Dhana ya kiwango cha joto na joto. Ufafanuzi wa joto katika fizikia Joto linaitwa

Kubandika
06.02.2024

Mara nyingi sana katika maisha ya kila siku tunatumia dhana kama vile joto, moto, baridi, sifa ya kiwango cha joto la miili. Hii ni njia ya kibinafsi ambayo inategemea hisia zetu. Kiwango cha joto cha miili kinaweza kuonyeshwa kwa kiasi kwa kutumia kiasi cha kimwili kinachoitwa joto. Jinsi ya kuamua kwa usahihi joto? Kwa kusudi hili, kuna vifaa vinavyoitwa thermometers, ambayo inategemea utegemezi wa joto kwa kiasi fulani, kama vile shinikizo, kiasi na hali. usawa wa joto.

Usawa wa Thermodynamic

Halijoto inaashiria hali ya usawa wa joto wa mfumo wa miili. Ikiwa unaleta miili miwili ya joto tofauti katika kuwasiliana, miili itaanza kubadilishana nishati. Miili iliyo na nishati kubwa ya kinetic itahamisha nishati yao kwa miili yenye nishati kidogo ya kinetic. Baada ya muda fulani, ubadilishanaji huu wa nishati utaacha na kutakuwa na usawa wa thermodynamic (mafuta)., ambayo miili inaweza kubaki kwa muda mrefu kama unavyotaka. Katika hali hii, joto la miili ni sawa.

Galileo Galilei, mwanasayansi wa Italia, alionyesha wazo la asili ya mitambo ya joto; mnamo 1597 alitengeneza kipimajoto cha kwanza. Kipimajoto kilikuwa na mpira wa glasi na bomba kutoka ndani yake. Bomba lilishushwa ndani ya maji, ambayo iliinuka kupitia hiyo. Wakati hewa kwenye mpira iliwashwa au kupozwa, safu ya maji ilianguka au kuinuka. Thermometer hii haikuwa kamilifu, kwani urefu wa safu ya maji haukutegemea joto tu, bali pia kwa shinikizo la hewa.

Vipimajoto vingine vyote vilivyoundwa baadaye vimiminika vilivyotumika. Lakini, iligunduliwa kuwa, tofauti na vimiminika, gesi adimu hupanuka na kubadilisha shinikizo kulingana na halijoto kwa njia ile ile. Iliamuliwa kimajaribio kwa gesi adimu katika hali ya usawa wa joto

Ambapo T - joto kabisa, iliyopimwa kwa vizio vya SI katika Kelvin (K)

k = 1.38 * 10 -23 J / K - mara kwa mara ya Boltzmann. Imetajwa baada ya mwanafizikia wa Australia, mmoja wa waanzilishi wa nadharia ya MKT ya gesi, Ludwig Boltzmann.

Shukrani kwa utegemezi huu, ikawa inawezekana kuunda kiwango cha joto ambacho haitegemei aina ya dutu na kuitumia kupima joto. Ilianzishwa na mwanafizikia wa Kiingereza William Thomson, ambaye aliitwa Lord Kelvin mnamo 1892 kwa kazi yake katika uwanja wa fizikia.

Kiwango hiki kinaitwa kiwango kamili (thermodynamic). joto au kiwango cha Kelvin. Zaidi ya nukta sifuri ( joto la sifuri kabisa) kwa kiwango hiki, hatua inayolingana na joto la chini kabisa la kinadharia, "kiwango cha chini au cha mwisho cha baridi," kinakubaliwa. Uwepo wake ulitabiriwa na Lomonosov. Halijoto T=0 kwenye mizani ya Kelvin, inalingana na mizani ya Selsiasi

Katika vitabu vya kiada vya shule na chuo kikuu unaweza kupata maelezo mengi tofauti ya hali ya joto. Joto hufafanuliwa kama thamani inayotofautisha joto na baridi, kama kiwango cha joto la mwili, kama tabia ya hali ya usawa wa joto, kama thamani inayolingana na nishati kwa kila kiwango cha uhuru wa chembe, nk. Nakadhalika. Mara nyingi, halijoto ya kitu hufafanuliwa kama kipimo cha wastani wa nishati ya mwendo wa joto wa chembe za dutu, au kama kipimo cha ukubwa wa mwendo wa joto wa chembe. Kiumbe wa mbinguni wa fizikia, mwananadharia, atashangaa: "Ni nini kisichoeleweka hapa? Joto ni dQ/ dS, Wapi Q- joto, na S- entropy! Ufafanuzi mwingi kama huo huibua shaka miongoni mwa mtu yeyote anayefikiri kwa kina kwamba ufafanuzi wa kisayansi unaokubalika kwa jumla wa halijoto haupo katika fizikia kwa sasa.

Wacha tujaribu kupata tafsiri rahisi na maalum ya wazo hili kwa kiwango kinachoweza kupatikana kwa mhitimu wa shule ya upili. Hebu fikiria picha hii. Theluji ya kwanza ilianguka, na ndugu wawili walianza mchezo wa kufurahisha unaojulikana kama "mipira ya theluji" wakati wa mapumziko shuleni. Wacha tuone ni nishati gani huhamishiwa kwa wachezaji wakati wa mashindano haya. Kwa unyenyekevu, tunadhani kwamba projectiles zote zinafikia lengo. Mchezo unaendelea na faida ya wazi kwa kaka mkubwa. Pia ana mipira mikubwa ya theluji, na anaitupa kwa kasi kubwa zaidi. Nishati ya mipira yote ya theluji iliyotupwa naye, wapi N Na- idadi ya kutupa, na - wastani wa nishati ya kinetic ya mpira mmoja. Nishati ya wastani hupatikana kwa kutumia fomula ya kawaida:

Hapa m- wingi wa mipira ya theluji, na v- kasi yao.

Walakini, sio nguvu zote zinazotumiwa na kaka mkubwa zitahamishiwa kwa mwenzi wake mdogo. Kwa kweli, mipira ya theluji iligonga lengo kwa pembe tofauti, kwa hivyo baadhi yao, yanapoonyeshwa kutoka kwa mtu, hubeba sehemu ya nishati ya asili. Kweli, pia kuna "mafanikio" ya mipira ya kutupwa, ambayo inaweza kusababisha jicho nyeusi. Katika kesi ya mwisho, nishati yote ya kinetic ya projectile huhamishiwa kwenye somo linalopigwa. Kwa hivyo, tunafikia hitimisho kwamba nishati ya mipira ya theluji iliyohamishiwa kwa kaka mdogo itakuwa sawa E Na, A
, Wapi Θ Na- thamani ya wastani ya nishati ya kinetic ambayo huhamishiwa kwa mpenzi mdogo wakati mpira mmoja wa theluji unamgonga. Ni wazi kwamba kadiri nishati ya wastani kwa kila mpira unaorushwa inavyoongezeka, ndivyo nishati ya wastani inavyoongezeka Θ Na, kutumwa kwa lengo na projectile moja. Katika hali rahisi, uhusiano kati yao unaweza kuwa sawia moja kwa moja: Θ Na =a. Ipasavyo, mwanafunzi mdogo alitumia nguvu wakati wa mashindano yote
, lakini nishati iliyohamishwa kwa kaka mkubwa itakuwa chini: ni sawa
, Wapi N m- idadi ya kutupa, na Θ m- nishati ya wastani ya mpira wa theluji moja iliyochukuliwa na kaka yake mkubwa.

Kitu kama hicho hufanyika wakati wa mwingiliano wa joto wa miili. Ikiwa unaleta miili miwili katika kuwasiliana, molekuli za mwili wa kwanza zitahamisha nishati kwa mwili wa pili kwa namna ya joto kwa muda mfupi.
, Wapi Δ S 1 ni idadi ya migongano ya molekuli za mwili wa kwanza na mwili wa pili, na Θ 1 ni nishati ya wastani ambayo molekuli ya mwili wa kwanza huhamisha hadi mwili wa pili katika mgongano mmoja. Wakati huo huo, molekuli za mwili wa pili zitapoteza nishati
. Hapa Δ S 2 ni idadi ya vitendo vya msingi vya mwingiliano (idadi ya athari) ya molekuli za mwili wa pili na mwili wa kwanza, na Θ 2 - nishati ya wastani ambayo molekuli ya mwili wa pili huhamisha kwa pigo moja kwa mwili wa kwanza. Ukubwa Θ katika fizikia inaitwa joto. Kama uzoefu unavyoonyesha, inahusiana na wastani wa nishati ya kinetic ya molekuli za miili kwa uwiano:

(2)

Na sasa tunaweza kufupisha hoja zote hapo juu. Tunapaswa kupata hitimisho gani kuhusu maudhui ya kimwili ya kiasi Θ ? Ni, kwa maoni yetu, ni wazi kabisa.

mwili huhamishwa hadi kwa kitu kingine kikubwa katika moja

mgongano na kitu hiki.

Kama ifuatavyo kutoka kwa formula (2), joto ni parameter ya nishati, ambayo ina maana kwamba kitengo cha joto katika mfumo wa SI ni joule. Kwa hivyo, kwa kusema kweli, unapaswa kulalamika kitu kama hiki: "Inaonekana kama nilipata baridi jana, kichwa changu kinauma, na joto langu ni kama 4.294 · 10 -21 J!" Je! sio kitengo cha kawaida cha kupima joto, na thamani kwa namna fulani ni ndogo sana? Lakini usisahau kwamba tunazungumzia nishati ambayo ni sehemu ya wastani wa nishati ya kinetiki ya molekuli moja tu!

Kwa mazoezi, halijoto hupimwa katika vitengo vilivyochaguliwa kiholela: florents, kelvins, digrii Celsius, digrii Rankine, digrii Fahrenheit, nk. (Naweza kuamua urefu si kwa mita, lakini katika nyaya, fathoms, hatua, vershoks, miguu, nk Nakumbuka kwamba katika moja ya katuni urefu wa boa constrictor ulihesabiwa hata katika parrots!)

Ili kupima halijoto, ni muhimu kutumia kihisi fulani, ambacho kinapaswa kuguswa na kitu kinachochunguzwa. Tutaita kihisi hiki. mwili wa thermometric . Mwili wa thermometric lazima uwe na mali mbili. Kwanza, lazima iwe ndogo sana kuliko kitu kinachojifunza (kwa usahihi zaidi, uwezo wa joto wa mwili wa thermometric unapaswa kuwa chini sana kuliko uwezo wa joto wa kitu kinachojifunza). Je, umewahi kujaribu kupima halijoto ya mbu kwa kutumia kipimajoto cha kawaida cha matibabu? Ijaribu! Nini, hakuna kitu kinachofanya kazi? Jambo ni kwamba wakati wa mchakato wa kubadilishana joto, wadudu hawataweza kubadilisha hali ya nishati ya thermometer, kwa kuwa nishati ya jumla ya molekuli ya mbu haina maana ikilinganishwa na nishati ya molekuli ya thermometer.

Naam, sawa, nitachukua kitu kidogo, kwa mfano, penseli, na kwa msaada wake nitajaribu kupima joto langu. Tena, kitu haiendi vizuri ... Na sababu ya kushindwa ni kwamba mwili wa thermometric lazima uwe na mali moja zaidi ya lazima: juu ya kuwasiliana na kitu kilicho chini ya utafiti, mabadiliko lazima kutokea katika mwili wa thermometric ambayo inaweza kurekodi kuibua au kutumia. vyombo.

Angalia kwa karibu jinsi thermometer ya kawaida ya kaya inavyofanya kazi. Mwili wake wa thermometric ni chombo kidogo cha spherical kilichounganishwa na tube nyembamba (capillary). Chombo kinajazwa na kioevu (mara nyingi zebaki au pombe ya rangi). Baada ya kuwasiliana na kitu cha moto au baridi, kioevu hubadilisha kiasi chake, na urefu wa safu katika capillary hubadilika ipasavyo. Lakini ili kusajili mabadiliko katika urefu wa safu ya kioevu, ni muhimu pia kuunganisha kiwango kwenye mwili wa thermometric. Kifaa kilicho na mwili wa thermometric na kiwango kilichochaguliwa kwa njia fulani kinaitwa kipimajoto . Vipimajoto vinavyotumika sana kwa sasa ni vipimo vya Celsius na vipimo vya Kelvin.

Kiwango cha Celsius kinaanzishwa na pointi mbili za kumbukumbu (rejeleo). Sehemu ya kwanza ya kumbukumbu ni hatua tatu za maji - hali hizo za kimwili ambazo awamu tatu za maji (kioevu, gesi, imara) ziko katika usawa. Hii ina maana kwamba wingi wa kioevu, wingi wa fuwele za maji na wingi wa mvuke wa maji hubakia bila kubadilika chini ya hali hizi. Katika mfumo huo, bila shaka, taratibu za uvukizi na condensation, fuwele na kuyeyuka hutokea, lakini zinasawazisha kila mmoja. Ikiwa usahihi wa juu sana wa kipimo cha joto hauhitajiki (kwa mfano, katika utengenezaji wa thermometers za kaya), hatua ya kwanza ya kumbukumbu hupatikana kwa kuweka mwili wa thermometric katika theluji au barafu ambayo inayeyuka kwa shinikizo la anga. Sehemu ya pili ya kumbukumbu ni hali ambayo maji ya kioevu iko katika usawa na mvuke wake (kwa maneno mengine, kiwango cha kuchemsha cha maji) kwa shinikizo la kawaida la anga. Alama zinafanywa kwa kiwango cha thermometer sambamba na pointi za kumbukumbu; muda kati yao umegawanywa katika sehemu mia moja. Sehemu moja ya mizani iliyochaguliwa kwa njia hii inaitwa digrii Selsiasi (˚C). Kiwango cha tatu cha maji kinachukuliwa kuwa nyuzi 0 Celsius.

Mizani ya Celsius imepokea matumizi makubwa zaidi ya vitendo duniani; kwa bahati mbaya, ina idadi ya vikwazo muhimu. Joto kwa kiwango hiki linaweza kuchukua maadili hasi, wakati nishati ya kinetic na, ipasavyo, halijoto inaweza kuwa chanya tu. Kwa kuongeza, usomaji wa thermometers na kiwango cha Celsius (isipokuwa pointi za kumbukumbu) hutegemea uchaguzi wa mwili wa thermometric.

Kiwango cha Kelvin hakina hasara za kipimo cha Celsius. Gesi bora lazima itumike kama nyenzo ya kufanya kazi katika vipimajoto kwa kutumia mizani ya Kelvin. Kiwango cha Kelvin pia kinaanzishwa na pointi mbili za kumbukumbu. Hatua ya kwanza ya kumbukumbu ni hali ya kimwili ambayo mwendo wa joto wa molekuli bora za gesi huacha. Hatua hii inachukuliwa kama 0 kwenye mizani ya Kelvin. Sehemu ya pili ya marejeleo ni sehemu tatu za maji. Muda kati ya pointi za kumbukumbu imegawanywa katika sehemu 273.15. Mgawanyiko mmoja wa mizani iliyochaguliwa kwa njia hii inaitwa kelvin (K). Idadi ya mgawanyiko 273.15 ilichaguliwa ili bei ya mgawanyiko wa kipimo cha Kelvin ilingane na bei ya mgawanyiko wa kipimo cha Celsius, kisha mabadiliko ya hali ya joto kwenye kipimo cha Kelvin sanjari na mabadiliko ya joto kwenye kipimo cha Selsiasi; Hii hurahisisha kuhama kutoka kusoma mizani moja hadi nyingine. Joto kwenye kiwango cha Kelvin kawaida huonyeshwa na barua T. Uhusiano kati ya joto t katika kiwango cha Celsius na halijoto T, kipimo katika kelvins, ni imara na mahusiano

Na
.

Ili kubadilisha kutoka kwa joto T, kipimo katika K, kwa halijoto Θ Mara kwa mara ya Boltzmann hutumiwa katika joules k=1.38·10 -23 J/K, inaonyesha ni joule ngapi kwa kila K 1:

Θ = kT.

Baadhi ya watu wajanja kujaribu kupata baadhi ya maana ya siri katika Boltzmann mara kwa mara; wakati huo huo k- mgawo wa kawaida zaidi wa kubadilisha halijoto kutoka Kelvin hadi Joules.

Hebu tuchukue tahadhari ya msomaji kwa vipengele vitatu maalum vya joto. Kwanza, ni kigezo cha wastani (takwimu) cha mkusanyiko wa chembe. Fikiria kuwa umeamua kupata wastani wa umri wa watu Duniani. Ili kufanya hivyo, tunaenda kwa shule ya chekechea, fanya muhtasari wa umri wa watoto wote na ugawanye kiasi hiki kwa idadi ya watoto. Inabadilika kuwa wastani wa umri wa watu duniani ni miaka 3.5! Ilionekana kana kwamba walidhani ni sawa, lakini matokeo waliyopata yalikuwa ya kipuuzi. Lakini jambo zima ni kwamba katika takwimu unahitaji kufanya kazi na idadi kubwa ya vitu au matukio. Kadiri idadi yao inavyoongezeka (inapaswa kuwa kubwa sana), ndivyo thamani ya paramu ya wastani ya takwimu itakuwa sahihi zaidi. Kwa hivyo, wazo la joto linatumika tu kwa miili iliyo na idadi kubwa ya chembe. Wakati mwandishi wa habari, katika kutafuta mhemko, anaripoti kwamba joto la chembe zinazoanguka kwenye anga ni digrii milioni kadhaa, jamaa za wanaanga hawalazimiki kuzimia: hakuna kitu cha kutisha kinachotokea kwa meli: mwandishi tu asiyejua kusoma na kuandika hupita nje. nishati ya idadi ndogo ya chembe za ulimwengu kama joto. Lakini ikiwa meli, inayoelekea Mirihi, ingepoteza mwendo wake na kukaribia Jua, basi kungekuwa na shida: idadi ya chembe zinazoishambulia meli ni kubwa, na joto la corona ya jua ni digrii milioni 1.5.

Pili, hali ya joto ina sifa ya joto, i.e. mwendo usioharibika wa chembe. Katika oscilloscope ya elektroniki, picha kwenye skrini inatolewa na mkondo mwembamba wa elektroni, unaozingatia kwa uhakika. Elektroni hizi hupitia tofauti fulani inayoweza kufanana na kupata takriban kasi sawa. Kwa mkusanyiko kama huo wa chembe, mtaalamu anayefaa anaonyesha nishati yao ya kinetic (kwa mfano, volts 1500 za elektroni), ambayo, kwa kweli, sio joto la chembe hizi.

Hatimaye, tatu, tunaona kwamba uhamisho wa joto kutoka kwa mwili mmoja hadi mwingine unaweza kufanywa sio tu kwa sababu ya mgongano wa moja kwa moja wa chembe za miili hii, lakini pia kutokana na kunyonya kwa nishati kwa namna ya quanta ya mionzi ya umeme ( mchakato huu hutokea unapochomwa na jua ufukweni) . Kwa hivyo, ufafanuzi wa jumla na sahihi zaidi wa hali ya joto unapaswa kuandaliwa kama ifuatavyo.

Joto la mwili (kitu, mfumo) ni kiasi cha kimwili ambacho ni nambari sawa na nishati ya wastani ambayo molekuli ya hii.

mwili huhamishwa hadi kwa kitu kingine kikubwa katika moja

kitendo cha msingi cha mwingiliano na kitu hiki.

Kwa kumalizia, wacha turudi kwenye ufafanuzi uliojadiliwa mwanzoni mwa nakala hii. Kutoka kwa formula (2) inafuata kwamba ikiwa hali ya joto ya dutu inajulikana, basi nishati ya wastani ya chembe za dutu inaweza kuamua bila utata. Kwa hivyo, halijoto ni kipimo cha wastani cha nishati ya mwendo wa joto wa molekuli au atomi (kumbuka, kwa njia, kwamba nishati ya wastani ya chembe haiwezi kuamua moja kwa moja katika majaribio). Kwa upande mwingine, nishati ya kinetic ni sawia na mraba wa kasi; Hii ina maana kwamba joto la juu, kasi ya juu ya molekuli, ni kali zaidi harakati zao. Kwa hiyo, joto ni kipimo cha ukubwa wa mwendo wa joto wa chembe. Ufafanuzi huu kwa hakika unakubalika, lakini ni wa jumla sana na ni wa ubora kabisa.

Joto ni rahisi!

Halijoto

Halijoto ni kipimo cha wastani wa nishati ya kinetiki ya molekuli.
Joto ni sifa ya kiwango cha joto la miili.

Kifaa cha kupima joto - kipimajoto.
Kanuni ya uendeshaji kipimajoto:
Wakati wa kupima joto, utegemezi wa mabadiliko katika parameter yoyote ya macroscopic (kiasi, shinikizo, upinzani wa umeme, nk) ya dutu kwenye joto hutumiwa.
Katika thermometers ya kioevu, hii ni mabadiliko katika kiasi cha kioevu.
Wakati vyombo viwili vya habari vinapogusana, nishati huhamishwa kutoka kwa mazingira yenye joto zaidi hadi kwenye joto kidogo.
Wakati wa mchakato wa kipimo, joto la mwili na thermometer hufikia hali ya usawa wa joto.

Vipimajoto vya kioevu

Katika mazoezi, thermometers ya kioevu hutumiwa mara nyingi: zebaki (katika aina mbalimbali kutoka -35 o C hadi +750 o C) na pombe (kutoka -80 o C hadi +70 o C).
Wanatumia mali ya kioevu kubadilisha kiasi chake wakati hali ya joto inabadilika.
Hata hivyo, kila kioevu kina sifa zake za mabadiliko ya kiasi (upanuzi) kwa joto tofauti.
Kama matokeo ya kulinganisha, kwa mfano, usomaji wa thermometers za zebaki na pombe, mechi halisi itakuwa tu kwa pointi mbili (kwa joto la 0 o C na 100 o C).
Vipimajoto vya gesi hazina hasara hizi.

Vipimajoto vya gesi

Thermometer ya kwanza ya gesi iliundwa na mwanafizikia wa Kifaransa J. Charles.

Faida kipimajoto cha gesi:
- utegemezi wa mstari wa mabadiliko ya kiasi cha gesi au shinikizo kwenye joto hutumiwa, ambayo ni halali kwa gesi zote
- usahihi wa kipimo kutoka 0.003 o C hadi 0.02 o C
Kiwango cha joto kutoka -271 o C hadi +1027 o C.

Usawa wa joto

Wakati miili miwili ya joto tofauti inapogusana, nishati ya ndani huhamishwa kutoka kwa mwili wenye joto zaidi hadi kwenye joto kidogo, na halijoto ya miili yote miwili inasawazishwa.
Hali ya usawa wa joto hutokea, ambayo macroparameters zote (kiasi, shinikizo, joto) za miili yote miwili hubakia bila kubadilika chini ya hali ya nje ya mara kwa mara.

Usawa wa joto ni hali ambayo vigezo vyote vya macroscopic hubakia bila kubadilika kwa muda mrefu usiojulikana.
Hali ya usawa wa joto wa mfumo wa miili ina sifa ya joto: miili yote ya mfumo ambayo iko katika usawa wa joto na kila mmoja ina joto sawa.
Imeanzishwa kuwa katika usawa wa joto, nishati ya wastani ya kinetic ya mwendo wa tafsiri ya molekuli ya gesi zote ni sawa, i.e.

Kwa gesi adimu (bora) thamani

na inategemea joto tu, basi

ambapo k ni Boltzmann ya mara kwa mara

Utegemezi huu hufanya iwezekanavyo kuanzisha kiwango kipya cha joto - kiwango cha joto kabisa ambacho hakitegemei dutu inayotumiwa kupima joto.

Kiwango cha joto kabisa

Ilianzishwa na mwanafizikia wa Kiingereza W. Kelvin
- hakuna joto hasi

Kipimo cha SI cha halijoto kamili: [T] = 1K (Kelvin)
Joto la sifuri la kiwango kamili ni sifuri kabisa (0K = -273 o C), joto la chini kabisa katika asili. Hivi sasa, joto la chini kabisa limefikiwa - 0.0001K.
Thamani ya 1K ni sawa na 1 o C.


Uhusiano kati ya mizani kamili na mizani ya Selsiasi

Kumbuka! Katika fomula, halijoto kamili inaonyeshwa na herufi "T", na halijoto kwenye kiwango cha Celsius kwa herufi "t".

Baada ya kuanzisha joto kabisa tunapata misemo mpya ya fomula:

Wastani wa nishati ya kinetiki ya mwendo wa tafsiri wa molekuli

Shinikizo la gesi - equation ya msingi ya MKT

Wastani wa kasi ya mraba ya molekuli



Mpango:

    Utangulizi
  • 1 Ufafanuzi wa Thermodynamic
    • 1.1 Historia ya mbinu ya thermodynamic
  • 2 Uamuzi wa joto katika fizikia ya takwimu
  • 3 Kipimo cha joto
  • 4 Vitengo vya joto na kiwango
    • 4.1 Kiwango cha joto cha Kelvin
    • Kiwango cha 4.2 Celsius
    • 4.3 Fahrenheit
  • 5 Nishati ya mwendo wa joto katika sifuri kabisa
    • 5.1 Joto na mionzi
    • 5.2 Kiwango cha Reaumur
  • 6 Mabadiliko kutoka kwa mizani tofauti
  • 7 Ulinganisho wa mizani ya joto
  • 8 Tabia za mabadiliko ya awamu
  • 9 Mambo ya Kuvutia
    • Vidokezo
    Fasihi

Utangulizi

Halijoto(kutoka lat. hali ya joto- mchanganyiko sahihi, hali ya kawaida) ni kiasi cha kimwili kinachoonyesha wastani wa nishati ya kinetic ya chembe za mfumo wa macroscopic katika hali ya usawa wa thermodynamic kwa kiwango kimoja cha uhuru.

Kipimo cha joto sio harakati yenyewe, lakini asili ya machafuko ya harakati hii. Nasibu ya hali ya mwili huamua hali yake ya joto, na wazo hili (ambalo lilianzishwa kwanza na Boltzmann) kwamba hali fulani ya joto ya mwili haijaamuliwa kabisa na nishati ya harakati, lakini kwa nasibu ya harakati hii. , ni dhana mpya katika maelezo ya hali ya joto ambayo ni lazima tutumie...

(P. L. Kapitsa)

Katika Mfumo wa Kimataifa wa Vitengo (SI), joto la thermodynamic ni mojawapo ya vitengo saba vya msingi na huonyeshwa kwa kelvins. Kiasi cha SI kilichotolewa, ambacho kina jina maalum, ni pamoja na halijoto ya Selsiasi, iliyopimwa kwa nyuzi joto Selsiasi. Katika mazoezi, digrii Selsiasi hutumiwa mara nyingi kutokana na uhusiano wao wa kihistoria na sifa muhimu za maji - kiwango cha kuyeyuka kwa barafu (0 ° C) na kiwango cha kuchemsha (100 ° C). Hii ni rahisi kwa kuwa michakato mingi ya hali ya hewa, michakato katika wanyamapori, nk. inahusishwa na safu hii. Mabadiliko ya halijoto ya digrii moja Selsiasi ni sawa na mabadiliko ya halijoto ya Kelvin moja. Kwa hiyo, baada ya kuanzishwa kwa ufafanuzi mpya wa Kelvin mwaka wa 1967, kiwango cha kuchemsha cha maji kiliacha kucheza nafasi ya uhakika wa mara kwa mara na, kama vipimo sahihi vinavyoonyesha, sio sawa na 100 ° C, lakini karibu na 99.975. °C.

Pia kuna mizani ya Fahrenheit na wengine wengine.


1. Ufafanuzi wa Thermodynamic

Kuwepo kwa hali ya usawa inaitwa nafasi ya kwanza ya thermodynamics. Msimamo wa pili wa awali wa thermodynamics ni taarifa kwamba hali ya usawa ina sifa ya kiasi fulani, ambacho, juu ya mawasiliano ya joto ya mifumo miwili ya usawa, inakuwa sawa kwao kutokana na kubadilishana kwa nishati. Kiasi hiki kinaitwa joto.

1.1. Historia ya mbinu ya thermodynamic

Neno "joto" liliibuka katika siku hizo wakati watu waliamini kuwa miili yenye joto zaidi ilikuwa na kiasi kikubwa cha dutu maalum - caloric - kuliko ile yenye joto kidogo. Kwa hivyo, halijoto ilionekana kama nguvu ya mchanganyiko wa vitu vya mwili na kalori. Kwa sababu hii, vitengo vya kipimo kwa nguvu za vinywaji vya pombe na joto huitwa sawa - digrii.

Katika hali ya usawa, hali ya joto ina thamani sawa kwa sehemu zote za macroscopic za mfumo. Ikiwa miili miwili katika mfumo ina joto sawa, basi hakuna uhamisho wa nishati ya kinetic ya chembe (joto) kati yao. Ikiwa kuna tofauti ya joto, basi joto hutoka kutoka kwa mwili na joto la juu hadi mwili ulio na chini, kwa sababu entropy jumla huongezeka.

Joto pia linahusishwa na hisia za kibinafsi za "joto" na "baridi", zinazohusiana na ikiwa tishu hai hutoa au hupokea joto.

Baadhi ya mifumo ya mitambo ya quantum inaweza kuwa katika hali ambayo entropy haiongezeki lakini inapungua kwa kuongeza ya nishati, ambayo inalingana rasmi na joto hasi kabisa. Walakini, majimbo kama haya sio "chini ya sifuri kabisa", lakini "juu ya infinity", kwani wakati mfumo kama huo unagusana na mwili na hali ya joto chanya, nishati huhamishwa kutoka kwa mfumo kwenda kwa mwili, na sio kinyume chake. maelezo zaidi, angalia Quantum thermodynamics).

Sifa za joto husomwa na tawi la fizikia - thermodynamics. Joto pia ina jukumu muhimu katika maeneo mengi ya sayansi, ikiwa ni pamoja na matawi mengine ya fizikia, pamoja na kemia na biolojia.


2. Uamuzi wa joto katika fizikia ya takwimu

Katika fizikia ya takwimu, hali ya joto imedhamiriwa na formula

,

ambapo S ni entropy, E ni nishati ya mfumo wa thermodynamic. Thamani T iliyoletwa kwa njia hii ni sawa kwa miili tofauti katika usawa wa thermodynamic. Wakati miili miwili inapogusana, mwili wenye thamani kubwa ya T utahamisha nishati hadi nyingine.


3. Kipimo cha joto

Ili kupima joto la thermodynamic, parameter fulani ya thermodynamic ya dutu ya thermometric imechaguliwa. Mabadiliko katika parameter hii yanahusishwa wazi na mabadiliko ya joto. Mfano wa classic wa thermometer ya thermodynamic ni thermometer ya gesi, ambayo joto huamua kwa kupima shinikizo la gesi katika silinda ya kiasi cha mara kwa mara. Mionzi kamili, kelele, na vipima joto vya akustisk pia hujulikana.

Thermodynamics ni vitengo ngumu sana ambavyo haviwezi kutumika kwa madhumuni ya vitendo. Kwa hiyo, vipimo vingi vinafanywa kwa kutumia thermometers ya vitendo, ambayo ni ya sekondari, kwani haiwezi kuhusisha moja kwa moja mali yoyote ya dutu kwa joto. Ili kupata kazi ya ukalimani, lazima ziwe zimesawazishwa katika pointi za kumbukumbu kwenye kiwango cha joto cha kimataifa. Thermometer sahihi zaidi ya vitendo ni thermometer ya upinzani ya platinamu. Vyombo vya kupimia halijoto mara nyingi husawazishwa kwa mizani inayolingana - Selsiasi au Fahrenheit.

Katika mazoezi, joto pia hupimwa

  • vipima joto vya kioevu na mitambo,
  • thermocouple,
  • thermometer ya upinzani,
  • kipima joto cha gesi,
  • pyrometer.

Njia za hivi karibuni za kupima joto zimeandaliwa, kulingana na kupima vigezo vya mionzi ya laser.


4. Vitengo na kiwango cha kipimo cha joto

Kwa kuwa halijoto ni nishati ya kinetic ya molekuli, ni wazi kuwa ni kawaida zaidi kuipima katika vitengo vya nishati (yaani, katika mfumo wa SI katika joules). Hata hivyo, kipimo cha joto kilianza muda mrefu kabla ya kuundwa kwa nadharia ya kinetic ya molekuli, hivyo mizani ya vitendo hupima joto katika vitengo vya kawaida - digrii.

4.1. Kiwango cha joto cha Kelvin

Dhana ya joto kamili ilianzishwa na W. Thomson (Kelvin), na kwa hiyo kiwango cha joto kabisa kinaitwa kiwango cha Kelvin au kiwango cha joto cha thermodynamic. Kitengo cha joto kamili ni kelvin (K).

Kiwango cha joto kabisa kinaitwa hivyo kwa sababu kipimo cha hali ya chini ya kikomo cha chini cha joto ni sifuri kabisa, yaani, joto la chini kabisa ambalo, kwa kanuni, haiwezekani kutoa nishati ya joto kutoka kwa dutu.

Sufuri kabisa inafafanuliwa kuwa 0 K, ambayo ni sawa na -273.15 °C (haswa).

Kiwango cha joto cha Kelvin ni kipimo kinachoanzia sifuri kabisa.

Ya umuhimu mkubwa ni maendeleo, kulingana na kiwango cha Kelvin thermodynamic, ya mizani ya kimataifa ya vitendo kulingana na pointi za kumbukumbu - mabadiliko ya awamu ya vitu safi vinavyotambuliwa na mbinu za msingi za thermometry. Kiwango cha kwanza cha joto cha kimataifa kilipitishwa mnamo 1927 na ITS-27. Tangu 1927, kiwango kimefafanuliwa mara kadhaa (MTSh-48, MPTS-68, MTSh-90): joto la kumbukumbu na njia za ukalimani zimebadilika, lakini kanuni inabakia sawa - msingi wa kiwango ni seti ya mabadiliko ya awamu. ya vitu safi vilivyo na maadili fulani ya joto la thermodynamic na vyombo vya ukalimani vilivyowekwa katika sehemu hizi. Kiwango cha ITS-90 kinatumika kwa sasa. Hati kuu (Kanuni kwa kiwango) huanzisha ufafanuzi wa Kelvin, maadili ya joto la mpito wa awamu (pointi za kumbukumbu) na njia za kutafsiri.

Mizani ya joto inayotumiwa katika maisha ya kila siku - Celsius na Fahrenheit (inayotumiwa hasa nchini Marekani) - sio kabisa na kwa hiyo haifai wakati wa kufanya majaribio katika hali ambapo hali ya joto hupungua chini ya kiwango cha kufungia cha maji, ndiyo sababu joto lazima lionyeshwe hasi. nambari. Kwa matukio hayo, mizani ya joto kabisa ilianzishwa.

Mmoja wao anaitwa kiwango cha Rankine, na kingine ni kiwango kamili cha thermodynamic (kiwango cha Kelvin); viwango vyao vya joto hupimwa kwa digrii Rankine (°Ra) na kelvins (K), mtawalia. Mizani zote mbili huanza kwa joto la sifuri kabisa. Zinatofautiana kwa kuwa bei ya mgawanyiko mmoja kwenye mizani ya Kelvin ni sawa na bei ya mgawanyiko kwa kipimo cha Celsius, na bei ya kitengo kimoja kwenye kipimo cha Rankine ni sawa na bei ya mgawanyiko wa vipima joto kwa kipimo cha Fahrenheit. Kiwango cha kuganda cha maji kwa shinikizo la kawaida la anga linalingana na 273.15 K, 0 °C, 32 °F.

Kiwango cha Kelvin kimefungwa kwa hatua tatu ya maji (273.16 K), na mara kwa mara ya Boltzmann inategemea. Hii inajenga matatizo na usahihi wa tafsiri ya vipimo vya joto la juu. BIPM sasa inazingatia uwezekano wa kuhamia kwa ufafanuzi mpya wa Kelvin na kurekebisha Boltzmann mara kwa mara, badala ya kurejelea joto la pointi tatu. .


4.2. Celsius

Katika teknolojia, dawa, hali ya hewa na katika maisha ya kila siku, kiwango cha Celsius hutumiwa, ambayo joto la hatua tatu ya maji ni 0.008 ° C, na, kwa hiyo, kiwango cha kufungia cha maji kwa shinikizo la 1 atm ni 0 °. C. Hivi sasa, kiwango cha Celsius kinatambuliwa kupitia kiwango cha Kelvin: bei ya mgawanyiko mmoja kwenye kiwango cha Celsius ni sawa na bei ya mgawanyiko kwenye kiwango cha Kelvin, t(°C) = T(K) - 273.15. Kwa hivyo, kiwango cha kuchemsha cha maji, kilichochaguliwa hapo awali na Selsiasi kama sehemu ya marejeleo ya 100 ° C, kimepoteza umuhimu wake, na makadirio ya kisasa yanaweka kiwango cha kuchemsha cha maji kwenye shinikizo la kawaida la anga karibu 99.975 ° C. Mizani ya Selsiasi ni kivitendo. rahisi sana, kwani maji yameenea sana kwenye sayari yetu na maisha yetu yanategemea. Zero Celsius ni sehemu maalum ya hali ya hewa kwa sababu inahusishwa na kuganda kwa maji ya anga. Kiwango hicho kilipendekezwa na Anders Celsius mnamo 1742.


4.3. Fahrenheit

Huko Uingereza na haswa USA, kiwango cha Fahrenheit hutumiwa. Digrii sifuri ni nyuzi joto 32 Selsiasi, na digrii Selsiasi ni nyuzi joto 9/5.

Ufafanuzi wa sasa wa kiwango cha Fahrenheit ni kama ifuatavyo: ni kipimo cha joto ambapo digrii 1 (1 ° F) ni sawa na 1/180 tofauti kati ya kiwango cha kuchemsha cha maji na joto la kuyeyuka kwa barafu kwenye shinikizo la anga, na kiwango cha kuyeyuka kwa barafu ni +32 °F. Halijoto kwenye mizani ya Fahrenheit inahusiana na halijoto kwenye kipimo cha Selsiasi (t °C) kwa uwiano t °C = 5/9 (t °F - 32), t °F = 9/5 t °C + 32. Imependekezwa na G. Fahrenheit mwaka wa 1724.


5. Nishati ya mwendo wa joto kwa sifuri kabisa

Mada inapopoa, aina nyingi za nishati ya joto na athari zake zinazohusiana hupungua kwa wakati mmoja. Jambo husogea kutoka hali iliyoagizwa kidogo hadi iliyoagizwa zaidi.

... dhana ya kisasa ya sifuri kabisa sio wazo la kupumzika kabisa; kinyume chake, kwa sifuri kabisa kunaweza kuwa na harakati - na iko, lakini ni hali ya utaratibu kamili ...

P. L. Kapitsa (Sifa za heliamu ya kioevu)

Gesi hugeuka kuwa kioevu na kisha huangaza kuwa imara (heliamu, hata kwa sifuri kabisa, inabakia katika hali ya kioevu kwenye shinikizo la anga). Harakati za atomi na molekuli hupungua, nishati yao ya kinetic inapungua. Upinzani wa metali nyingi hupungua kwa sababu ya kupungua kwa kutawanyika kwa elektroni kwenye atomi za kimiani ya fuwele inayotetemeka na amplitude ya chini. Kwa hivyo, hata kwa sifuri kabisa, elektroni za upitishaji husogea kati ya atomi na kasi ya Fermi ya mpangilio wa 1 × 10 6 m/s.

Joto ambalo chembe za jambo zina kiwango cha chini cha mwendo, kilichohifadhiwa tu kutokana na mwendo wa mitambo ya quantum, ni joto la sifuri kabisa (T = 0K).

Halijoto ya sifuri kabisa haiwezi kufikiwa. Joto la chini kabisa (450 ± 80) × 10 −12 K la Bose-Einstein condensate ya atomi za sodiamu lilipatikana mnamo 2003 na watafiti kutoka MIT. Katika kesi hiyo, kilele cha mionzi ya joto iko katika eneo la urefu wa utaratibu wa kilomita 6400, yaani, takriban radius ya Dunia.


5.1. Joto na mionzi

Nishati inayotolewa na mwili inalingana na nguvu ya nne ya joto lake. Kwa hiyo, kwa 300 K, hadi watts 450 hutolewa kutoka mita ya mraba ya uso. Hii inaelezea, kwa mfano, baridi ya uso wa dunia usiku chini ya joto la kawaida. Nishati ya mionzi ya mwili mweusi kabisa inaelezewa na sheria ya Stefan-Boltzmann

5.2. Kiwango cha Reaumur

Ilipendekezwa mnamo 1730 na R. A. Reaumur, ambaye alielezea kipimajoto cha pombe alichovumbua.

Kitengo ni shahada ya Reaumur (°R), 1 °R ni sawa na 1/80 ya muda wa joto kati ya pointi za kumbukumbu - joto la kuyeyuka la barafu (0 °R) na kiwango cha kuchemsha cha maji (80 °R)

1 °R = 1.25 °C.

Hivi sasa, kiwango hicho kimeacha kutumika; kilinusurika kwa muda mrefu zaidi nchini Ufaransa, nchi ya mwandishi.

6. Mpito kutoka kwa mizani tofauti

7. Ulinganisho wa mizani ya joto

Ulinganisho wa mizani ya joto
Maelezo Kelvin Celsius Fahrenheit Rankin Delisle Newton Reaumur Roemer
Sufuri kabisa 0 −273.15 −459.67 0 559.725 −90.14 −218.52 −135.90
Kiwango cha kuyeyuka cha mchanganyiko wa Fahrenheit (chumvi na barafu kwa idadi sawa) 255.37 −17.78 0 459.67 176.67 −5.87 −14.22 −1.83
Kiwango cha kuganda cha maji (Hali ya kawaida) 273.15 0 32 491.67 150 0 0 7.5
Wastani wa joto la mwili wa binadamu¹ 310.0 36.6 98.2 557.9 94.5 12.21 29.6 26.925
Kiwango cha kuchemsha cha maji (Hali ya kawaida) 373.15 100 212 671.67 0 33 80 60
Kuyeyuka kwa titani 1941 1668 3034 3494 −2352 550 1334 883
Uso wa Jua 5800 5526 9980 10440 −8140 1823 4421 2909

¹ Wastani wa joto la mwili wa binadamu ni 36.6 °C ±0.7 °C, au 98.2 °F ±1.3 °F. Thamani inayonukuliwa kwa kawaida ya 98.6 °F ni ubadilishaji halisi hadi Fahrenheit wa thamani ya Kijerumani ya karne ya 19 ya 37 °C. Hata hivyo, thamani hii haiko ndani ya kiwango cha wastani cha joto la mwili wa binadamu, kwani joto la sehemu tofauti za mwili ni tofauti.

Baadhi ya maadili katika jedwali hili yamezungushwa.


8. Tabia za mabadiliko ya awamu

Kuelezea sehemu za mpito za vitu anuwai, maadili yafuatayo ya joto hutumiwa:

  • Kiwango cha joto
  • Joto la kuchemsha
  • Joto la kuchuja
  • Hali ya joto ya sintering
  • Joto la awali
  • Joto la hewa
  • Joto la udongo
  • Joto la homologous
  • Pointi tatu
  • Halijoto ya Debye (Tabia ya halijoto)
  • Hali ya joto ya Curie

9. Mambo ya kuvutia

Joto la chini kabisa Duniani hadi 1910 -68, Verkhoyansk

  • Halijoto ya juu kabisa iliyoundwa na mwanadamu, ~ trilioni 10. K (ambayo inalinganishwa na joto la Ulimwengu katika sekunde za kwanza za maisha yake) ilifikiwa mnamo 2010 wakati wa mgongano wa ioni za risasi iliharakishwa hadi kasi ya karibu-mwanga. Jaribio hilo lilifanywa katika Gari Kubwa la Hadron Collider
  • Joto la juu zaidi linawezekana kinadharia ni halijoto ya Planck. Joto la juu haliwezi kuwepo kwa kuwa kila kitu kinageuka kuwa nishati (chembe zote za subatomic zitaanguka). Halijoto hii ni takriban 1.41679(11)×10 32 K (takriban nonillion 142 K).
  • Joto la chini kabisa lililoundwa na mwanadamu lilipatikana mnamo 1995 na Eric Cornell na Carl Wieman kutoka USA kwa kupoeza atomi za rubidium. . Ilikuwa juu ya sifuri kabisa kwa chini ya 1/170 bilioni ya sehemu ya K (5.9 × 10 −12 K).
  • Joto la uso wa Jua ni karibu 6000 K.
  • Mbegu za mimea ya juu hubakia kuwa na nguvu baada ya kupoa hadi −269 °C.

Vidokezo

  1. GOST 8.417-2002. VITENGO VYA KIASI - nolik.ru/systems/gost.htm
  2. Dhana ya joto - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
  3. I.P. Bazarov. Thermodynamics, M., Shule ya Juu, 1976, p. 13-14.
  4. Platinum - joto.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 upinzani kipimajoto - kifaa kuu MTSH-90.
  5. Laser thermometry - temperatures.ru/newmet/newmet.php?page=0
  6. Pointi za kumbukumbu za MTSH-90 - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
  7. Maendeleo ya ufafanuzi mpya wa Kelvin - temperatures.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
  8. D. A. Parshin, G. G. Zegrya Jambo muhimu. Sifa za dutu katika hali mbaya. Pointi tatu. Mabadiliko ya awamu ya utaratibu wa pili. Njia za kupata joto la chini. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. Thermodynamics ya takwimu. Hotuba ya 11. Chuo Kikuu cha Kitaaluma cha St.
  9. Kuhusu vipimo mbalimbali vya joto la mwili - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (Kiingereza)
  10. BBC News - Large Hadron Collider (LHC) inazalisha "mini-Big Bang" - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
  11. Kila kitu kuhusu kila kitu. Rekodi za joto - tem-6.narod.ru/weather_record.html
  12. Maajabu ya sayansi - www.seti.ee/ff/34gin.swf

Fasihi

  • B. I. Spassky Historia ya Fizikia Sehemu ya I - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Moscow: "Shule ya Juu", 1977.
  • Sivukhin D.V. Thermodynamics na fizikia ya Masi. - Moscow: "Sayansi", 1990.
pakua
Muhtasari huu unatokana na nakala kutoka Wikipedia ya Kirusi. Usawazishaji ulikamilika 07/09/11 16:20:43
Muhtasari sawa: