Понятие температуры и температурной шкалы. Температура

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.

Термодинамическое определение

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.

Определение температуры в статистической физике

Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам - Цельсия или Фаренгейта.

На практике для измерения температуры также используют

Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления . Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения .

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.

Абсолютная температура. 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.

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. .

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.

Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия - это 32 градуса Фаренгейта, а 100 градусов Цельсия - 212 градуса Фаренгейта.

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 году.

Шкала Реомюра

Переходы из разных 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 являются округлёнными.

Характеристика фазовых переходов

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

Температура отжига
Температура спекания
Температура синтеза
Температура воздушных масс
Температура почвы
Гомологическая температура
Температура Дебая (Характеристическая температура)

См. также

Примечания

Литература

Каждый человек ежедневно сталкивается с понятием температуры. Термин прочно вошел в нашу повседневную жизнь: мы разогреваем в микроволновой печи продукты или готовим еду в духовом шкафу, интересуемся погодой на улице или узнаем, холодная ли вода в реке - все это тесно связано с данным понятием. А что такое температура, что означает этот физический параметр, в чем он измеряется? На эти и другие вопросы ответим в статье.

Физическая величина

Давайте рассмотрим, что такое температура с точки зрения изолированной системы, находящейся в термодинамическом равновесии. Термин пришел из латинского языка и означает "надлежащее смешение", "нормальное состояние", "соразмерность". Эта величина характеризует состояние термодинамического равновесия какой-либо макроскопической системы. В том случае, когда находится вне равновесия, с течением времени происходит переход энергии от более нагретых объектов к менее нагретым. В результате получается выравнивание (изменение) температуры во всей системе. Это является первым постулатом (нулевым началом) термодинамики.

Температура определяет распределение составных частиц системы по уровням энергии и по скоростям, степень ионизации веществ, свойства равновесного электромагнитного излучения тел, полную объемную плотность излучения. Так как для системы, которая находится в термодинамическом равновесии, перечисленные параметры равны, то их принято называть температурой системы.

Плазма

Кроме равновесных тел, существуют системы, у которых состояние характеризуется несколькими значениями температуры, не равными между собой. Хорошим примером является плазма. Она состоит из электронов (легких заряженных частиц) и ионов (тяжелых заряженных частиц). При их столкновениях происходит быстрая передача энергии от электрона к электрону и от иона к иону. А вот между неоднородными элементами происходит медленный переход. Плазма может находиться в состоянии, при котором электроны и ионы в отдельности близки к равновесию. В таком случае можно принять отдельные температуры каждого вида частиц. Однако между собой эти параметры будут отличаться.

Магниты

В телах, у которых частицы обладают магнитным моментом, передача энергии обычно происходит медленно: от поступательных к магнитным степеням свободы, которые связаны с возможностью изменения направлений момента. Получается, что существуют состояния, при которых тело характеризуется температурой, не совпадающей с кинетическим параметром. Она соответствует поступательному движению элементарных частиц. Магнитная температура определяет часть внутренней энергии. Она может быть как положительной, так и отрицательной. В процессе выравнивания энергия будет передаваться от частиц с большим значением к частицам с меньшим значением температуры в том случае, если они являются одновременно положительными либо отрицательными. В противной ситуации этот процесс будет протекать в обратном направлении - отрицательная температура будет «выше» положительной.

А зачем это надо?

Парадокс заключается в том, что обывателю, чтобы провести процесс измерения как в быту, так и в промышленности, даже нет необходимости знать, что такое температура. Для него будет достаточным понимать, что это степень нагретости объекта или среды, тем более что с этими терминами мы знакомы с детства. Действительно, большая часть практических приборов, предназначенных для измерения этого параметра, фактически измеряет иные свойства веществ, которые изменяются от уровня нагрева или охлаждения. Например, давление, электрическое сопротивление, объем т. д. Далее такие показания вручную или автоматически пересчитываются в нужную величину.

Получается, чтобы определить температуру, нет необходимости изучать физику. По такому принципу живет большая часть населения нашей планеты. Если работает телевизор, то нет необходимости разбираться в переходных процессах полупроводниковых приборов, изучать, в розетке или как поступает на сигнал. Люди привыкли, что в каждой области есть специалисты, которые смогут починить или отладить систему. Обыватель не хочет напрягать свой мозг, ведь куда лучше смотреть мыльную оперу или футбол по «ящику», потягивая холодное пиво.

А я хочу знать

Но есть люди, чаще всего это студенты, которые либо в меру своей любознательности, либо по необходимости вынуждены изучать физику и определять, что такое температура на самом деле. В результате в своем поиске они попадают в дебри термодинамики и изучают ее нулевой, первый и второй законы. Кроме того, пытливому уму придется постичь и энтропию. И в конце своего пути он наверняка признает, что определение температуры в качестве параметра обратимой тепловой системы, которая не зависит от типа рабочего вещества, не добавит ясности в ощущение этого понятия. И все равно видимой частью будут принятые международной системой единиц (СИ) какие-то градусы.

Температура как кинетическая энергия

Более "осязаемым" является подход, который называют молекулярно-кинетической теорией. Из него формируется представление того, что теплота рассматривается в качестве одной из форм энергии. Например, кинетическая энергия молекул и атомов, параметр, усредненный по огромному числу хаотично движущихся частиц, оказывается мерилом того, что принято называть температурой тела. Так, частицы нагретой системы движутся быстрее, чем холодной.

Поскольку рассматриваемый термин тесно связан с усредненной кинетической энергией группы частиц, было бы вполне естественным в качестве единицы измерения температуры использовать джоуль. Тем не менее этого не происходит, что объясняется тем, что энергия теплового движения элементарных частиц весьма мала по отношению к джоулю. Поэтому использование его неудобно. Тепловое движение измеряют в единицах, полученных из джоулей посредством специального переводного коэффициента.

Единицы измерения температуры

На сегодняшний день используется три основных единицы для отображения этого параметра. В нашей стране температуру принято определять в градусах по Цельсию. В основе этой единицы измерения лежит точка затвердевания воды - абсолютное значение. Она является началом отсчета. То есть температура воды, при которой начинает образовываться лед, является нулем. В данном случае вода служит образцовым мерилом. Это условное значение было принято для удобства. Вторым абсолютным значением является температура пара, то есть момент, когда вода из жидкого состояния переходит в газообразное.

Следующей единицей являются градусы по Кельвину. Началом отсчета этой системы принято считать точку Так, один градус Кельвина равен одному Отличием является только начало отсчета. Получаем, что нуль по Кельвину будет равен минус 273,16 градусов по Цельсию. В 1954 году на Генеральной конференции по мерам и весам было решено заменить термин «градус Кельвина» для единицы температуры на «кельвин».

Третьей общепринятой единицей измерения являются градусы Фаренгейта. До 1960 года они широко использовались во всех англоязычных странах. Однако и сегодня в быту в США используют эту единицу. Система в корне отличается от описанных выше. За начало отсчета принята температура замерзания смеси соли, нашатыря и воды в пропорции 1:1:1. Так, на шкале Фаренгейта точка замерзания воды равна плюс 32 градуса, а кипения - плюс 212 градусов. В этой системе один градус равен 1/180 разности этих температур. Так, диапазон от 0 до +100 градусов по Фаренгейту соответствует диапазону от -18 до +38 по Цельсию.

Абсолютный нуль температуры

Давайте разберемся, что означает этот параметр. Абсолютным нулем называют значение предельной температуры, при которой давление идеального газа обратится в нуль при фиксированном объеме. Это самое низкое значение в природе. Как предсказывал Михайло Ломоносов, «это наибольшая или последняя степень холода». Из этого следует химический в равных объемах газов при условии одинаковой температуры и давления содержится одинаковое количество молекул. Что из этого следует? Существует минимальная температура газа, при которой его давление либо объем обратятся в нуль. Эта абсолютная величина соответствует нулю по Кельвину, или 273 градусам по Цельсию.

Несколько интересных фактов о Солнечной системе

Температура на поверхности Солнца достигает 5700 кельвинов, а в центре ядра - 15 миллионов кельвинов. Планеты Солнечной системы сильно отличаются друг от друга по уровню нагрева. Так, температура ядра нашей Земли составляет примерно столько же, сколько на поверхности Солнца. Самой горячей планетой считается Юпитер. Температура в центре его ядра в пять раз выше, чем на поверхности Солнца. А вот самое низкое значение параметра зафиксировали на поверхности Луны - оно составило всего 30 кельвинов. Это значение даже ниже, чем на поверхности Плутона.

Факты о Земле

1. Самое высокое значение температуры, которое зафиксировал человек, составило 4 миллиарда градусов по Цельсию. Эта величина в 250 раз превышает температуру ядра Солнца. Рекорд поставлен Нью-Йоркской естественной лабораторией Брукхэвена в ионном коллайдере, длина которого составляет около 4 километров.

2. Температура на нашей планете тоже не всегда идеальная и комфортная. Например, в городе Верхноянске в Якутии температура в зимний период опускается до минус 45 градусов по Цельсию. А вот в эфиопском городе Даллол обратная ситуация. Там среднегодовая температура составляет плюс 34 градуса.

3. Самые экстремальные условия, при которых работают люди, зафиксированы в золотых шахтах в Южной Африке. Шахтеры трудятся на глубине трех километров при температуре плюс 65 градусов по Цельсию.

План:

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

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

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.

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.

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.

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

ГОСТ 8.417-2002. ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИН - nolik.ru/systems/gost.htm
Понятие температуры - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
И. П. Базаров. Термодинамика, М., Высшая школа, 1976, с. 13-14.
Платиновый - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 термометр сопротивления - основной прибор МТШ-90.
Лазерная термометрия - temperatures.ru/newmet/newmet.php?page=0
Реперные точки МТШ-90 - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
Разработка нового определения кельвина - temperatures.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
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.
О различных измерениях температуры тела - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (англ.)
BBC News - Large Hadron Collider (LHC) generates a "mini-Big Bang" - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
Всё про всё. Рекорды температуры - tem-6.narod.ru/weather_record.html
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:

Школьных и вузовских учебниках можно встретить множество самых различных объяснений температуры. Температура определяется как величина, отличающая горячее от холодного, как степень нагретости тела, как характеристика состояния теплового равновесия, как величина, пропорциональная энергии, приходящейся на степень свободы частицы, и т.д. и т.п. Чаще всего температуру вещества определяют как меру средней энергии теплового движения частиц вещества, или как меру интенсивности теплового движения частиц. Небожитель физики – теоретик удивится: «А чего тут непонятного? Температура – это dQ / dS , где Q – теплота, а S – энтропия!» Такое изобилие определений у любого критически мыслящего человека вызывает подозрение, что общепринятого научного определения температуры в настоящее время в физике не существует.

Попытаемся найти простое и конкретное толкование этого понятия на уровне, доступном для выпускника средней школы. Представим себе такую картину. Выпал первый снег, и два брата на перемене в школе затеяли забаву , известную под названием «снежки». Посмотрим, какая энергия передается игрокам в ходе этого состязания. Для простоты полагаем, что все снаряды попадают в цель. Игра протекает с явным перевесом для старшего брата. У него и снежные шарики покрупнее, да и бросает он их с большей скоростью . Энергия всех брошенных им снежков , где N с – количество бросков, а - средняя кинетическая энергия одного шарика. Средняя энергия находится по обычной формуле:

здесь m - масса снежков, а v - их скорость.

Однако не вся затраченная старшим братом энергия будет передана его младшему партнеру. В самом деле, снежки попадают в цель под разными углами, поэтому некоторые из них, отразившись от человека, уносят часть первоначальной энергии. Правда, бывают и «удачно» брошенные шарики, результатом которых может быть синяк под глазом. В последнем случае вся кинетическая энергия снаряда передается обстреливаемому субъекту. Таким образом, мы приходим к выводу, что энергия снежков, переданная младшему брату, будет равна не E с , а
, где Θ с – усреднённое значение кинетической энергии, которое передается младшему партнеру при попадании в него одного снежного шарика . Понятно, что чем больше энергия, приходящаяся в среднем на один брошенный шарик, тем больше будет и средняя энергия Θ с , передаваемая мишени одним снарядом. В простейшем случае зависимость между ними может быть прямо пропорциональной: Θ с =a . Соответственно младший школьник затратил за всё состязание энергию
, но энергия, переданная старшему брату, будет меньше: она равна
, где N м – число бросков, а Θ м – усреднённая энергия одного снежка, поглощенная старшим братом.

Нечто подобное происходит при тепловом взаимодействии тел. Если привести в контакт два тела, то молекулы первого тела за небольшой промежуток времени передадут второму телу энергию в виде теплоты
, где Δ S 1 – количество соударений молекул первого тела со вторым телом, а Θ 1 – это средняя энергия, которую молекула первого тела передаёт за одно столкновение второму телу. За это же время молекулы второго тела потеряют энергию
. Здесь Δ S 2 – число элементарных актов взаимодействия (число ударов) молекул второго тела с первым телом, а Θ 2 - средняя энергия, которую молекула второго тела передаёт за один удар первому телу. Величина Θ в физике получила название температуры . Как показывает опыт, она связана со средней кинетической энергией молекул тел соотношением:

(2)

А теперь можно подвести итоги всех приведенных выше рассуждений. Какой же вывод мы должны сделать относительно физического содержания величины Θ ? Он, на наш взгляд, совершенно очевиден.

тела передаёт другому макроскопическому объекту за одно

соударение с этим объектом.

Как следует из формулы (2) температура – это энергетический параметр, значит, единицей измерения температуры в системе СИ является джоуль. Так, что строго говоря, Вы должны жаловаться примерно так: «Похоже, вчера я простудился, голова болит, и температура – аж 4,294·10 -21 Дж!» Не правда ли, непривычная единица измерения температуры, да и величина какая-то уж слишком малая? Но не забывайте, что речь идет об энергии, которая составляет часть от средней кинетической энергией всего-то одной молекулы!

На практике температуру измеряют в произвольно выбранных единицах : флорентах, кельвинах, градусах Цельсия, градусах Ранкина, градусах Фаренгейта и т.д. (Могу же я определить длину не в метрах, а в кабельтовых, саженях, шагах, вершках, футах и т.п. Помнится, в одном из мультфильмов длину удава считали даже в попугаях!)

Для измерения температуры необходимо использовать некоторый датчик, который следует привести в контакт с исследуемым предметом , Этот датчик мы будем называть термометрическим телом . Термометрическое тело должно обладать двумя свойствами. Во-первых, это оно должно быть значительно меньше исследуемого объекта (правильней сказать, теплоемкость термометрического тела должна быть много меньше теплоемкости исследуемого предмета). Вы никогда не пробовали измерить температуру, скажем, комара с помощью обычного медицинского градусника? А Вы попробуйте! Что, ничего не получается? Все дело в том, что в процессе теплообмена насекомое не сможет изменить энергетическое состояние градусника, так как суммарная энергия молекул комара ничтожно мала по сравнению с энергией молекул градусника .

Ну, ладно, возьму маленький предмет, к примеру, карандаш, и с его помощью попробую измерить свою температуру. Опять что-то не ладится... А причина неудачи заключается в том, что термометрическое тело должно обладать ещё одним обязательным свойством: при контакте с исследуемым объектом в термометрическом теле должны происходить изменения, которые можно зарегистрировать визуально, либо с помощью приборов.

Присмотритесь, как устроен обычный бытовой термометр. Его термометрическое тело - маленький сферический сосуд, соединенный с тонкой трубкой (капилляром). Сосуд заполняется жидкостью (чаще всего ртутью или подкрашенным спиртом). При контакте с горячим или холодным предметом жидкость изменяет свой объём, и соответственно изменяется высота столбика в капилляре. Но для того, чтобы зарегистрировать изменения высоты столбика жидкости необходимо к термометрическому телу приладить ещё и шкалу. Прибор, содержащий термометрическое тело и выбранную определенным образом шкалу, называется термометром . Наибольшее распространение в настоящее время получили термометры со шкалой Цельсия и шалой Кельвина.

Шкала Цельсия устанавливается по двум репéрным (опорным) точкам. Первым репером является тройная точка воды – такие физические условия, при которых три фазы воды (жидкость, газ, твердое тело) находятся в равновесии . Это значит, что масса жидкости, масса кристаллов воды и масса водяных паров остаются при этих условиях неизменными. В такой системе, конечно же, идут процессы испарения и конденсации, кристаллизации и плавления, но они уравновешивают друг друга. Если не нужна очень высокая точность измерения температуры (например, при изготовлении бытовых термометров), первую реперную точку получают, помещая термометрическое тело в тающий при атмосферном давлении снег или лёд. Второй реперной точкой является условия, при которых жидкая вода находится в равновесии со своим паром (проще сказать, точка кипения воды) при нормальном атмосферном давлении. На шкале термометра делаются отметки, соответствующие реперным точкам; интервал между ними делится на сто частей. Одно деление выбранной таким образом шкалы называется градусом Цельсия (˚C). Тройная точка воды принимается за 0 градусов шкалы Цельсия.

Шкала Цельсия получила наибольшее практическое применение в мире; к сожалению, она имеет ряд существенных недостатков. Температура по этой шкале может принимать отрицательные значения, между тем кинетическая энергия и соответственно температура могут быть только положительными. Кроме того, показания термометров со шкалой Цельсия (за исключением реперных точек) зависят от выбора термометрического тела.

Шкала Кельвина лишена недостатков шкалы Цельсия. В качестве рабочего вещества в термометрах со шкалой Кельвина должен использоваться идеальный газ. Шкала Кельвина также устанавливается по двум реперным точкам. Первой реперной точкой являются такие физические условия, при которых прекращается тепловое движение молекул идеального газа. Эта точка принимается в шкале Кельвина за 0. Второй реперной точкой является тройная точка воды. Интервал между реперными точками разделен на 273,15 части. Одно деление выбранной таким образом шкалы называют кельвином (К). Число делений 273,15 выбрано по тем соображениям, чтобы цена деления шкалы Кельвина совпадала с ценой деления шкалы Цельсия, тогда изменение температуры по шкале Кельвина совпадает с изменением температуры по шкале Цельсия; тем самым облегчается переход от показаний одной шкалы к другой. Температура по шкале Кельвина обозначается обычно буквой Т . Связь между температурами t в шкале Цельсия и температурой Т , измеренной в кельвинах, устанавливается соотношениями

и
.

Для перехода от температуры Т , измеренной в К, к температуре Θ в джоулях служит постоянная Больцмана k =1.38·10 -23 Дж/К, она показывает, сколько джоулей приходится на 1 К:

Θ = kT .

Некоторые умники пытаются найти какой-то тайный смысл в постоянной Больцмана; между тем k – самый заурядный коэффициент для пересчёта температуры из кельвинов в джоули.

Обратим внимание читателя на три специфические особенности температуры. Во-первых, она является усреднённым (статистическим) параметром ансамбля частиц. Представьте себе, что вы решили найти средний возраст людей на Земле. Для этого заходим в детский садик , суммируем возраст всех ребятишек и делим эту сумму на число детей. Оказывается, что средний возраст людей на Земле – 3.5 года! Вроде считали-то правильно, а результат получили нелепый. А всё дело в том, что в статистике надо оперировать громадным количеством объектов или событий. Чем выше их количество (в идеале оно должно быть бесконечно большим), тем точней будет значение среднестатистического параметра. Потому понятие температуры применимо только к телам, содержащим громадное количество частиц. Когда журналист в погоне за сенсацией сообщает, что температура частиц, падающих на космический корабль, равна нескольким миллионам градусов, родственникам космонавтов не надо падать в обморок: с кораблем ничего страшного не происходит: просто малограмотный работник пера выдает энергию небольшого количества космических частиц за температуру. А вот если корабль, направляясь на Марс, сбился бы с курса и приблизился бы к Солнцу, тогда – беда: число частиц, бомбардирующий корабль громадное, а температура солнечной короны – 1,5 миллиона градусов.

Во-вторых, температура характеризует тепловое, т.е. неупорядочное движение частиц. В электронном осциллографе картинка на экране рисуется узким, сфокусированным в точку, потоком электронов. Эти электроны проходят некоторую одинаковую разность потенциалов и приобретают примерно одинаковую скорость. Для такого ансамбля частиц грамотный специалист указывают их кинетическую энергию (к примеру, 1500 электрон-вольт), которая, конечно же, не является температурой этих частиц.

Наконец, в-третьих, заметим, что передача теплоты от одного тела к другому может осуществляться не только за счет непосредственного столкновения частиц этих тел, но и за счет поглощения энергии в виде квантов электромагнитного излучения (этот процесс происходит, когда Вы загораете на пляже). Поэтому более общее и точное определение температуры следует сформулировать так:

Температура тела (вещества, системы) – физическая величина, численно равная усреднённой энергии, которую молекула этого

тела передаёт другому макроскопическому объекту за один

элементарный акт взаимодействия с этим объектом .

В заключение, вернёмся к определениям, о которых шла речь в начале этой статьи. Из формулы (2) следует, что если известна температура вещества, то можно однозначно определить среднюю энергию частиц вещества. Таким образом, температура действительно является мерой средней энергии теплового движения молекул или атомов (заметим, кстати, что среднюю энергию частиц определить непосредственно в эксперименте невозможно). С другой стороны кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости; значит, чем больше температура, тем выше скорости молекул, тем интенсивнее их движение. Следовательно, температура является мерилом интенсивности теплового движения частиц. Определения эти, безусловно, приемлемые, но носят они уж слишком общий, чисто качественный характер.

Заговор как забыть любимого человека

Калорийность борща на говядине с зажаркой и сметаной