Sıcaklık kavramı ve sıcaklık ölçeği. Fizikte sıcaklık tanımı Sıcaklık denir

Günlük yaşamda sıklıkla vücutların ısınma derecesini karakterize eden ısı, sıcak, soğuk gibi kavramları kullanırız. Bu, duygularımıza bağlı subjektif bir yaklaşımdır. Vücutların ısınma derecesi, sıcaklık adı verilen fiziksel bir miktar kullanılarak niceliksel olarak ifade edilebilir. Sıcaklık nasıl doğru bir şekilde belirlenir? Bu amaçla sıcaklığın basınç, hacim ve durum gibi herhangi bir niceliğe bağlı olmasını esas alan termometre adı verilen cihazlar bulunmaktadır. Termal denge.

Termodinamik denge

Sıcaklık Bir cisimler sisteminin termal denge durumunu karakterize eder. Sıcaklıkları farklı iki cismi temas ettirirseniz cisimler enerji alışverişinde bulunmaya başlar. Kinetik enerjisi fazla olan cisimler enerjilerini kinetik enerjisi daha az olan cisimlere aktaracaktır. Bir süre sonra bu enerji alışverişi duracak ve termodinamik (termal) denge, bedenlerin istenildiği kadar uzun süre kalabileceği. Bu durumda cisimlerin sıcaklığı aynıdır.

İtalyan bilim adamı Galileo Galilei, ısının mekanik doğası fikrini ortaya attı; 1597'de ilk termometreyi yaptı. Termometre, içinden bir tüp çıkan bir cam toptan oluşuyordu. Tüp, kendisi boyunca yükselen suya indirildi. Topun içindeki hava ısıtıldığında veya soğutulduğunda su sütunu ya düşüyor ya da yükseliyordu. Su sütununun yüksekliği yalnızca sıcaklığa değil aynı zamanda hava basıncına da bağlı olduğundan bu termometre kusurluydu.

Daha sonra oluşturulan diğer tüm termometrelerde sıvılar kullanıldı. Ancak, sıvılardan farklı olarak, seyreltilmiş gazların aynı şekilde sıcaklığa bağlı olarak genleştiği ve basıncı değiştirdiği fark edildi. Isıl denge durumundaki seyreltilmiş gazlar için deneysel olarak belirlendi:

Nerede T – mutlak sıcaklık, Kelvin (K) cinsinden SI birimleriyle ölçülür

k = 1,38*10 -23 J/K – Boltzmann sabiti. Adını MKT gaz teorisinin kurucularından biri olan Avustralyalı fizikçi Ludwig Boltzmann'dan almıştır.

Bu bağımlılık sayesinde maddenin cinsine bağlı olmayan bir sıcaklık ölçeği oluşturmak ve bunu sıcaklığı ölçmek için kullanmak mümkün hale geldi. Fizik alanındaki çalışmalarından dolayı 1892 yılında Lord Kelvin unvanını alan İngiliz fizikçi William Thomson tarafından tanıtıldı.

Bu ölçeğe denir mutlak (termodinamik) ölçek sıcaklıklar veya Kelvin ölçeği. Sıfır noktasının ötesinde ( mutlak sıfır sıcaklık) bu ölçekte teorik olarak mümkün olan en düşük sıcaklığa, “soğukluğun en az veya son derecesi”ne karşılık gelen nokta kabul edilir. Varlığı Lomonosov tarafından tahmin edildi. Kelvin ölçeğinde sıcaklık T=0, Santigrat ölçeğine karşılık gelir

Okul ve üniversite ders kitaplarında sıcaklığın birçok farklı açıklamasını bulabilirsiniz. Sıcaklık, sıcağı soğuktan ayıran bir değer, bir cismin ısınma derecesi, termal denge durumunun bir özelliği, bir parçacığın serbestlik derecesi başına enerjiyle orantılı bir değer vb. olarak tanımlanır. ve benzeri. Çoğu zaman, bir maddenin sıcaklığı, bir maddenin parçacıklarının termal hareketinin ortalama enerjisinin bir ölçüsü veya parçacıkların termal hareketinin yoğunluğunun bir ölçüsü olarak tanımlanır. Fiziğin göksel varlığı teorisyen şaşıracaktır: “Burada anlaşılmayan ne var? Sıcaklık: dQ/ dS, Nerede Q- sıcaklık ve S- entropi! Tanımların bu kadar çokluğu, eleştirel düşünen herhangi bir kişide, sıcaklığın genel kabul görmüş bilimsel bir tanımının şu anda fizikte mevcut olmadığı yönündeki şüpheyi artırıyor.

Bu kavramın bir lise mezununun erişebileceği düzeyde basit ve spesifik bir yorumunu bulmaya çalışalım. Bu resmi hayal edelim. İlk kar yağdı ve iki kardeş okulda teneffüs sırasında “kartopu” adı verilen eğlenceli bir oyuna başladı. Bakalım bu müsabaka sırasında oyunculara nasıl bir enerji aktarılıyor. Basitlik açısından tüm mermilerin hedefi vurduğunu varsayıyoruz. Oyun ağabey açısından bariz bir avantajla devam ediyor. Ayrıca daha büyük kar topları var ve onları daha hızlı fırlatıyor. Onun attığı tüm kartoplarının enerjisi, burada N İle– atış sayısı ve - bir topun ortalama kinetik enerjisi. Ortalama enerji olağan formül kullanılarak bulunur:

Burada M- kartopu kütlesi ve v- hızları.

Ancak ağabeyin harcadığı enerjinin tamamı küçük partnerine aktarılmayacaktır. Aslında kartopları hedefe farklı açılardan çarpıyor, bu nedenle bazıları bir kişiden yansıdığında orijinal enerjinin bir kısmını taşıyor. Doğru, aynı zamanda "başarıyla" atılan toplar da var ve bu da göz morarmasına neden olabilir. İkinci durumda, merminin tüm kinetik enerjisi ateşlenen kişiye aktarılır. Böylece küçük kardeşe aktarılan kartopunun enerjisinin eşit olacağı sonucuna varıyoruz. e İle, A
, Nerede Θ İle– bir kartopu ona çarptığında genç partnere aktarılan kinetik enerjinin ortalama değeri. Atılan top başına ortalama enerji ne kadar büyük olursa, ortalama enerjinin de o kadar büyük olacağı açıktır. Θ İle, hedefe bir mermi ile iletilir. En basit durumda aralarındaki ilişki doğrudan orantılı olabilir: Θ İle =A. Buna göre, genç öğrenci tüm yarışma boyunca enerji harcadı.
, ancak ağabeye aktarılan enerji daha az olacaktır: eşittir
, Nerede N M– atış sayısı ve Θ M– bir kartopunun ağabeyi tarafından emilen ortalama enerjisi.

Benzer bir şey cisimlerin termal etkileşimi sırasında da olur. İki cismi temas ettirirseniz, birinci cismin molekülleri kısa sürede enerjiyi ikinci cisme ısı şeklinde aktaracaktır.
, Nerede Δ S 1 birinci gövdenin moleküllerinin ikinci gövdeyle çarpışma sayısıdır ve Θ 1 birinci cisimdeki bir molekülün bir çarpışmada ikinci cisme aktardığı ortalama enerjidir. Aynı zamanda ikinci cismin molekülleri de enerji kaybedecek
. Burada Δ S 2 ikinci cismin moleküllerinin birinci cisimle temel etkileşim eylemlerinin sayısı (etki sayısı) ve Θ 2 - ikinci cismin bir molekülünün tek vuruşta birinci cisme aktardığı ortalama enerji. Büyüklük Θ fizikte buna sıcaklık denir. Deneyimlerin gösterdiği gibi, vücut moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi ile şu oranda ilişkilidir:

(2)

Ve şimdi yukarıdaki argümanların tümünü özetleyebiliriz. Miktarın fiziksel içeriğine ilişkin hangi sonuca varmalıyız? Θ ? Bize göre bu tamamen açıktır.

vücut bir seferde başka bir makroskopik nesneye transfer olur

bu nesneyle çarpışma.

Formül (2)'den de anlaşılacağı gibi, sıcaklık bir enerji parametresidir; bu, SI sistemindeki sıcaklık biriminin joule olduğu anlamına gelir. Yani, kesin olarak şöyle bir şeyden şikayet etmelisiniz: "Sanki dün üşütmüşüm, başım ağrıyor ve ateşim 4.294·10 -21 J kadar!" Sıcaklığı ölçmek için alışılmadık bir birim değil mi ve değeri bir şekilde çok küçük değil mi? Ancak tek bir molekülün ortalama kinetik enerjisinin kesri kadar olan bir enerjiden bahsettiğimizi unutmayın!

Pratikte sıcaklık keyfi olarak seçilen birimlerle ölçülür: florent, kelvin, Celsius derecesi, Rankine derecesi, Fahrenheit derecesi vb. (Uzunluğu metre olarak değil, kablolar, kulaçlar, basamaklar, vershokslar, ayaklar vb. İle belirleyebilirim. Karikatürlerden birinde boa yılanının uzunluğunun papağanlarda bile hesaplandığını hatırlıyorum!)

Sıcaklığı ölçmek için, incelenen nesneyle temas ettirilmesi gereken bir sensör kullanmak gerekir.Buna sensör adını vereceğiz. termometrik gövde . Termometrik bir cismin iki özelliğe sahip olması gerekir. İlk olarak, incelenen nesneden önemli ölçüde daha küçük olmalıdır (daha doğrusu, termometrik gövdenin ısı kapasitesi, incelenen nesnenin ısı kapasitesinden çok daha az olmalıdır). Hiç sıradan bir tıbbi termometre kullanarak bir sivrisineğin sıcaklığını ölçmeyi denediniz mi? Dene! Ne, hiçbir şey yolunda gitmiyor mu? Mesele şu ki, ısı değişimi sürecinde böcek, termometrenin enerji durumunu değiştiremeyecektir, çünkü sivrisinek moleküllerinin toplam enerjisi, termometre moleküllerinin enerjisine kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir.

Tamam, kalem gibi küçük bir nesne alacağım ve onun yardımıyla sıcaklığımı ölçmeye çalışacağım. Yine bir şeyler yolunda gitmiyor... Ve başarısızlığın nedeni, termometrik gövdenin bir zorunlu özelliğe daha sahip olması gerektiğidir: incelenen nesneyle temas ettiğinde, termometrik gövdede görsel olarak veya kullanılarak kaydedilebilecek değişiklikler meydana gelmelidir. enstrümanlar.

Sıradan bir ev tipi termometrenin nasıl çalıştığına daha yakından bakın. Termometrik gövdesi ince bir tüpe (kılcal) bağlı küçük küresel bir kaptır. Kap sıvıyla doldurulur (çoğunlukla cıva veya renkli alkol). Sıcak veya soğuk bir cisimle temas ettiğinde sıvının hacmi değişir ve buna bağlı olarak kılcal borudaki kolonun yüksekliği de değişir. Ancak bir sıvı sütununun yüksekliğindeki değişiklikleri kaydetmek için termometrik gövdeye bir ölçek takmak da gereklidir. Termometrik bir gövde ve belirli bir şekilde seçilmiş bir terazi içeren cihaza ne ad verilir? termometre . Şu anda en yaygın kullanılan termometreler Celsius ölçeği ve Kelvin ölçeğidir.

Santigrat ölçeği iki referans (referans) noktasıyla oluşturulur. İlk referans noktası suyun üçlü noktasıdır; suyun üç fazının (sıvı, gaz, katı) dengede olduğu fiziksel koşullar. Bu, sıvının kütlesinin, su kristallerinin kütlesinin ve su buharının kütlesinin bu koşullar altında değişmeden kaldığı anlamına gelir. Böyle bir sistemde elbette buharlaşma ve yoğunlaşma, kristalleşme ve erime süreçleri meydana gelir ancak bunlar birbirini dengeler. Sıcaklık ölçümünde çok yüksek doğruluk gerekmiyorsa (örneğin, ev termometrelerinin imalatında), ilk referans noktası, termometrik gövdenin atmosferik basınçta eriyen kar veya buzun içine yerleştirilmesiyle elde edilir. İkinci referans noktası ise normal atmosfer basıncında sıvı suyun buharıyla dengede olduğu koşullardır (başka bir deyişle suyun kaynama noktası). Referans noktalarına karşılık gelen termometre ölçeğinde işaretler yapılır; aralarındaki aralık yüz parçaya bölünmüştür. Bu şekilde seçilen ölçeğin bir bölümüne santigrat derece (˚C) adı verilir. Suyun üçlü noktası 0 santigrat derece olarak alınır.

Santigrat ölçeği dünyadaki en büyük pratik kullanıma sahiptir; ne yazık ki bir takım önemli dezavantajları var. Bu ölçekte sıcaklık negatif değerler alabilirken kinetik enerji ve buna bağlı olarak sıcaklık yalnızca pozitif değerler alabilir. Ek olarak, Celsius ölçeğindeki termometrelerin okumaları (referans noktaları hariç) termometrik gövde seçimine bağlıdır.

Kelvin ölçeğinin Celsius ölçeğinin dezavantajları yoktur. Kelvin ölçeğindeki termometrelerde çalışma maddesi olarak ideal bir gaz kullanılmalıdır. Kelvin ölçeği de iki referans noktasıyla oluşturulur. İlk referans noktası ideal gaz moleküllerinin termal hareketinin durduğu fiziksel koşullardır. Bu nokta Kelvin ölçeğinde 0 olarak alınır.İkinci referans noktası suyun üçlü noktasıdır. Referans noktaları arasındaki aralık 273,15 parçaya bölünmüştür. Bu şekilde seçilen ölçeğin bir bölümüne kelvin (K) adı verilir. Bölüm sayısı 273,15, Kelvin ölçeğinin bölünme fiyatının Celsius ölçeğinin bölünme fiyatıyla çakışacağı şekilde seçildi, ardından Kelvin ölçeğindeki sıcaklık değişimi Celsius ölçeğindeki sıcaklık değişimiyle çakışacak şekilde seçildi; Bu, bir ölçeğin okunmasından diğerine geçmeyi kolaylaştırır. Kelvin ölçeğindeki sıcaklık genellikle harfle gösterilir T. Sıcaklıklar arasındaki ilişki T Celsius ölçeğinde ve sıcaklıkta T, Kelvin cinsinden ölçülen ilişkilerle belirlenir

Ve
.

Sıcaklıktan değiştirmek için T, K cinsinden sıcaklığa kadar ölçülür Θ Boltzmann sabiti joule cinsinden kullanılır k=1,38·10 -23 J/K, 1 K başına kaç joule olduğunu gösterir:

Θ = kT.

Bazı zeki insanlar Boltzmann sabitinde gizli bir anlam bulmaya çalışırlar; Bu sırada k- sıcaklığı Kelvin'den Joule'ye dönüştürmek için en sıradan katsayı.

Okuyucunun dikkatini sıcaklığın üç spesifik özelliğine çekelim. İlk olarak, bir parçacık topluluğunun ortalama (istatistiksel) bir parametresidir. Dünyadaki insanların ortalama yaşını bulmaya karar verdiğinizi hayal edin. Bunu yapmak için anaokuluna gidiyoruz, tüm çocukların yaşlarını toplayıp bu miktarı çocuk sayısına bölüyoruz. Dünyadaki insanların ortalama yaşının 3,5 olduğu ortaya çıktı! Doğru sandılar ama elde ettikleri sonuç saçmaydı. Ancak asıl mesele istatistikte çok sayıda nesne veya olayla çalışmanız gerektiğidir. Sayıları ne kadar yüksek olursa (ideal olarak sonsuz büyüklükte olmalıdır), ortalama istatistiksel parametrenin değeri o kadar doğru olur. Bu nedenle sıcaklık kavramı yalnızca çok sayıda parçacık içeren cisimler için geçerlidir. Bir sansasyonun peşinde olan bir gazeteci, bir uzay gemisine düşen parçacıkların sıcaklığının birkaç milyon derece olduğunu bildirdiğinde, astronotların akrabalarının bayılmasına gerek kalmaz: gemiye korkunç bir şey olmaz: sadece okuma yazma bilmeyen bir yazar, az sayıda kozmik parçacığın enerjisi sıcaklıktır. Ancak Mars'a giden gemi rotasını kaybeder ve Güneş'e yaklaşırsa sorun yaşanır: Gemiyi bombalayan parçacıkların sayısı çok fazladır ve güneş koronasının sıcaklığı 1,5 milyon derecedir.

İkinci olarak, sıcaklık termali karakterize eder, yani. parçacıkların düzensiz hareketi. Elektronik osiloskopta ekrandaki resim, bir noktaya odaklanmış dar bir elektron akışı tarafından çizilir. Bu elektronlar belli bir özdeş potansiyel farkından geçerek yaklaşık olarak aynı hıza ulaşırlar. Böyle bir parçacık topluluğu için, yetkili bir uzman onların kinetik enerjisini (örneğin 1500 elektron volt) gösterir; bu elbette bu parçacıkların sıcaklığı değildir.

Son olarak, üçüncü olarak, ısının bir vücuttan diğerine aktarılmasının yalnızca bu cisimlerin parçacıklarının doğrudan çarpışması nedeniyle değil, aynı zamanda enerjinin elektromanyetik radyasyon kuantumu biçiminde emilmesi nedeniyle de gerçekleştirilebileceğini not ediyoruz ( bu süreç kumsalda güneşlendiğinizde meydana gelir) . Bu nedenle sıcaklığın daha genel ve doğru bir tanımı şu şekilde formüle edilmelidir:

Bir cismin (maddenin, sistemin) sıcaklığı, bu maddenin bir molekülünün sahip olduğu ortalama enerjiye sayısal olarak eşit olan fiziksel bir niceliktir.

vücut bir seferde başka bir makroskopik nesneye transfer olur

bu nesneyle temel etkileşim eylemi.

Sonuç olarak bu makalenin başında tartışılan tanımlara dönelim. Formül (2)'den, maddenin sıcaklığı biliniyorsa, madde parçacıklarının ortalama enerjisinin açıkça belirlenebileceği sonucu çıkar. Dolayısıyla sıcaklık aslında moleküllerin veya atomların termal hareketinin ortalama enerjisinin bir ölçüsüdür (bu arada, parçacıkların ortalama enerjisinin deneyde doğrudan belirlenemeyeceğini unutmayın). Öte yandan kinetik enerji hızın karesiyle orantılıdır; Bu, sıcaklık ne kadar yüksek olursa moleküllerin hızı da o kadar yüksek, hareketlerinin de o kadar yoğun olduğu anlamına gelir. Bu nedenle sıcaklık, parçacıkların termal hareketinin yoğunluğunun bir ölçüsüdür. Bu tanımlar kesinlikle kabul edilebilir, ancak doğası gereği çok genel ve tamamen nitelikseldirler.

Sıcaklık kolaydır!

Sıcaklık

Sıcaklık moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür.
Sıcaklık, vücutların ısınma derecesini karakterize eder.

Sıcaklık ölçüm cihazı - termometre.
Çalışma prensibi termometre:
Sıcaklık ölçülürken, bir maddenin herhangi bir makroskopik parametresindeki (hacim, basınç, elektriksel direnç vb.) değişimin sıcaklığa bağımlılığı kullanılır.
Sıvı termometrelerde bu, sıvının hacmindeki bir değişikliktir.
İki ortam birbirine temas ettiğinde enerji daha çok ısınan ortamdan daha az ısıtılan ortama aktarılır.
Ölçüm işlemi sırasında vücut sıcaklığı ve termometre termal denge durumuna ulaşır.

Sıvı termometreler

Pratikte sıvı termometreler sıklıkla kullanılır: cıva (-35 o C ila +750 o C aralığında) ve alkol (-80 o C ila +70 o C arasında).
Sıcaklık değiştiğinde hacmini değiştirmek için sıvının özelliğini kullanırlar.
Bununla birlikte, her sıvının farklı sıcaklıklarda kendine özgü hacim değişimi (genleşme) özellikleri vardır.
Örneğin cıva ve alkol termometrelerinin okumalarının karşılaştırılması sonucunda yalnızca iki noktada (0 o C ve 100 o C sıcaklıklarda) tam bir eşleşme olacaktır.
Gaz termometrelerinin bu dezavantajları yoktur.

Gaz termometreleri

İlk gaz termometresi Fransız fizikçi J. Charles tarafından yaratıldı.

Avantajları gaz termometresi:
- tüm gazlar için geçerli olan, gaz hacmindeki veya basınçtaki değişimin sıcaklığa doğrusal bağımlılığı kullanılır
- 0,003 o C'den 0,02 o C'ye kadar ölçüm doğruluğu
- -271 o C ile +1027 o C arası sıcaklık aralığı.

Termal denge

Sıcaklıkları farklı iki cisim temas ettiğinde, iç enerji daha çok ısınan cisimden daha az ısınan cisme aktarılır ve her iki cismin sıcaklıkları eşitlenir.
Her iki gövdenin tüm makro parametrelerinin (hacim, basınç, sıcaklık) daha sonra sabit dış koşullar altında değişmeden kaldığı bir termal denge durumu oluşur.

Termal denge tüm makroskobik parametrelerin süresiz olarak uzun bir süre boyunca değişmeden kaldığı bir durumdur.
Bir cisimler sisteminin termal denge durumu sıcaklıkla karakterize edilir: birbirleriyle termal dengede olan sistemin tüm gövdeleri aynı sıcaklığa sahiptir.
Termal dengede, tüm gazların moleküllerinin öteleme hareketinin ortalama kinetik enerjilerinin aynı olduğu tespit edilmiştir;

Seyreltilmiş (ideal) gazlar için değer

ve yalnızca sıcaklığa bağlıdır, o zaman

burada k Boltzmann sabitidir

Bu bağımlılık, yeni bir sıcaklık ölçeğinin (sıcaklığı ölçmek için kullanılan maddeye bağlı olmayan mutlak bir sıcaklık ölçeği) tanıtılmasını mümkün kılar.

Mutlak sıcaklık ölçeği

İngiliz fizikçi W. Kelvin tarafından tanıtıldı
- negatif sıcaklık yok

Mutlak sıcaklığın SI birimi: [T] = 1K (Kelvin)
Mutlak ölçeğin sıfır sıcaklığı, doğadaki en düşük sıcaklık olan mutlak sıfırdır (0K = -273 o C). Şu anda en düşük sıcaklığa ulaşıldı - 0,0001K.
1K'nın değeri 1 o C'ye eşittir.

Mutlak ölçek ile Santigrat ölçeği arasındaki ilişki

Hatırlamak! Formüllerde mutlak sıcaklık “T” harfiyle, Celsius ölçeğindeki sıcaklık ise “t” harfiyle gösterilir.

Mutlak sıcaklığı girdikten sonra elde ederiz formüller için yeni ifadeler:

Moleküllerin öteleme hareketinin ortalama kinetik enerjisi

Gaz basıncı - MKT'nin temel denklemi

Moleküllerin ortalama kare hızı

Plan:

giriiş

• 1 Termodinamik tanım
  • 1.1 Termodinamik yaklaşımın tarihi
• 2 İstatistiksel fizikte sıcaklığın belirlenmesi
• 3 Sıcaklık ölçümü
• 4 Sıcaklık birimleri ve ölçek
  • 4.1 Kelvin sıcaklık ölçeği
  • 4,2 Santigrat ölçeği
  • 4.3 Fahrenhayt
• 5 Mutlak sıfırda termal hareket enerjisi
  • 5.1 Sıcaklık ve radyasyon
  • 5.2 Reaumur ölçeği
• 6 Farklı ölçeklerden geçişler
• 7 Sıcaklık ölçeklerinin karşılaştırılması
• 8 Faz geçişlerinin özellikleri
• 9 İlginç gerçekler
Notlar
Edebiyat

giriiş

Sıcaklık(lat. sıcaklık- uygun karıştırma, normal durum), bir serbestlik derecesi başına termodinamik denge durumunda makroskobik bir sistemin parçacıklarının ortalama kinetik enerjisini karakterize eden skaler bir fiziksel niceliktir.

Sıcaklığın ölçüsü hareketin kendisi değil, bu hareketin kaotik doğasıdır. Bir cismin durumunun rastgeleliği, onun sıcaklık durumunu belirler ve bir cismin belirli bir sıcaklık durumunun hiçbir şekilde hareketin enerjisi tarafından değil, bu hareketin rastgeleliği tarafından belirlendiği fikri (ilk olarak Boltzmann tarafından geliştirilmiştir) , sıcaklık olaylarının tanımlanmasında kullanmamız gereken yeni kavramdır. ..

(P. L. Kapitsa)

Uluslararası Birim Sisteminde (SI), termodinamik sıcaklık yedi temel birimden biridir ve kelvin cinsinden ifade edilir. Özel bir adı olan türetilmiş SI miktarları, Celsius derece cinsinden ölçülen Celsius sıcaklığını içerir. Uygulamada santigrat dereceler, suyun önemli özellikleriyle (buzun erime noktası (0 °C) ve kaynama noktası (100 °C)) tarihsel bağlantısı nedeniyle sıklıkla kullanılır. Çoğu iklim süreci, yaban hayatındaki süreçler vb. bu aralıkla ilişkili olduğundan bu uygundur. Sıcaklıkta bir santigrat derecelik bir değişiklik, bir Kelvin sıcaklıktaki bir değişikliğe eşdeğerdir. Bu nedenle, 1967'de Kelvin'in yeni bir tanımının getirilmesinden sonra suyun kaynama noktası, sabit bir referans noktası rolü oynamaktan vazgeçti ve doğru ölçümlerin gösterdiği gibi, artık 100 °C'ye eşit değil, 99.975'e yakın. °C.

Ayrıca Fahrenheit ölçekleri ve diğerleri de var.

1. Termodinamik tanım

Bir denge durumunun varlığına termodinamiğin ilk başlangıç ​​konumu denir. Termodinamiğin ikinci başlangıç ​​​​pozisyonu, denge durumunun, iki denge sisteminin termal teması üzerine, enerji değişiminin bir sonucu olarak onlar için aynı hale gelen belirli bir miktar ile karakterize edildiği ifadesidir. Bu miktara sıcaklık denir.

1.1. Termodinamik yaklaşımın tarihi

"Sıcaklık" kelimesi, insanların daha fazla ısıtılmış cisimlerin daha az ısıtılmış cisimlerden daha fazla miktarda özel bir madde (kalori) içerdiğine inandıkları günlerde ortaya çıktı. Bu nedenle sıcaklık, vücut maddesi ve kalori karışımının gücü olarak algılanıyordu. Bu nedenle alkollü içeceklerin sertliği ve sıcaklığının ölçü birimlerine aynı derece denir.

Denge durumunda sıcaklık, sistemin tüm makroskopik parçaları için aynı değere sahiptir. Bir sistemdeki iki cisim aynı sıcaklığa sahipse, aralarında parçacıkların kinetik enerjisi (ısı) aktarımı olmaz. Sıcaklık farkı varsa, ısı, sıcaklığı daha yüksek olan bir cisimden daha düşük olan bir cisme doğru hareket eder, çünkü toplam entropi artar.

Sıcaklık aynı zamanda canlı dokunun ısı alıp almamasına bağlı olarak "sıcak" ve "soğuk" gibi öznel duyumlarla da ilişkilidir.

Bazı kuantum mekaniksel sistemler, resmi olarak negatif mutlak sıcaklığa karşılık gelen, enerji eklenmesiyle entropinin artmadığı ancak azaldığı bir durumda olabilir. Bununla birlikte, bu tür durumlar "mutlak sıfırın altında" değil, "sonsuzluğun üstündedir", çünkü böyle bir sistem pozitif sıcaklığa sahip bir cisimle temas ettiğinde, enerji sistemden vücuda aktarılır ve bunun tersi geçerli değildir (çünkü) daha fazla ayrıntı için bkz. Kuantum termodinamiği).

Sıcaklığın özellikleri fizik - termodinamik dalı tarafından incelenmektedir. Sıcaklık aynı zamanda kimya ve biyolojinin yanı sıra fiziğin diğer dalları da dahil olmak üzere bilimin birçok alanında önemli bir rol oynamaktadır.

2. İstatistiksel fizikte sıcaklığın belirlenmesi

İstatistiksel fizikte sıcaklık aşağıdaki formülle belirlenir:

,

S'nin entropi olduğu yerde, E termodinamik sistemin enerjisidir. Bu şekilde ortaya çıkan T değeri, termodinamik dengedeki farklı cisimler için aynıdır. İki cisim temas ettiğinde T değeri büyük olan cisim diğerine enerji aktaracaktır.

3. Sıcaklık ölçümü

Termodinamik sıcaklığı ölçmek için termometrik maddenin belirli bir termodinamik parametresi seçilir. Bu parametredeki bir değişiklik açıkça sıcaklıktaki bir değişiklikle ilişkilidir. Termodinamik termometrenin klasik bir örneği, sıcaklığın sabit hacimli bir silindirdeki gaz basıncının ölçülmesiyle belirlendiği bir gaz termometresidir. Mutlak radyasyon, gürültü ve akustik termometreler de bilinmektedir.

Termodinamik termometreler pratik amaçlarla kullanılamayacak kadar karmaşık birimlerdir. Bu nedenle ölçümlerin çoğu, bir maddenin herhangi bir özelliğini sıcaklıkla doğrudan ilişkilendiremedikleri için ikincil olan pratik termometreler kullanılarak yapılır. İnterpolasyon fonksiyonunu elde etmek için uluslararası sıcaklık ölçeğindeki referans noktalarında kalibre edilmeleri gerekir. En doğru pratik termometre platin dirençli termometredir. Sıcaklık ölçüm cihazları genellikle Santigrat veya Fahrenhayt gibi göreceli ölçeklere göre kalibre edilir.

Pratikte sıcaklık da ölçülür

• sıvı ve mekanik termometreler,
• termokupl,
• Dirençli termometre,

• gaz termometresi,
• pirometre.

Lazer radyasyonunun parametrelerinin ölçülmesine dayalı olarak sıcaklığı ölçmek için en son yöntemler geliştirilmiştir.

4. Sıcaklık ölçüm birimleri ve ölçeği

Sıcaklık moleküllerin kinetik enerjisi olduğundan, onu enerji birimlerinde (yani SI sisteminde joule cinsinden) ölçmenin en doğal olduğu açıktır. Bununla birlikte, sıcaklık ölçümü moleküler kinetik teorinin yaratılmasından çok önce başladı, bu nedenle pratik ölçekler sıcaklığı geleneksel birimlerle (derece) ölçer.

4.1. Kelvin sıcaklık ölçeği

Mutlak sıcaklık kavramı W. Thomson (Kelvin) tarafından ortaya atılmıştır ve bu nedenle mutlak sıcaklık ölçeğine Kelvin ölçeği veya termodinamik sıcaklık ölçeği denir. Mutlak sıcaklığın birimi kelvindir (K).

Mutlak sıcaklık ölçeği bu şekilde adlandırılır çünkü sıcaklığın alt sınırının temel durumunun ölçüsü mutlak sıfırdır, yani prensip olarak bir maddeden termal enerji elde etmenin mümkün olmadığı mümkün olan en düşük sıcaklıktır.

Mutlak sıfır, −273,15 °C'ye (tam olarak) eşit olan 0 K olarak tanımlanır.

Kelvin sıcaklık ölçeği mutlak sıfırdan başlayan bir ölçektir.

Kelvin termodinamik ölçeğine dayalı olarak, birincil termometri yöntemleriyle belirlenen saf maddelerin faz geçişleri olan referans noktalarına dayalı Uluslararası pratik ölçeklerin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. İlk uluslararası sıcaklık ölçeği 1927 yılında ITS-27 tarafından kabul edilmiştir. 1927'den bu yana ölçek birkaç kez yeniden tanımlandı (MTSh-48, MPTS-68, MTSh-90): referans sıcaklıkları ve enterpolasyon yöntemleri değişti, ancak prensip aynı kaldı - ölçeğin temeli bir dizi faz geçişinden oluşuyor Termodinamik sıcaklıkların belirli değerlerine sahip saf maddeler ve bu noktalarda kalibre edilen enterpolasyon cihazları. ITS-90 ölçeği şu anda yürürlüktedir. Ana belge (Ölçek Düzenlemeleri) Kelvin tanımını, faz geçiş sıcaklıklarının değerlerini (referans noktaları) ve enterpolasyon yöntemlerini oluşturur.

Günlük yaşamda kullanılan sıcaklık ölçekleri - hem Santigrat hem de Fahrenhayt (çoğunlukla ABD'de kullanılır) - mutlak değildir ve bu nedenle sıcaklığın suyun donma noktasının altına düştüğü koşullarda deneyler yaparken elverişsizdir; bu nedenle sıcaklığın negatif olarak ifade edilmesi gerekir. sayı. Bu gibi durumlar için mutlak sıcaklık ölçekleri kullanılmaya başlandı.

Bunlardan birine Rankine ölçeği, diğerine ise mutlak termodinamik ölçek (Kelvin ölçeği) adı verilmektedir; sıcaklıkları sırasıyla Rankine derecesi (°Ra) ve kelvin (K) cinsinden ölçülür. Her iki ölçek de mutlak sıfır sıcaklıkta başlar. Kelvin ölçeğindeki bir bölümün fiyatının Celsius ölçeğindeki bir bölümün fiyatına eşit olması ve Rankine ölçeğindeki bir bölümün fiyatının Fahrenheit ölçeğindeki termometrelerin bölünme fiyatına eşdeğer olması bakımından farklılık gösterirler. Standart atmosferik basınçta suyun donma noktası 273,15 K, 0 °C, 32 °F'ye karşılık gelir.

Kelvin ölçeği suyun üçlü noktasına (273,16 K) bağlıdır ve Boltzmann sabiti buna bağlıdır. Bu, yüksek sıcaklık ölçümlerinin yorumlanmasının doğruluğu konusunda sorunlar yaratır. BIPM artık üçlü nokta sıcaklığına referans vermek yerine yeni bir Kelvin tanımına geçme ve Boltzmann sabitini sabitleme olasılığını düşünüyor. .

4.2. santigrat

Teknolojide, tıpta, meteorolojide ve günlük yaşamda, suyun üçlü noktasının sıcaklığının 0,008 °C olduğu ve dolayısıyla 1 atm basınçta suyun donma noktasının 0 ° olduğu Santigrat ölçeği kullanılır. C. Şu anda Celsius ölçeği Kelvin ölçeğine göre belirlenmektedir: Celsius ölçeğindeki bir bölümün fiyatı Kelvin ölçeğindeki bölümün fiyatına eşittir, t(°C) = T(K) - 273,15. Böylece, başlangıçta Celsius tarafından 100 °C referans noktası olarak seçilen suyun kaynama noktası önemini kaybetmiştir ve modern tahminler suyun normal atmosfer basıncındaki kaynama noktasını yaklaşık 99.975 °C olarak göstermektedir. Gezegenimizde su çok yaygın olduğu ve yaşamımız ona dayandığı için çok kullanışlıdır. Sıfır Santigrat, atmosferik suyun donmasıyla ilişkili olduğundan meteoroloji için özel bir noktadır. Ölçek 1742'de Anders Celsius tarafından önerildi.

4.3. Fahrenhayt

İngiltere'de ve özellikle ABD'de Fahrenheit ölçeği kullanılmaktadır. Sıfır santigrat derece 32 Fahrenheit derecedir ve bir Fahrenheit derece 9/5 santigrat derecedir.

Fahrenheit ölçeğinin güncel tanımı şu şekildedir: 1 derecenin (1 °F), atmosferik basınçta suyun kaynama noktası ile buzun erime sıcaklığı arasındaki farkın 1/180'ine eşit olduğu bir sıcaklık ölçeğidir ve buzun erime noktası +32 °F'dir. Fahrenheit ölçeğindeki sıcaklık, Santigrat ölçeğindeki (t °C) sıcaklıkla t °C = 5/9 (t °F - 32), t °F = 9/5 t °C + 32 oranıyla ilişkilidir. Önerilen G. Fahrenheit tarafından 1724'te.

5. Mutlak sıfırdaki termal hareketin enerjisi

Madde soğuduğunda, birçok termal enerji biçiminin ve bunlarla ilişkili etkilerin büyüklüğü aynı anda azalır. Madde daha az düzenli bir durumdan daha düzenli bir duruma geçer.

... modern mutlak sıfır kavramı mutlak dinlenme kavramı değildir; tam tersine, mutlak sıfırda hareket olabilir - ve vardır, ancak tam bir düzen durumudur ...

P. L. Kapitsa (Sıvı helyumun özellikleri)

Gaz önce sıvıya, sonra kristalleşerek katıya dönüşür (helyum, mutlak sıfırda bile atmosferik basınçta sıvı halde kalır). Atom ve moleküllerin hareketi yavaşlar, kinetik enerjileri azalır. Çoğu metalin direnci, daha düşük bir genlikle titreşen kristal kafesin atomları üzerindeki elektron saçılımındaki azalma nedeniyle azalır. Böylece mutlak sıfırda bile iletken elektronlar atomlar arasında 1 × 106 m/s düzeyinde Fermi hızıyla hareket eder.

Madde parçacıklarının yalnızca kuantum mekaniksel hareket nedeniyle korunan minimum miktarda harekete sahip olduğu sıcaklık, mutlak sıfırın sıcaklığıdır (T = 0K).

Mutlak sıfır sıcaklığına ulaşılamaz. Sodyum atomlarının Bose-Einstein yoğunlaşmasının en düşük sıcaklığı (450 ± 80) × 10 −12 K, MIT'den araştırmacılar tarafından 2003 yılında elde edildi. Bu durumda, termal radyasyonun zirvesi 6400 km civarındaki dalga boyu bölgesinde, yani yaklaşık olarak Dünya'nın yarıçapında bulunur.

5.1. Sıcaklık ve radyasyon

Bir cismin yaydığı enerji, sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle orantılıdır. Yani 300 K'de metrekare yüzeyden 450 watt'a kadar enerji yayılır. Bu, örneğin geceleri dünya yüzeyinin ortam sıcaklığının altına soğumasını açıklar. Tamamen siyah bir cismin radyasyon enerjisi Stefan-Boltzmann yasasıyla tanımlanır.

5.2. Reaumur ölçeği

1730'da icat ettiği alkol termometresini tanımlayan R. A. Reaumur tarafından önerildi.

Birim Reaumur derecesidir (°R), 1 °R, referans noktaları arasındaki sıcaklık aralığının 1/80'ine eşittir - buzun erime sıcaklığı (0 °R) ve suyun kaynama noktası (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

Şu anda ölçek kullanım dışı kaldı; yazarın anavatanı olan Fransa'da en uzun süre hayatta kaldı.

6. Farklı ölçeklerden geçişler

7. Sıcaklık ölçeklerinin karşılaştırılması

Sıcaklık ölçeklerinin karşılaştırılması

Tanım	Kelvin	santigrat	Fahrenhayt	Rankin	Şarküteri	Newton	Reaumur	Roemer
Tamamen sıfır	0	−273.15	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
Fahrenheit karışımının erime sıcaklığı (eşit miktarlarda tuz ve buz)	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
Suyun donma noktası (Normal koşullar)	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Ortalama insan vücut sıcaklığı¹	310.0	36.6	98.2	557.9	94.5	12.21	29.6	26.925
Suyun kaynama noktası (Normal koşullar)	373.15	100	212	671.67	0	33	80	60
Eriyen titanyum	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Güneşin Yüzeyi	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

¹ Normal ortalama insan vücudu sıcaklığı 36,6 °C ±0,7 °C veya 98,2 °F ±1,3 °F'dir. Yaygın olarak alıntılanan 98,6 °F değeri, 19. yüzyıl Alman değeri olan 37 °C'nin Fahrenheit'ına tam olarak dönüştürülmesidir. Ancak vücudun farklı bölgelerinin sıcaklığı farklı olduğundan bu değer normal ortalama insan vücut sıcaklığı aralığında değildir.

Bu tablodaki bazı değerler yuvarlanmıştır.

8. Faz geçişlerinin özellikleri

Çeşitli maddelerin faz geçiş noktalarını tanımlamak için aşağıdaki sıcaklık değerleri kullanılır:

• Erime sıcaklığı
• Kaynama sıcaklığı
• Tavlama sıcaklığı
• Sinterleme sıcaklığı
• Sentez sıcaklığı
• Hava sıcaklığı
• Toprak sıcaklığı
• Homolog sıcaklık
• Üçlü nokta
• Debye sıcaklığı (Karakteristik sıcaklık)
• Curie sıcaklığı

9. İlginç gerçekler

1910 −68'e kadar dünyadaki en düşük sıcaklık, Verkhoyansk

• İnsanoğlunun yarattığı en yüksek sıcaklık, ~10 trilyon. K (Evrenin ömrünün ilk saniyelerindeki sıcaklığıyla karşılaştırılabilir) 2010 yılında ışık hızına yakın hızlara çıkan kurşun iyonlarının çarpışması sırasında ulaşıldı. Deney Büyük Hadron Çarpıştırıcısında gerçekleştirildi
• Teorik olarak mümkün olan en yüksek sıcaklık Planck sıcaklığıdır. Her şey enerjiye dönüştüğünden (tüm atom altı parçacıklar çökeceğinden) daha yüksek bir sıcaklık olamaz. Bu sıcaklık yaklaşık olarak 1,41679(11)×10 32 K'dir (yaklaşık 142 nonilyon K).
• İnsanoğlunun yarattığı en düşük sıcaklık, 1995 yılında ABD'li Eric Cornell ve Carl Wieman tarafından rubidyum atomlarının soğutulmasıyla elde edildi. . Mutlak sıfırın üzerinde, bir K'nın (5,9 × 10-12 K) milyarda 1/170'inden daha az bir değer vardı.
• Güneş'in yüzeyi yaklaşık 6000 K sıcaklığa sahiptir.
• Daha yüksek bitkilerin tohumları -269 °C'ye soğutulduktan sonra canlı kalır.

Notlar

1. GOST 8.417-2002. MİKTAR BİRİMLERİ - nolik.ru/systems/gost.htm
2. Sıcaklık kavramı - sıcaklıklar.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
3. I. P. Bazarov. Termodinamik, M., Yüksekokul, 1976, s. 13-14.
4. Platin - sıcaklıklar.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 direnç termometresi - MTSH-90'ın ana cihazı.
5. Lazer termometresi - sıcaklıklar.ru/newmet/newmet.php?page=0
6. MTSH-90 referans noktaları - sıcaklıklar.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
7. Kelvin'in yeni bir tanımının geliştirilmesi - sıcaklıklar.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
8. D. A. Parshin, G. G. Zegrya Kritik nokta. Kritik durumdaki bir maddenin özellikleri. Üçlü nokta. İkinci dereceden faz geçişleri. Düşük sıcaklık elde etme yöntemleri. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. İstatistiksel termodinamik. Ders 11. St. Petersburg Akademik Üniversitesi.
9. Çeşitli vücut sıcaklığı ölçümleri hakkında - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (İngilizce)
10. BBC News - Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) bir "mini Büyük Patlama" yaratıyor - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
11. Her şey hakkında her şey. Sıcaklık kayıtları - tem-6.narod.ru/weather_record.html
12. Bilimin harikaları - www.seti.ee/ff/34gin.swf

Edebiyat

• B. I. Spassky Fizik Tarihi Bölüm I - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Moskova: “Yüksek Okul”, 1977.
• Sivukhin D.V. Termodinamik ve moleküler fizik. - Moskova: “Bilim”, 1990.

indirmek
Bu özet Rusça Vikipedi'deki bir makaleye dayanmaktadır. Senkronizasyon tamamlandı 07/09/11 16:20:43
Benzer özetler: