Każda osoba codziennie styka się z pojęciem temperatury. Termin ten mocno wkroczył w nasze codzienne życie: podgrzewamy jedzenie w kuchence mikrofalowej lub gotujemy w piekarniku, interesuje nas pogoda na zewnątrz lub dowiadujemy się, czy woda w rzece jest zimna - wszystko to jest ściśle związane z tą koncepcją. A co to jest temperatura, co oznacza ten parametr fizyczny, w jaki sposób jest mierzony? Na te i inne pytania odpowiemy w artykule.
Wielkość fizyczna
Zastanówmy się, jaka jest temperatura z punktu widzenia izolowanego układu w równowadze termodynamicznej. Termin pochodzi z języka łacińskiego i oznacza „właściwe wymieszanie”, „stan normalny”, „proporcjonalność”. Wartość ta charakteryzuje stan równowagi termodynamicznej dowolnego układu makroskopowego. W przypadku, gdy izolowany układ nie jest w równowadze, z biegiem czasu następuje przejście energii z bardziej nagrzanych obiektów do mniej nagrzanych. Rezultatem jest wyrównanie (zmiana) temperatury w całym systemie. To pierwszy postulat (zasada zera) termodynamiki.
Temperatura determinujerozkład cząstek składowych układu według poziomów energii i prędkości, stopień jonizacji substancji, właściwości równowagowego promieniowania elektromagnetycznego ciał, całkowita gęstość objętościowa promieniowania. Ponieważ dla układu znajdującego się w równowadze termodynamicznej wymienione parametry są sobie równe, są one zwykle nazywane temperaturą układu.
Plazma
Oprócz ciał równowagowych istnieją układy, w których stan charakteryzuje się kilkoma wartościami temperatury, które nie są sobie równe. Dobrym przykładem jest plazma. Składa się z elektronów (lekko naładowanych cząstek) i jonów (ciężko naładowanych cząstek). Kiedy się zderzają, energia jest szybko przenoszona z elektronu na elektron iz jonu na jon. Ale między elementami heterogenicznymi następuje powolne przejście. Plazma może znajdować się w stanie, w którym elektrony i jony pojedynczo są bliskie równowagi. W takim przypadku można przyjąć oddzielne temperatury dla każdego rodzaju cząstek. Jednak te parametry będą się od siebie różnić.
Magnesy
W ciałach, w których cząstki mają moment magnetyczny, transfer energii zwykle zachodzi powoli: od translacyjnych do magnetycznych stopni swobody, które są związane z możliwością zmiany kierunków momentu. Okazuje się, że są stany, w których ciało charakteryzuje się temperaturą, która nie pokrywa się z parametrem kinetycznym. Odpowiada ruchowi postępowemu cząstek elementarnych. Temperatura magnetyczna określa część energii wewnętrznej. Może być pozytywny lubnegatywny. Podczas procesu wyrównywania energia będzie przenoszona z cząstek o wyższej wartości do cząstek o niższej wartości temperatury, jeśli są one zarówno dodatnie, jak i ujemne. W przeciwnym razie proces ten będzie przebiegał w odwrotnym kierunku – temperatura ujemna będzie „wyższa” od dodatniej.
Dlaczego jest to konieczne?
Paradoks polega na tym, że przeciętny człowiek, aby przeprowadzić pomiar zarówno w życiu codziennym, jak iw przemyśle, nie musi nawet wiedzieć, jaka jest temperatura. Wystarczy, że zrozumie, że jest to stopień nagrzania obiektu lub otoczenia, zwłaszcza że terminy te znamy od dzieciństwa. Rzeczywiście, większość praktycznych urządzeń zaprojektowanych do pomiaru tego parametru faktycznie mierzy inne właściwości substancji, które zmieniają się wraz z poziomem ogrzewania lub chłodzenia. Na przykład ciśnienie, opór elektryczny, objętość itp. Ponadto takie odczyty są ręcznie lub automatycznie konwertowane na żądaną wartość.
Okazuje się, że aby określić temperaturę, nie ma potrzeby studiowania fizyki. Większość populacji naszej planety żyje zgodnie z tą zasadą. Jeśli telewizor jest włączony, nie ma potrzeby rozumieć przejściowych procesów urządzeń półprzewodnikowych, badać, skąd pochodzi prąd w gniazdku lub w jaki sposób sygnał dociera do anteny satelitarnej. Ludzie są przyzwyczajeni do tego, że w każdej dziedzinie są specjaliści, którzy potrafią naprawić lub debugować system. Laik nie chce nadwyrężać mózgu, bo gdzie lepiej popijać operę mydlaną lub piłkę nożną na „pudełku”zimne piwo.
Chcę wiedzieć
Ale są ludzie, najczęściej studenci, którzy albo z ciekawości, albo z konieczności są zmuszeni studiować fizykę i ustalać, jaka naprawdę jest temperatura. W rezultacie w swoich poszukiwaniach wpadają w dziczy termodynamiki i badają jej zerowe, pierwsze i drugie prawo. Ponadto dociekliwy umysł będzie musiał zrozumieć cykle Carnota i entropię. A pod koniec swojej podróży z pewnością przyzna, że określenie temperatury jako parametru odwracalnego układu cieplnego, który nie zależy od rodzaju substancji roboczej, nie doda jasności odczuciu tego pojęcia. Mimo wszystko widoczna część będzie miała kilka stopni akceptowanych przez międzynarodowy układ jednostek (SI).
Temperatura jako energia kinetyczna
Bardziej „namacalne” jest podejście nazywane teorią kinetyki molekularnej. Tworzy ideę, że ciepło jest uważane za jedną z form energii. Na przykład energia kinetyczna cząsteczek i atomów, parametr uśredniony dla ogromnej liczby losowo poruszających się cząstek, okazuje się być miarą tego, co powszechnie nazywa się temperaturą ciała. W ten sposób cząstki ogrzanego układu poruszają się szybciej niż zimnego.
Ponieważ rozważany termin jest ściśle powiązany ze średnią energią kinetyczną grupy cząstek, całkiem naturalne byłoby użycie dżula jako jednostki temperatury. Jednak tak się nie dzieje, co tłumaczy fakt, że energia ruchu termicznego elementu elementarnegocząstki są bardzo małe w stosunku do dżula. Dlatego jego użycie jest niewygodne. Ruch termiczny jest mierzony w jednostkach wywodzących się z dżuli za pomocą specjalnego współczynnika konwersji.
Jednostki temperatury
Dzisiaj do wyświetlania tego parametru używane są trzy podstawowe jednostki. W naszym kraju temperaturę zwykle mierzy się w stopniach Celsjusza. Ta jednostka miary opiera się na punkcie zamarzania wody - wartości bezwzględnej. Ona jest punktem wyjścia. Oznacza to, że temperatura wody, w której zaczyna tworzyć się lód, wynosi zero. W tym przypadku woda służy jako przykładowy środek. Konwencja ta została przyjęta dla wygody. Drugą wartością bezwzględną jest temperatura pary, czyli moment, w którym woda przechodzi ze stanu ciekłego w stan gazowy.
Następną jednostką jest Kelvin. Punktem odniesienia tego systemu jest punkt zera absolutnego. Tak więc jeden stopień Kelvina jest równy jednemu stopniowi Celsjusza. Różnica to dopiero początek odliczania. Otrzymujemy, że zero w Kelvinach będzie równe minus 273,16 stopnia Celsjusza. W 1954 roku na Konferencji Generalnej ds. Miar i Wag postanowiono zastąpić jednostkę temperatury określenie „stopień Kelvina” terminem „kelwin”.
Trzecią powszechną jednostką miary jest Fahrenheit. Do 1960 roku były szeroko stosowane we wszystkich krajach anglojęzycznych. Jednak dzisiaj w życiu codziennym w Stanach Zjednoczonych używa się tego urządzenia. System zasadniczo różni się od opisanych powyżej. Wziąć jako punkt wyjściatemperatura zamarzania mieszaniny soli, amoniaku i wody w stosunku 1:1:1. Tak więc w skali Fahrenheita temperatura zamarzania wody wynosi plus 32 stopnie, a temperatura wrzenia plus 212 stopni. W tym układzie jeden stopień jest równy 1/180 różnicy między tymi temperaturami. Tak więc zakres od 0 do +100 stopni Fahrenheita odpowiada zakresowi od -18 do +38 stopni Celsjusza.
Całkowicie zerowa temperatura
Zrozummy, co oznacza ten parametr. Zero bezwzględne to temperatura graniczna, w której ciśnienie gazu doskonałego zanika przy ustalonej objętości. To najniższa wartość w przyrodzie. Jak przewidział Michaił Łomonosow, „to jest największy lub ostatni stopień zimna”. Z tego wynika prawo chemiczne Avogadro: równe objętości gazów o tej samej temperaturze i ciśnieniu zawierają tę samą liczbę cząsteczek. Co z tego wynika? Istnieje minimalna temperatura gazu, przy której zanika jego ciśnienie lub objętość. Ta wartość bezwzględna odpowiada zero Kelvina, czyli 273 stopni Celsjusza.
Kilka ciekawych faktów na temat Układu Słonecznego
Temperatura na powierzchni Słońca sięga 5700 kelwinów, aw centrum jądra - 15 milionów kelwinów. Planety Układu Słonecznego bardzo różnią się od siebie pod względem poziomu ogrzewania. Tak więc temperatura jądra naszej Ziemi jest mniej więcej taka sama jak na powierzchni Słońca. Jowisz jest uważany za najgorętszą planetę. Temperatura w środku jej jądra jest pięć razy wyższa niż na powierzchni Słońca. A oto najniższa wartość parametruzarejestrowana na powierzchni księżyca - było to tylko 30 kelwinów. Ta wartość jest nawet niższa niż na powierzchni Plutona.
Fakty o Ziemi
1. Najwyższa temperatura zarejestrowana przez człowieka wyniosła 4 miliardy stopni Celsjusza. Ta wartość jest 250 razy wyższa niż temperatura jądra Słońca. Rekord został ustanowiony przez New York Brookhaven Natural Laboratory w zderzaczu jonów o długości około 4 kilometrów.
2. Temperatura na naszej planecie również nie zawsze jest idealna i komfortowa. Na przykład w mieście Wierchnojańsk w Jakucji temperatura zimą spada do minus 45 stopni Celsjusza. Ale w etiopskim mieście Dallol sytuacja jest odwrotna. Tam średnia roczna temperatura wynosi plus 34 stopnie.
3. Najbardziej ekstremalne warunki, w jakich ludzie pracują, odnotowuje się w kopalniach złota w RPA. Górnicy pracują na głębokości trzech kilometrów w temperaturze plus 65 stopni Celsjusza.
