bersamaan dengan perubahan suhu satu Kelvin. Oleh itu, selepas pengenalan definisi baru Kelvin pada tahun 1967, takat didih air tidak lagi memainkan peranan sebagai titik rujukan malar dan, seperti yang ditunjukkan oleh pengukuran yang tepat, ia tidak lagi bersamaan dengan 100 °C, tetapi hampir kepada 99.975. °C.

Terdapat juga skala Fahrenheit dan beberapa yang lain.

1. Definisi termodinamik

Kewujudan keadaan keseimbangan dipanggil kedudukan awal pertama termodinamik. Kedudukan awal kedua termodinamik ialah pernyataan bahawa keadaan keseimbangan dicirikan oleh kuantiti tertentu, yang, apabila sentuhan terma dua sistem keseimbangan, menjadi sama bagi mereka sebagai hasil daripada pertukaran tenaga. Kuantiti ini dipanggil suhu.

1.1. Sejarah pendekatan termodinamik

Perkataan "suhu" timbul pada zaman itu apabila orang percaya bahawa lebih banyak badan yang dipanaskan mengandungi lebih banyak bahan khas - kalori - daripada yang kurang panas. Oleh itu, suhu dianggap sebagai kekuatan campuran bahan badan dan kalori. Atas sebab ini, unit ukuran untuk kekuatan minuman beralkohol dan suhu dipanggil sama - darjah.

Dalam keadaan keseimbangan, suhu mempunyai nilai yang sama untuk semua bahagian makroskopik sistem. Jika dua jasad dalam sistem mempunyai suhu yang sama, maka tiada pemindahan tenaga kinetik zarah (haba) di antara mereka. Sekiranya terdapat perbezaan suhu, maka haba bergerak dari jasad dengan suhu yang lebih tinggi ke jasad dengan suhu yang lebih rendah, kerana jumlah entropi meningkat.

Suhu juga dikaitkan dengan sensasi subjektif "hangat" dan "sejuk", berkaitan sama ada tisu hidup mengeluarkan atau menerima haba.

Sesetengah sistem mekanikal kuantum mungkin berada dalam keadaan di mana entropi tidak meningkat tetapi berkurangan dengan penambahan tenaga, yang secara rasmi sepadan dengan suhu mutlak negatif. Walau bagaimanapun, keadaan sedemikian bukanlah "di bawah sifar mutlak", tetapi "di atas infiniti", kerana apabila sistem sedemikian bersentuhan dengan badan dengan suhu positif, tenaga dipindahkan dari sistem ke badan, dan bukan sebaliknya (untuk butiran lanjut, lihat Termodinamik Kuantum).

Sifat-sifat suhu dikaji oleh cabang fizik - termodinamik. Suhu juga memainkan peranan penting dalam banyak bidang sains, termasuk cabang fizik lain, serta kimia dan biologi.

2. Penentuan suhu dalam fizik statistik

Dalam fizik statistik, suhu ditentukan oleh formula

,

di mana S ialah entropi, E ialah tenaga bagi sistem termodinamik. Nilai T yang diperkenalkan dengan cara ini adalah sama untuk jasad yang berbeza pada keseimbangan termodinamik. Apabila dua jasad bersentuhan, jasad dengan nilai T yang besar akan memindahkan tenaga kepada yang lain.

3. Pengukuran suhu

Untuk mengukur suhu termodinamik, parameter termodinamik tertentu bahan termometrik dipilih. Perubahan dalam parameter ini jelas dikaitkan dengan perubahan suhu. Contoh klasik termometer termodinamik ialah termometer gas, di mana suhu ditentukan dengan mengukur tekanan gas dalam silinder isipadu tetap. Sinaran mutlak, bunyi bising dan termometer akustik juga diketahui.

Termometer termodinamik adalah unit yang sangat kompleks yang tidak boleh digunakan untuk tujuan praktikal. Oleh itu, kebanyakan pengukuran dibuat menggunakan termometer praktikal, yang kedua, kerana ia tidak boleh mengaitkan sebarang sifat bahan dengan suhu secara langsung. Untuk mendapatkan fungsi interpolasi, ia mesti ditentukur pada titik rujukan pada skala suhu antarabangsa. Termometer praktikal yang paling tepat ialah termometer rintangan platinum. Alat pengukur suhu selalunya ditentukur pada skala relatif - Celsius atau Fahrenheit.

Dalam amalan, suhu juga diukur

• termometer cecair dan mekanikal,
• termokopel,
• termometer rintangan,

• termometer gas,
• pyrometer.

Kaedah terkini untuk mengukur suhu telah dibangunkan, berdasarkan pengukuran parameter sinaran laser.

4. Unit dan skala pengukuran suhu

Oleh kerana suhu ialah tenaga kinetik molekul, adalah jelas bahawa adalah paling semula jadi untuk mengukurnya dalam unit tenaga (iaitu, dalam sistem SI dalam joule). Walau bagaimanapun, pengukuran suhu bermula lama sebelum penciptaan teori kinetik molekul, jadi skala praktikal mengukur suhu dalam unit konvensional - darjah.

4.1. Skala suhu Kelvin

Konsep suhu mutlak telah diperkenalkan oleh W. Thomson (Kelvin), dan oleh itu skala suhu mutlak dipanggil skala Kelvin atau skala suhu termodinamik. Unit suhu mutlak ialah kelvin (K).

Skala suhu mutlak dipanggil sedemikian kerana ukuran keadaan dasar bagi had bawah suhu adalah sifar mutlak, iaitu, suhu terendah yang mungkin, pada dasarnya, adalah mustahil untuk mengekstrak tenaga haba daripada bahan.

Sifar mutlak ditakrifkan sebagai 0 K, yang sama dengan -273.15 °C (tepat).

Skala suhu Kelvin ialah skala yang bermula pada sifar mutlak.

Amat penting ialah pembangunan, berdasarkan skala termodinamik Kelvin, skala praktikal Antarabangsa berdasarkan titik rujukan - peralihan fasa bahan tulen yang ditentukan oleh kaedah termometri primer. Skala suhu antarabangsa pertama telah diterima pakai pada tahun 1927 oleh ITS-27. Sejak tahun 1927, skala telah ditakrifkan semula beberapa kali (MTSh-48, MPTS-68, MTSh-90): suhu rujukan dan kaedah interpolasi telah berubah, tetapi prinsipnya tetap sama - asas skala adalah satu set peralihan fasa bahan tulen dengan nilai suhu termodinamik tertentu dan instrumen interpolasi yang ditentukur pada titik ini. Skala ITS-90 sedang berkuat kuasa. Dokumen utama (Peraturan pada skala) menetapkan definisi Kelvin, nilai suhu peralihan fasa (titik rujukan) dan kaedah interpolasi.

Skala suhu yang digunakan dalam kehidupan seharian - kedua-dua Celsius dan Fahrenheit (digunakan terutamanya di Amerika Syarikat) - tidak mutlak dan oleh itu menyusahkan apabila menjalankan eksperimen dalam keadaan di mana suhu jatuh di bawah takat beku air, itulah sebabnya suhu mesti dinyatakan negatif nombor. Untuk kes sedemikian, skala suhu mutlak telah diperkenalkan.

Satu daripadanya dipanggil skala Rankine, dan yang lain ialah skala termodinamik mutlak (skala Kelvin); suhu mereka diukur dalam darjah Rankine (°Ra) dan kelvin (K), masing-masing. Kedua-dua skala bermula pada suhu sifar mutlak. Mereka berbeza kerana harga satu bahagian pada skala Kelvin adalah sama dengan harga bahagian pada skala Celsius, dan harga satu bahagian pada skala Rankine adalah bersamaan dengan harga pembahagian termometer dengan skala Fahrenheit. Takat beku air pada tekanan atmosfera standard sepadan dengan 273.15 K, 0 °C, 32 °F.

Skala Kelvin terikat pada titik tiga air (273.16 K), dan pemalar Boltzmann bergantung padanya. Ini menimbulkan masalah dengan ketepatan tafsiran pengukuran suhu tinggi. BIPM kini sedang mempertimbangkan kemungkinan untuk beralih kepada definisi baharu Kelvin dan menetapkan pemalar Boltzmann, dan bukannya merujuk kepada suhu titik tiga. .

4.2. Celcius

Dalam teknologi, perubatan, meteorologi dan dalam kehidupan seharian, skala Celsius digunakan, di mana suhu titik tiga air ialah 0.008 °C, dan, oleh itu, titik beku air pada tekanan 1 atm ialah 0 ° C. Pada masa ini, skala Celsius ditentukan melalui skala Kelvin: harga satu bahagian pada skala Celsius adalah sama dengan harga bahagian pada skala Kelvin, t(°C) = T(K) - 273.15. Oleh itu, takat didih air, yang pada asalnya dipilih oleh Celsius sebagai titik rujukan 100 °C, telah kehilangan kepentingannya, dan anggaran moden meletakkan takat didih air pada tekanan atmosfera biasa pada kira-kira 99.975 °C. Skala Celsius secara praktikal sangat mudah, kerana air sangat meluas di planet kita dan kehidupan kita berdasarkannya. Sifar Celsius adalah titik khas untuk meteorologi kerana ia dikaitkan dengan pembekuan air atmosfera. Skala ini dicadangkan oleh Anders Celsius pada tahun 1742.

4.3. Fahrenheit

Di England dan terutamanya di Amerika Syarikat, skala Fahrenheit digunakan. Sifar darjah Celsius ialah 32 darjah Fahrenheit, dan darjah Fahrenheit ialah 9/5 darjah Celsius.

Takrif semasa skala Fahrenheit adalah seperti berikut: ia ialah skala suhu di mana 1 darjah (1 °F) bersamaan dengan 1/180 perbezaan antara takat didih air dan suhu lebur ais pada tekanan atmosfera, dan takat lebur ais ialah +32 °F. Suhu pada skala Fahrenheit berkaitan dengan suhu pada skala Celsius (t °C) dengan nisbah t °C = 5/9 (t °F - 32), t °F = 9/5 t °C + 32. Dicadangkan oleh G. Fahrenheit pada tahun 1724 .

5. Tenaga gerakan haba pada sifar mutlak

Apabila jirim menyejuk, banyak bentuk tenaga haba dan kesan yang berkaitan dengannya secara serentak berkurangan dalam magnitud. Jirim bergerak daripada keadaan yang kurang teratur kepada keadaan yang lebih teratur.

... konsep moden sifar mutlak bukanlah konsep rehat mutlak; sebaliknya, pada sifar mutlak boleh ada pergerakan - dan ia wujud, tetapi ia adalah keadaan tertib lengkap ...

P. L. Kapitsa (Sifat helium cecair)

Gas bertukar menjadi cecair dan kemudian mengkristal menjadi pepejal (helium, walaupun pada sifar mutlak, kekal dalam keadaan cair pada tekanan atmosfera). Pergerakan atom dan molekul menjadi perlahan, tenaga kinetiknya berkurangan. Rintangan kebanyakan logam berkurangan disebabkan oleh penurunan dalam penyerakan elektron pada atom kekisi kristal yang bergetar dengan amplitud yang lebih rendah. Oleh itu, walaupun pada sifar mutlak, elektron pengaliran bergerak antara atom dengan kelajuan Fermi urutan 1 × 10 6 m/s.

Suhu di mana zarah jirim mempunyai jumlah pergerakan minimum, hanya dikekalkan disebabkan oleh gerakan mekanikal kuantum, ialah suhu sifar mutlak (T = 0K).

Suhu sifar mutlak tidak boleh dicapai. Suhu terendah (450 ± 80) × 10 −12 K kondensat Bose-Einstein atom natrium diperolehi pada tahun 2003 oleh penyelidik dari MIT. Dalam kes ini, puncak sinaran haba terletak di kawasan panjang gelombang urutan 6400 km, iaitu, kira-kira jejari Bumi.

5.1. Suhu dan sinaran

Tenaga yang dipancarkan oleh jasad adalah berkadar dengan kuasa keempat suhunya. Jadi, pada 300 K, sehingga 450 watt dipancarkan dari satu meter persegi permukaan. Ini menjelaskan, sebagai contoh, penyejukan permukaan bumi pada waktu malam di bawah suhu ambien. Tenaga sinaran badan hitam mutlak diterangkan oleh undang-undang Stefan-Boltzmann

5.2. Skala Reaumur

Dicadangkan pada tahun 1730 oleh R. A. Reaumur, yang menggambarkan termometer alkohol yang dia cipta.

Unitnya ialah darjah Reaumur (°R), 1 °R bersamaan dengan 1/80 selang suhu antara titik rujukan - suhu lebur ais (0 °R) dan takat didih air (80 °R)

1 °R = 1.25 °C.

Pada masa ini, skala telah tidak digunakan; ia bertahan paling lama di Perancis, tanah air pengarang.

6. Peralihan daripada skala yang berbeza

7. Perbandingan skala suhu

Perbandingan skala suhu

Penerangan	Kelvin	Celcius	Fahrenheit	Rankin	Delisle	Newton	Reaumur	Roemer
Sifar mutlak	0	−273.15	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
Suhu lebur campuran Fahrenheit (garam dan ais dalam kuantiti yang sama)	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
Takat beku air (keadaan biasa)	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Purata suhu badan manusia¹	310.0	36.6	98.2	557.9	94.5	12.21	29.6	26.925
Takat didih air (keadaan biasa)	373.15	100	212	671.67	0	33	80	60
Mencairkan titanium	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Permukaan Matahari	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

¹ Purata suhu badan manusia biasa ialah 36.6 °C ±0.7 °C, atau 98.2 °F ±1.3 °F. Nilai yang biasa disebut 98.6 °F ialah penukaran tepat kepada Fahrenheit daripada nilai Jerman abad ke-19 sebanyak 37 °C. Walau bagaimanapun, nilai ini tidak berada dalam julat purata suhu badan manusia biasa, kerana suhu bahagian badan yang berlainan adalah berbeza.

Beberapa nilai dalam jadual ini telah dibundarkan.

8. Ciri-ciri peralihan fasa

Untuk menerangkan titik peralihan fasa pelbagai bahan, nilai suhu berikut digunakan:

• Suhu lebur
• Suhu mendidih
• Suhu penyepuhlindapan
• Suhu pensinteran
• Suhu sintesis
• Suhu udara
• Suhu tanah
• Suhu homolog
• Titik tiga kali ganda
• Suhu Debye (Suhu ciri)
• Suhu kari

9. Fakta menarik

Suhu terendah di Bumi sehingga 1910 −68, Verkhoyansk

• Suhu tertinggi yang dicipta oleh manusia, ~10 trilion. K (yang setanding dengan suhu Alam Semesta pada saat pertama hayatnya) dicapai pada tahun 2010 semasa perlanggaran ion plumbum yang dipercepatkan kepada kelajuan hampir cahaya. Eksperimen telah dijalankan di Large Hadron Collider
• Suhu tertinggi secara teori mungkin ialah suhu Planck. Suhu yang lebih tinggi tidak boleh wujud kerana semuanya bertukar menjadi tenaga (semua zarah subatom akan runtuh). Suhu ini lebih kurang 1.41679(11)×10 32 K (kira-kira 142 bukan bilion K).
• Suhu terendah yang dicipta oleh manusia diperoleh pada tahun 1995 oleh Eric Cornell dan Carl Wieman dari Amerika Syarikat dengan menyejukkan atom rubidium. . Ia melebihi sifar mutlak kurang daripada 1/170 bilion daripada pecahan K (5.9 × 10 −12 K).
• Permukaan Matahari mempunyai suhu kira-kira 6000 K.
• Benih tumbuhan yang lebih tinggi kekal berdaya maju selepas menyejukkan hingga -269 °C.

Nota

1. GOST 8.417-2002. UNIT KUANTITI - nolik.ru/systems/gost.htm
2. Konsep suhu - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
3. I. P. Bazarov. Termodinamik, M., Sekolah Tinggi, 1976, hlm. 13-14.
4. Platinum - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 termometer rintangan - peranti utama MTSH-90.
5. Termometer laser - temperatures.ru/newmet/newmet.php?page=0
6. Titik rujukan MTSH-90 - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
7. Pembangunan definisi baharu Kelvin - temperatures.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
8. D. A. Parshin, G. G. Zegrya Titik kritikal. Sifat bahan dalam keadaan kritikal. Titik tiga kali ganda. Peralihan fasa jenis kedua. Kaedah untuk mendapatkan suhu rendah. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. Termodinamik statistik. Kuliah 11. Universiti Akademik St.
9. Mengenai pelbagai ukuran suhu badan - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (Bahasa Inggeris)
10. Berita BBC - Large Hadron Collider (LHC) menjana "mini-Big Bang" - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
11. Segala-galanya tentang segala-galanya. Rekod suhu - tem-6.narod.ru/weather_record.html
12. Keajaiban sains - www.seti.ee/ff/34gin.swf

kesusasteraan

• B. I. Spassky Sejarah fizik Bahagian I - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Moscow: "Sekolah Tinggi", 1977.
• Sivukhin D.V. Termodinamik dan fizik molekul. - Moscow: "Sains", 1990.

muat turun
Abstrak ini adalah berdasarkan artikel dari Wikipedia Rusia. Penyegerakan selesai 07/09/11 16:20:43
Abstrak yang serupa: