Tarina
Sana "lämpötila" syntyi noina aikoina, jolloin ihmiset uskoivat, että kuumemmissa kehoissa oli suurempi määrä erityistä ainetta - kaloreita - kuin vähemmän lämmitetyissä. Siksi lämpötilaa pidettiin kehon aineen ja kalorien seoksen vahvuutena. Tästä syystä alkoholijuomien vahvuuden ja lämpötilan mittayksiköitä kutsutaan samoiksi - asteiksi.
Koska lämpötila on molekyylien kineettistä energiaa, on selvää, että luonnollisinta on mitata se energiayksiköissä (eli SI-järjestelmässä jouleina). Lämpötilan mittaus aloitettiin kuitenkin kauan ennen molekyylikineettisen teorian luomista, joten käytännölliset asteikot mittaavat lämpötilaa tavanomaisissa yksiköissä - asteissa.
Kelvinin asteikko
Termodynamiikassa käytetään Kelvin-asteikkoa, jossa lämpötila mitataan absoluuttisesta nollasta (tila, joka vastaa pienintä teoreettisesti mahdollista kappaleen sisäistä energiaa) ja yksi kelvin on 1/273,16 etäisyydestä absoluuttisesta nollasta kolmoispisteeseen. vesi (tila, jossa jää, vesi ja vesiparit ovat tasapainossa). Boltzmannin vakiota käytetään kelvinien muuntamiseen energiayksiköiksi. Käytetään myös johdettuja yksiköitä: kilokelvin, megakelvin, millikelvin jne.
Celsius
Arkielämässä käytetään Celsius-asteikkoa, jossa 0 on veden jäätymispiste ja 100° on veden kiehumispiste ilmakehän paineessa. Koska veden jäätymis- ja kiehumispisteitä ei ole tarkasti määritelty, Celsius-asteikko määritellään tällä hetkellä Kelvin-asteikolla: Celsius-aste vastaa kelviniä, absoluuttiseksi nollaksi otetaan −273,15 °C. Celsius-asteikko on käytännössä erittäin kätevä, koska vesi on hyvin yleistä planeetallamme ja elämämme perustuu siihen. Nolla Celsius on meteorologian erityinen piste, koska ilmakehän veden jäätyminen muuttaa merkittävästi kaiken.
Fahrenheit
Englannissa ja erityisesti USA:ssa käytetään Fahrenheit-asteikkoa. Tämä asteikko jakaa ajanjakson kylmimmän talven lämpötilasta kaupungissa, jossa Fahrenheit asui, ihmiskehon lämpötilaan 100 asteeseen. Nolla celsiusastetta on 32 Fahrenheit-astetta ja Fahrenheit-aste on 5/9 celsiusastetta.
Fahrenheit-asteikon nykyinen määritelmä on seuraava: se on lämpötila-asteikko, jossa 1 aste (1 °F) on yhtä suuri kuin 1/180 erosta veden kiehumispisteen ja jään sulamislämpötilan välillä ilmakehän paineessa, ja jään sulamispiste on +32 °F. Fahrenheit-lämpötila on suhteessa Celsius-lämpötilaan (t °C) suhteella t °C = 5/9 (t °F - 32), eli lämpötilan muutos 1 °F vastaa muutosta 5/9 ° C. G. Fahrenheitin ehdottama vuonna 1724.
Reaumur-asteikko
Ehdotuksen teki vuonna 1730 R. A. Reaumur, joka kuvasi keksimänsä alkoholilämpömittarin.
Yksikkö on Reaumur-aste (°R), 1 °R on yhtä suuri kuin 1/80 viitepisteiden - jään sulamislämpötilan (0 °R) ja veden kiehumispisteen (80 °R) välisestä lämpötilavälistä.
1 °R = 1,25 °C.
Tällä hetkellä vaaka on jäänyt pois käytöstä, se säilyi pisimpään kirjailijan kotimaassa Ranskassa.
|
Lämpötilan muuntaminen pääasteikkojen välillä |
|||
|
Kelvin |
Celsius |
Fahrenheit |
|
|
Kelvin (K) |
C + 273,15 |
= (F + 459,67) / 1,8 |
|
|
Celsius (°C) |
K – 273,15 |
= (F − 32) / 1,8 |
|
|
Fahrenheit (°F) |
K 1,8 − 459,67 |
C 1,8 + 32 |
|
Lämpötila-asteikkojen vertailu
|
Kuvaus |
Kelvin | Celsius |
Fahrenheit |
Newton | Reaumur |
|
Absoluuttinen nolla |
−273.15 |
−459.67 |
−90.14 |
−218.52 |
|
|
Fahrenheit-seoksen sulamislämpötila (suolaa ja jäätä yhtäläisinä määrinä) |
255.37 |
−17.78 |
−5.87 |
−14.22 |
|
| Veden jäätymispiste (normaaliolosuhteet) |
273.15 |
||||
|
Ihmisen keskimääräinen ruumiinlämpö ¹ |
310.0 |
36.8 |
98.2 |
12.21 |
29.6 |
|
Veden kiehumispiste (normaalit olosuhteet) |
373.15 |
||||
| Auringon pinnan lämpötila |
5800 |
5526 |
9980 |
1823 |
4421 |
¹ Ihmisen normaali kehon lämpötila on 36,6 °C ±0,7 °C tai 98,2 °F ±1,3 °F. Yleisesti noteerattu arvo 98,6 °F on tarkka muunnos Fahrenheitiksi 1800-luvun saksalaisesta arvosta 37 °C. Koska tämä arvo ei ole nykyaikaisten käsitteiden mukaan normaalin lämpötilan alueella, voidaan sanoa, että se sisältää liiallisen (virheellisen) tarkkuuden. Jotkut tämän taulukon arvot on pyöristetty.
Fahrenheit- ja Celsius-asteikkojen vertailu
(o F- Fahrenheit-asteikko, oC- Celsius-asteikko)
|
oF |
oC |
oF |
oC |
oF |
oC |
oF |
oC |
|||
|
459.67 |
273.15 |
60 |
51.1 |
4 |
20.0 |
20 |
6.7 |
Jos haluat muuntaa Celsius-asteet Kelvineiksi, sinun on käytettävä kaavaa T=t+T 0 missä T on lämpötila kelvineinä, t on lämpötila Celsius-asteina, T 0 =273,15 kelviniä. Celsius-asteen koko on yhtä suuri kuin Kelvin.
Lämpötila on fysikaalinen suure, joka kuvaa makroskooppisen järjestelmän termodynaamisen tasapainon tilaa. Lämpötila on sama eristetyn järjestelmän kaikissa osissa, jotka ovat termodynaamisessa tasapainossa. Jos eristetty termodynaaminen järjestelmä ei ole tasapainossa, ajan myötä energian siirtyminen (lämmönsiirto) järjestelmän kuumemmista osista vähemmän kuumennettuihin johtaa lämpötilan tasaamiseen koko systeemissä (termodynamiikan nollalaki). Tasapainoolosuhteissa lämpötila on verrannollinen kehon hiukkasten keskimääräiseen kineettiseen energiaan.
Lämpötilaa ei voi mitata suoraan. Lämpötilan muutosta arvioidaan kappaleiden muiden fysikaalisten ominaisuuksien (tilavuus, paine, sähkövastus, emf, säteilyn intensiteetti jne.) muutoksilla, jotka liittyvät siihen ainutlaatuisesti (ns. termodynaamiset ominaisuudet). Kaikki lämpötilan mittausmenetelmät sisältävät lämpötila-asteikon määrittämisen.
Lämpötilan mittausmenetelmät ovat erilaisia eri mittauslämpötila-alueille, ne riippuvat mittausolosuhteista ja vaaditusta tarkkuudesta. Ne voidaan jakaa kahteen pääryhmään: kontaktiin ja ei-kontaktiin. Kosketusmenetelmille on tunnusomaista se, että väliaineen lämpötilaa mittaavan laitteen on oltava sen kanssa termisessä tasapainossa, ts. on sama lämpö kuin hänellä. Kaikkien lämpötilan mittauslaitteiden pääkomponentit ovat herkkä elementti, jossa lämpömittarin ominaisuus toteutuu, ja elementtiin liittyvä mittauslaite.
Ihanteellisen kaasun molekyylikineettisen teorian mukaan lämpötila on suure, joka kuvaa ihanteellisen kaasun molekyylien translaatioliikkeen keskimääräistä kineettistä energiaa. Ottaen huomioon lämpötilan termodynaamisen merkityksen voimme pelkistää minkä tahansa kappaleen lämpötilan mittauksen ihanteellisen kaasun molekyylien keskimääräisen kineettisen energian mittaamiseen.
Käytännössä ei kuitenkaan mitata molekyylien energiaa niiden nopeudella, vaan kaasun paineella, joka on suoraan verrannollinen energiaan.
Ihanteellisen kaasun molekyylikineettisen teorian mukaan lämpötila T on molekyylien translaatioliikkeen keskimääräisen kineettisen energian mitta:
Missä 
J/C– Boltzmannin vakio;
T– absoluuttinen lämpötila kelvineinä.
Ihanteellisen kaasun molekyylikineettisen teorian perusyhtälö, joka määrittää paineen riippuvuuden 
kaasumolekyylien translaatioliikkeen kineettisestä energiasta on muotoa:
,
(2)
Missä 
– molekyylien lukumäärä tilavuusyksikköä kohti, ts. keskittyminen.
Yhtälöiden (1) ja (2) avulla saadaan riippuvuus
(3)
paineen ja lämpötilan välillä, mikä mahdollistaa sen toteamisen, että ihanteellisen kaasun paine on verrannollinen sen absoluuttiseen lämpötilaan ja molekyylien pitoisuuteen.
(4)
Lämpötilan mittaus perustuu seuraaviin kahteen kokeelliseen tosiasiaan:
a) jos on kaksi kappaletta, joista jokainen on lämpötasapainossa saman kolmannen kappaleen kanssa, niin kaikilla kolmella kappaleella on sama lämpötila;
b) lämpötilan muutokseen liittyy aina vähintään yhden parametrin jatkuva muutos, itse lämpötilaa lukuun ottamatta, joka kuvaa kehon tilaa, esimerkiksi tilavuus, paine, sähkönjohtavuus jne. Ensimmäinen Näiden säännösten avulla voit verrata eri kappaleiden lämpötiloja joutumatta niihin itse kosketuksiin.
Toisessa asennossa voit valita yhden parametreista lämpömittariksi.
Yleensä lämpötila määritellään energian johdannaiseksi kokonaisuutena sen entropiaan nähden. Tällä tavalla määritetty lämpötila on aina positiivinen (koska kineettinen energia on aina positiivinen), sitä kutsutaan lämpötilaksi tai lämpötilaksi termodynaamisella lämpötila-asteikolla ja merkitään T. Absoluuttisen lämpötilan SI (International System of Units) yksikkö on kelvin ( TO). Katso "Esittely". Lämpötilaa mitataan usein celsiusasteikolla ( 
), se liittyy T
(TO) tasa-arvo
;
(5)
Missä 
– kaasun tilavuuslaajenemisen lämpökerroin.
- Lämpötila (latinasta temperatura - oikea sekoitus, normaalitila) on fysikaalinen suure, joka luonnehtii termodynaamista järjestelmää ja ilmaisee kvantitatiivisesti intuitiivista käsitystä kappaleiden eri kuumenemisasteista.
Elävät olennot pystyvät havaitsemaan lämmön ja kylmän tunteet suoraan aistiensa kautta. Lämpötilan tarkka määrittäminen edellyttää kuitenkin, että lämpötila mitataan objektiivisesti instrumenttien avulla. Tällaisia laitteita kutsutaan lämpömittariksi ja ne mittaavat niin sanottua empiiristä lämpötilaa. Empiirisessä lämpötila-asteikossa määritetään kaksi vertailupistettä ja niiden välisten jakojen lukumäärä - näin otettiin käyttöön tällä hetkellä käytössä olevat Celsius-, Fahrenheit- ja muut asteikot. Kelvineinä mitattu absoluuttinen lämpötila syötetään viitepiste kerrallaan ottaen huomioon, että luonnossa on lämpötilan vähimmäisraja - absoluuttinen nolla. Ylempää lämpötila-arvoa rajoittaa Planckin lämpötila.
Jos järjestelmä on lämpötasapainossa, niin sen kaikkien osien lämpötila on sama. Muuten järjestelmässä siirretään energiaa järjestelmän kuumemmista osista vähemmän lämmitettyihin, mikä johtaa järjestelmän lämpötilojen tasaantumiseen ja puhutaan järjestelmän lämpötilajakaumasta tai skalaarilämpötilakentästä. Termodynamiikassa lämpötila on intensiivinen termodynaaminen suure.
Termodynaamisen ohella myös muita lämpötilan määritelmiä voidaan ottaa käyttöön muilla fysiikan aloilla. Molekyylikineettinen teoria osoittaa, että lämpötila on verrannollinen järjestelmän hiukkasten keskimääräiseen kineettiseen energiaan. Lämpötila määrittää järjestelmän hiukkasten jakautumisen energiatasojen mukaan (katso Maxwell - Boltzmannin tilastot), hiukkasten jakautumisen nopeuksien mukaan (katso Maxwell-jakauma), aineen ionisaatioasteen (katso Sahan yhtälö), spektrin säteilytiheyden ( katso Planckin kaava), kokonaistilavuussäteilytiheys (katso Stefan-Boltzmannin laki) jne. Boltzmann-jakauman parametrina olevaa lämpötilaa kutsutaan usein virityslämpötilaksi, Maxwell-jakaumassa kineettiseksi lämpötilaksi, Sahan kaavassa ionisaatioksi. lämpötila, Stefan-Boltzmannin laissa - säteilylämpötila. Termodynaamisessa tasapainossa olevalle järjestelmälle kaikki nämä parametrit ovat keskenään yhtä suuret, ja niitä kutsutaan yksinkertaisesti järjestelmän lämpötilaksi.
Kansainvälisessä määrien järjestelmässä (ISQ) termodynaaminen lämpötila valitaan yhdeksi järjestelmän seitsemästä fysikaalisesta perussuureesta. Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI), joka perustuu kansainväliseen yksikköjärjestelmään, tämän lämpötilan yksikkö kelvin on yksi seitsemästä SI-perusyksiköstä. SI-järjestelmässä ja käytännössä sen yksikkönä on myös Celsius-aste (°C), joka on kooltaan kelviniä. Tämä on kätevää, koska useimmat maapallon ilmastoprosessit ja elävän luonnon prosessit liittyvät vaihteluväliin -50 - +50 °C.
Jokainen ihminen kohtaa lämpötilan käsitteen joka päivä. Termi on lujasti astunut jokapäiväiseen elämäämme: lämmitämme ruokaa mikroaaltouunissa tai valmistamme ruokaa uunissa, olemme kiinnostuneita säästä ulkona tai selvittelemme onko joen vesi kylmää - kaikki tämä liittyy läheisesti tähän käsitteeseen . Mikä on lämpötila, mitä tämä fyysinen parametri tarkoittaa, miten se mitataan? Vastaamme näihin ja muihin kysymyksiin artikkelissa.
Fyysinen määrä
Katsotaanpa, mikä lämpötila on termodynaamisen tasapainon eristetyn järjestelmän näkökulmasta. Termi tulee latinasta ja tarkoittaa "oikeaa seosta", "normaalia tilaa", "suhteellisuutta". Tämä määrä luonnehtii minkä tahansa makroskooppisen järjestelmän termodynaamisen tasapainon tilaa. Siinä tapauksessa, että eristetty järjestelmä on poissa tasapainosta, ajan myötä energia siirtyy kuumemmista kohteista vähemmän kuumennettuihin. Tuloksena on lämpötilan tasaantuminen (muutos) koko järjestelmässä. Tämä on termodynamiikan ensimmäinen postulaatti (nollalaki).
Lämpötila määrää systeemin aineosien jakautumisen energiatasojen ja nopeuksien mukaan, aineiden ionisaatioasteen, kappaleiden tasapainoisen sähkömagneettisen säteilyn ominaisuudet ja säteilyn kokonaistiheyden. Koska termodynaamisessa tasapainossa olevan järjestelmän osalta luetellut parametrit ovat samat, niitä kutsutaan yleensä järjestelmän lämpötilaksi.
Plasma
Tasapainokappaleiden lisäksi on olemassa järjestelmiä, joissa tilalle on ominaista useita lämpötila-arvoja, jotka eivät ole samanarvoisia keskenään. Hyvä esimerkki on plasma. Se koostuu elektroneista (kevyesti varautuneita hiukkasia) ja ioneista (raskaasti varautuneita hiukkasia). Kun ne törmäävät, tapahtuu nopea energiansiirto elektronista elektroniin ja ionista ioniin. Mutta heterogeenisten elementtien välillä on hidas siirtymä. Plasma voi olla tilassa, jossa elektronit ja ionit yksittäin ovat lähellä tasapainoa. Tässä tapauksessa on mahdollista olettaa erilliset lämpötilat kullekin hiukkastyypille. Nämä parametrit eroavat kuitenkin toisistaan. 
Magneetit
Kappaleissa, joissa hiukkasilla on magneettinen momentti, energian siirto tapahtuu yleensä hitaasti: translaatiosta magneettiseen vapausasteeseen, joka liittyy mahdollisuuteen muuttaa hetken suuntia. Osoittautuu, että on tiloja, joissa keholle on ominaista lämpötila, joka ei ole sama kineettisen parametrin kanssa. Se vastaa alkuainehiukkasten eteenpäin suuntautuvaa liikettä. Magneettinen lämpötila määrää osan sisäisestä energiasta. Se voi olla sekä positiivista että negatiivista. Tasoitusprosessin aikana energiaa siirtyy korkeamman lämpötilan hiukkasista alhaisemman lämpötilan hiukkasiin, jos ne ovat sekä positiivisia että negatiivisia. Päinvastaisessa tilanteessa tämä prosessi etenee päinvastaiseen suuntaan - negatiivinen lämpötila on "korkeampi" kuin positiivinen.
Miksi tämä on välttämätöntä?
Paradoksi on se, että keskivertoihmisen ei tarvitse edes tietää mitä lämpötila on suorittaakseen mittausprosessin niin arjessa kuin teollisuudessakin. Hänelle riittää, että hän ymmärtää, että tämä on esineen tai ympäristön lämmitysaste, varsinkin kun olemme tunteneet nämä termit lapsuudesta lähtien. Useimmat tämän parametrin mittaamiseen tarkoitetut käytännölliset laitteet todellakin mittaavat aineiden muita ominaisuuksia, jotka muuttuvat lämmitys- tai jäähdytystason mukaan. Esimerkiksi paine, sähkövastus, tilavuus jne. Lisäksi tällaiset lukemat lasketaan manuaalisesti tai automaattisesti uudelleen vaadittuun arvoon.
Osoittautuu, että lämpötilan määrittämiseksi ei tarvitse opiskella fysiikkaa. Suurin osa planeettamme väestöstä elää tämän periaatteen mukaan. Jos televisio toimii, ei tarvitse ymmärtää puolijohdelaitteiden ohimeneviä prosesseja, tutkia, mistä sähkö tulee pistorasiasta tai miten signaali saapuu satelliittiantenniin. Ihmiset ovat tottuneet siihen, että jokaisella alueella on asiantuntijoita, jotka voivat korjata tai korjata järjestelmän. Keskivertoihminen ei halua rasittaa aivojaan, koska on paljon parempi katsoa saippuaoopperaa tai jalkapalloa "laatikolla" siemaillen kylmää olutta. 
Ja haluan tietää
Mutta on ihmisiä, useimmiten nämä ovat opiskelijoita, jotka joko uteliaisuudesta tai välttämättömyydestä pakotetaan opiskelemaan fysiikkaa ja määrittämään, mikä lämpötila todella on. Tämän seurauksena he löytävät itsensä etsiessään termodynamiikan viidakosta ja tutkivat sen nollaa, ensimmäistä ja toista lakia. Lisäksi uteliaan mielen on ymmärrettävä Carnotin syklit ja entropia. Ja matkansa lopussa hän luultavasti myöntää, että lämpötilan määrittäminen palautuvan lämpöjärjestelmän parametriksi, joka ei riipu työaineen tyypistä, ei lisää tämän käsitteen merkitystä. Ja kaikesta huolimatta näkyvä osa on joitain kansainvälisen yksikköjärjestelmän (SI) hyväksymiä asteita.
Lämpötila kineettisenä energiana
"Konkreettisempaa" lähestymistapaa kutsutaan molekyylikineettiseksi teoriaksi. Siitä muodostuu ajatus, että lämpöä pidetään eräänä energiamuotona. Esimerkiksi molekyylien ja atomien kineettinen energia, suuren määrän kaoottisesti liikkuvien hiukkasten keskiarvo laskettu parametri, osoittautuu mittana siitä, mitä yleisesti kutsutaan kehon lämpötilaksi. Siten hiukkaset lämmitetyssä järjestelmässä liikkuvat nopeammin kuin kylmässä järjestelmässä. 
Koska kyseessä oleva termi liittyy läheisesti hiukkasryhmän keskimääräiseen kineettiseen energiaan, olisi aivan luonnollista käyttää joulea lämpötilan mittayksikkönä. Näin ei kuitenkaan tapahdu, mikä selittyy sillä, että alkuainehiukkasten lämpöliikkeen energia on hyvin pieni jouleen nähden. Siksi sen käyttö on hankalaa. Lämpöliike mitataan yksiköissä, jotka on johdettu jouleista käyttämällä erityistä muuntokerrointa.
Lämpötilayksiköt
Nykyään tämän parametrin näyttämiseen käytetään kolmea pääyksikköä. Maassamme lämpötila mitataan yleensä celsiusasteina. Tämä mittayksikkö perustuu veden jähmettymispisteeseen - itseisarvoon. Se on lähtökohta. Eli veden lämpötila, jossa jäätä alkaa muodostua, on nolla. Tässä tapauksessa vesi toimii esimerkillisenä mittapuuna. Tämä sopimus on hyväksytty mukavuuden vuoksi. Toinen absoluuttinen arvo on höyryn lämpötila, eli hetki, jolloin vesi muuttuu nestemäisestä tilasta kaasumaiseen tilaan. 
Seuraava yksikkö on Kelvin-aste. Tämän järjestelmän origon katsotaan olevan absoluuttinen nollapiste. Joten yksi Kelvin-aste on yhtä suuri kuin yksi Celsius-aste. Ainoa ero on lähtökohta. Havaitsemme, että nolla Kelvin on yhtä suuri kuin miinus 273,16 celsiusastetta. Vuonna 1954 paino- ja mittakonferenssi päätti korvata lämpötilayksikön termin "kelvin" termillä "kelvin".
Kolmas yleisesti hyväksytty mittayksikkö on Fahrenheit-asteet. Vuoteen 1960 asti niitä käytettiin laajalti kaikissa englanninkielisissä maissa. Tämä yksikkö on kuitenkin edelleen käytössä jokapäiväisessä elämässä Yhdysvalloissa. Järjestelmä eroaa olennaisesti yllä kuvatuista. Lähtöpisteeksi otetaan suolan, ammoniakin ja veden 1:1:1 seoksen jäätymislämpötila. Joten Fahrenheit-asteikolla veden jäätymispiste on plus 32 astetta ja kiehumispiste plus 212 astetta. Tässä järjestelmässä yksi aste on yhtä suuri kuin 1/180 näiden lämpötilojen välisestä erosta. Siten alue 0 - +100 astetta Fahrenheit vastaa aluetta -18 - +38 celsiusastetta.
Absoluuttinen nollalämpötila
Selvitetään, mitä tämä parametri tarkoittaa. Absoluuttinen nolla on rajalämpötilan arvo, jossa ihanteellisen kaasun paine muuttuu nollaksi kiinteällä tilavuudella. Tämä on pienin arvo luonnossa. Kuten Mihailo Lomonosov ennusti, "tämä on suurin tai viimeinen pakkasaste". Tästä seuraa Avogadron kemiallinen laki: yhtä suuri määrä kaasuja, jotka ovat samassa lämpötilassa ja paineessa, sisältävät saman määrän molekyylejä. Mitä tästä seuraa? Kaasulla on vähimmäislämpötila, jossa sen paine tai tilavuus laskee nollaan. Tämä itseisarvo vastaa nollaa Kelviniä eli 273 celsiusastetta. 
Mielenkiintoisia faktoja aurinkokunnasta
Auringon pinnan lämpötila saavuttaa 5700 Kelviniä ja ytimen keskellä - 15 miljoonaa Kelviniä. Aurinkokunnan planeetat eroavat toisistaan suuresti lämpötasojen suhteen. Näin ollen maapallomme ytimen lämpötila on suunnilleen sama kuin Auringon pinnalla. Jupiteria pidetään kuumimpana planeetana. Lämpötila sen ytimen keskellä on viisi kertaa korkeampi kuin Auringon pinnalla. Mutta parametrin alin arvo kirjattiin Kuun pinnalle - se oli vain 30 Kelviniä. Tämä arvo on jopa pienempi kuin Pluton pinnalla.
Faktoja maapallosta
1. Korkein ihmisen mittaama lämpötila oli 4 miljardia celsiusastetta. Tämä arvo on 250 kertaa korkeampi kuin Auringon ytimen lämpötila. Ennätyksen teki New Yorkin Brookhaven Natural Laboratory ionitörmätimessä, joka on noin 4 kilometriä pitkä. 
2. Lämpötila planeetallamme ei myöskään ole aina ihanteellinen ja mukava. Esimerkiksi Jakutian Verkhnoyanskin kaupungissa lämpötila laskee talvella miinus 45 celsiusasteeseen. Mutta Etiopian Dallolin kaupungissa tilanne on päinvastainen. Siellä vuoden keskilämpötila on plus 34 astetta.
3. Äärimmäisimmät olosuhteet, joissa ihmiset työskentelevät, kirjataan Etelä-Afrikan kultakaivoksissa. Kaivostyöläiset työskentelevät kolmen kilometrin syvyydessä plus 65 celsiusasteen lämpötilassa.
Termodynaaminen lämpötila
Termodynaaminen lämpötila(Englanti) termodynaaminen lämpötila, Saksan kieli termodynamis Lämpötila), tai absoluuttinen lämpötila(Englanti) absoluuttinen lämpötila, Saksan kieli absoluuttinen lämpötila) on ainoa termodynaamisen järjestelmän tilan funktio, joka luonnehtii kappaleiden (järjestelmien) välisen spontaanin lämmönvaihdon suuntaa.
Termodynaaminen lämpötila on merkitty kirjaimella T (\displaystyle T), mitattuna kelvineinä (merkitty K) ja mitattuna absoluuttisella termodynaamisella asteikolla (Kelvin-asteikko). Absoluuttinen termodynaaminen asteikko on fysiikan ja termodynamiikan yhtälöiden perusasteikko.
Molekyylikineettinen teoria puolestaan yhdistää absoluuttisen lämpötilan ihanteellisen kaasun molekyylien translaatioliikkeen keskimääräiseen kineettiseen energiaan termodynaamisen tasapainon olosuhteissa:
1 2 m v ¯ 2 = 3 2 k T , (\displaystyle (\frac (1) (2))m(\bar (v))^(2)=(\frac (3)(2))kT,)
missä m (\displaystyle m) ─ molekyylimassa, v ¯ (\displaystyle (\bar (v))) ─ molekyylien translaatioliikkeen neliönopeus, T (\displaystyle T) ─ absoluuttinen lämpötila, k (\displaystyle k ) ─ vakio Boltzmann.
Tarina
Lämpötilan mittaus on kehittynyt pitkän ja vaikean tien. Koska lämpötilaa ei voida mitata suoraan, sen mittaamiseen käytettiin lämpömittauskappaleiden ominaisuuksia, jotka olivat toiminnallisesti riippuvaisia lämpötilasta. Tämän perusteella kehitettiin erilaisia lämpötila-asteikkoja, joita kutsuttiin empiirinen, ja niiden avulla mitattua lämpötilaa kutsutaan empiiriseksi. Empiiristen asteikkojen merkittäviä haittoja ovat niiden jatkuvuuden puute ja eri lämpömittauskappaleiden lämpötila-arvojen välinen ero: sekä vertailupisteiden välillä että niiden ulkopuolella. Empiiristen asteikkojen jatkuvuuden puute johtuu siitä, että luonnossa ei ole ainetta, joka pystyy säilyttämään ominaisuutensa koko mahdollisten lämpötilojen alueella. Vuonna 1848 Thomson (Lord Kelvin) ehdotti lämpötila-asteikon asteen valitsemista siten, että sen rajoissa ihanteellisen lämpökoneen hyötysuhde olisi sama. Myöhemmin, vuonna 1854, hän ehdotti käänteisen Carnot-funktion käyttämistä termodynaamisen asteikon rakentamiseen, joka on riippumaton lämpömittarin kappaleiden ominaisuuksista. Tämän idean käytännön toteutus osoittautui kuitenkin mahdottomaksi. 1800-luvun alussa etsiessään "absoluuttista" laitetta lämpötilan mittaamiseen, he palasivat taas ideaan ideaalisesta kaasulämpömittarista, joka perustuu Gay-Lussacin ja Charlesin ihanteellisten kaasujen lakeihin. Kaasulämpömittari oli pitkään ainoa tapa toistaa absoluuttinen lämpötila. Uudet suunnat absoluuttisen lämpötila-asteikon toistamiseen perustuvat Stefan-Boltzmann-yhtälön käyttöön kosketuksettomassa lämpömetriassa ja Harry (Harry) Nyquistin yhtälön käyttöön kontaktilämpömetriassa.
Fyysinen perusta termodynaamisen lämpötila-asteikon rakentamiselle
1. Termodynaaminen lämpötila-asteikko voidaan periaatteessa rakentaa Carnot'n lauseen perusteella, jonka mukaan ihanteellisen lämpökoneen hyötysuhde ei riipu käyttönesteen laadusta ja moottorin rakenteesta, vaan riippuu vain lämmittimen ja jääkaapin lämpötilat.
η = Q 1 − Q 2 Q 1 = T 1 − T 2 T 1 , (\displaystyle \eta =(\frac (Q_(1)-Q_(2))(Q_(1)))=(\frac ( T_(1)-T_(2))(T_(1))),)
missä Q 1 (\displaystyle Q_(1)) on lämpömäärä, jonka käyttöneste (ihanteellinen kaasu) vastaanottaa lämmittimestä, Q 2 (\displaystyle Q_(2)) on lämpömäärä, jonka käyttöneste antaa jääkaappi, T 1 , T 2 ( \displaystyle T_(1),T_(2)) - lämmittimen ja jääkaapin lämpötilat, vastaavasti.
Yllä olevasta yhtälöstä seuraa suhde:
Q 1 Q 2 = T 1 T 2 . (\displaystyle (\frac (Q_(1))(Q_(2)))=(\frac (T_(1))(T_(2))).)
Tätä suhdetta voidaan käyttää rakentamiseen absoluuttinen termodynaaminen lämpötila. Jos jokin Carnot-syklin Q 3 isotermisistä prosesseista (\displaystyle Q_(3)) suoritetaan veden kolmoispisteen (vertailupisteen) lämpötilassa, aseta mielivaltaisesti ─ T 3 = 273, 16 K, (\ näyttötyyli T_(3)=273(, )16\,K,) niin mikä tahansa muu lämpötila määritetään kaavalla T = 273, 16 Q Q 3 (\displaystyle T=273(,)16(\frac (Q)( Q_(3)))) . Tällä tavalla muodostettua lämpötila-asteikkoa kutsutaan termodynaaminen Kelvin-asteikko. Valitettavasti lämmön määrän mittaustarkkuus on alhainen, mikä ei mahdollista yllä kuvatun menetelmän toteuttamista käytännössä.
2. Absoluuttinen lämpötila-asteikko voidaan muodostaa, jos ideaalista kaasua käytetään lämpömittarina. Itse asiassa Clapeyron-yhtälö merkitsee suhdetta
T = pVR. (\displaystyle T=(\frac (pV)(R)).)
Jos mittaat kaasun paineen, joka on ominaisuuksiltaan lähellä ihannetta, ja joka sijaitsee tiiviissä tilavuudeltaan tiiviissä astiassa, niin voit tällä tavalla muodostaa lämpötila-asteikon, joka on ns. ideaalikaasu. Tämän asteikon etuna on, että ihanteellisen kaasun paine V = c o n s t (\displaystyle V=const) vaihtelee lineaarisesti lämpötilan mukaan. Koska jopa erittäin harvinaiset kaasut eroavat ominaisuuksiltaan jonkin verran ideaalisesta kaasusta, ideaalikaasuasteikon toteuttamiseen liittyy tiettyjä vaikeuksia.
3. Useat termodynamiikan oppikirjat osoittavat, että ideaalisella kaasuasteikolla mitattu lämpötila on sama kuin termodynaaminen lämpötila. On kuitenkin syytä tehdä varaus: huolimatta siitä, että numeerisesti termodynaaminen ja ideaalisen kaasun asteikot ovat täysin identtisiä, niiden välillä on laadullisesta näkökulmasta perustavanlaatuinen ero. Vain termodynaaminen asteikko on täysin riippumaton lämpömittarin ominaisuuksista.
4. Kuten jo todettiin, termodynaamisen asteikon sekä ihanteellisen kaasuasteikon tarkka toisto on täynnä vakavia vaikeuksia. Ensimmäisessä tapauksessa on tarpeen mitata huolellisesti lämmön määrä, joka syötetään ja poistetaan ihanteellisen lämpömoottorin isotermisissa prosesseissa. Tällainen mittaus on epätarkka. Termodynaamisen (ideaalikaasun) lämpötila-asteikon toistaminen alueella 10-1337 K on mahdollista kaasulämpömittarilla. Korkeammissa lämpötiloissa todellisen kaasun diffuusio säiliön seinien läpi on havaittavissa, ja useiden tuhansien asteiden lämpötiloissa polyatomiset kaasut hajoavat atomeiksi. Vielä korkeammissa lämpötiloissa todelliset kaasut ionisoituvat ja muuttuvat plasmaksi, joka ei noudata Clapeyron-yhtälöä. Alin lämpötila, joka voidaan mitata heliumilla täytetyllä kaasulämpömittarilla matalassa paineessa, on 1 K. Kaasulämpömittarien kykyjä ylittävien lämpötilojen mittaamiseen käytetään erityisiä mittausmenetelmiä. Katso lisätietoja. Lämpömittari.
Jähmepisteen määritys
Tärkeimmät häiriöt polttoaineen syöttöjärjestelmässä alhaisissa lämpötiloissa liittyvät polttoaineen samepisteeseen ja jähmepisteeseen. Toisin kuin bensiini, dieselpolttoaineet voivat sisältää melko paljon korkean sulamispisteen omaavia hiilivetyjä, pääasiassa parafiinisia (alkaanisia) ja aromaattisia hiilivetyjä.
Lämpötilan laskiessa polttoaineesta putoaa eniten sulavia hiilivetyjä erimuotoisina kiteinä ja polttoaine samenee. Korkeinta lämpötilaa, jossa polttoaine menettää läpinäkyvyytensä, kutsutaan pilvipiste. Samalla polttoaine ei menetä juoksevuuttaan. Viskositeettiarvo nousee hieman lämpötilan noustessa, mutta karkean suodattimen läpi tunkeutuvat kiteet muodostavat hienosuodattimelle polttoainetta läpäisemättömän kalvon, joka johtaa polttoaineen syötön pysähtymiseen. Sameuspisteen tulee yleensä olla 3-5 °C ympäristön lämpötilaa alhaisempi. Dieselpolttoaineen edelleen jäähtyessä yksittäiset kiteet sulautuvat kehykseksi, joka läpäisee koko polttoaineen ja sitoo sen. Polttoaine menettää juoksevuutensa.
Polttoaineen edelleen jäähtyessä korkeassa lämpötilassa sulavien hiilivetyjen kiteet alkavat yhdistyä muodostaen avaruudellisen hilan, jonka kennoihin jää nestemäisiä hiilivetyjä. Sitten tuloksena oleva rakenne vahvistuu niin, että polttoaine menettää juoksevuutensa - se jähmettyy. Korkeinta lämpötilaa, jossa polttoaine menettää juoksevuuden, kutsutaan jähmepisteeksi. Sen tulisi olla 8-12 °C ympäristön lämpötilaa alhaisempi. Kaatopiste Lämpötila, jossa koeputkeen kaadettu dieselpolttoaine tietyissä olosuhteissa jäähdytettynä ei muuta meniskin asentoa 1 minuutin sisällä, kun koeputkea kallistetaan 45°:n kulmassa pystysuoraan nähden (GOST 20287- 91). Dieselpolttoaineen jähmepiste on ehdollinen arvo ja se toimii vain ohjeena määritettäessä polttoaineen käyttöolosuhteita.
Laitteet:
laite polttoaineen samepisteen määrittämiseksi; laboratorio kolmijalka; reagenssit seosten jäähdyttämiseen (suola-jää lämpötiloihin -20 °C asti; alkoholi ja hiilidioksidi - kuivajää - alle -20 °C lämpötiloihin); koeputki; polttoainenäyte; rikkihappo.
Riisi. 2.3. Laite polttoaineen samepisteen ja jähmettymispisteen määrittämiseksi: 1 - ulkoinen koeputki; 2 - sisäinen koeputki; 3 - pistoke; 4 - lämpömittari; 5 - sekoitin
Työmääräys:
Polttoaineen samepisteen määrittämisen ydin on syväjäähdyttää sitä ja tarkkailla visuaalisesti sen kunnon muutoksia. Jähmettymispisteen määrittämisen ydin on polttoaineen syväjäähdyttäminen niin, että sen liikkuvuus heikkenee.
1. Sekoita testattava polttoaine huolellisesti ja kaada se sisempään koeputkeen merkkiin asti (40 mm pohjasta on merkki). Sulje koeputki korkkitulpalla ja lämpömittarilla. Aseta lämpömittari niin, että sen elohopeapallo on koeputkessa 15 mm:n etäisyydellä pohjasta ja yhtä etäisyydellä seinistä.
2. Kaada testipolttoaine toiseen koeputkeen, jota käytetään läpinäkyvyysstandardina.
3. Täytä laiteastia jäähdytysseoksella, jonka taso tulee pitää 30-40 mm koeputken polttoainetason yläpuolella. Jäähdytysseoksen lämpötilan on testauksen aikana aina oltava 15±2 °C testattavan polttoaineen lämpötilaa alhaisempi.
4. Kiinnitä sisäputki polttoaineella ja lämpömittarilla ulkoputkeen. Sisäseinien huurtumisen välttämiseksi koeputkien väliin kaadetaan 0,5-1,0 ml rikkihappoa.
5. Aseta koottu laite jäähdytysseokseen. Sekoita polttoainetta koko ajan jäähdyttäen.
6. 5 °C ennen odotettua sameuspistettä, poista koeputki jäähdytysseoksesta, pyyhi nopeasti alkoholiin kostutetulla puuvillavillalla ja vertaa standardiin. Vertailumäärityksen kesto on enintään 12 s.
7. Jos polttoaine ei ole muuttunut läpinäkyvään standardiin verrattuna, koeputki lasketaan jälleen instrumenttiastiaan ja jatkotarkastuksia suoritetaan joka aste, alentaen polttoaineen lämpötilaa. Näitä vertailevia havaintoja läpinäkyvän standardin kanssa tehdään, kunnes polttoaine alkaa poiketa standardista, eli kun siihen ilmaantuu sameutta. Kun määrität tuntemattoman polttoainenäytteen sameuspistettä, määritä ensin näiden lämpötilojen arvot suunnilleen tarkkailemalla polttoaineen tilaa 5 °C:n välein.
8. Polttoaineen jähmettymispisteen määrittämiseksi kohtien 1 ja 2 mukaisesti valmistele laite, jossa on testattava dehydratoitu (käyttäen juuri kalsinoitua kalsiumkloridia) polttoainetta. Aseta valmistettu laite astiaan, jossa on jäähdytysnestettä. Jäähdytysseoksen lämpötilan tulee olla 5 °C polttoaineen odotetun jähmettymispisteen alapuolella.
9. Irrottamatta sitä jäähdytysseoksesta, kallista laitetta 45° kulmaan ja pidä sitä tässä asennossa minuutin ajan, kunnes koepolttoaine koeputkessa saavuttaa jähmettymispistettään vastaavan lämpötilan.
10. Poista koeputki jäähdytysseoksesta, pyyhi seinät alkoholiin kostutetulla vanulla ja tarkkaile, onko polttoainemeniski siirtynyt. Jos meniski ei ole siirtynyt, polttoaine pysyy jäässä ja päinvastoin. Jos polttoaineen lämpötilaa ei tunneta edes likimääräisesti, meniskin siirtymätesti suoritetaan joka 5 °C polttoaineen lämpötilan lasku. Tässä tapauksessa seoksen lämpötila pidetään 4-5° polttoaineen lämpötilan alapuolella. Palauta laite ja työpaikka testin jälkeen alkuperäisille paikoilleen. Vertaa saatua lämpötilaa GOST-indikaattoreihin.
Dieselpolttoaineen setaaniluvun määritys laskentamenetelmällä
Dieselpolttoaineen itsesyttymiskykyä arvioidaan setaaniluvulla (CN). Nopeiden dieselmoottoreiden polttoaineiden itsesyttymisen arviointimenetelmä on samanlainen kuin bensiinin räjähdyskestävyyden arviointimenetelmä. Itsesyttymisen määrittämisessä vertailupolttoaineiksi valitaan kaksi hiilivetyä: setaani C16H34 ja alfametyylinaftaleeni C10H7CH3. Ensimmäisen hiilivedyn spontaanin syttymisen arvo on tavanomaisesti 100, toisen - 0. Sekoitamalla niitä saadaan sekoitus, jossa on itsestään syttyminen 0-100. setaaniluku kutsutaan ehdolliseksi indikaattoriksi, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin setaanin prosenttiosuus sen seoksessa alfametyylinaftaleenin kanssa, joka spontaanin syttymisen suhteen vastaa testinäytettä.
Dieselpolttoaineen setaaniluku määritetään flash coincidence -menetelmällä (kuva 2.4).
Nykyaikaisten moottoreiden häiriöttömään toimintaan tarvitaan polttoainetta, jonka setaaniluku on vähintään 45 kesällä ja 50 talvella. Kun setaaniluku on alle 45, dieselmoottorit toimivat ankarasti, etenkin talvella, ja yli 45 - pehmeästi. Sellaisten polttoaineiden käyttö, joiden setaaniluku on yli 60, on kuitenkin kannattamatonta, koska toiminnan vakavuus muuttuu merkityksettömästi ja polttoaineen ominaiskulutus kasvaa. Jälkimmäinen selittyy sillä, että kun keskustaajuus nousee yli 55:n, sytytysviivejakso (aika hetkestä hetkestä, jolloin polttoaine syötetään moottorin sylinteriin palamisen alkamiseen) on niin pieni, että polttoaine syttyy suuttimen lähellä. , ja injektiokohdasta kauempana oleva ilma ei juuri osallistu prosessin palamiseen. Tämän seurauksena polttoaine ei pala kokonaan ja moottorin hyötysuhde heikkenee.
Dieselpolttoaine ei aina tuota tarvittavaa itsesyttymistä, joten setaanilukua on nostettava. On olemassa kaksi päämenetelmää: kemiallisen koostumuksen muuttaminen ja erityisten lisäaineiden lisääminen.
Mitä tulee moottorin kylmäkäynnistyksen luotettavuuteen erilaisissa ympäristön lämpötiloissa, se riippuu enemmän moottorin rakenteesta ja käynnistystavasta kuin polttoaineen CN:stä. Polttokammion lämpötiloissa alle 350-400 °C palava seos ei enää pysty syttymään. Dieselkampiakselin minimikäynnistysnopeuden tulee olla 100-120 min-1. Ja mitä korkeampi käynnistystaajuus, sitä korkeampi on paineilman lämpötila ja siten moottorin käynnistysolosuhteet.
Setaaniluku riippuu dieselpolttoaineen muodostavien hiilivetyjen pitoisuudesta ja rakenteesta. Alkaanien setaaniluvut ovat korkeimmat aromaattisilla hiilivedyillä. Dieselpolttoaineen hiilivedyt on järjestetty keskusnumeron mukaan seuraavasti: 1 - alkaanit, 2 - sykloalkaanit, 3 - isoalkaanit, 4 - aromaattiset hiilivedyt. Hiiliatomien määrän kasvu hiilivetymolekyyleissä johtaa setaaniluvun kasvuun. Siten n-alkaanien pitoisuuden kasvu johtaa CN:n nousuun. N-alkaaneilla on kuitenkin korkea kiteytyslämpötila, mikä johtaa dieselpolttoaineen alhaisen lämpötilan ominaisuuksien huononemiseen.
Erityisten happea sisältävien lisäaineiden lisääminen dieselpolttoaineeseen helpottaa aktiivisen hapen vapautumista. Tällaisia lisäaineita ovat orgaaniset peroksidit, typpihapon esterit, jotka tullessaan polttokammioon nopeuttavat peroksidien muodostumista, joiden hajoaminen nopeuttaa itsesyttymisprosessia. Siten 1 % isopropyylinitraatin lisäys lisää keskilukua 10-12 yksikköä ja parantaa dieselmoottorien käynnistysominaisuuksia talvella. Polttoaineen setaaniluvun ja sen oktaaniluvun välillä on empiirinen suhde.
CN = 60 - OC / 2, (2.4)
jossa CN on setaaniluku; OC - oktaaniluku.
Mitä suurempi oktaaniluku, sitä pienempi sen setaaniluku ja päinvastoin. Siksi bensiinijakeiden lisääminen dieselpolttoaineeseen johtaa aina sen setaaniluvun laskuun.
Setaaniluku voidaan laskea likimääräisesti kaavalla (tulos eroaa todellisesta 2-3 yksikköä):
Ts.Ch. = 1,5879 · (ν 20 + 17,8) / ρ 20, (2,5)
jossa ν 20 on polttoaineen viskositeetti cSt:nä 20 °C:ssa; ρ 20 - polttoaineen tiheys 20 °C:ssa, g/cm3.
Mikä on lämpötila?
Vastauksia, kuten "kehonlämpömitta", ei hyväksytä))))))
Vitalik Obukhov
Lämpötila (latinasta temperatura - oikea sekoitus, normaalitila) on fysikaalinen suure, joka likimain luonnehtii makroskooppisen järjestelmän hiukkasten keskimääräistä kineettistä energiaa yhtä vapausastetta kohden, joka on termodynaamisen tasapainon tilassa.
SI-järjestelmässä lämpötila mitataan kelvineinä. Mutta käytännössä celsiusasteita käytetään usein, koska ne liittyvät veden tärkeisiin ominaisuuksiin - jään sulamislämpötilaan (0 ° C) ja kiehumispisteeseen (100 ° C). Tämä on kätevää, koska useimmat ilmastoprosessit, villieläinten prosessit jne. liittyvät tähän alueeseen.
On myös Fahrenheit-asteikkoja ja joitain muita.
Lämpötila on molekyylikineettisestä näkökulmasta fysikaalinen suure, joka luonnehtii järjestelmän koko hiukkasjoukon kaoottisen, lämpöliikkeen intensiteettiä ja on verrannollinen yhden hiukkasen translaatioliikkeen keskimääräiseen kineettiseen energiaan.
Kineettisen energian, massan ja nopeuden välinen suhde ilmaistaan seuraavalla kaavalla:
Ek = 1/2 m v 2
Siten hiukkasilla, joilla on sama massa ja joilla on sama nopeus, on myös sama lämpötila.
Hiukkasen keskimääräinen kineettinen energia liittyy Boltzmannin vakion termodynaamiseen lämpötilaan:
Eav = i/2kBT
Missä:
i - vapausasteiden lukumäärä
kB = 1,380 6505(24) × 10-23 J/K - Boltzmannin vakio
T - lämpötila;
Lämpötila on käänteisluku järjestelmän entropian (häiriöasteen) muutoksista, kun järjestelmään lisätään yksikkömäärä lämpöä: 1/T = ΔS/ΔQ.
[muokkaa] Termodynaamisen lähestymistavan historia
Sana "lämpötila" syntyi noina aikoina, jolloin ihmiset uskoivat, että kuumemmissa kehoissa oli suurempi määrä erityistä ainetta - kaloreita - kuin vähemmän lämmitetyissä. Siksi lämpötilaa pidettiin kehon aineen ja kalorien seoksen vahvuutena. Tästä syystä alkoholijuomien vahvuuden ja lämpötilan mittayksiköitä kutsutaan samoiksi - asteiksi.
Tasapainotilassa lämpötilalla on sama arvo kaikille järjestelmän makroskooppisille osille. Jos järjestelmän kahdella kappaleella on sama lämpötila, hiukkasten kineettistä energiaa (lämpöä) ei siirretä niiden välillä. Jos lämpötilaero on, lämpö siirtyy korkeammasta kappaleesta alhaisemman lämpötilan omaavaan kappaleeseen, koska kokonaisentropia kasvaa.
Lämpötila liittyy myös subjektiivisiin "lämmin" ja "kylmän" tuntemuksiin, jotka liittyvät siihen, luovuttaako tai vastaanottaako elävä kudos lämpöä.
Jotkut kvanttimekaaniset järjestelmät voivat olla tilassa, jossa entropia ei kasva, vaan pienenee energian lisäyksen myötä, mikä muodollisesti vastaa negatiivista absoluuttista lämpötilaa. Tällaiset tilat eivät kuitenkaan ole "absoluuttisen nollan alapuolella", vaan "äärettömyyden yläpuolella", koska kun tällainen järjestelmä joutuu kosketuksiin kehon kanssa, jonka lämpötila on positiivinen, energia siirtyy järjestelmästä kehoon, eikä päinvastoin (sillä. lisätietoja, katso Kvanttitermodynamiikka).
Lämpötilan ominaisuuksia tutkii fysiikan ala - termodynamiikka. Lämpötilalla on myös tärkeä rooli monilla tieteenaloilla, mukaan lukien muut fysiikan osa-alueet sekä kemia ja biologia.
Majava
Jos "sormilla", niin se on aineen hiukkasten keskimääräisen energian mitta. Jos puhumme kaasusta tai nesteestä - kineettisestä energiasta, jos kiinteästä aineesta, niin hilassa olevien hiukkasten värähtelyjen energiasta.
Tässä on tärkeää, että tämä on keskimääräisen energian mitta, eli jos hiukkasia on liian vähän, lämpötilan käsite menettää merkityksensä. Esimerkiksi avaruudessa: siellä kelluu kaikenlaisia hiukkasia, mutta niitä on liian vähän, jotta energian keskiarvoistaminen olisi järkevää.
Dmitri d.
Beaver kirjoitti periaatteessa oikein, vain hilassa olevien hiukkasten värähtelyt ovat myös liike-energiaa. , joten lyhin määritelmä on:
lämpötila on aineen rakenteellisten hiukkasten keskimääräisen kineettisen energian mitta.
Suunnitelma:
- Johdanto
- 1
Termodynaaminen määritelmä
- 1.1 Termodynaamisen lähestymistavan historia
- 2 Lämpötilan määritys tilastollisessa fysiikassa
- 3 Lämpötilan mittaus
- 4
Lämpötilayksiköt ja asteikko
- 4.1 Kelvinin lämpötila-asteikko
- 4,2 celsiusasteikko
- 4.3 Fahrenheit
- 5
Lämpöliikkeen energia absoluuttisessa nollapisteessä
- 5.1 Lämpötila ja säteily
- 5.2 Reaumur-asteikko
- 6 Siirtymiä eri asteikoista
- 7 Lämpötila-asteikkojen vertailu
- 8 Vaihemuutosten ominaisuudet
- 9 Mielenkiintoisia seikkoja Huomautuksia
Kirjallisuus
Johdanto
Lämpötila(alkaen lat. lämpötila- oikea sekoitus, normaalitila) on skalaarinen fysikaalinen suure, joka kuvaa makroskooppisen järjestelmän hiukkasten keskimääräistä kineettistä energiaa termodynaamisessa tasapainotilassa yhtä vapausastetta kohti.
Lämpötilan mitta ei ole itse liike, vaan tämän liikkeen kaoottisuus. Kehon tilan satunnaisuus määrää sen lämpötilatilan, ja tämä ajatus (jonka Boltzmann kehitti ensimmäisenä) siitä, että kehon tiettyä lämpötilatilaa ei määrää ollenkaan liikkeen energia, vaan tämän liikkeen satunnaisuus. , on uusi käsite lämpötila-ilmiöiden kuvauksessa, jota meidän on käytettävä ..
(P. L. Kapitsa)
Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI) termodynaaminen lämpötila on yksi seitsemästä perusyksiköstä ja ilmaistaan kelvineinä. Johdetut SI-suureet, joilla on erityinen nimi, sisältävät Celsius-lämpötilan celsiusasteina mitattuna. Käytännössä celsiusasteita käytetään usein, koska niillä on historiallinen yhteys veden tärkeisiin ominaisuuksiin - jään sulamispisteeseen (0 °C) ja kiehumispisteeseen (100 °C). Tämä on kätevää, koska useimmat ilmastoprosessit, villieläinten prosessit jne. liittyvät tähän alueeseen. Yhden Celsius-asteen lämpötilan muutos vastaa yhden Kelvinin lämpötilan muutosta. Siksi uuden kelvinin määritelmän käyttöönoton jälkeen vuonna 1967 veden kiehumispiste lakkasi toimimasta vakiona vertailupisteenä, ja kuten tarkat mittaukset osoittavat, se ei ole enää 100 °C, vaan lähellä 99,975. °C.
On myös Fahrenheit-asteikkoja ja joitain muita.
1. Termodynaaminen määritelmä
Tasapainotilan olemassaoloa kutsutaan termodynamiikan ensimmäiseksi alkuasemaksi. Termodynamiikan toinen lähtökohta on väite, että tasapainotilaa luonnehtii tietty määrä, joka kahden tasapainojärjestelmän termisessä kosketuksessa muuttuu niille energianvaihdon seurauksena samaksi. Tätä määrää kutsutaan lämpötilaksi.
1.1. Termodynaamisen lähestymistavan historia
Sana "lämpötila" syntyi noina aikoina, jolloin ihmiset uskoivat, että kuumemmissa kehoissa oli suurempi määrä erityistä ainetta - kaloreita - kuin vähemmän lämmitetyissä. Siksi lämpötilaa pidettiin kehon aineen ja kalorien seoksen vahvuutena. Tästä syystä alkoholijuomien vahvuuden ja lämpötilan mittayksiköitä kutsutaan samoiksi - asteiksi.
Tasapainotilassa lämpötilalla on sama arvo kaikille järjestelmän makroskooppisille osille. Jos järjestelmän kahdella kappaleella on sama lämpötila, hiukkasten kineettistä energiaa (lämpöä) ei siirretä niiden välillä. Jos lämpötilaero on, lämpö siirtyy korkeammasta kappaleesta alhaisemman lämpötilan omaavaan kappaleeseen, koska kokonaisentropia kasvaa.
Lämpötila liittyy myös subjektiivisiin "lämmin" ja "kylmän" tuntemuksiin, jotka liittyvät siihen, luovuttaako tai vastaanottaako elävä kudos lämpöä.
Jotkut kvanttimekaaniset järjestelmät voivat olla tilassa, jossa entropia ei kasva vaan pienenee energian lisäyksen myötä, mikä muodollisesti vastaa negatiivista absoluuttista lämpötilaa. Tällaiset tilat eivät kuitenkaan ole "absoluuttisen nollan alapuolella", vaan "äärettömyyden yläpuolella", koska kun tällainen järjestelmä joutuu kosketukseen kehon kanssa, jonka lämpötila on positiivinen, energia siirtyy järjestelmästä kehoon, eikä päinvastoin (sillä. lisätietoja, katso Kvanttitermodynamiikka).
Lämpötilan ominaisuuksia tutkii fysiikan ala - termodynamiikka. Lämpötilalla on tärkeä rooli myös monilla tieteenaloilla, mukaan lukien muut fysiikan osa-alueet sekä kemia ja biologia.
2. Lämpötilan määritys tilastollisessa fysiikassa
Tilastollisessa fysiikassa lämpötila määräytyy kaavan mukaan
,missä S on entropia, E on termodynaamisen järjestelmän energia. Tällä tavalla annettu arvo T on sama eri kappaleille termodynaamisessa tasapainossa. Kun kaksi kappaletta joutuvat kosketuksiin, kappale, jolla on suuri T-arvo, siirtää energiaa toiselle.
3. Lämpötilan mittaus
Termodynaamisen lämpötilan mittaamiseksi valitaan tietty termometrisen aineen termodynaaminen parametri. Tämän parametrin muutos liittyy selvästi lämpötilan muutokseen. Klassinen esimerkki termodynaamisesta lämpömittarista on kaasulämpömittari, jossa lämpötila määritetään mittaamalla kaasun painetta vakiotilavuudellisessa sylinterissä. Absoluuttiset säteily-, melu- ja akustiset lämpömittarit tunnetaan myös.
Termodynaamiset lämpömittarit ovat hyvin monimutkaisia yksiköitä, joita ei voida käyttää käytännön tarkoituksiin. Siksi useimmat mittaukset tehdään käytännöllisillä lämpömittareilla, jotka ovat toissijaisia, koska ne eivät voi suoraan yhdistää mitään aineen ominaisuutta lämpötilaan. Interpolointifunktion saamiseksi ne on kalibroitava kansainvälisen lämpötila-asteikon vertailupisteissä. Tarkin käytännöllinen lämpömittari on platinavastuslämpömittari. Lämpötilamittauslaitteet kalibroidaan usein suhteellisilla asteikoilla - Celsius tai Fahrenheit.
Käytännössä myös lämpötila mitataan
- nestemäiset ja mekaaniset lämpömittarit,
- lämpöpari,
- vastuslämpömittari,
- kaasulämpömittari,
- pyrometri.
Uusimmat lämpötilan mittausmenetelmät on kehitetty lasersäteilyn parametrien mittaamiseen perustuen.
4. Lämpötilan mittausyksiköt ja asteikko
Koska lämpötila on molekyylien kineettinen energia, on selvää, että on luonnollisinta mitata se energiayksiköissä (eli SI-järjestelmässä jouleina). Lämpötilan mittaus aloitettiin kuitenkin kauan ennen molekyylikineettisen teorian luomista, joten käytännölliset asteikot mittaavat lämpötilaa tavanomaisissa yksiköissä - asteissa.
4.1. Kelvinin lämpötila-asteikko
Absoluuttisen lämpötilan käsitteen esitteli W. Thomson (Kelvin), ja siksi absoluuttista lämpötila-asteikkoa kutsutaan Kelvinin asteikoksi tai termodynaamiseksi lämpötila-asteikoksi. Absoluuttisen lämpötilan yksikkö on kelvin (K).
Absoluuttista lämpötila-asteikkoa kutsutaan ns. siksi, että lämpötilan alarajan perustilan mitta on absoluuttinen nolla, eli alin mahdollinen lämpötila, jossa aineesta ei periaatteessa voida ottaa lämpöenergiaa.
Absoluuttinen nolla määritellään 0 K:ksi, joka on −273,15 °C (täsmälleen).
Kelvinin lämpötila-asteikko on asteikko, joka alkaa absoluuttisesta nollasta.
Erittäin tärkeätä on Kelvinin termodynaamiseen asteikkoon perustuvien kansainvälisten käytännön asteikkojen kehittäminen, jotka perustuvat referenssipisteisiin - puhtaiden aineiden faasisiirtymiin, jotka määritetään primaarisilla lämpömittausmenetelmillä. ITS-27 otti käyttöön ensimmäisen kansainvälisen lämpötila-asteikon vuonna 1927. Vuodesta 1927 lähtien asteikkoa on määritelty uudelleen useita kertoja (MTSh-48, MPTS-68, MTSh-90): vertailulämpötilat ja interpolointimenetelmät ovat muuttuneet, mutta periaate pysyy samana - asteikon perusta on joukko vaihemuutoksia puhtaista aineista tietyillä termodynaamisilla lämpötiloilla ja interpolointiinstrumenteilla, jotka on kalibroitu näissä kohdissa. ITS-90-asteikko on tällä hetkellä voimassa. Pääasiakirjassa (Asteikon säännökset) määritellään Kelvinin määritelmä, faasimuutoslämpötilojen arvot (vertailupisteet) ja interpolointimenetelmät.
Arkielämässä käytettävät lämpötila-asteikot - sekä Celsius että Fahrenheit (käytetään pääasiassa USA:ssa) - eivät ole absoluuttisia ja siksi hankalia suoritettaessa kokeita olosuhteissa, joissa lämpötila laskee alle veden jäätymispisteen, minkä vuoksi lämpötila on ilmaistava negatiivisena. määrä. Tällaisia tapauksia varten otettiin käyttöön absoluuttiset lämpötila-asteikot.
Yksi niistä on nimeltään Rankinen asteikko, ja toinen on absoluuttinen termodynaaminen asteikko (Kelvin-asteikko); niiden lämpötilat mitataan Rankine-asteina (°Ra) ja kelvineinä (K). Molemmat asteikot alkavat absoluuttisesta nollalämpötilasta. Ne eroavat toisistaan siinä, että yhden jaon hinta Kelvin-asteikolla on yhtä suuri kuin Celsius-asteikon jaon hinta ja yhden jaon hinta Rankinen asteikolla vastaa lämpömittarien jaon hintaa Fahrenheit-asteikolla. Veden jäätymispiste normaalissa ilmanpaineessa vastaa 273,15 K, 0 °C, 32 °F.
Kelvin-asteikko on sidottu veden kolmoispisteeseen (273,16 K), ja Boltzmannin vakio riippuu siitä. Tämä aiheuttaa ongelmia korkeiden lämpötilojen mittausten tulkinnan tarkkuudessa. BIPM harkitsee nyt mahdollisuutta siirtyä uuteen Kelvinin määritelmään ja kiinnittää Boltzmannin vakion kolmipistelämpötilan sijaan. .
4.2. Celsius
Tekniikassa, lääketieteessä, meteorologiassa ja jokapäiväisessä elämässä käytetään Celsius-asteikkoa, jossa veden kolmoispisteen lämpötila on 0,008 °C, ja siksi veden jäätymispiste paineessa 1 atm on 0 °. C. Tällä hetkellä Celsius-asteikko määritetään Kelvin-asteikolla: yhden Celsius-asteikon jaon hinta on yhtä suuri kuin Kelvin-asteikon jaon hinta, t(°C) = T(K) - 273,15. Niinpä veden kiehumispiste, jonka Celsius valitsi alun perin vertailupisteeksi 100 °C, on menettänyt merkityksensä, ja nykyaikaisten arvioiden mukaan veden kiehumispiste on normaalissa ilmanpaineessa noin 99,975 °C Celsius-asteikko on käytännössä erittäin kätevää, koska vesi on hyvin levinnyt planeetallamme ja elämämme perustuu siihen. Nolla Celsius on meteorologian erityinen piste, koska se liittyy ilmakehän veden jäätymiseen. Anders Celsius ehdotti mittakaavaa vuonna 1742.
4.3. Fahrenheit
Englannissa ja erityisesti USA:ssa käytetään Fahrenheit-asteikkoa. Nolla celsiusastetta on 32 Fahrenheit-astetta ja Fahrenheit-aste on 9/5 celsiusastetta.
Fahrenheit-asteikon nykyinen määritelmä on seuraava: se on lämpötila-asteikko, jossa 1 aste (1 °F) on yhtä suuri kuin 1/180 erosta veden kiehumispisteen ja jään sulamislämpötilan välillä ilmakehän paineessa, ja jään sulamispiste on +32 °F. Lämpötila Fahrenheit-asteikolla suhteutetaan Celsius-asteikon lämpötilaan (t °C) suhteella t °C = 5/9 (t °F - 32), t °F = 9/5 t °C + 32. Ehdotettu G. Fahrenheit vuonna 1724.
5. Lämpöliikkeen energia absoluuttisessa nollassa
Aineen jäähtyessä monet lämpöenergian muodot ja niihin liittyvät vaikutukset vähenevät samanaikaisesti. Aine siirtyy vähemmän järjestyneestä tilasta järjestynempään.
... moderni käsite absoluuttisesta nollasta ei ole absoluuttisen levon käsite, päinvastoin, absoluuttisessa nollassa voi tapahtua liikettä - ja se on olemassa, mutta se on täydellisen järjestyksen tila.
P. L. Kapitsa (Nestemäisen heliumin ominaisuudet)
Kaasu muuttuu nesteeksi ja kiteytyy sitten kiinteäksi aineeksi (helium, jopa absoluuttisessa nollassa, pysyy nestemäisessä tilassa ilmakehän paineessa). Atomien ja molekyylien liike hidastuu, niiden liike-energia pienenee. Useimpien metallien vastus pienenee johtuen elektronien sironnan vähenemisestä kidehilan atomeissa, jotka värähtelevät pienemmällä amplitudilla. Siten jopa absoluuttisessa nollassa johtavuuselektronit liikkuvat atomien välillä Fermi-nopeudella, joka on suuruusluokkaa 1 × 10 6 m/s.
Lämpötila, jossa ainehiukkasilla on vähimmäisliikettä, joka säilyy vain kvanttimekaanisen liikkeen ansiosta, on absoluuttisen nollan lämpötila (T = 0K).
Absoluuttista nollalämpötilaa ei voida saavuttaa. Natriumatomien Bose-Einstein-kondensaatin alin lämpötila (450 ± 80) × 10 -12 K saatiin vuonna 2003 MIT:n tutkijoiden toimesta. Tässä tapauksessa lämpösäteilyn huippu sijaitsee aallonpituusalueella, joka on luokkaa 6400 km, eli suunnilleen Maan säteellä.
5.1. Lämpötila ja säteily
Kehon lähettämä energia on verrannollinen sen lämpötilan neljänteen potenssiin. Joten 300 K:n lämpötilassa neliömetristä pintaa säteilee jopa 450 wattia. Tämä selittää esimerkiksi maan pinnan jäähtymisen yöllä ympäristön lämpötilan alapuolelle. Absoluuttisen mustan kappaleen säteilyenergiaa kuvaa Stefan-Boltzmannin laki
5.2. Reaumur-asteikko
Ehdotuksen teki vuonna 1730 R. A. Reaumur, joka kuvasi keksimänsä alkoholilämpömittarin.
Yksikkö on Reaumur-aste (°R), 1 °R on yhtä suuri kuin 1/80 viitepisteiden - jään sulamislämpötilan (0 °R) ja veden kiehumispisteen (80 °R) välisestä lämpötilavälistä.
1 °R = 1,25 °C.
Tällä hetkellä vaaka on jäänyt pois käytöstä, se säilyi pisimpään kirjailijan kotimaassa Ranskassa.
6. Siirtymät eri asteikoista
7. Lämpötila-asteikkojen vertailu
| Kuvaus | Kelvin | Celsius | Fahrenheit | Rankin | Delisle | Newton | Reaumur | Roemer |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Absoluuttinen nolla | 0 | −273.15 | −459.67 | 0 | 559.725 | −90.14 | −218.52 | −135.90 |
| Fahrenheit-seoksen sulamislämpötila (suolaa ja jäätä yhtä paljon) | 255.37 | −17.78 | 0 | 459.67 | 176.67 | −5.87 | −14.22 | −1.83 |
| Veden jäätymispiste (normaalit olosuhteet) | 273.15 | 0 | 32 | 491.67 | 150 | 0 | 0 | 7.5 |
| Ihmisen keskimääräinen ruumiinlämpö¹ | 310.0 | 36.6 | 98.2 | 557.9 | 94.5 | 12.21 | 29.6 | 26.925 |
| Veden kiehumispiste (normaalit olosuhteet) | 373.15 | 100 | 212 | 671.67 | 0 | 33 | 80 | 60 |
| Sulavaa titaania | 1941 | 1668 | 3034 | 3494 | −2352 | 550 | 1334 | 883 |
| Auringon pinta | 5800 | 5526 | 9980 | 10440 | −8140 | 1823 | 4421 | 2909 |
¹ Ihmiskehon normaali keskilämpötila on 36,6 °C ±0,7 °C tai 98,2 °F ±1,3 °F. Yleisesti noteerattu arvo 98,6 °F on tarkka muunnos Fahrenheitiksi 1800-luvun saksalaisesta arvosta 37 °C. Tämä arvo ei kuitenkaan ole normaalin keskimääräisen ihmiskehon lämpötilan alueella, koska kehon eri osien lämpötila on erilainen.
Jotkut tämän taulukon arvot on pyöristetty.
8. Vaihemuutosten ominaisuudet
Eri aineiden faasimuutospisteiden kuvaamiseen käytetään seuraavia lämpötila-arvoja:
- Sulamislämpötila
- Kiehumislämpötila
- Hehkutuslämpötila
- Sintrauslämpötila
- Synteesilämpötila
- Ilman lämpötila
- Maaperän lämpötila
- Homologinen lämpötila
- Kolmoispiste
- Debye-lämpötila (tyypillinen lämpötila)
- Curie lämpötila
9. Mielenkiintoisia faktoja
Maan alin lämpötila vuoteen 1910 −68 asti, Verhojansk
- Korkein ihmisen luoma lämpötila, ~10 biljoonaa. K (joka on verrattavissa maailmankaikkeuden lämpötilaan sen elinkaaren ensimmäisinä sekunteina) saavutettiin vuonna 2010 lyijy-ionien törmäyksessä, joka kiihdytettiin lähes valonnopeuksiin. Koe suoritettiin Large Hadron Colliderissa
- Korkein teoreettisesti mahdollinen lämpötila on Planckin lämpötila. Korkeampaa lämpötilaa ei voi olla olemassa, koska kaikki muuttuu energiaksi (kaikki subatomiset hiukkaset romahtavat). Tämä lämpötila on noin 1,41679(11) × 10 32 K (noin 142 non-miljoonaa K).
- Alimman ihmisen luoman lämpötilan saavuttivat vuonna 1995 yhdysvaltalaiset Eric Cornell ja Carl Wieman jäähdyttämällä rubidiumatomeja. . Se oli absoluuttisen nollan yläpuolella alle 1/170 K:n murto-osalla (5,9 × 10–12 K).
- Auringon pinnan lämpötila on noin 6000 K.
- Korkeampien kasvien siemenet pysyvät elinkelpoisina -269 °C:seen jäähtymisen jälkeen.
Huomautuksia
- GOST 8.417-2002. MÄÄRÄYKSIKÖT - nolik.ru/systems/gost.htm
- Lämpötilan käsite - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
- I. P. Bazarov. Thermodynamics, M., Higher School, 1976, s. 13-14.
- Platinum - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 vastuslämpömittari - päälaite MTSH-90.
- Laserlämpömetria - temperatures.ru/newmet/newmet.php?page=0
- MTSH-90 viitepisteet - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
- Uuden kelvinin määritelmän kehittäminen - temperatures.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
- D. A. Parshin, G. G. Zegrya Kriittinen piste. Kriittisessä tilassa olevan aineen ominaisuudet. Kolmoispiste. Toisen tyyppiset vaihesiirtymät. Menetelmät alhaisten lämpötilojen saavuttamiseksi. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. Tilastollinen termodynamiikka. Luento 11. Pietarin akateeminen yliopisto.
- Tietoja kehon lämpötilamittauksista - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (englanniksi)
- BBC News - Large Hadron Collider (LHC) tuottaa "mini-Big Bangin" - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
- Kaikkea kaikesta. Lämpötilatiedot - tem-6.narod.ru/weather_record.html
- Tieteen ihmeitä - www.seti.ee/ff/34gin.swf
Kirjallisuus
- B. I. Spassky Fysiikan historia Osa I - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Moskova: "Korkeakoulu", 1977.
- Sivukhin D.V. Termodynamiikka ja molekyylifysiikka. - Moskova: "Tiede", 1990.
Tämä tiivistelmä perustuu venäläisen Wikipedian artikkeliin. Synkronointi valmis 07/09/11 16:20:43
Samanlaisia abstrakteja:
