Temperatura

Temperatura
,
Dimensiune Θ
Unități
SI La
GHS La

Temperatura (din lat.  temperatura  - amestecare adecvată, stare normală ) este o mărime fizică scalară care caracterizează un sistem termodinamic și exprimă cantitativ conceptul intuitiv de grade variate de încălzire a corpurilor.

Ființele vii sunt capabile să perceapă senzațiile de căldură și frig în mod direct, cu ajutorul simțurilor. Totuși, determinarea precisă a temperaturii necesită ca temperatura să fie măsurată în mod obiectiv, cu ajutorul instrumentelor. Astfel de dispozitive se numesc termometre și măsoară așa-numita temperatură empirică . În scara empirică a temperaturii, se stabilesc un punct de referință și numărul de diviziuni dintre ele - așa au fost introduse scările utilizate în prezent de Celsius , Fahrenheit și altele . Temperatura absolută măsurată în kelvin se introduce la un punct de referință [1] , ținând cont de faptul că în natură există o valoare limită minimă a temperaturii - zero absolut . Valoarea superioară a temperaturii este limitată de temperatura Planck .

Dacă sistemul este în echilibru termic, atunci temperatura tuturor părților sale este aceeași. În caz contrar, sistemul transferă energie din părțile mai încălzite ale sistemului către cele mai puțin încălzite, ceea ce duce la egalizarea temperaturilor în sistem și se vorbește de o distribuție a temperaturii în sistem sau de un câmp scalar de temperatură. În termodinamică temperatura este o mărime termodinamică intensă .

Alături de termodinamică, și alte definiții ale temperaturii pot fi introduse în alte ramuri ale fizicii. Teoria cinetică moleculară arată că temperatura este proporțională cu energia cinetică medie a particulelor sistemului. Temperatura determină distribuția particulelor sistemului după nivelurile de energie (vezi statisticile Maxwell-Boltzmann ), distribuția vitezei particulelor (vezi distribuția Maxwell ), gradul de ionizare a materiei (vezi ecuația Saha ), densitatea radiației spectrale (vezi formula Planck ), volumul total densitatea radiației (vezi legea Stefan-Boltzmann ), etc. Temperatura inclusă ca parametru în distribuția Boltzmann este adesea numită temperatură de excitație, în distribuția Maxwell - temperatură cinetică, în formula Saha - temperatura de ionizare, în distribuția Stefan-Boltzmann legea – temperatura radiației. Pentru un sistem în echilibru termodinamic, toți acești parametri sunt egali între ei și pur și simplu se numesc temperatura sistemului [2] .

În Sistemul internațional de cantități ( Sistemul internațional de cantități englezesc  , ISQ), temperatura termodinamică este aleasă ca una dintre cele șapte mărimi fizice de bază ale sistemului. În Sistemul Internațional de Unități (SI) , bazat pe Sistemul Internațional de Unități, unitatea acestei temperaturi, kelvinul  , este una dintre cele șapte unități SI de bază [3] . În sistemul SI și în practică, se folosește și temperatura Celsius , unitatea sa fiind grade Celsius (°C), egală ca mărime cu kelvin [4] . Acest lucru este convenabil, deoarece majoritatea proceselor climatice de pe Pământ și procesele din fauna sălbatică sunt asociate cu un interval de la -50 la +50 °С.

Temperatura ca parametru local. Câmp de temperatură

Fizica continuumului consideră temperatura ca o variabilă macroscopică locală, adică o mărime care caracterizează o zonă distinsă mental (volum elementar) a unui mediu continuu (continuum), ale cărui dimensiuni sunt infinit de mici în comparație cu neomogenitățile mediului și infinit de mare. în raport cu dimensiunile particulelor (atomi, ioni, molecule etc.) ale acestui mediu [5] . Valoarea temperaturii poate varia de la un punct la altul (de la un volum elementar la altul); distribuția temperaturii în spațiu la un moment dat este dată de un câmp scalar de temperatură ( câmp de temperatură ) [6] . Câmpul de temperatură poate fi fie nestaționar (schimbându-se în timp), fie staționar independent de timp. Un mediu cu aceeași temperatură în toate punctele se numește omogen termic. Matematic, câmpul de temperatură este descris de ecuația dependenței temperaturii de coordonatele spațiale (uneori considerația este limitată la una sau două coordonate) și la timp. Pentru sisteme omogene termic

Definiție termodinamică

Istoria abordării termodinamice

Cuvântul „temperatură” a apărut într-o perioadă în care oamenii credeau că corpurile mai fierbinți conțin o cantitate mai mare dintr-o substanță specială - calorică decât mai puțin încălzită .[7] .

Într -o stare de echilibru , temperatura are aceeași valoare pentru toate părțile macroscopice ale sistemului. Dacă două corpuri dintr-un sistem au aceeași temperatură, atunci nu există niciun transfer de energie cinetică a particulelor ( căldură ) între ele. Dacă există o diferență de temperatură, atunci căldura trece de la un corp cu o temperatură mai mare la un corp cu una mai joasă.

Temperatura este, de asemenea, asociată cu senzațiile subiective de „căldură” și „rece” asociate cu faptul dacă țesutul viu emite căldură sau o primește.

Unele sisteme mecanice cuantice (de exemplu, corpul de lucru al unui laser , în care există niveluri populate invers ) se pot afla într-o stare în care entropia nu crește, ci scade odată cu adăugarea de energie, care corespunde în mod formal unui negativ. temperatura absolută. Cu toate acestea, astfel de stări nu sunt „sub zero absolut”, ci „peste infinit”, deoarece atunci când un astfel de sistem contactează un corp cu o temperatură pozitivă, energia este transferată de la sistem către corp și nu invers (pentru mai multe detalii, vezi Temperatura absolută negativă ).

Proprietățile temperaturii sunt studiate de ramura fizicii  - termodinamică . Temperatura joacă, de asemenea, un rol important în multe domenii ale științei, inclusiv în alte ramuri ale fizicii, precum și în chimie și biologie .

Temperaturi de echilibru și de neechilibru

Un sistem aflat în echilibru termodinamic are un câmp de temperatură staționar. Dacă nu există partiții adiabatice (etanșe la energie) într-un astfel de sistem, atunci toate părțile sistemului au aceeași temperatură. Cu alte cuvinte, temperatura de echilibru a unui sistem omogen termic nu depinde în mod explicit de timp (dar se poate modifica în procese cvasi-statice ). Un sistem de neechilibru are în general un câmp de temperatură nestaționar, în care fiecare volum elementar al mediului are propria sa temperatură de neechilibru , care depinde în mod explicit de timp.

Temperatura în termodinamica fenomenologică

Definiția temperaturii în termodinamica fenomenologică depinde de modul în care este construit aparatul matematic al disciplinei (vezi Axiomatica termodinamicii ).

Diferențele în definițiile formale ale temperaturii termodinamice în diferite sisteme pentru construirea termodinamicii nu înseamnă că unele dintre aceste sisteme sunt mai evidente decât altele, deoarece în toate aceste sisteme, în primul rând, într-o definiție descriptivă, temperatura este considerată ca măsură a încălzirii / răcirea unui corp și, în primul rând, în al doilea rând, definițiile semnificative care stabilesc relația dintre temperatura termodinamică și scalele de temperatură utilizate pentru măsurarea acesteia coincid.

În termodinamica rațională , care respinge inițial împărțirea acestei discipline în termodinamică de echilibru și termodinamică de neechilibru (adică nu face distincție între temperaturile de echilibru și cele de neechilibru), temperatura este variabila inițială nedefinită, descrisă doar de astfel de proprietăți care poate fi exprimat în limbajul matematicii [8] . În termodinamica rațională sunt introduse în același timp conceptele de energie, temperatură, entropie și potențial chimic ; este fundamental imposibil să le determinăm separat. Tehnica de introducere a acestor concepte arată că pot fi introduse în considerare multe temperaturi diferite, corespunzătoare fluxurilor de energie diferite. De exemplu, se pot introduce temperaturile mișcărilor de translație și spinor, temperatura radiației etc. [9] .

Principiul zero (legea) introduce în termodinamica echilibrului conceptul de temperatură empirică [10] [11] [12] [13] ca parametru de stare, a cărui egalitate în toate punctele este condiția echilibrului termic într-un sistem fără adiabatic. despărțitori.

În abordarea construcției termodinamicii, folosită de adepții lui R. Clausius [14] , parametrii stării de echilibru - temperatura termodinamică și entropia  - sunt stabiliți prin intermediul unui parametru termodinamic care caracterizează procesul termodinamic . Și anume,

(Temperatura termodinamică și entropia conform lui Clausius)

unde  este cantitatea de căldură primită sau degajată de un sistem închis într- un proces de echilibru elementar (infinit mic) . În plus, conceptul de temperatură termodinamică conform lui Clausius este extins la sistemele deschise și la stările și procesele de neechilibru , de obicei fără a se prevedea în mod specific că vorbim despre includerea axiomelor suplimentare în setul de legi termodinamice utilizate.

În axiomatica lui Carathéodory [15] [16] , se consideră forma diferențială a lui Pfaff , iar temperatura termodinamică de echilibru este considerată ca divizor integrator al acestei forme diferențiale [17] .

În sistemul de axiome al lui A. A. Gukhman [18] [19] , modificarea energiei interne a sistemului într-un proces elementar de echilibru este exprimată prin potențialele de interacțiune și coordonatele stării :

(ecuația lui Guchmann)

în plus, potențialul termic este temperatura termodinamică , iar coordonata termică este entropia ; presiunea (cu semnul opus) joacă rolul potențialului de interacțiune de deformare mecanică pentru lichide și gaze izotrope, iar volumul este coordonata asociată presiunii; în transformările chimice și de fază , coordonatele de stare și potențialele sunt masele componentelor și potențialele lor chimice conjugate. Cu alte cuvinte, în axiomatica lui Guchmann, temperatura, entropia și potențialele chimice sunt introduse în termodinamica de echilibru simultan prin ecuația fundamentală Gibbs . Termenul de coordonate de stare folosit de Guchman și adepții săi , a cărui listă, împreună cu variabilele geometrice, mecanice și electromagnetice, include entropia și mase de componente, elimină ambiguitatea asociată termenului de coordonate termodinamice generalizate : unii autori se referă la coordonate generalizate, printre alte variabile, componentele entropiei și maselor [20] , în timp ce altele sunt limitate la variabile geometrice, mecanice și electromagnetice [21] .)

În termodinamica Gibbs , temperatura de echilibru este exprimată în termeni de energie internă și entropie [22] [23] [24]

(Temperatura termodinamică conform lui Gibbs)

unde  este o mulțime (fără entropie) de variabile naturale ale energiei interne, considerate ca funcții caracteristice ale . Egalitatea temperaturilor în toate punctele unui sistem fără deflectoare adiabatice ca condiție de echilibru termic în termodinamica Gibbs rezultă din proprietățile extreme ale energiei interne și entropiei într-o stare de echilibru termodinamic.

Axiomatica lui Falk și Young [25] atunci când definește entropia nu face distincție între stările de echilibru și cele de neechilibru și, prin urmare, definiția temperaturii dată în acest sistem de axiome prin entropie și energie internă este în egală măsură aplicabilă oricăror sisteme omogene termic:

(Temperatura termodinamică conform Falk și Young)

unde  este o mulțime (care nu include energia internă) de variabile de entropie independente.

Principiul echilibrului local permite sistemelor de neechilibru să împrumute definiția temperaturii din termodinamica de echilibru și să utilizeze această variabilă ca o temperatură de neechilibru a unui volum elementar al unui mediu [26] .

În termodinamica extinsă de non-echilibru (RTN), bazată pe respingerea principiului echilibrului local, temperatura de neechilibru este dată de o relație similară cu cea utilizată în axiomatica lui Falk și Young (vezi Temperatura termodinamică după Falk și Young ), dar cu un set diferit de variabile independente pentru entropie [27 ] . Temperatura termodinamică de echilibru local conform lui Gibbs diferă de asemenea de temperatura de neechilibru PNT în alegerea variabilelor independente pentru entropie [27] .

În axiomatica lui N. I. Belokon [28] . Definiția inițială a temperaturii rezultă din postulatul lui Belokon, care poartă numele - postulatul celei de-a doua legi a termostaticului. Temperatura este singura funcție a stării corpurilor care determină direcția schimbului de căldură spontan între aceste corpuri, adică corpurile aflate în echilibru termic au aceeași temperatură pe orice scară de temperatură. Rezultă că două corpuri care nu au contact termic unul cu altul, dar fiecare dintre ele se află în echilibru termic cu al treilea (dispozitiv de măsurare), au aceeași temperatură.

Temperaturi empirice, absolute și termodinamice

Temperatura nu poate fi măsurată direct. O modificare a temperaturii este judecată de o modificare a altor proprietăți fizice ale corpurilor ( volum , presiune , rezistență electrică , EMF , intensitatea radiației etc.), asociate în mod unic cu aceasta (așa-numitele proprietăți termometrice). Cantitativ, temperatura este determinată prin indicarea metodei de măsurare a acesteia folosind unul sau altul termometru. O astfel de definiție nu fixează încă nici originea, nici unitatea de temperatură, prin urmare orice metodă de măsurare a temperaturii este asociată cu alegerea scalei de temperatură . Temperatura empirică  este temperatura măsurată pe scala de temperatură selectată.

Definițiile temperaturii termodinamice date de termodinamica fenomenologică nu depind de alegerea proprietății termometrice utilizate pentru măsurarea acesteia; unitatea de temperatură este setată utilizând una dintre scalele de temperatură termodinamică .

În termodinamică, se acceptă ca o axiomă, bazată pe experiență, că temperatura termodinamică de echilibru este o mărime limitată, pe de o parte, pentru toate sistemele, iar temperatura corespunzătoare acestei limite este aceeași pentru toate sistemele termodinamice și, prin urmare, , poate fi folosit ca punct de referință natural al scalei de temperatură. Dacă acestui punct de referință i se atribuie o valoare de temperatură egală cu zero, atunci temperaturile din scara bazată pe acest punct de referință vor avea întotdeauna același semn [29] . Prin atribuirea unei valori pozitive de temperatură celui de-al doilea punct de referință se obține o scală de temperatură absolută cu temperaturi pozitive; temperatura măsurată de la zero absolut se numește temperatură absolută [30] . În consecință, temperatura termodinamică măsurată de la zero absolut se numește temperatură termodinamică absolută (vezi scala de temperatură Kelvin ). Un exemplu de scară empirică de temperatură cu o citire a temperaturii de la zero absolut este scara practică internațională de temperatură .

Scala de temperatură Celsius nu este absolută.

Unii autori înțeleg prin absolutitatea temperaturii nu citirea acesteia de la zero absolut, ci independența temperaturii față de alegerea proprietății termometrice utilizate pentru măsurarea acesteia [31] [32] .

Temperaturi absolute negative

Temperatura absolută termodinamică de echilibru este întotdeauna pozitivă (vezi Temperaturi empirice, absolute și termodinamice ). Utilizarea temperaturilor negative (pe scara Kelvin) este o tehnică matematică convenabilă pentru descrierea sistemelor neechilibrate cu proprietăți speciale [33] . Această tehnică constă în separarea mentală a obiectelor cu proprietăți speciale care fac parte din sistemul fizic într-un subsistem independent și luarea în considerare separat a subsistemului parțial rezultat . Cu alte cuvinte, același volum de spațiu este considerat ca fiind ocupat simultan de două sau mai multe subsisteme parțiale care interacționează slab unele cu altele.

Un exemplu de utilizare a acestei abordări este luarea în considerare a spinurilor nucleare ale unui cristal situat într-un câmp magnetic ca un sistem slab dependent de vibrațiile termice ale rețelei cristaline. Cu o schimbare rapidă a direcției câmpului magnetic spre opus, atunci când spinii nu au timp să urmărească câmpul în schimbare, sistemul de spinuri nucleare va avea o temperatură negativă de neechilibru pentru ceva timp [34] , adică de la din punct de vedere formal, în acest moment în aceeași regiune spațială vor exista două sisteme care interacționează slab cu temperaturi diferite [35] . Datorită interacțiunii care încă are loc, temperaturile ambelor sisteme vor deveni egale după ceva timp.

Formalismul termodinamicii fenomenologice clasice poate fi completat cu idei despre temperaturi absolut negative [36] [35] . În conformitate cu postulatul lui Tisza , energia internă a oricărui sistem este mărginită de jos, iar această limită corespunde temperaturii zero absolut [37] . În sistemele care au nu doar o limită inferioară, ci și superioară a energiei interne, odată cu creșterea temperaturii, energia internă crește și atinge valoarea limită; creșterea în continuare a temperaturii nu mai duce la o creștere a energiei interne, ci la o scădere a entropiei sistemului ( la ) [35] . În conformitate cu formulele termodinamicii, aceasta corespunde unei tranziții de la regiunea temperaturilor pozitive printr-un punct cu temperatură (puncte cu temperaturi și sunt fizic identice [38] ) către un punct cu o valoare limită de temperatură de neatins egală cu [39] [35] .

Definiție cinetică moleculară

În teoria cinetică moleculară , temperatura este definită ca o mărime care caracterizează energia cinetică medie a particulelor unui sistem macroscopic, care se află într-o stare de echilibru termodinamic , pe un grad de libertate .

... măsura temperaturii nu este mișcarea în sine, ci aleatorietatea acestei mișcări. Aleatorietatea stării unui corp determină starea sa de temperatură, iar această idee (care a fost dezvoltată pentru prima dată de Boltzmann) că o anumită stare termică a unui corp nu este deloc determinată de energia mișcării, ci de aleatorietatea acestei mișcări. , este noul concept în descrierea fenomenelor termice pe care trebuie să-l folosim...P. L. Kapitsa [40]

Definiția temperaturii în fizica statistică

În fizica statistică , temperatura este definită ca derivata energiei unui sistem în raport cu entropia acestuia:

,

unde  este entropia ,  este energia sistemului termodinamic. Valoarea introdusă în acest fel este aceeași pentru diferite corpuri aflate la echilibru termodinamic. Când două corpuri intră în contact, corpul cu o valoare mai mare va da energie celuilalt.

Măsurarea temperaturii

Pentru a măsura temperatura termodinamică , este selectat un anumit parametru termodinamic al unei substanțe termometrice. O modificare a acestui parametru este asociată fără ambiguitate cu o schimbare a temperaturii. Un exemplu clasic de termometru termodinamic este un termometru pentru gaz , în care temperatura este determinată prin măsurarea presiunii unui gaz într-un cilindru cu volum constant. Sunt cunoscute și termometrele pentru radiații absolute, zgomot și acustice.

Termometrele termodinamice sunt dispozitive foarte complexe care nu pot fi folosite în scopuri practice. Prin urmare, cele mai multe măsurători sunt efectuate folosind termometre practice, care sunt secundare, deoarece nu pot lega în mod direct unele proprietăți a unei substanțe cu temperatura. Pentru a obține funcția de interpolare , acestea trebuie calibrate în puncte de referință ale scalei internaționale de temperatură.

Pentru a măsura temperatura unui corp, de obicei măsoară un parametru fizic legat de temperatură, de exemplu, dimensiunile geometrice (vezi Dilatometru ) pentru gaze - volum sau presiune , viteza sunetului , conductivitate electrică , absorbție electromagnetică sau spectre de radiații (de exemplu, pirometre și măsurarea temperaturii fotosferelor și atmosferelor stelelor  - în acest din urmă caz, prin lărgirea Doppler a liniilor spectrale de absorbție sau emisie).

În practica de zi cu zi, temperatura este de obicei măsurată folosind dispozitive speciale - termometre de contact . În acest caz, termometrul este adus în contact termic cu corpul supus studiului și, după ce se stabilește echilibrul termodinamic al corpului și al termometrului, temperaturile acestora sunt egalizate, temperatura corpului este judecată după modificările unor modificări fizice măsurabile. parametrul termometrului. Contactul termic dintre termometru și corp trebuie să fie suficient pentru ca egalizarea temperaturii să aibă loc mai rapid, de asemenea, accelerarea egalizării temperaturii se realizează prin reducerea capacității termice a termometrului față de corpul studiat, de obicei prin reducerea dimensiunii termometrul. O scădere a capacității termice a termometrului distorsionează, de asemenea, rezultatele măsurării mai puțin , deoarece o parte mai mică din căldura corpului investigat este preluată sau transferată la termometru. Un termometru ideal are capacitate termică zero [41] .

Instrumentele de măsurare a temperaturii sunt adesea gradate pe scări relative - Celsius sau Fahrenheit.

În practică, temperatura este folosită și pentru măsurare

Cel mai precis termometru practic este termometrul cu rezistență din platină [42] . Au fost dezvoltate cele mai recente metode de măsurare a temperaturii bazate pe măsurarea parametrilor radiației laser [43] .

Unități și scară de măsurare a temperaturii

Deoarece temperatura este o măsură a energiei cinetice medii a mișcării termice a particulelor sistemului [44] , cel mai natural ar fi să o măsuram în unități de energie (adică în sistemul SI în jouli ; vezi și eV ) . Pe baza raportului dintre temperatură și energia particulelor dintr-un gaz ideal monoatomic Ekin = 3 2 kT [45] . În unități de temperatură, 1 eV corespunde cu 11 604,518 12 K [46] (vezi constanta lui Boltzmann ) [47] .

Cu toate acestea, măsurarea temperaturii a început cu mult înainte de crearea teoriei cinetice moleculare , astfel încât toate scalele practice măsoară temperatura în unități arbitrare - grade.

temperatura absolută. Scala de temperatură Kelvin

Conceptul de temperatură absolută a fost introdus de W. Thomson (Kelvin) , în legătură cu care scala de temperatură absolută se numește scala Kelvin sau scara de temperatură termodinamică. Unitatea de măsură a temperaturii absolute este kelvin (K).

Scala de temperatură absolută se numește astfel deoarece măsura stării fundamentale a limitei inferioare de temperatură este zero absolut , adică cea mai scăzută temperatură posibilă la care, în principiu, este imposibil să se extragă energie termică dintr-o substanță.

Zero absolut este definit ca 0 K, care este -273,15 °C și -459,67 °F.

Scala de temperatură Kelvin este o scară care se măsoară de la zero absolut .

De mare importanță este dezvoltarea pe baza scării termodinamice Kelvin a scalelor practice internaționale bazate pe puncte de referință - tranziții de fază ale substanțelor pure, determinate prin metode de termometrie primară. Prima scară internațională de temperatură a fost ITS-27 adoptată în 1927. Din 1927, scara a fost redefinită de mai multe ori (MTSh-48, MPTSh-68, MTSh-90): temperaturile de referință și metodele de interpolare s-au schimbat, dar principiul rămâne același - baza scalei este un set de faze. tranziții de substanțe pure cu anumite valori ale temperaturilor termodinamice și instrumente de interpolare gradate în aceste puncte. Scara ITS-90 este în prezent în vigoare. Documentul principal (Regulamente la scară) stabilește definiția Kelvin, valorile temperaturilor de tranziție de fază (puncte de referință) [48] și metodele de interpolare.

Scalele de temperatură utilizate în viața de zi cu zi - atât Celsius , cât și Fahrenheit (folosite în principal în SUA ) - nu sunt absolute și, prin urmare, incomode atunci când se efectuează experimente în condiții în care temperatura scade sub punctul de îngheț al apei, din cauza cărora temperatura trebuie să fie exprima un număr negativ. Pentru astfel de cazuri au fost introduse scale de temperatură absolută.

Una dintre ele se numește scara Rankin , iar cealaltă se numește scara termodinamică absolută (scala Kelvin); temperaturile sunt măsurate, respectiv, în grade Rankine (°Ra) și kelvins (K). Ambele scale încep de la zero absolut. Ele diferă prin faptul că prețul unei diviziuni pe scara Kelvin este egal cu prețul diviziunii pe scara Celsius, iar prețul diviziunii pe scara Rankine este echivalent cu prețul divizării termometrelor cu scara Fahrenheit. Punctul de îngheț al apei la presiunea atmosferică standard corespunde la 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Scara scării Kelvin era legată de punctul triplu al apei (273,16 K), în timp ce constanta Boltzmann depindea de aceasta . Acest lucru a creat probleme cu acuratețea interpretării măsurătorilor de temperatură ridicată. Prin urmare, în 2018-2019, ca parte a modificărilor în SI , a fost introdusă o nouă definiție a kelvinului, bazată pe fixarea valorii numerice a constantei Boltzmann, în loc să fie legată de temperatura punctului triplu [49] .

Scara Celsius

În inginerie, medicină, meteorologie și în viața de zi cu zi, scara Celsius este folosită ca unitate de temperatură . În prezent, în sistemul SI, scara termodinamică Celsius este determinată prin scara Kelvin [4] : ​​t(°C) = T(K) - 273,15 (exact), adică prețul unei diviziuni în Celsius scara este egală cu prețul de divizare al scării Kelvin. Pe scara Celsius, temperatura punctului triplu al apei este de aproximativ 0,008 °C, [50] și, prin urmare, punctul de îngheț al apei la o presiune de 1 atm este foarte aproape de 0 °C. Punctul de fierbere al apei, ales inițial de Celsius ca al doilea punct fix cu o valoare, prin definiție egală cu 100 ° C, și-a pierdut statutul de unul dintre reperele. Conform estimărilor moderne, punctul de fierbere al apei la presiunea atmosferică normală pe scara termodinamică Celsius este de aproximativ 99,975 °C. Scara Celsius este foarte convenabilă din punct de vedere practic, deoarece apa și condițiile ei sunt comune și extrem de importante pentru viața pe Pământ . Zero pe această scară este un punct special pentru meteorologie , deoarece este asociat cu înghețarea apei atmosferice. Scara a fost propusă de Anders Celsius în 1742.

Scara Fahrenheit

În Anglia, și mai ales în SUA, se folosește scala Fahrenheit. Zero grade Celsius este 32 de grade Fahrenheit, iar 100 de grade Celsius este 212 grade Fahrenheit.

Definiția actuală a scalei Fahrenheit este următoarea: este o scară de temperatură, din care 1 grad (1 °F) este egal cu 1/180 din diferența dintre punctul de fierbere al apei și topirea gheții la presiunea atmosferică, iar punctul de topire al gheții este de +32 °F. Temperatura de pe scara Fahrenheit este legată de temperatura de pe scara Celsius (t ° C) prin raportul t ° C \u003d 5/9 (t ° F - 32), t ° F \u003d 9/5 t ° C + 32. Propus de G. Fahrenheit în anul 1724.

Scara Réaumur

Propus în 1730 de R. A. Reaumur , care a descris termometrul cu alcool pe care l-a inventat.

Unitatea este gradul Réaumur (°Ré), 1 °Ré este egal cu 1/80 din intervalul de temperatură dintre punctele de referință - temperatura de topire a gheții (0 °Ré) și punctul de fierbere al apei (80 °Ré)

1 °Ré = 1,25 °C.

În prezent, scara a căzut în desuetudine, s-a păstrat cel mai mult timp în Franța , în patria autorului.

Energia mișcării termice la zero absolut

Pe măsură ce materia se răcește, multe forme de energie termică și efectele asociate acestora scad simultan în magnitudine. Materia trece dintr-o stare mai puțin ordonată într-o stare mai ordonată.

... conceptul modern de zero absolut nu este conceptul de repaus absolut, dimpotrivă, la zero absolut poate exista mișcare - și este, dar este o stare de ordine completă...P. L. Kapitsa [40]

Gazul se transformă în lichid și apoi se cristalizează într-un solid (heliul rămâne în stare lichidă la presiunea atmosferică chiar și la zero absolut). Mișcarea atomilor și moleculelor încetinește, energia lor cinetică scade. Rezistența majorității metalelor scade din cauza scăderii împrăștierii electronilor de către atomii rețelei cristaline care vibrează cu o amplitudine mai mică. Astfel, chiar și la zero absolut , electronii de conducere se mișcă între atomi cu o viteză Fermi de ordinul a 106 m /s.

Temperatura la care particulele de materie au o cantitate minimă de mișcare, care se păstrează numai datorită mișcării mecanice cuantice , este temperatura zero absolut (T = 0K).

Temperaturile de zero absolut nu pot fi atinse. Cea mai scăzută temperatură (450±80)⋅10 −12 K a condensatului Bose-Einstein al atomilor de sodiu a fost obținută în 2003 de către cercetătorii de la MIT [51] . În acest caz, vârful radiației termice se află în regiunea lungimilor de undă de ordinul a 6400 km, adică aproximativ raza Pământului.

Temperatura și radiația

Energia emisă de un corp este proporțională cu puterea a patra a temperaturii sale. Deci, la 300 K, de la un metru pătrat de suprafață sunt emiți până la 450 de wați . Aceasta explică, de exemplu, răcirea pe timp de noapte a suprafeței pământului sub temperatura aerului ambiant. Energia de radiație a unui corp negru este descrisă de legea Stefan-Boltzmann

Tranziții de la diferite scări

Conversia temperaturii între scalele principale
Scară Simbol de la Celsius (°C) la Celsius
Fahrenheit (°F) [°F] = [°C] × 9⁄5 + 32 [°C] = ([°F] − 32) × 5⁄9
Kelvin (K) [K] = [°C] + 273,15 [°C] = [K] - 273,15
Rankin (Rankin) (°R) [°R] = ([°C] + 273,15) × 9⁄5 [°C] = ([°R] − 491,67) × 5⁄9
Delisle _ (°D sau °De) [°De] = (100 − [°C]) × 3⁄2 [°C] = 100 - [°De] × 2⁄3
Newton _ (°N) [°N] = [°C] × 33⁄100 [°C] = [°N] × 100⁄33
Reaumur _ (°Re, °Ré, °R) [°Ré] = [°C] × 4⁄5 [°C] = [°Ré] × 5⁄4
Rømer _ (°Rø) [°Rø] = [°C] × 21⁄40 + 7,5 [°C] = ([°Rø] − 7,5) × 40⁄21

Compararea scalelor de temperatură

Compararea scalelor de temperatură
Descriere Kelvin Celsius Fahrenheit Rankin Delisle newton Réaumur Römer
zero absolut 0 −273,15 −459,67 0 559.725 −90,14 −218,52 −135,90
Punctul de topire al unui amestec Fahrenheit ( sare , gheață și clorură de amoniu ) [52] 255,37 −17,78 0 459,67 176,67 −5,87 −14,22 −1,83
Punctul de îngheț al apei ( condiții de referință ) 273,15 0 32 491,67 150 0 0 7.5
Temperatura medie a corpului uman¹ 309,75 36.6 98,2 557,9 94,5 12.21 29.6 26.925
Punctul de fierbere al apei ( condiții normale ) 373,15 100 212 671,67 0 33 80 60
topirea titanului 1941 1668 3034 3494 −2352 550 1334 883
Soare² 5800 5526 9980 10440 −8140 1823 4421 2909

¹ Temperatura medie normală a corpului uman este de +36,6°C ±0,7°C sau +98,2°F ±1,3°F. Valoarea obișnuită de +98,6°F este o conversie exactă în Fahrenheit a valorii germane din secolul al XIX-lea de +37°C. Cu toate acestea, această valoare nu se află în intervalul temperaturii medii normale a corpului uman, deoarece temperatura diferitelor părți ale corpului este diferită. [53]

² Unele valori din acest tabel sunt valori rotunjite. De exemplu, temperatura suprafeței Soarelui este de 5800 Kelvin foarte aproape. Cu toate acestea, pentru restul scalelor de temperatură, rezultatul exact al conversiei a 5800 kelvin în această scară a fost deja dat.

Caracterizarea tranzițiilor de fază

Pentru a descrie punctele de tranziție de fază ale diferitelor substanțe, se folosesc următoarele valori de temperatură:

Psihologia percepției

După cum arată rezultatele a numeroase experimente, senzația de frig sau căldură depinde nu numai de temperatura și umiditatea mediului ambiant, ci și de starea de spirit. Deci, dacă subiectul se simte singur, de exemplu, se află într-o cameră cu oameni care nu-i împărtășesc opiniile sau valorile, sau pur și simplu este departe de alți oameni, atunci camera devine mai rece pentru el și invers [54] .

Fapte interesante

Vezi și

Note

  1. A 10- a Conferință Generală de Greutăți și Măsuri din 1954 a adoptat ca punct de referință punctul triplu al apei, atribuindu-i prin definiție valoarea exactă a temperaturii de 273,16 K.
  2. Fizica. Marele Dicţionar Enciclopedic / Ch. ed. A. M. Prohorov. - M . : Marea Enciclopedie Rusă, 1998. - S. 741. - 944 p.
  3. Broșura SI Arhivată 26 aprilie 2006 pe Wayback Machine Description of the SI pe site-ul web al Biroului Internațional de Greutăți și Măsuri
  4. 1 2 GOST 8.417-2002. Sistem de stat pentru asigurarea uniformității măsurătorilor. Unități de mărime. . Preluat la 3 decembrie 2018. Arhivat din original la 20 septembrie 2018.
  5. Zhilin P. A., Mecanica continuă rațională, 2012 , p. 84.
  6. Câmpul de temperatură . TSB, ed. a 3-a, 1976, v. 25 . Preluat la 27 martie 2015. Arhivat din original la 2 aprilie 2015.
  7. Tatyana Danina. Mecanica caroseriei . — Litri, 05-09-2017. — 163 p. — ISBN 9785457547490 . Arhivat pe 26 aprilie 2018 la Wayback Machine
  8. K. Truesdell, Thermodynamics for Beginners, 1970 , p. 117.
  9. Zhilin P. A., Mecanica continuă rațională, 2012 , p. 48.
  10. Fizica. Marele Dicționar Enciclopedic, 1998 , p. 751.
  11. Zalewski, K., Termodinamică fenomenologică și statistică, 1973 , p. 11–12.
  12. Vukalovich M.P., Novikov I.I., Termodinamică, 1972 , p. unsprezece.
  13. A. Sommerfeld, Thermodynamics and Statistical Physics, 1955 , p. unsprezece.
  14. Clausius R., Teoria mecanică a căldurii, 1934 .
  15. Carathéodory K., Despre fundamentele termodinamicii, 1964 .
  16. Born, M., Critici ale prezentării tradiționale a termodinamicii, 1964 .
  17. Bazarov I.P., Termodinamică, 2010 , p. 57.
  18. Gukhman A. A., Pe fundamentele termodinamicii, 1986 .
  19. Leonova V.F., Termodinamică, 1968 .
  20. Bazarov I.P., Termodinamică, 2010 , p. 29, 58, 127, 171.
  21. Kubo R., Termodinamică, 1970 , p. 20–21.
  22. Gibbs, J.W., Thermodynamics. Mecanica statistică, 1982 , p. 93.
  23. Guggenheim E.A., Thermodynamics, 1986 , p. cincisprezece.
  24. Callen H. B., Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 1986 , p. 35.
  25. Falk G., Jung H., Axiomatik der Thermodynamik, 1959 , p. 156.
  26. Gyarmati, I., Non-equilibrium thermodynamics, 1974 , p. 26.
  27. 1 2 Jou D. ea, Extended Irreversible Thermodynamics, 2010 , p. 48.
  28. Belokon N.I., Principiile de bază ale termodinamicii, 1968 , p. zece.
  29. Bazarov I.P., Termodinamică, 2010 , p. 62.
  30. Temperatura absolută . TSB, ed. a 3-a, 1969, v. 1 . Data accesului: 27 martie 2015. Arhivat din original pe 21 februarie 2015.
  31. I. Prigozhin, D. Kondepudi, Termodinamică modernă, 2002 , p. 23, 83, 86.
  32. Sorokin V.S., Macroscopic irreversibility and entropy. Introducere în termodinamică, 2004 , p. 60.
  33. Temperatura negativă . TSB, ed. a 3-a, 1975, v. 19 . Preluat la 27 martie 2015. Arhivat din original la 2 aprilie 2015.
  34. Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical physics. Partea 1, 2002 , p. 262.
  35. 1 2 3 4 Powles, D., Temperaturi absolute negative, 1964 .
  36. Bazarov I.P., Termodinamică, 2010 , p. 136–148.
  37. Tisza L., Termodinamică generalizată, 1966 , p. 125.
  38. Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical physics. Partea 1, 2002 , p. 261.
  39. Bazarov I.P., Termodinamică, 2010 , p. 137–138.
  40. 1 2 Kapitsa P.L. Proprietățile heliului lichid  // Natura . - Stiinta , 1997. - Nr. 12 . Arhivat din original pe 21 februarie 2016.
  41. Shakhmaev N.M. și alții.Fizica : un manual pentru clasa a 10-a a instituțiilor de învățământ. - M . : Educaţie , 1996. - S. 21. - 240 p. — ISBN 5090067937 .
  42. [[termometru de rezistență]] din platină - dispozitivul principal al ITSh-90. . Consultat la 5 mai 2010. Arhivat din original pe 8 iunie 2010.
  43. Termometrie cu laser . Consultat la 5 mai 2010. Arhivat din original pe 8 iunie 2010.
  44. Temperatura // Marea Enciclopedie Rusă  : [în 35 de volume]  / cap. ed. Yu. S. Osipov . - M .  : Marea Enciclopedie Rusă, 2004-2017.
  45. Electronvolt // Enciclopedia fizică / Cap. ed. A. M. Prohorov . - M . : Marea Enciclopedie Rusă , 1998. - T. 5. Dispozitive stroboscopice - Luminozitate. - S. 545. - 760 p. — ISBN 5-85270-101-7 .
  46. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Arhivat 8 decembrie 2013 la Wayback Machine Fundamental Physical Constants - Lista completă
  47. Factori de conversie pentru echivalenți de energie . Preluat la 17 februarie 2021. Arhivat din original la 26 ianuarie 2021.
  48. Puncte de referință ITS-90 . Consultat la 5 mai 2010. Arhivat din original la 17 septembrie 2011.
  49. Dezvoltarea unei noi definiții a kelvinului . Consultat la 5 mai 2010. Arhivat din original pe 8 iunie 2010.
  50. D. A. Parshin, G. G. Zegrya. Punct critic. Proprietățile unei substanțe în stare critică. Punct triplu. Tranziții de fază de al doilea fel. Metode de obținere a temperaturilor scăzute. (link indisponibil) . Termodinamica statistica. Cursul 11 ​​. Universitatea Academică din Sankt Petersburg. Preluat la 2 iunie 2011. Arhivat din original la 3 decembrie 2012. 
  51. Belle Dume. Condensurile Bose-Einstein bat recordul de temperatură  ( 12 septembrie 2003). Preluat la 24 iulie 2013. Arhivat din original la 25 iulie 2013.
  52. Scala Fahrenheit  // Marea Enciclopedie Rusă  : [în 35 de volume]  / cap. ed. Yu. S. Osipov . - M .  : Marea Enciclopedie Rusă, 2004-2017.
  53. Despre diferite măsurători ale temperaturii corpului Arhivat 26 septembrie 2010 la Wayback Machine 
  54. Talma Lobel, 2014 , p. 24.
  55. BBC News - Large Hadron Collider (LHC) generează un „mini-Big Bang” . Consultat la 15 noiembrie 2010. Arhivat din original pe 15 noiembrie 2010.
  56. Totul despre orice. Înregistrări de temperatură . Data accesului: 16 decembrie 2009. Arhivat din original la 25 septembrie 2013.
  57. Miracles of Science (link inaccesibil) . Consultat la 16 decembrie 2009. Arhivat din original la 1 decembrie 2012. 
  58. Unde este cel mai rece experiment de pe Pământ?  (engleză) . Consultat la 23 februarie 2020. Arhivat din original pe 23 februarie 2020.
  59. Temperatura cea mai scăzută de pe suprafața Pământului (link inaccesibil) . National Geographic Rusia. Consultat la 9 decembrie 2013. Arhivat din original pe 13 decembrie 2013. 
  60. World: Lowest Temperature  (în engleză)  (link indisponibil) . Universitatea de Stat din Arizona. Consultat la 9 decembrie 2013. Arhivat din original la 16 iunie 2010.
  61. Oamenii de știință au înregistrat cea mai scăzută temperatură de pe planetă în Antarctica . Consultat la 27 iunie 2018. Arhivat din original pe 27 iunie 2018.
  62. Satelitul Landsat 8 NASA-USGS identifică cele mai reci puncte de pe  Pământ . NASA . Consultat la 10 decembrie 2013. Arhivat din original pe 12 decembrie 2013.
  63. ↑ Antarctica stabilește recordul de temperatură scăzută de -135,8 grade  . foxnews . Consultat la 10 decembrie 2013. Arhivat din original pe 11 decembrie 2013.
  64. Înregistrarea veche a temperaturii contestată (link inaccesibil) . Compulent. Consultat la 30 noiembrie 2013. Arhivat din original pe 3 decembrie 2013. 
  65. Comunicat de presă nr. 956  (engleză)  (link indisponibil) . Organizația Meteorologică Mondială. Consultat la 30 noiembrie 2013. Arhivat din original pe 6 aprilie 2016.

Literatură

Link -uri