Temperatura și definiția acesteia. Ce este temperatura? Unitățile de temperatură sunt grade. Temperatura aburului și gazului. Energia mișcării termice la zero absolut

26.10.2019

Plan:

1 Definitie termodinamica
- 1.1 Istoric al abordării termodinamice
2 Determinarea temperaturii în fizica statistică
3 Masurarea temperaturii
4 Unități de temperatură și scară
- 4.1 Scară de temperatură Kelvin
- 4.2 Celsius
- 4.3 Scara Fahrenheit
5 Energia mișcării termice la zero absolut
- 5.1 Temperatură și radiații
- 5.2 Scara Reaumur
6 Tranziții de la diferite scări
7 Compararea scării temperaturii
8 Caracterizarea tranzițiilor de fază
9 Fapte interesante

introducere

temperatură (din lat. temperatura - amestecare adecvată, stare normală) este o cantitate fizică scalară care caracterizează energia cinetică medie a particulelor unui sistem macroscopic într-o stare de echilibru termodinamic pe un grad de libertate.

Măsura temperaturii nu este mișcarea în sine, ci aleatoriu al acestei mișcări. Randomitatea stării corpului determină starea lui de temperatură, iar această idee (care a fost dezvoltată pentru prima dată de Boltzmann) că o anumită stare de temperatură a corpului nu este deloc determinată de energia mișcării, dar aleatoria acestei mișcări este noul concept în descrierea fenomenelor de temperatură pe care ar trebui să le utilizăm. ..

(P.L. Kapitsa)

În Sistemul Internațional de Unități (SI), temperatura termodinamică face parte din șapte unități de bază și este exprimată în kelvine. Derivații de SI, cu un nume special, includ temperatura Celsius, măsurată în grade Celsius. În practică, grade Celsius sunt adesea utilizate datorită conexiunii istorice la caracteristicile importante ale temperaturii de topire a apei - gheții (0 ° C) și punctului de fierbere (100 ° C). Acest lucru este convenabil, deoarece majoritatea proceselor climatice, proceselor în viața sălbatică etc. sunt asociate cu acest interval. O modificare a temperaturii cu un grad Celsius este identică cu o schimbare a temperaturii cu un Kelvin. Prin urmare, după introducerea noii definiții Kelvin în 1967, punctul de fierbere a apei a încetat să mai joace rolul unui punct de referință invariabil și, după cum arată măsurători exacte, acesta nu mai este egal cu 100 ° C, ci aproape de 99.975 ° C.

Există, de asemenea, cântare Fahrenheit și altele.

1. Definiție termodinamică

Existența unei stări de echilibru se numește prima poziție inițială a termodinamicii. Al doilea punct de plecare al termodinamicii este afirmația conform căreia starea de echilibru este caracterizată de o anumită cantitate, care, atunci când cele două sisteme de echilibru sunt în contact termic, devine aceeași pentru ele ca urmare a schimbului de energie. Această valoare se numește temperatură.

1.1. Istoric al abordării termodinamice

Cuvântul „temperatură” a apărut în acele zile în care oamenii credeau că mai multe corpuri încălzite conțin o cantitate mai mare de substanță specială - cea calorică, decât cele mai puțin încălzite. Prin urmare, temperatura a fost percepută ca puterea unui amestec de materie corporală și calorică. Din acest motiv, unitățile de măsură pentru rezistența la alcool și temperatura se numesc la fel - grade.

În starea de echilibru, temperatura are aceeași valoare pentru toate părțile macroscopice ale sistemului. Dacă două corpuri din sistem au aceeași temperatură, atunci energia cinetică a particulelor (căldura) nu se transferă între ele. Dacă există o diferență de temperatură, atunci căldura trece de la corp cu o temperatură mai ridicată la corp cu o mai mică, deoarece entropia totală crește.

Temperatura este, de asemenea, asociată cu senzațiile subiective de "căldură" și "frig" asociate cu dacă țesutul viu degajă căldură sau îl primește.

Unele sisteme mecanice cuantice pot fi într-o stare în care entropia nu crește, dar scade odată cu adăugarea de energie, care corespunde formal unei temperaturi absolute negative. Totuși, astfel de stări nu sunt „sub zero absolut”, ci „peste infinit”, pentru că atunci când un astfel de sistem intră în contact cu un corp cu o temperatură pozitivă, energia este transferată din sistem către corp și nu invers (pentru mai multe detalii a se vedea termodinamica cuantică).

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

2. Determinarea temperaturii în fizica statistică

În fizica statistică, temperatura este determinată de formulă

unde S este entropia, E este energia sistemului termodinamic. Valoarea T introdusă în acest mod este aceeași pentru corpuri diferite sub echilibru termodinamic. La contactul a două corpuri, un corp cu o valoare mare de T va da energie altuia.

3. Măsurarea temperaturii

Pentru a măsura temperatura termodinamică, este selectat un anumit parametru termodinamic al substanței termometrice. O modificare a acestui parametru este asociată în mod unic cu o schimbare a temperaturii. Un exemplu clasic de termometru termic este un termometru cu gaz, în care temperatura este determinată prin măsurarea presiunii gazului într-un cilindru cu volum constant. Sunt cunoscute și radiații absolute, zgomot și termometre acustice.

Termometrele termodinamice sunt instalații foarte complexe care nu pot fi utilizate în scopuri practice. Prin urmare, majoritatea măsurătorilor sunt efectuate folosind termometre practice, care sunt secundare, deoarece nu pot lega direct o proprietate a unei substanțe cu temperatura. Pentru a obține funcția de interpolare, acestea trebuie calibrate la punctele de referință ale scării de temperatură internaționale. Cel mai precis termometru practic este un termometru cu rezistență la platină. Instrumentele de măsurare a temperaturii sunt deseori calibrate pe scări relative - Celsius sau Fahrenheit.

În practică, temperatura este folosită și pentru măsurarea temperaturii.

termometre lichide și mecanice,
termocuplu
termometru de rezistență

termometru cu gaz
pirometru.

Au fost dezvoltate cele mai noi metode de măsurare a temperaturii bazate pe măsurarea parametrilor radiației laser.

4. Unități și scară de temperatură

Din faptul că temperatura este energia cinetică a moleculelor, este clar că este foarte natural să o măsurăm în unități energetice (adică în sistemul SI în joule). Cu toate acestea, măsurarea temperaturii a început cu mult înainte de crearea teoriei molecular-cinetice, astfel încât scalele practice măsoară temperatura în unități arbitrare - grade.

4.1. Scară de temperatură Kelvin

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

Scara absolută a temperaturii se numește așa, deoarece măsura stării de la sol a limitei de temperatură inferioară este zero absolută, adică cea mai mică temperatură posibilă la care este imposibil, în principiu, extragerea energiei termice dintr-o substanță.

Zero absolut este definit ca 0 K, care este egal cu −273,15 ° C (exact).

Scala de temperatură Kelvin este o scară în care referința este luată de la zero absolut.

O importanță deosebită este dezvoltarea pe baza scării termodinamice Kelvin a Scărilor practice internaționale bazate pe puncte de referință - tranziții în 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 (MTS-48, MPTS-68, MTS-90): temperaturile de referință și metodele de interpolare s-au schimbat, dar principiul a rămas același - baza scării este un set de tranziții de fază ale substanțelor pure cu anumite valori ale temperaturilor termodinamice și interpolării instrumente absolvite în aceste puncte. În prezent, scara MTS-90 este în vigoare. Documentul principal (Regulamentul la scară) stabilește definiția Kelvin, valorile de temperatură ale tranzițiilor de fază (punctele de referință) și metodele de interpolare.

Cantarul de temperatură utilizat în viața de zi cu zi - atât Celsius, cât și Fahrenheit (utilizate în principal în SUA) - nu sunt absolute și, prin urmare, sunt incomode atunci când se efectuează experimente în condiții în care temperatura scade sub punctul de îngheț al apei, datorită căreia temperatura trebuie exprimată. număr negativ. Pentru astfel de cazuri, au fost introduse cântare de temperatură absolută.

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

Scara scara Kelvin este legată de punctul triplu al apei (273,16 K), iar constanta de Boltzmann depinde de aceasta. Acest lucru creează probleme cu exactitatea interpretării măsurătorilor de temperatură ridicată. Acum, BIPM ia în considerare posibilitatea de a trece la o nouă definiție de kelvin și de a fixa constanta Boltzmann, în loc să se lege la temperatura punctului triplu. .

4.2. Scara Celsius

În tehnologie, medicină, meteorologie și în viața de zi cu zi, se folosește scara Celsius, în care temperatura punctului triplu al apei este de 0,008 ° C și, prin urmare, punctul de îngheț al apei la o presiune de 1 atm este 0 ° C. În prezent, scala Celsius este determinată prin scara Kelvin: prețul unei diviziuni în scala Celsius este egal cu prețul divizării scării Kelvin, t (° С) \u003d Т (К) - 273.15. Astfel, punctul de fierbere al apei, ales inițial de Celsius ca punct de referință de 100 ° C, și-a pierdut valoarea, iar conform estimărilor moderne, punctul de fierbere al apei la presiunea atmosferică normală este de aproximativ 99.975 ° C. Scara Celsius este aproape foarte convenabilă, deoarece apa este foarte distribuit pe planeta noastră și viața noastră se bazează pe ea. Zero Celsius este un punct special pentru meteorologie, deoarece este asociat cu înghețarea apei atmosferice. Scară propusă de Anders Celsius în 1742.

4.3. Scara Fahrenheit

În Anglia, și în special în Statele Unite, se folosește scara Fahrenheit. Zero grade Celsius este 32 Fahrenheit, iar Fahrenheit grade 9/5 grade Celsius.

În prezent, se acceptă următoarea definiție a scării Fahrenheit: este o scală de temperatură, din care 1 grad (1 ° F) este 1/180 din diferența dintre punctele de fierbere ale apei și topirea gheții la presiunea atmosferică, iar punctul de topire a gheții are o temperatură de +32 ° F. Temperatura pe scara Fahrenheit este legată de temperatura pe scara Celsius (t ° C) ca t ° C \u003d 5/9 (t ° F - 32), t ° F \u003d 9/5 t ° C + 32. A fost propusă de G. Fahrenheit în 1724 .

5. Energia mișcării termice la zero absolut

Când materia se răcește, multe forme de energie termică și efectele sale asociate sunt simultan reduse. Substanța se transferă de la o stare mai puțin ordonată la una mai ordonată.

... conceptul modern de zero absolut nu este conceptul de odihnă absolută, dimpotrivă, poate exista mișcare la zero absolut - și este, dar este o stare de ordine completă ...

P. L. Kapitsa (Proprietățile heliului lichid)

Gazul se transformă într-un lichid și apoi se cristalizează într-un solid (heliu și la zero absolut rămâne într-o stare lichidă la presiunea atmosferică). Mișcarea atomilor și moleculelor încetinește, energia lor cinetică scade. Rezistența majorității metalelor scade din cauza scăderii împrăștierii electronilor de către atomii rețelei de cristal care vibrează cu o amplitudine mai mică. Astfel, chiar și la un zero absolut, electronii de conducere se deplasează între atomi cu o viteză Fermi de ordinul 1 × 10 6 m / s.

Temperatura la care particulele unei substanțe au o cantitate minimă de mișcare, care se păstrează numai datorită mișcării cuantice-mecanice, este temperatura zero zero (T \u003d 0K).

Este imposibil să atingem temperaturi zero absolute. Cea mai scăzută temperatură (450 ± 80) × 10 -12 K a condensatului Bose-Einstein a atomilor de sodiu a fost obținută în 2003 de cercetătorii de la MIT. În acest caz, vârful radiațiilor termice este în regiunea lungimii de undă de aproximativ 6400 km, adică aproximativ raza Pământului.

5.1. Temperatură și radiații

Energia radiată de corp este proporțională cu a patra putere a temperaturii sale. Astfel, până la 450 W se emit la 300 K pe metru pătrat de suprafață. Acest lucru explică, de exemplu, răcirea pe timp de noapte a suprafeței pământului sub temperatura mediului. Energia de radiație a unui corp complet negru este descrisă de legea Stefan-Boltzmann

5.2. Scara Reaumur

A fost propus în 1730 de R. A. Reaumur, care a descris termometrul cu alcool inventat de el.

Unitate - grade Reaumur (° R), 1 ° R este egală cu 1/80 din intervalul de temperatură dintre punctele de referință - temperatura de topire a gheții (0 ° R) și apa fierbinte (80 ° R)

1 ° R \u003d 1,25 ° C.

În prezent, scara este în uz, cea mai lungă păstrare a acesteia în Franța, în patria autorului.

6. Tranziții de la diferite scări

7. Compararea cântarelor de temperatură

Compararea scării temperaturii

descriere	kelvin	Celsius	Fahrenheit	Rankin	Delisle	Newton	Reamur	Roemer
Zero absolut	0	−273.15	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
Temperatura de topire a amestecului Fahrenheit (sare și gheață în cantități egale)	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
Punctul de îngheț al apei (condiții normale)	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Temperatura medie a corpului uman ¹	310.0	36.6	98.2	557.9	94.5	12.21	29.6	26.925
Punctul de fierbere a apei (condiții normale)	373.15	100	212	671.67	0	33	80	60
Turnarea de titan	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Suprafața soarelui	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. Cota de 98,6 ° F de obicei citată este conversia exactă la scara Fahrenheit de 37 ° C, adoptată în Germania în sec. Cu toate acestea, această valoare nu este inclusă în intervalul temperaturii medii normale a corpului uman, deoarece temperatura diferitelor părți ale corpului este diferită.

Unele valori din acest tabel au fost rotunjite.

8. Caracterizarea tranzițiilor de fază

Următoarele valori de temperatură sunt utilizate pentru a descrie punctele de tranziție în faze ale diferitelor substanțe:

Punctul de topire
Punctul de fierbere
Temperatura de recoacere
Temperatura de sinterizare
Temperatura de sinteză
Temperatura aerului
Temperatura solului
Temperatura omologă
Punct triplu
Temperatura Debye (temperatura caracteristică)
Temperatura Curie

9. Fapte interesante

Cea mai scăzută temperatură de pe Pământ până în 1910 −68, Verkhoyansk

Cea mai mare temperatură creată de om, ~ 10 trilioane. K (care este comparabilă cu temperatura Universului în primele secunde ale vieții sale) a fost realizată în 2010 cu coliziunea ionilor de plumb accelerată până la viteze aproape de lumină. Experimentul s-a desfășurat la Colibrul de Hadroni
Cea mai ridicată temperatură teoretică posibilă este temperatura Planck. O temperatură mai mare nu poate exista, deoarece totul se transformă în energie (toate particulele subatomice se vor prăbuși). Această temperatură este aproximativ egală cu 1.41679 (11) × 10 32 K (aproximativ 142 miliarde K).
Cea mai scăzută temperatură creată de om a fost obținută în 1995 de Eric Cornell și Karl Wyman din Statele Unite, în timp ce răceau atomi de rubidiu. . Acesta a fost peste zero absolut cu mai puțin de 1/170 miliarde cota de K (5,9 × 10 −12 K).
Suprafața Soarelui are temperaturi de aproximativ 6000 K.
Semințele plantelor superioare păstrează germinarea după răcire la -269 ° C.

notițe

GOST 8.417-2002. UNITĂȚI DE VALORI - nolik.ru/systems/gost.htm
Conceptul de temperatură - temperature.ru/mtsh/mtsh.php?page\u003d1
I. P. Bazarov. Termodinamica, M., Școala Superioară, 1976, p. 13-14.
Platină - temperaturi.ru/mtsh/mtsh.php?page\u003d81 termometru de rezistență - dispozitivul principal MTS-90.
Termometrie laser - temperature.ru/newmet/newmet.php?page\u003d0
Puncte de referință MTS-90 - temperature.ru/mtsh/mtsh.php?page\u003d3
Dezvoltarea unei noi definiții a kelvin - temperature.ru/kelvin/kelvin.php?page\u003d2
D. A. Parshin, G. G. Zegr Punct critic. Proprietățile unei substanțe în stare critică. Punct triplu. Tranziții de fază de al doilea fel. Metode de obținere a temperaturilor scăzute. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. Termodinamica statistică. Prelegere 11. Universitatea Academică din Sankt Petersburg.
Despre diferite măsurători ale temperaturii corporale - hipertextbook.com/facts/LenaWong.shtml
BBC News - Big Hadron Collider (LHC) generează un „mini-Big Bang” - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
Totul despre toate. Înregistrări de temperatură - tem-6.narod.ru/weather_record.html
Minunile științei - www.seti.ee/ff/34gin.swf

literatură

B. I. Spassky Istoria fizicii din partea I. - Osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Moscova: Școala Superioară, 1977.
Sivukhin D.V. Termodinamica și fizica moleculară. - Moscova: „Știința”, 1990.

descărcare
Acest eseu se bazează pe un articol din Wikipedia rusă. Sincronizare finalizată pe 07/09/11 16:20:43
Eseuri similare:

Definitie termodinamica

Istoric al abordării termodinamice

Determinarea temperaturii în fizica statistică

Instrumentele de măsurare a temperaturii sunt deseori calibrate pe scări relative - Celsius sau Fahrenheit.

În practică, temperatura este folosită și pentru măsurarea temperaturii.

Cel mai precis termometru practic este un termometru cu rezistență la platină. Au fost dezvoltate cele mai noi metode de măsurare a temperaturii bazate pe măsurarea parametrilor radiației laser.

Unități de temperatură și scară

Temperatura absolută. Scară de temperatură Kelvin

Zero absolut este definit ca 0 K, care este egal cu −273,15 ° C.

Scala de temperatură Kelvin este o scară în care referința este luată de la zero absolut.

Scara Celsius

Scara Fahrenheit

În Anglia, și în special în Statele Unite, se folosește scara Fahrenheit. Zero grade Celsius este de 32 de grade Fahrenheit, iar 100 de grade Celsius este de 212 grade Fahrenheit.

Scara Reaumur

Tranziții de la diferite scări

Compararea scării temperaturii

descriere	kelvin	Celsius	Fahrenheit	Rankin	Delisle	Newton	Reamur	Roemer
Zero absolut	0	−273,15	−459,67	0	559,725	−90,14	−218,52	−135,90
Temperatura de topire a amestecului Fahrenheit (sare și gheață în cantități egale)	255,37	−17,78	0	459,67	176,67	−5,87	−14,22	−1,83
Punctul de îngheț al apei (condiții normale)	273,15	0	32	491,67	150	0	0	7,5
Temperatura medie a corpului uman ¹	310,0	36,6	98,2	557,9	94,5	12,21	29,6	26,925
Punctul de fierbere a apei (condiții normale)	373,15	100	212	671,67	0	33	80	60
Turnarea de titan	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Suprafața soarelui	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

Temperature Temperatura medie normală a corpului uman este de 36,6 ° C ± 0,7 ° C sau 98,2 ° F ± 1,3 ° F. Cota de 98,6 ° F de obicei citată este conversia exactă la scara Fahrenheit de 37 ° C, adoptată în Germania în sec. Cu toate acestea, această valoare nu este inclusă în intervalul temperaturii medii normale a corpului uman, deoarece temperatura diferitelor părți ale corpului este diferită.

Unele valori din acest tabel sunt rotunjite.

Caracterizarea tranzițiilor de fază

Următoarele valori de temperatură sunt utilizate pentru a descrie punctele de tranziție în faze ale diferitelor substanțe:

Temperatura de recoacere
Temperatura de sinterizare
Temperatura de sinteză
Temperatura aerului
Temperatura solului
Temperatura omologă
Temperatura Debye (temperatura caracteristică)

Vezi și

notițe

literatură

Temperatura este o cantitate fizică care caracterizează starea de echilibru termodinamic a unui sistem macroscopic. Temperatura este aceeași pentru toate părțile unui sistem izolat în echilibru termodinamic. Dacă sistemul termodinamic izolat nu este în echilibru, atunci în timp, tranziția de energie (transferul de căldură) de la părțile mai calde ale sistemului la mai puțin încălzite duce la egalizarea temperaturii în întregul sistem (începerea zero a termodinamicii). În condiții de echilibru, temperatura este proporțională cu energia cinetică medie a particulelor corpului.

Temperatura nu poate fi măsurată direct. O modificare a temperaturii este apreciată de o modificare a altor proprietăți fizice ale corpurilor (volum, presiune, rezistență electrică, emf, intensitatea radiației etc.), asociată în mod unic cu aceasta (așa-numitele proprietăți termodinamice). Orice metodă de măsurare a temperaturii implică determinarea scării temperaturii.

Metodele de măsurare a temperaturii sunt diferite pentru diferite intervale de temperaturi măsurate, depind de condițiile de măsurare și de precizia necesară. Ele pot fi împărțite în două grupe principale: contact și non-contact. Metodele de contact se caracterizează prin faptul că dispozitivul care măsoară temperatura mediului trebuie să fie în echilibru termic cu acesta, adică. au aceeasi temperatura cu ea. Componentele principale ale tuturor dispozitivelor de măsurare a temperaturii sunt elementul sensibil, în care este realizată proprietatea termometrică, și dispozitivul de măsurare asociat elementului.

Conform teoriei molecular-cinetice a unui gaz ideal, temperatura este o valoare care caracterizează energia cinetică medie a mișcării de translație a moleculelor de gaz ideale. Având în vedere semnificația termodinamică a temperaturii, este posibilă reducerea măsurării temperaturii oricărui corp la măsurarea energiei cinetice medii a moleculelor unui gaz ideal.

Cu toate acestea, în practică, energia moleculelor nu este măsurată de viteza lor, ci de presiunea gazului, care este în proporție directă cu energia.

Conform teoriei cinetice moleculare a unui gaz ideal, temperatura T este o măsură a energiei cinetice medii a mișcării de translație a moleculelor:

unde
J / C - constantă Boltzmann;

T - temperatura absolută la pisică.

Ecuația de bază a teoriei molecular-cinetice a unui gaz ideal, care stabilește o dependență de presiune din energia cinetică a mișcării de translație a moleculelor de gaz, are forma:

, (2)

unde Este numărul de molecule pe unitatea de volum, adică. concentrare.

Folosind ecuația (1) și (2), obținem dependența

(3)

între presiune și temperatură, ceea ce ne permite să stabilim că presiunea unui gaz ideal este proporțională cu temperatura și concentrația sa absolută a moleculelor, unde

(4)

Măsurarea temperaturii se bazează pe următoarele două fapte experimentale:

a) dacă există două corpuri, fiecare fiind în echilibru termic cu același al treilea corp, atunci toate cele trei corpuri au aceeași temperatură;

b) o schimbare a temperaturii este însoțită întotdeauna de o schimbare continuă a cel puțin unuia dintre parametri, fără a conta temperatura în sine, ceea ce caracterizează starea corpului, de exemplu: volum, presiune, conductivitate electrică etc. Prima dintre aceste poziții vă permite să comparați temperaturile diferitelor corpuri fără a le pune în contact între de unul singur.

A doua poziție vă permite să selectați unul dintre parametri ca termometric.

În cazul general, temperatura este definită ca derivată a energiei în ansamblu în raport cu entropia sa. Astfel, temperatura determinată este întotdeauna pozitivă (deoarece energia cinetică este întotdeauna pozitivă), se numește temperatura sau temperatura pe scala de temperatură termodinamică și se indică T. Unitatea de temperatură absolută în sistemul SI (Sistemul internațional de unități) este Kelvin ( K). Consultați „Introducere”. Adesea temperatura este măsurată pe o scară Celsius (
), este asociat cu T (K) prin egalitate

;
(5)

unde
- coeficientul termic de extindere a volumului de gaz.

Paradoxul este că pentru a măsura temperatura în viața de zi cu zi, în industrie și chiar în știința aplicată, nu trebuie să știți care este „temperatura”. O idee destul de vagă că „temperatura este un grad încălzi corpuri ". Într-adevăr, cele mai multe instrumente practice de măsurare a temperaturii măsoară de fapt alte proprietăți ale substanțelor care variază de la acest grad de încălzire, cum ar fi presiunea, volumul, rezistența electrică etc. Apoi, citirile lor sunt convertite automat sau manual în unități de temperatură.

Persoanele interesante și studenții care își doresc sau sunt nevoiți să-și dea seama care este temperatura, se încadrează de obicei în elementul termodinamicii cu legile sale zero, prima și a doua, ciclul Carnot și entropia. Trebuie recunoscut faptul că definiția temperaturii ca parametru al unui motor de căldură reversibil ideal, independent de substanța de lucru, nu adaugă în mod clar claritatea percepției noastre despre conceptul de „temperatură”.

O abordare mai „tangibilă” pare să fie numită teoria molecular-cinetică, din care se formează ideea că căldura poate fi considerată pur și simplu una dintre formele de energie, și anume, energia cinetică a atomilor și moleculelor. Această valoare, medie într-un număr mare de particule în mișcare aleatoare, este măsura a ceea ce se numește temperatura corpului. Particulele unui corp încălzit se mișcă mai repede decât unul rece.

Deoarece conceptul de temperatură este strâns legat de energia cinetică medie a particulelor, ar fi firesc să se utilizeze joule ca unitate de măsură. Cu toate acestea, energia mișcării termice a particulelor este foarte mică în comparație cu joule, astfel încât utilizarea acestei cantități este incomodă. Mișcarea termică se măsoară în alte unități, care sunt obținute din jouli cu ajutorul coeficientului de conversie „k”.

Dacă temperatura T este măsurată în kelvine (K), atunci relația sa cu energia cinetică medie a mișcării de translație a atomilor unui gaz ideal are forma

E k = (3/2) kT, (1)

unde k - un factor de conversie care determină cât de mult din joule este conținut în kelvin. valoare k numită constantă Boltzmann.

Dat fiind faptul că presiunea poate fi exprimată și în termenii energiei medii de mișcare a moleculelor

p \u003d (2/3) n E k (2)

unde n \u003d N / V, V- volumul de gaz, N este numărul total de molecule din acest volum

Ecuația de stare a unui gaz ideal va avea forma:

p \u003d n kT

Dacă numărul total de molecule este reprezentat ca N = µN Aunde µ - numărul de moli de gaze; N a- numărul Avagadro, adică numărul de particule pe aluniță, se poate obține cu ușurință ecuația binecunoscută Clapeyron-Mendeleev:

pV = µ RT unde R - constanta gazului molar R\u003d N A.k

sau pentru o aluniță pV = N A. kT(3)

Astfel, temperatura este un parametru introdus artificial în ecuația stării. Folosind ecuația de stare, puteți determina temperatura termodinamică T, dacă sunt cunoscuți toți ceilalți parametri și constante. Din această definiție a temperaturii este evident că valorile lui T vor depinde de constanta Boltzmann. Putem alege o valoare arbitrară pentru acest coeficient de proporționalitate și apoi să ne bazăm pe ea? Nu. La urma urmei, putem obține astfel o valoare arbitrară pentru triplul punct al apei, în timp ce trebuie să obținem o valoare de 273,16 K! Se pune întrebarea - de ce exact 273,16 K?

Motivele acestui lucru sunt pur istorice, nu fizice.Cert este că, în primele scale de temperatură, au fost acceptate imediat valori exacte pentru două stări de apă - punctul de solidificare (0 ° C) și punctul de fierbere (100 ° C). Acestea au fost valori condiționate selectate pentru comoditate. Având în vedere că gradul Celsius este egal cu gradul de Kelvin și efectuarea măsurătorilor temperaturii termodinamice cu un termometru cu gaz gradat în aceste puncte, am obținut pentru zero absolut (0 ° K) prin extrapolarea valorii - 273,15 ° C. Desigur, această valoare poate fi considerată exactă doar dacă măsurătorile cu un termometru cu gaz au fost absolut exacte. Nu este așa. Prin urmare, fixând valoarea de 273,16 K pentru triplul punct al apei și măsurând punctul de fierbere al apei cu un termometru cu gaz mai avansat, putem obține o valoare ușor diferită pentru fierberea de la 100 ° С. De exemplu, acum cea mai reală valoare este de 99,975 ° C. Și acest lucru se datorează numai faptului că lucrările timpurii cu un termometru cu gaz au dat o valoare eronată pentru zero absolut. Astfel, fie fixăm un zero absolut, fie un interval de 100 ° C între punctele de solidificare și fierbere ale apei. Dacă fixăm intervalul și repetăm \u200b\u200bmăsurătorile pentru a extrapola la zero absolut, obținem -273,22 ° C.

În 1954, CIPM a adoptat o rezoluție cu privire la trecerea la o nouă definiție a kelvinului, care nu este în niciun caz asociată cu intervalul 0 -100 ° C. De fapt, a atribuit o valoare de 273,16 K (0,01 ° C) triplului punct al apei și a „punctului de fierbere liber” de aproximativ 100 ° C punctul de fierbere al apei. În loc de „Kelvin”, pur și simplu, „Kelvin” a fost introdus pentru unitatea de temperatură.

Din formula (3) rezultă că atribuirea T la o stare atât de stabilă și bine reproductibilă a sistemului ca punct triplu al apei, cu o valoare fixă \u200b\u200bde 273,16 K, valoarea constantei k poate fi determinată experimental. Până de curând, cele mai precise valori experimentale ale constantei Boltzmann k erau obținute prin metoda gazelor extrem de rarefiate.

Există și alte metode de obținere a constantei Boltzmann, bazate pe utilizarea legilor, care includ parametrul kT.

Aceasta este legea Stefan-Boltzmann, conform căreia energia totală a radiației termice E (T) este o funcție de gradul al patrulea al kT.
Ecuația care leagă pătratul vitezei sunetului într-un gaz ideal cu 0 2 relație liniară cu kT.
Ecuația pentru tensiunea medie a zgomotului pătrat la rezistența electrică V 2, de asemenea liniar dependentă de kT.

Setări pentru implementarea metodelor de determinare de mai sus kT numită termometrie absolută sau termometrie primară.

Astfel, există multe convenții în ceea ce privește determinarea temperaturii în kelvins, și nu în jouli. Principalul lucru este că coeficientul de proporționalitate în sine kîntre unitățile de temperatură și energie nu este constantă. Depinde de precizia măsurătorilor termodinamice realizabile în prezent. Această abordare nu este foarte convenabilă pentru termometrele primare, mai ales care funcționează în intervalul de temperatură departe de punctul triplu. Mărturia lor va depinde de modificările valorii constantei Boltzmann.

Fiecare modificare a scării practice a temperaturii internaționale este rezultatul cercetării științifice a centrelor metrologice din întreaga lume. Introducerea unei noi versiuni a scării temperaturii afectează gradările tuturor instrumentelor de măsurare a temperaturii.

TEMPERATURA ȘI MĂSURAREA SA.

LEGI EXPERIMENTALE DE GAZ.

1. Echilibrul termic. Temperatura.

temperatură Este o cantitate fizică care caracterizează gradul de încălzire a corpului. Dacă două corpuri cu temperaturi diferite sunt aduse în contact, atunci, după cum arată experiența, un corp mai cald va fi răcit, iar un corp mai puțin încălzit va fi încălzit, adică. continuând transfer de căldură - transferul de energie de la un corp mai cald la unul mai puțin încălzit, fără a face muncă.

Energia transferată în timpul transferului de căldură este numită cantitate de căldură.

La ceva timp după ce au intrat în contact corpurile, acestea dobândesc același grad de încălzire, adică. intra intr-o stare echilibru termic.

Echilibrul termic - aceasta este starea sistemului de corpuri în contact termic, în care schimbul de căldură nu are loc și toți parametrii macro ai corpurilor rămân neschimbați dacă condițiile externe nu se schimbă.

În acest caz, doi parametri - volumul și presiunea - pot fi diferiți pentru corpuri diferite ale sistemului, iar al treilea, temperatura, în cazul echilibrului termic este aceeași pentru toate corpurile sistemului. Aceasta este baza pentru determinarea temperaturii.

Se numește un parametru fizic același pentru toate corpurile sistemului în stare de echilibru termic temperatură a acestui sistem.

De exemplu, un sistem este format din două nave cu gaz. Le aducem în legătură. Volumul și presiunea gazului din ele pot fi diferite, iar temperatura ca urmare a transferului de căldură va deveni aceeași.

2. Măsurarea temperaturii.

Pentru a măsura temperatura, se folosesc dispozitive fizice - termometre, în care valoarea temperaturii este evaluată printr-o modificare a unui parametru.

Pentru a crea un termometru trebuie să:

Alegeți o substanță termometrică, a cărei parametri (caracteristici) se schimbă cu temperatura (de exemplu, mercur, alcool etc.);

Selectați o valoare termometrică, adică o valoare care se schimbă odată cu temperatura (de exemplu, înălțimea unei coloane de mercur sau alcool, valoarea rezistenței electrice etc.);

Calibrați termometrul, adică creați o scală prin care temperatura va fi citită. Pentru aceasta, corpul termometric este pus în contact termic cu corpurile ale căror temperaturi sunt constante. De exemplu, atunci când se construiește scala Celsius, temperatura amestecului de apă și gheață în stare de topire este luată ca 0 0 С, iar temperatura amestecului de vapori de apă și apă în stare de fierbere la o presiune de 1 atm. - pentru 100 0 C. Poziția coloanei de lichid este notată în ambele cazuri, iar apoi distanța dintre notele obținute este împărțită la 100 de divizii.

La măsurarea temperaturii, termometrul este pus în contact termic cu corpul, a cărui temperatură este măsurată, iar după stabilirea echilibrului termic (citirile termometrului încetează să se schimbe), termometrul citește.

3. Legile experimentale privind gazele.

Parametrii care descriu starea sistemului sunt interdependenți. Este dificil să stabilim dependența a trei parametri unul de altul simultan, prin urmare, simplificăm puțin sarcina. Luați în considerare procesele în care

a) cantitatea de substanță (sau masă) este constantă, adică ν \u003d const (m \u003d const);

b) valoarea unuia dintre parametri este fixată, adică fie presiune, fie volum, fie temperatură.

Asemenea procese sunt numite izoprotsessami.

1).Proces izotermic,și anume proces care are loc cu aceeași cantitate de substanță la o temperatură constantă.

Explorat de Boyle (1662) și Marriott (1676).

Proiectarea experimentală simplificată este următoarea. Luați în considerare un vas cu gaz, închis de un piston mobil, pe care sunt montate greutăți pentru a echilibra presiunea gazului.

Experiența a arătat că produsul presiunii asupra volumului de gaz la o temperatură constantă este o valoare constantă. Asta înseamnă

PV= const

Legea Boyle-Marriott.

Volumul V al unei cantități date de gaz ν la o temperatură constantă t 0 este invers proporțional cu presiunea sa, adică. . .

Graficele proceselor izoterme.

Un grafic al presiunii versus volumul la temperatura constantă se numește izotermă. Cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât este mai mare izoterma din grafic.

2).Procesul izobaric,și anume proces care are loc cu aceeași cantitate de substanță la presiune constantă.

Anchetat de Gay-Lussac (1802).

Schema simplificată este următoarea. Vasul cu gaz este închis de un piston mobil pe care se montează o greutate, echilibrând presiunea gazului. Vasul de gaz se încălzește.

Experiența a arătat că atunci când un gaz este încălzit la presiune constantă, volumul său se modifică conform următoarei legi: unde V 0 este volumul de gaz la temperatura t 0 \u003d 0 0 C; V este volumul de gaz la o temperatură t 0, α v este coeficientul de temperatură al expansiunii volumului,

Legea Gay Lussac.

Volumul unei cantități date de gaz la presiune constantă depinde liniar de temperatură.

Graficele proceselor izobare.

Un grafic al volumului de gaz versus temperatură la presiune constantă se numește izobar.

Dacă extrapolați (continuați) izobarii în regiunea temperaturilor scăzute, atunci toate converg într-un punct corespunzător temperaturii t 0 \u003d - 273 0 С.

3).Procesul ischoric, adică proces care are loc cu aceeași cantitate de substanță cu un volum constant.

Explorat de Charles (1802).

Schema simplificată este următoarea. Vasul de gaz este închis de un piston mobil, pe care sunt montate greutăți, echilibrând presiunea gazului. Nava se încălzește.

Experiența a arătat că atunci când un gaz este încălzit la un volum constant, presiunea sa se modifică conform următoarei legi: unde P 0 este volumul de gaz la temperatura t 0 \u003d 0 0 C; P este volumul de gaz la o temperatură t 0, α p este coeficientul de temperatură al presiunii,

Charles Law.

Presiunea unei cantități date de gaz la un volum constant depinde liniar de temperatură.

Un grafic al presiunii gazului față de temperatură la volum constant se numește izoar.

Dacă extrapolăm (continuăm) izocorii în regiunea temperaturilor scăzute, atunci toate converg într-un punct corespunzător temperaturii t 0 \u003d - 273 0 С.

4. Scara termodinamică absolută.

Omul de știință englez Kelvin a sugerat mutarea începutului scării temperaturii la stânga cu 273 0 și să numim acest punct zero absolut al temperaturii. Scara noii scale este aceeași cu cea a scării Celsius. Noua scară se numește scara Kelvin sau scara termodinamică absolută. Unitatea este kelvină.

Zero grade Celsius corespunde la 273 K. Temperatura pe scara Kelvin este indicată prin litera T.

T = t 0 C + 273

t 0 C = T – 273

Noua scară s-a dovedit a fi mai convenabilă pentru înregistrarea legilor privind gazele.