Что характеризует физическая величина температура. Температура

Существует несколько различных единиц измерения температуры.

Наиболее известными являются следующие:

Градус Цельсия - применяется в Международной системе единиц (СИ) наряду с кельвином.

Градус Цельсия назван в честь шведского учёного Андерса Цельсия, предложившего в 1742 году новую шкалу для измерения температуры.

Первоначальное определение градуса Цельсия зависело от определения стандартного атмосферного давления, потому что и температура кипения воды и температура таяния льда зависят от давления. Это не очень удобно для стандартизации единицы измерения. Поэтому после принятия кельвина K, в качестве основной единицы измерения температуры, определение градуса Цельсия было пересмотрено.

Согласно современному определению, градус Цельсия равен одному кельвину K, а ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге, шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15:

В 1665 году голландский физик Христиан Гюйгенс вместе с английским физиком Робертом Гуком впервые предложили использовать в качестве отсчетных точек температурной шкалы точки таяния льда и кипения воды.

В 1742 году шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий (1701-1744) на основе этой идеи разработал новую температурную шкалу. Первоначально в ней 0° (нулём) была точка кипения воды, а 100° - температура замерзания воды (точка плавления льда). Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0° стали принимать температуру таяния льда, а за 100° - кипения воды). В таком виде шкала и используется до нашего времени.

По одним сведениям, Цельсий сам перевернул свою шкалу по совету Штремера. По другим сведениям, шкалу перевернул Карл Линней в 1745 году. А по третьим - шкалу перевернул преемник Цельсия Мортен Штремер, и в XVIII веке такой термометр был широко распространён под названием «шведский термометр», а в самой Швеции - под именем Штремера, но известнейший шведский химик Йёнс Якоб Берце́лиус в своем труде «Руководство по химии» назвал шкалу «Цельсиевой» и с тех пор стоградусная шкала стала носить имя Андерса Цельсия.

Градус Фаренгейта.

Назван в честь немецкого учёного Габриеля Фаренгейта, предложившего в 1724 году шкалу для измерения температуры.

На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F, а точка кипения воды +212 °F (при нормальном атмосферном давлении). При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Диапазон 0…+100 °F по шкале Фаренгейта примерно соответствует диапазону −18…+38 °C по шкале Цельсия. Ноль на этой шкале определяется по температуре замерзания смеси воды, соли и нашатыря (1:1:1), а за 96 °F принята нормальная температура человеческого тела.

Кельвин (до 1968 года градус Кельвина) - единица термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Предложена в 1848 году. 1 кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём.

Пересчёт в градусы Цельсия: °С = K−273,15 (температура тройной точки воды - 0,01 °C).

Единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона, которому было пожаловано звание лорд Кельвин Ларгский из Айршира. В свою очередь, это звание пошло от реки Кельвин (River Kelvin), протекающей через территорию университета в Глазго.

	Кельвин	Градус Цельсия	Градус Фаренгейта
Абсолютный ноль
Температура кипения жидкого азота
Сублимация (переход из твёрдого состояния в газообразное) сухого льда
Точка пересечения шкал Цельсия и Фаренгейта
Температура плавления льда
Тройная точка воды
Нормальная температура человеческого тела
Температура кипения воды при давлении в 1 атмосферу (101,325 кПа)

Градус Реомюра - единица измерения температуры, в которой температура замерзания и кипения воды приняты за 0 и 80 градусов, соответственно. Предложен в 1730 году Р. А. Реомюром. Шкала Реомюра практически вышла из употребления.

Градус Рёмера - неиспользуемая ныне единица температуры.

Температурная шкала Рёмера была создана в 1701 году датским астрономом Оле Кристенсеном Рёмером. Она стала прообразом шкалы Фаренгейта, который посещал Рёмера в 1708 году.

За ноль градусов берётся температура замерзания солёной воды. Вторая реперная точка - температура человеческого тела (30 градусов по измерениям Рёмера, то есть 42 °C). Тогда температура замерзания пресной воды получается как 7,5 градусов (1/8 шкалы), а температура кипения воды - 60 градусов. Таким образом, шкала Рёмера - 60-градусная. Такой выбор, по-видимому, объясняется тем, что Рёмер прежде всего астроном, а число 60 было краеугольным камнем астрономии со времён Вавилона.

Градус Ранкина – единица температуры в абсолютной температурной шкале, названа по имени шотландского физика Уильяма Ранкина (1820-1872). Используется в англоязычных странах для инженерных термодинамических расчётов.

Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля, точка замерзания воды соответствует 491,67°Ra, точка кипения воды 671,67°Ra. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180.

Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: 1 K = 1,8 °Ra, градусы Фаренгейта переводятся в градусы Ранкина по формуле °Ra = °F + 459,67.

Градус Делиля - ныне неупотребляемая единица измерения температуры. Была изобретена французским астрономом Жозефом Николя Делилем (1688-1768). Шкала Делиля схожа с температурной шкалой Реомюра. Использовалась в России до XVIII века.

Петр Первый пригласил французского астронома Жозефа Николя Делиля в Россию, учреждая Академию Наук. В 1732 году Делиль создал термометр, использующий ртуть в качестве рабочей жидкости. В качестве нуля была выбрана температура кипения воды. За один градус было принято такое изменение температуры, которое приводило к уменьшению объема ртути на одну стотысячную.

Таким образом, температура таяния льда составила 2400 градусов. Однако позже столь дробная шкала показалась избыточной, и уже зимой 1738 года коллега Делиля по петербургской академии, медик Йозиас Вайтбрехт (1702-1747), уменьшил число ступеней от температуры кипения до температуры замерзания воды до 150.

«Перевернутость» этой шкалы (как и изначального варианта шкалы Цельсия) по сравнению с принятыми в настоящее время обычно объясняют чисто техническими трудностями, связанными с градуировкой термометров.

Шкала Делиля получила достаточно широкое распространение в России, и его термометры использовались около 100 лет. Этой шкалой пользовались многие российские академики, в том числе Михаил Ломоносов, который, однако «перевернул» её, расположив ноль в точке замерзания, а 150 градусов - в точке кипения воды.

Градус Гука - историческая единица температуры. Шкала Гука считается самой первой температурной шкалой с фиксированным нулём.

Прообразом для созданной Гуком шкалы стал попавший к нему в 1661 термометр из Флоренции. В изданной через год «Микрографии» Гука встречается описание разработанной им шкалы. Гук определил один градус как изменение объёма спирта на 1/500, т. е. один градус Гука равен примерно 2,4 °C.

В 1663 году члены Королевского общества согласились использовать термометр Гука в качестве стандартного и сравнивать с ним показания других термометров. Голландский физик Христиан Гюйгенс в 1665 г. вместе с Гуком предложил использовать температуры таяния льда и кипения воды для создания шкалы температур. Это была первая шкала с фиксированным нулём и отрицательными значениями.

Градус Дальтона – историческая единица температуры. Он не имеет определённого значения (в единицах традиционных температурных шкал, таких как шкала Кельвина, Цельсия или Фаренгейта), поскольку шкала Дальтона - логарифмическая.

Шкала Дальтона была разработана Джоном Дальтоном для проведения измерений при высоких температурах, поскольку обычные термометры с равномерной шкалой давали ошибку из-за неравномерного расширения термометрической жидкости.

Нуль шкалы Дальтона соответствует нулю Цельсия. Отличительной чертой шкалы Дальтона является то, что в ней абсолютный нуль равен − ∞°Da, т. е. он является недостижимой величиной (что на самом деле так, согласно теореме Нернста).

Градус Ньютона - не используемая ныне единица температуры.

Температурная шкала Ньютона была разработана Исааком Ньютоном в 1701 году для проведения теплофизических исследований и стала, вероятно, прообразом шкалы Цельсия.

В качестве термометрической жидкости Ньютон использовал льняное масло. За ноль градусов Ньютон взял температуру замерзания пресной воды, а температуру человеческого тела он обозначил как 12 градусов. Таким образом, температура кипения воды стала равна 33 градусам.

Лейденский градус - историческая единица температуры, использовавшаяся в начале XX века для измерения криогенных температур ниже −183 °C.

Эта шкала происходит из Лейдена, где с 1897 года находилась лаборатория Камерлинг-Оннеса. В 1957 году Х. ван Дийк и М. Дюро ввели шкалу L55.

За ноль градусов бралась температура кипения стандартного жидкого водорода (−253 °C), состоящего на 75 % из ортоводорода и на 25 % из параводорода. Вторая реперная точка - температура кипения жидкого кислорода (−193 °C).

Планковская температура , названная в честь немецкого ученого-физика Макса Планка, единица температуры, обозначаемая T P , в Планковской системе единиц. Это одна из планковских единиц, которая представляет фундаментальный предел в квантовой механике. Современная физическая теория не способна описать что-либо более горячее из-за отсутствия в ней разработанной квантовой теории гравитации. Выше планковской температуры энергия частиц становится настолько большой, что гравитационные силы между ними становятся сравнимы с остальными фундаментальными взаимодействиями. Это температура Вселенной в первый момент (Планковское время) Большого взрыва в соответствии с текущими представлениями космологии.

Характеризующая тепловое состояние тел.

В окружающем нас мире происходят различные явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел. Их называют тепловыми явлениями . Так, при нагревании холодная вода сначала стано-вится теплой, а затем горячей; вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждает-ся и т. д. Степень нагретости тела, или его тепловое состояние, мы обозначаем словами «теплый», «холодный», «горячий», Для количественной оценки этого состояния и служит температура .

Температура — один из макроскопических параметров системы. В физике, тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул , называют макроскопическими . Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Все окружающие тела — от стола или газа в воздушном шарике до песчинки — макроскопические тела.

Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами . К ним относятся объем , давление , темпе-ратура , концентрация частиц, масса , плотность , намагниченность и т. д. Температура — один из важнейших макроскопических параметров системы (газа, в частности).

Температура — характеристика теплового равновесия системы.

Известно, что для определения температуры среды следует поместить в эту среду термометр и подождать до тех нор, пока температура термометра не перестанет изменяться, приняв значе-ние, равное температуре окружающей среды. Другими словами, необходимо некоторое время для установления между средой и термометром теплового равновесия.

Тепловым , или термодинамическим , равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что не меняются объем и давление в системе, не происходят фазовые превращения, не меняется температура.

Однако микроскопические процессы при тепловом равновесии не прекращаются: скорости молекул меняются, они перемещаются, сталкиваются.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел — термодинамическая система — может находиться в различных состояниях теплового равновесия. В каждом из этих состояний температура имеет свое вполне определенное значение. Другие величины могут иметь разные (но постоянные) значения. Например, давление сжатого газа в баллоне будет отличаться от давления в помещении и при температурном равновесии всей системы тел в этом помещении.

Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы: во всех частях системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение (это единственный макроскопический параметр, обладающий таким свойством).

Если два тела имеют одинаковую температуру, между ними не происходит теплообмен, если разную — теплообмен происходит, причем тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до полного выравнивания температур.

Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (напри-мер, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термомет-ра — прибора, служащего для измерения температуры.

Действие термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С) .

А. Цельсий (1701-1744) — шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за 100 градусом — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.

Поскольку различные жидкости расширяются с повышением температуры по-разному, то температурные шкалы в термометрах с разными жидкостями различны.

Поэтому в физике используют идеальную газовую шкалу температур , основанную на зависимости объема (при постоянном давлении) или давления (при постоянном объеме) газа от тем-пературы.

ТЕМПЕРАТУРА И ЕЁ ИЗМЕРЕНИЕ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ.

1.Тепловое равновесие. Температура.

Температура – это физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Если два тела разной температуры привести в соприкосновение, то, как показывает опыт, более нагретое тело будет охлаждаться, а менее нагретое – нагреваться, т.е. происходит теплообмен – передача энергии от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы.

Энергия, передаваемая при теплообмене, называется количеством теплоты .

Через некоторое время после приведения тел в соприкосновение они приобретают одинаковую степень нагретости, т.е. приходят в состояние теплового равновесия .

Тепловое равновесие – это такое состояние системы тел, находящихся в тепловом контакте, при котором теплообмен не происходит и все макропараметры тел остаются неизменными, если внешние условия не меняются.

При этом два параметра – объём и давление – могут быть различными для разных тел системы, а третий, температура, в случае теплового равновесия одинаков для всех тел системы. На этом основано определение температуры.

Физический параметр, одинаковый для всех тел системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, называется температурой этой системы.

Например, система состоит из двух сосудов с газом. Приведём их в соприкосновение. Объём и давление газа в них могут быть различными, а температура в результате теплообмена станет одинаковой.

2.Измерение температуры.

Для измерения температуры используют физические приборы – термометры, в которых о величине температуры судят по изменению какого-либо параметра.

Для создания термометра необходимо:

Выбрать термометрическое вещество, параметры (характеристики) которого изменяются при изменении температуры (например, ртуть, спирт и т.д.);

Выбрать термометрическую величину, т.е. величину, которая изменяется с изменением температуры (например, высота ртутного или спиртового столбика, величина электрического сопротивления и т.д.);

Откалибровать термометр, т.е. создать шкалу, по которой будет производиться отсчёт температуры. Для этого термометрическое тело приводится в тепловой контакт с телами, температуры которых постоянны. Например, при построении шкалы Цельсия температура смеси воды и льда в состоянии плавления принимается за 0 0 С, а температура смеси водяного пара и воды в состоянии кипения при давлении 1 атм. – за 100 0 С. Отмечается положение столбика жидкости в обоих случаях, а затем расстояние между полученными метками делится на 100 делений.

При измерении температуры термометр приводят в тепловой контакт с телом, температура которого измеряется, и после того, как установится тепловое равновесие (показания термометра перестанут меняться), считывается показание термометра.

3.Экспериментальные газовые законы.

Параметры, описывающие состояние системы, взаимозависимы. Установить зависимость друг от друга сразу трёх параметров сложно, поэтому немного упростим задачу. Рассмотрим процессы, при которых

а) количество вещества (или масса) постоянно, т.е. ν=const (m=const);

б) значение одного из параметров фиксировано, т.е. постоянно либо давление, либо объём, либо температура.

Такие процессы называются изопроцессами .

1).Изотермический процесс, т.е. процесс, происходящий с одним и тем же количеством вещества при постоянной температуре.

Исследован Бойлем (1662 г.) и Мариоттом (1676 г.).

Упрощённая схема опытов такова. Рассмотрим сосуд с газом, закрытый подвижным поршнем, на который устанавливаются грузики, уравновешивающие давление газа.

Опыт показал, что произведение давления на объём газа при постоянной температуре есть величина постоянная. Это значит

PV = const

Закон Бойля-Мариотта .

Объём V данного количества газа ν при постоянной температуре t 0 обратно пропорционален его давлению, т.е. .

Графики изотермических процессов.

График зависимости давления от объёма при постоянной температуре называется изотермой. Чем больше температура, тем выше на графике располагается изотерма.

2).Изобарный процесс, т.е. процесс, происходящий с одним и тем же количеством вещества при постоянном давлении.

Исследован Гей-Люссаком (1802 г.).

Упрощённая схема такова. Сосуд с газом закрыт подвижным поршнем, на котором установлен грузик, уравновешивающий давление газа. Сосуд с газом нагревается.

Опыт показал, что при нагревании газа при постоянном давлении его объём изменяется по следующему закону: где V 0 – объём газа при температуре t 0 = 0 0 C; V – объём газа при температуре t 0 , α v – температурный коэффициент объёмного расширения,

Закон Гей-Люссака .

Объём данного количества газа при постоянном давлении линейно зависит от температуры.

Графики изобарных процессов.

График зависимости объёма газа от температуры при постоянном давлении называется изобарой.

Если экстраполировать (продолжить) изобары в область низких температур, то все они сойдутся в точке, соответствующей температуре t 0 = - 273 0 С.

3).Изохорный процесс , т.е. процесс, происходящий с одним и тем же количеством вещества при постоянном объёме.

Исследован Шарлем (1802 г.).

Упрощённая схема такова. Сосуд с газом закрыт подвижным поршнем, на который устанавливаются грузики, уравновешивающие давление газа. Сосуд нагревается.

Опыт показал, что при нагревании газа при постоянном объёме его давление изменяется по следующему закону: где P 0 – объём газа при температуре t 0 = 0 0 C; P – объём газа при температуре t 0 , α p – температурный коэффициент давления,

Закон Шарля .

Давление данного количества газа при постоянном объёме линейно зависит от температуры.

График зависимости давления газа от температуры при постоянном объёме называется изохорой.

Если экстраполировать (продолжить) изохоры в область низких температур, то все они сойдутся в точке, соответствующей температуре t 0 = - 273 0 С.

4.Абсолютная термодинамическая шкала.

Английский учёный Кельвин предложил переместить начало температурной шкалы влево на 273 0 и назвать эту точку абсолютным нулём температуры. Масштаб новой шкалы такой же, как и у шкалы Цельсия. Новая шкала называется шкалой Кельвина или абсолютной термодинамической шкалой. Единица измерения – кельвин.

Нулю градусов Цельсия соответствует 273 К. Температура по шкале Кельвина обозначается буквой Т.

T = t 0 C + 273

t 0 C = T – 273

Новая шкала оказалась более удобной для записи газовых законов.

Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура одинакова для всех частей изолированной системы, находящейся в термодинамическом равновесии. Если изолированная термодинамическая система не находится в равновесии, то с течением времени переход энергии (теплопередача) от более нагретых частей системы к менее нагретым приводит к выравниванию температуры во всей системе (нулевое начало термодинамики). В равновесных условиях температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела.

Температура не может быть измерена непосредственно. Об изменении температуры судят по изменению других физических свойств тел (объёма, давления, электрического сопротивления, эдс, интенсивности излучения и др.), однозначно с ней связанных (так называемых термодинамических свойств). Любой метод измерения температуры связан с определением температурной шкалы.

Методы измерения температуры различны для различных диапазонов измеряемых температур, они зависят от условий измерений и требуемой точности. Их можно разделить на две основные группы: контактные и безконтактные. Для контактных методов характерно то, что прибор, измеряющий температуру среды, должен находиться в тепловом равновесии с ней, т.е. иметь с ней одинаковую температуру. Основными узлами всех приборов для измерения температуры являются чувствительный элемент, где реализуется термометрическое свойство, и измерительный прибор, связанный с элементом.

Согласно молекулярно–кинетической теории идеального газа температура есть величина, характеризующая среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул идеального газа. Учитывая термодинамический смысл температуры, можно свести измерение температуры любого тела к измерению средней кинетической энергии молекул идеального газа.

Однако на практике измеряют не энергию молекул по их скорости, а давление газа, которое находится в прямопропорциональной зависимости от энергии.

По молекулярно–кинетической теории идеального газа температура Т является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул:

где
Дж/К – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура в кельвинах.

Основное уравнение молекулярно–кинетической теории идеального газа, устанавливающее зависимость давления от кинетической энергии поступательного движения молекул газа, имеет вид:

, (2)

где – число молекул в единице объёма, т.е. концентрация.

Используя уравнение (1) и (2), получаем зависимость

(3)

между давлением и температурой, которая позволяет установить, что давление идеального газа пропорционально его абсолютной температуре и концентрации молекул, где

(4)

Измерение температуры основано на следующих двух опытных фактах:

а) если имеются два тела, каждое из которых находится в тепловом равновесии с одним и тем же третьем телом, то все три тела имеют одну и ту же температуру;

б) изменение температуры всегда сопровождается непрерывным изменением по меньшей мере одного из параметров, не считая самой температуры, характеризующего состояния тела, например: объём, давление, электропроводность и др. Первое из этих положений позволяет сравнивать температуры различных тел, не приводя их в соприкосновение между собой.

Второе положение позволяет выбрать один из параметров в качестве термометрического.

В общем случае температура определяется как производная от энергии в целом по его энтропии. Так определяемая температура всегда положительная (поскольку кинетическая энергия всегда положительная), её называют температурой или температурой по термодинамической шкале температур и обозначают Т . За единицу абсолютной температуры в системе СИ (Международная система единиц) принят кельвин (К ). См. «Введение». Часто температуру измеряют по шкале Цельсия (
), она связана сТ (К ) равенством

;
(5)

где
– термический коэффициент объёмного расширения газа.

План:

Введение

• 1 Термодинамическое определение
  • 1.1 История термодинамического подхода
• 2 Определение температуры в статистической физике
• 3 Измерение температуры
• 4 Единицы и шкала измерения температуры
  • 4.1 Шкала температур Кельвина
  • 4.2 Шкала Цельсия
  • 4.3 Шкала Фаренгейта
• 5 Энергия теплового движения при абсолютном нуле
  • 5.1 Температура и излучение
  • 5.2 Шкала Реомюра
• 6 Переходы из разных шкал
• 7 Сравнение температурных шкал
• 8 Характеристика фазовых переходов
• 9 Интересные факты
Примечания
Литература

Введение

Температу́ра (от лат. temperatura - надлежащее смешение, нормальное состояние) - скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться...

(П. Л. Капица)

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура входит в состав семи основных единиц и выражается в кельвинах. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия . На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды - температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно изменению температуры на один Кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения Кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99,975 °C .

Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие.

1. Термодинамическое определение

Существование равновесного состояния называют первым исходным положением термодинамики. Вторым исходным положением термодинамики называют утверждение о том, что равновесное состояние характеризуется некоторой величиной, которая при тепловом контакте двух равновесных систем становится для них одинаковой в результате обмена энергией. Эта величина называется температурой.

1.1. История термодинамического подхода

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества - теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково - градусами.

В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, потому что суммарная энтропия при этом возрастает.

Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдаёт ли живая ткань тепло или получает его.

Некоторые квантовомеханические системы могут находиться в состоянии, при котором энтропия не возрастает, а убывает при добавлении энергии, что формально соответствует отрицательной абсолютной температуре. Однако такие состояния находятся не «ниже абсолютного нуля», а «выше бесконечности», поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим положительной температурой, энергия передаётся от системы к телу, а не наоборот (подробнее см. Квантовая термодинамика).

Свойства температуры изучает раздел физики - термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.

2. Определение температуры в статистической физике

В статистической физике температура определяется по формуле

,

где S - энтропия, E - энергия термодинамической системы. Введённая таким образом величина T является одинаковой для различных тел при термодинамическом равновесии. При контакте двух тел тело с большим значением T будет отдавать энергию другому.

3. Измерение температуры

Для измерения термодинамической температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объема. Известны также термометры абсолютные радиационные, шумовые, акустические.

Термодинамические термометры - это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. Для получения функции интерполяции они должны быть отградуированы в реперных точках международной температурной шкалы. Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления . Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам - Цельсия или Фаренгейта.

На практике для измерения температуры также используют

• жидкостные и механические термометры,
• термопару,
• термометр сопротивления,

• газовый термометр,
• пирометр.

Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения .

4. Единицы и шкала измерения температуры

Из того, что температура - это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах - градусах.

4.1. Шкала температур Кельвина

Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры - кельвин (К).

Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры - абсолютный ноль, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.

Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно −273.15 °C (точно).

Шкала температур Кельвина - это шкала, в которой начало отсчёта ведётся от абсолютного нуля.

Важное значение имеет разработка на основе термодинамической шкалы Кельвина Международных практических шкал, основанных на реперных точках - фазовых переходах чистых веществ, определенных методами первичной термометрии. Первой международной температурной шкалой являлась принятая в 1927 г. МТШ-27. С 1927 г. шкала несколько раз переопределялась (МТШ-48, МПТШ-68, МТШ-90): менялись реперные температуры, методы интерполяции, но принцип остался тот же - основой шкалы является набор фазовых переходов чистых веществ с определенными значениями термодинамических температур и интерполяционные приборы, градуированные в этих точках. В настоящее время действует шкала МТШ-90. Основной документ (Положение о шкале) устанавливает определение Кельвина, значения температур фазовых переходов (реперных точек) и методы интерполяции.

Используемые в быту температурные шкалы - как Цельсия, так и Фаренгейта (используемая, в основном, в США), - не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур.

Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая - абсолютной термодинамической шкалой (шкалой Кельвина); температуры по ним измеряются, соответственно, в градусах Ранкина (°Ra) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля. Различаются они тем, что цена одного деления по шкале Кельвина равна цене деления шкалы Цельсия, а цена деления шкалы Ранкина эквивалентна цене деления термометров со шкалой Фаренгейта. Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Масштаб шкалы Кельвина привязан к тройной точке воды (273,16 К), при этом от неё зависит постоянная Больцмана. Это создаёт проблемы с точностью интерпретации измерений высоких температур. Сейчас МБМВ рассматривает возможность перехода к новому определению кельвина и фиксированию постоянной Больцмана, вместо привязки к температуре тройной точки. .

4.2. Шкала Цельсия

В технике, медицине, метеорологии и в быту используется шкала Цельсия, в которой температура тройной точки воды равна 0,008 °C, и, следовательно, точка замерзания воды при давлении в 1 атм равна 0 °C. В настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: цена одного деления в шкале Цельсия равна цене деления шкалы Кельвина, t(°С) = Т(К) - 273,15. Таким образом, точка кипения воды, изначально выбранная Цельсием, как реперная точка, равная 100 °C, утратила свое значение, и по современным оценкам температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении составляет около 99,975 °C.Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия - особая точка для метеорологии, поскольку связана с замерзанием атмосферной воды. Шкала предложена Андерсом Цельсием в 1742 г.

4.3. Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия - это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 9/5 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F - 32), t °F = 9/5 t °С + 32. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

5. Энергия теплового движения при абсолютном нуле

Когда материя охлаждается, многие формы тепловой энергии и связанные с ней эффекты одновременно уменьшаются по величине. Вещество переходит от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному.

… современное понятие абсолютного нуля не есть понятие абсолютного покоя, наоборот, при абсолютном нуле может быть движение - и оно есть, но это есть состояние полного порядка …

П. Л. Капица (Свойства жидкого гелия)

Газ превращается в жидкость и затем кристаллизуется в твёрдое тело (гелий и при абсолютном нуле остаётся в жидком состоянии при атмосферном давлении). Движение атомов и молекул замедляется, их кинетическая энергия уменьшается. Сопротивление большинства металлов падает из-за уменьшения рассеяния электронов на колеблющихся с меньшей амплитудой атомах кристаллической решётки. Таким образом даже при абсолютном нуле электроны проводимости движутся между атомами со скоростью Ферми порядка 1×10 6 м/с.

Температура, при которой частицы вещества имеют минимальное количество движения, сохраняющееся только благодаря квантовомеханическому движению, - это температура абсолютного нуля (Т = 0К).

Температуры абсолютного нуля достичь невозможно. Наиболее низкая температура (450±80)×10 −12 К конденсата Бозе-Эйнштейна атомов натрия была получена в 2003 г. исследователями из МТИ. При этом пик теплового излучения находится в области длин волн порядка 6400 км, то есть примерно радиуса Земли.

5.1. Температура и излучение

Излучаемая телом энергия пропорциональна четвёртой степени его температуры. Так, при 300 К с квадратного метра поверхности излучается до 450 ватт. Этим объясняется, например, ночное охлаждение земной поверхности ниже температуры окружающего воздуха. Энергия излучения абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана - Больцмана

5.2. Шкала Реомюра

Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица - градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками - температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

6. Переходы из разных шкал

7. Сравнение температурных шкал

Сравнение температурных шкал

Описание	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт	Ранкин	Делиль	Ньютон	Реомюр	Рёмер
Абсолютный ноль	0	−273.15	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
Температура таяния смеси Фаренгейта (соль и лёд в равных количествах)	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
Температура замерзания воды (Нормальные условия)	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Средняя температура человеческого тела ¹	310.0	36.6	98.2	557.9	94.5	12.21	29.6	26.925
Температура кипения воды (Нормальные условия)	373.15	100	212	671.67	0	33	80	60
Плавление титана	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Поверхность Солнца	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

¹ Нормальная средняя температура человеческого тела - 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F - это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Однако это значение не входит в диапазон нормальной средней температуры тела человека, поскольку температура разных частей тела разная .

Некоторые значения в этой таблице были округлены.

8. Характеристика фазовых переходов

Для описания точек фазовых переходов различных веществ используют следующие значения температуры:

• Температура плавления
• Температура кипения
• Температура отжига
• Температура спекания
• Температура синтеза
• Температура воздушных масс
• Температура почвы
• Гомологическая температура
• Тройная точка
• Температура Дебая (Характеристическая температура)
• Температура Кюри

9. Интересные факты

Самая низкая температура на Земле до 1910 −68, Верхоянск

• Самая высокая температура, созданная человеком, ~ 10 трлн. К (что сравнимо с температурой Вселенной в первые секунды её жизни) была достигнута в 2010 году при столкновении ионов свинца, ускоренных до околосветовых скоростей. Эксперимент был проведён на Большом Адронном Коллайдере
• Самая высокая теоретически возможная температура - планковская температура. Более высокая температура не может существовать, так как всё превращается в энергию (все субатомные частицы разрушатся). Эта температура примерно равна 1.41679(11)×10 32 K (примерно 142 нониллиона K).
• Самая низкая температура, созданная человеком, была получена в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из США при охлаждении атомов рубидия. . Она была выше абсолютного нуля менее чем на 1/170 млрд долю K (5,9×10 −12 K).
• Поверхность Солнца имеет температуры около 6000 K.
• Семена высших растений сохраняют всхожесть после охлаждения до −269 °C.

Примечания

1. ГОСТ 8.417-2002. ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИН - nolik.ru/systems/gost.htm
2. Понятие температуры - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
3. И. П. Базаров. Термодинамика, М., Высшая школа, 1976, с. 13-14.
4. Платиновый - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 термометр сопротивления - основной прибор МТШ-90.
5. Лазерная термометрия - temperatures.ru/newmet/newmet.php?page=0
6. Реперные точки МТШ-90 - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
7. Разработка нового определения кельвина - temperatures.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
8. Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря Критическая точка. Свойства вещества в критическом состоянии. Тройная точка. Фазовые переходы II рода. Методы получения низких температур. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf . Статистическая термодинамика. Лекция 11 . Санкт-Петербургский академический университет.
9. О различных измерениях температуры тела - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (англ.)
10. BBC News - Large Hadron Collider (LHC) generates a "mini-Big Bang" - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
11. Всё про всё. Рекорды температуры - tem-6.narod.ru/weather_record.html
12. Чудеса науки - www.seti.ee/ff/34gin.swf

Литература

• Б. И. Спасский История физики Ч.I - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Москва: «Высшая школа», 1977.
• Сивухин Д. В. Термодинамика и молекулярная физика. - Москва: «Наука», 1990.

скачать
Данный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии . Синхронизация выполнена 09.07.11 16:20:43
Похожие рефераты: Спектр (в физике) , Пространство в физике , Физические величины .
Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike .