Stāsts
Vārds “temperatūra” radās tajos laikos, kad cilvēki uzskatīja, ka vairāk apsildāmos ķermeņos ir lielāks daudzums īpašas vielas - kaloriju - nekā mazāk sakarsētajos. Tāpēc temperatūra tika uztverta kā ķermeņa vielas un kaloriju maisījuma stiprums. Šī iemesla dēļ alkoholisko dzērienu stipruma un temperatūras mērvienības tiek sauktas par vienādām - grādiem.
Tā kā temperatūra ir molekulu kinētiskā enerģija, ir skaidrs, ka visdabiskāk to mērīt enerģijas vienībās (t.i., SI sistēmā džoulos). Taču temperatūras mērīšana sākās ilgi pirms molekulārās kinētiskās teorijas radīšanas, tāpēc praktiskie svari temperatūru mēra konvencionālās mērvienībās – grādos.
Kelvina skala
Termodinamikā tiek izmantota Kelvina skala, kurā temperatūru mēra no absolūtās nulles (stāvoklis, kas atbilst minimālajai teorētiski iespējamai ķermeņa iekšējai enerģijai), un viens kelvins ir vienāds ar 1/273,16 attāluma no absolūtās nulles līdz trīskāršajam punktam. ūdens (stāvoklis, kurā ledus, ūdens un ūdens pāri ir līdzsvarā). Boltzmana konstante tiek izmantota, lai pārvērstu kelvinus enerģijas vienībās. Tiek izmantotas arī atvasinātās mērvienības: kilokelvins, megakelvins, milikelvins utt.
Celsija
Ikdienā tiek izmantota Celsija skala, kurā 0 ir ūdens sasalšanas temperatūra, bet 100° ir ūdens viršanas temperatūra atmosfēras spiedienā. Tā kā ūdens sasalšanas un viršanas temperatūras nav precīzi noteiktas, Celsija skala pašlaik tiek definēta, izmantojot Kelvina skalu: Celsija grāds ir vienāds ar kelvinu, absolūtā nulle tiek uzskatīta par –273,15 °C. Celsija skala ir praktiski ļoti ērta, jo ūdens uz mūsu planētas ir ļoti izplatīts un uz tā balstās mūsu dzīve. Nulle pēc Celsija ir īpašs meteoroloģijas punkts, jo atmosfēras ūdens sasalšana būtiski maina visu.
Fārenheita
Anglijā un īpaši ASV izmanto Fārenheita skalu. Šī skala dala intervālu no aukstākās ziemas temperatūras pilsētā, kurā dzīvoja Fārenheita temperatūra, līdz cilvēka ķermeņa temperatūrai 100 grādos. Nulle grādi pēc Celsija ir 32 grādi pēc Fārenheita, un grāds pēc Fārenheita ir vienāds ar 5/9 grādiem pēc Celsija.
Pašreizējā Fārenheita skalas definīcija ir šāda: tā ir temperatūras skala, kurā 1 grāds (1 °F) ir vienāds ar 1/180 starpību starp ūdens viršanas temperatūru un ledus kušanas temperatūru atmosfēras spiedienā, un ledus kušanas temperatūra ir +32 °F. Fārenheita temperatūra ir saistīta ar Celsija temperatūru (t °C) ar attiecību t °C = 5/9 (t °F - 32), tas ir, temperatūras izmaiņas par 1 °F atbilst izmaiņām par 5/9 ° C. Ierosināja G. Fārenheits 1724. gadā.
Reaumur skala
1730. gadā ierosināja R. A. Reamurs, kurš aprakstīja viņa izgudroto spirta termometru.
Mērvienība ir Reaumur grāds (°R), 1°R ir vienāds ar 1/80 no temperatūras intervāla starp atskaites punktiem - ledus kušanas temperatūru (0°R) un ūdens viršanas temperatūru (80°R).
1 °R = 1,25 °C.
Pašlaik mērogs ir izkritis no lietošanas, tas visilgāk izdzīvojis autora dzimtenē.
|
Temperatūras pārvēršana starp galvenajām skalām |
|||
|
Kelvins |
Celsija |
Fārenheita |
|
|
Kelvins (K) |
C + 273,15 |
= (F + 459,67) / 1,8 |
|
|
Celsija (°C) |
K – 273,15 |
= (F – 32) / 1,8 |
|
|
Fārenheita (°F) |
K 1,8 − 459,67 |
C 1,8 + 32 |
|
Temperatūras skalu salīdzinājums
|
Apraksts |
Kelvins | Celsija |
Fārenheita |
Ņūtons | Reaumur |
|
Absolūtā nulle |
−273.15 |
−459.67 |
−90.14 |
−218.52 |
|
|
Fārenheita maisījuma kušanas temperatūra (sāls un ledus vienādos daudzumos) |
255.37 |
−17.78 |
−5.87 |
−14.22 |
|
| Ūdens sasalšanas punkts (normālos apstākļos) |
273.15 |
||||
|
Vidējā cilvēka ķermeņa temperatūra ¹ |
310.0 |
36.8 |
98.2 |
12.21 |
29.6 |
|
Ūdens viršanas temperatūra (normālos apstākļos) |
373.15 |
||||
| Saules virsmas temperatūra |
5800 |
5526 |
9980 |
1823 |
4421 |
¹ Normāla cilvēka ķermeņa temperatūra ir 36,6 °C ±0,7 °C vai 98,2 °F ±1,3 °F. Parasti norādītā vērtība 98,6 °F ir precīza 19. gadsimta Vācijas vērtības 37 °C pārvēršana Fārenheitā. Tā kā šī vērtība nav normālās temperatūras diapazonā saskaņā ar mūsdienu koncepcijām, mēs varam teikt, ka tā satur pārmērīgu (nepareizu) precizitāti. Dažas vērtības šajā tabulā ir noapaļotas.
Fārenheita un Celsija skalu salīdzinājums
(o F- Fārenheita skala, oC- Celsija skala)
|
oF |
oC |
oF |
oC |
oF |
oC |
oF |
oC |
|||
|
459.67 |
273.15 |
60 |
51.1 |
4 |
20.0 |
20 |
6.7 |
Lai pārvērstu grādus pēc Celsija uz Kelvinu, jums jāizmanto formula T=t+T 0 kur T ir temperatūra kelvinos, t ir temperatūra Celsija grādos, T 0 =273,15 kelvini. Celsija grāda izmērs ir vienāds ar Kelvinu.
Temperatūra ir fizikāls lielums, kas raksturo makroskopiskās sistēmas termodinamiskā līdzsvara stāvokli. Temperatūra ir vienāda visām izolētas sistēmas daļām, kas atrodas termodinamiskā līdzsvarā. Ja izolēta termodinamiskā sistēma nav līdzsvarā, tad laika gaitā enerģijas pāreja (siltuma padeve) no vairāk apsildāmām sistēmas daļām uz mazāk apsildāmām noved pie temperatūras izlīdzināšanas visā sistēmā (termodinamikas nulles likums). Līdzsvara apstākļos temperatūra ir proporcionāla ķermeņa daļiņu vidējai kinētiskajai enerģijai.
Temperatūru nevar izmērīt tieši. Temperatūras izmaiņas tiek vērtētas pēc citu ķermeņu fizikālo īpašību (tilpums, spiediens, elektriskā pretestība, emf, starojuma intensitāte utt.) izmaiņām, kas ir unikāli saistītas ar to (tā sauktās termodinamiskās īpašības). Jebkura temperatūras mērīšanas metode ietver temperatūras skalas noteikšanu.
Temperatūras mērīšanas metodes dažādiem mērīto temperatūru diapazoniem ir atšķirīgas, tās ir atkarīgas no mērīšanas apstākļiem un nepieciešamās precizitātes. Tos var iedalīt divās galvenajās grupās: kontakta un bezkontakta. Saskares metodēm ir raksturīgs tas, ka barotnes temperatūras mērīšanas ierīcei ir jābūt termiskā līdzsvarā ar to, t.i. ir tāda pati temperatūra kā viņai. Visu temperatūras mērīšanas instrumentu galvenās sastāvdaļas ir jutīgais elements, kurā tiek realizēta termometriskā īpašība, un ar elementu saistītā mērierīce.
Saskaņā ar ideālās gāzes molekulāri kinētisko teoriju temperatūra ir lielums, kas raksturo ideālās gāzes molekulu translācijas kustības vidējo kinētisko enerģiju. Ņemot vērā temperatūras termodinamisko nozīmi, jebkura ķermeņa temperatūras mērījumu varam reducēt līdz ideālas gāzes molekulu vidējās kinētiskās enerģijas mērīšanai.
Taču praksē pēc to ātruma mēra nevis molekulu enerģiju, bet gan gāzes spiedienu, kas ir tieši proporcionāls enerģijai.
Saskaņā ar ideālās gāzes molekulāri kinētisko teoriju, temperatūra T ir molekulu translācijas kustības vidējās kinētiskās enerģijas mērs:
Kur 
J/C– Bolcmaņa konstante;
T– absolūtā temperatūra Kelvinos.
Ideālas gāzes molekulārās kinētiskās teorijas pamatvienādojums, kas nosaka spiediena atkarību 
no gāzes molekulu translācijas kustības kinētiskās enerģijas ir šāda forma:
,
(2)
Kur 
– molekulu skaits tilpuma vienībā, t.i. koncentrācija.
Izmantojot (1) un (2) vienādojumu, iegūstam atkarību
(3)
starp spiedienu un temperatūru, kas ļauj noteikt, ka ideālās gāzes spiediens ir proporcionāls tās absolūtajai temperatūrai un molekulu koncentrācijai, kur
(4)
Temperatūras mērīšanas pamatā ir šādi divi eksperimentāli fakti:
a) ja ir divi ķermeņi, no kuriem katrs atrodas termiskā līdzsvarā ar vienu un to pašu trešo ķermeni, tad visiem trim ķermeņiem ir vienāda temperatūra;
b) temperatūras izmaiņas vienmēr pavada nepārtrauktas izmaiņas vismaz vienā no parametriem, neskaitot pašu temperatūru, kas raksturo ķermeņa stāvokli, piemēram: tilpums, spiediens, elektrovadītspēja utt. šie noteikumi ļauj salīdzināt dažādu ķermeņu temperatūras, pašam tos nesaskaroties.
Otrā pozīcija ļauj izvēlēties vienu no parametriem kā termometrisko.
Kopumā temperatūru definē kā enerģijas atvasinājumu kopumā attiecībā uz tās entropiju. Šādi definētā temperatūra vienmēr ir pozitīva (tā kā kinētiskā enerģija vienmēr ir pozitīva), to sauc par temperatūru vai temperatūru termodinamiskās temperatūras skalā un apzīmē T. SI (Starptautiskā vienību sistēma) absolūtās temperatūras mērvienība ir kelvins ( UZ). Skatiet sadaļu "Ievads". Temperatūra bieži tiek mērīta pēc Celsija skalas ( 
), tas ir saistīts ar T
(UZ) vienlīdzība
;
(5)
Kur 
– gāzes tilpuma izplešanās termiskais koeficients.
- Temperatūra (no latīņu valodas temperatura — pareiza sajaukšanās, normāls stāvoklis) ir fizikāls lielums, kas raksturo termodinamisko sistēmu un kvantitatīvi izsaka intuitīvu jēdzienu par dažādām ķermeņu sildīšanas pakāpēm.
Dzīvās būtnes spēj uztvert karstuma un aukstuma sajūtas tieši caur savām maņām. Tomēr, lai precīzi noteiktu temperatūru, temperatūra ir jāmēra objektīvi, izmantojot instrumentus. Šādas ierīces sauc par termometriem un mēra tā saukto empīrisko temperatūru. Empīriskajā temperatūras skalā tiek noteikti divi atskaites punkti un dalījumu skaits starp tiem - tā tika ieviestas šobrīd lietotās Celsija, Fārenheita un citas skalas. Kelvinos mērītā absolūtā temperatūra tiek ievadīta pa vienam atskaites punktam, ņemot vērā to, ka dabā ir noteikta minimālā temperatūras robeža - absolūtā nulle. Augšējo temperatūras vērtību ierobežo Planka temperatūra.
Ja sistēma atrodas termiskā līdzsvarā, tad visu tās daļu temperatūra ir vienāda. Pretējā gadījumā enerģija sistēmā tiek pārnesta no vairāk apsildāmajām sistēmas daļām uz mazāk apsildāmajām, izraisot temperatūru izlīdzināšanos sistēmā, un mēs runājam par temperatūras sadalījumu sistēmā vai skalāro temperatūras lauku. Termodinamikā temperatūra ir intensīvs termodinamisks lielums.
Līdztekus termodinamikai citās fizikas nozarēs var ieviest arī citas temperatūras definīcijas. Molekulārā kinētiskā teorija parāda, ka temperatūra ir proporcionāla sistēmas daļiņu vidējai kinētiskajai enerģijai. Temperatūra nosaka sistēmas daļiņu sadalījumu pēc enerģijas līmeņiem (skat. Maksvela - Bolcmana statistiku), daļiņu sadalījumu pēc ātrumiem (skat. Maksvela sadalījumu), vielas jonizācijas pakāpi (skat. Sahas vienādojumu), spektrālā starojuma blīvumu ( sk. Planka formulu), kopējais tilpuma starojuma blīvums (skat. Stefana-Bolcmaņa likumu) utt Temperatūra, kas iekļauta kā parametrs Bolcmaņa sadalījumā, bieži tiek saukta par ierosmes temperatūru, Maksvela sadalījumā - kinētisko temperatūru, Saha formulā - jonizāciju. temperatūra, Stefana-Bolcmaņa likumā - starojuma temperatūra. Sistēmai termodinamiskā līdzsvarā visi šie parametri ir vienādi viens ar otru, un tos vienkārši sauc par sistēmas temperatūru.
Starptautiskajā daudzumu sistēmā (ISQ) termodinamiskā temperatūra ir izvēlēta kā viens no septiņiem sistēmas fiziskajiem pamatlielumiem. Starptautiskajā vienību sistēmā (SI), kuras pamatā ir Starptautiskā vienību sistēma, šīs temperatūras mērvienība kelvins ir viena no septiņām SI bāzes vienībām. SI sistēmā un praksē tiek izmantota arī temperatūra pēc Celsija skalas ir Celsija grāds (°C), kas pēc lieluma ir vienāds ar kelviniem. Tas ir ērti, jo lielākā daļa klimatisko procesu uz Zemes un procesi dzīvajā dabā ir saistīti ar diapazonu no -50 līdz +50 °C.
Katrs cilvēks katru dienu saskaras ar temperatūras jēdzienu. Termins ir stingri ienācis mūsu ikdienā: sildam ēdienu mikroviļņu krāsnī vai gatavojam cepeškrāsnī, interesējamies par laikapstākļiem ārā vai uzzinām, vai ūdens upē ir auksts – tas viss ir cieši saistīts ar šo jēdzienu . Kas ir temperatūra, ko nozīmē šis fiziskais parametrs, kā to mēra? Mēs atbildēsim uz šiem un citiem jautājumiem rakstā.
Fiziskais daudzums
Apskatīsim, kāda ir temperatūra no izolētas sistēmas viedokļa termodinamiskā līdzsvarā. Termins nāk no latīņu valodas un nozīmē "pareizs maisījums", "normāls stāvoklis", "proporcionalitāte". Šis lielums raksturo jebkuras makroskopiskas sistēmas termodinamiskā līdzsvara stāvokli. Gadījumā, ja izolēta sistēma ir ārpus līdzsvara, laika gaitā notiek enerģijas pāreja no vairāk apsildāmiem objektiem uz mazāk apsildāmiem objektiem. Rezultāts ir temperatūras izlīdzināšana (izmaiņa) visā sistēmā. Šis ir pirmais termodinamikas postulāts (nulles likums).
Temperatūra nosaka sistēmu veidojošo daļiņu sadalījumu pēc enerģijas līmeņiem un ātrumiem, vielu jonizācijas pakāpi, ķermeņu līdzsvara elektromagnētiskā starojuma īpašības un kopējo tilpuma starojuma blīvumu. Tā kā sistēmai, kas atrodas termodinamiskā līdzsvarā, uzskaitītie parametri ir vienādi, tos parasti sauc par sistēmas temperatūru.
Plazma
Papildus līdzsvara ķermeņiem ir sistēmas, kurās stāvokli raksturo vairākas temperatūras vērtības, kas nav vienādas viena ar otru. Labs piemērs ir plazma. Tas sastāv no elektroniem (viegli lādētas daļiņas) un joniem (smagi lādētas daļiņas). Kad tie saduras, notiek strauja enerģijas pārnešana no elektrona uz elektronu un no jona uz jonu. Bet starp neviendabīgiem elementiem notiek lēna pāreja. Plazma var būt stāvoklī, kurā elektroni un joni atsevišķi atrodas tuvu līdzsvaram. Šajā gadījumā ir iespējams pieņemt atsevišķu temperatūru katram daļiņu veidam. Tomēr šie parametri atšķirsies viens no otra. 
Magnēti
Ķermeņos, kuros daļiņām ir magnētisks moments, enerģijas pārnešana parasti notiek lēni: no translācijas uz magnētiskajām brīvības pakāpēm, kas saistītas ar iespēju mainīt momenta virzienus. Izrādās, ka ir stāvokļi, kuros ķermenim raksturīga temperatūra, kas nesakrīt ar kinētisko parametru. Tas atbilst elementārdaļiņu kustībai uz priekšu. Magnētiskā temperatūra nosaka daļu iekšējās enerģijas. Tas var būt gan pozitīvs, gan negatīvs. Izlīdzināšanas procesā enerģija tiks pārnesta no daļiņām ar augstāku temperatūru uz daļiņām ar zemāku temperatūru, ja tās ir pozitīvas vai negatīvas. Pretējā situācijā šis process turpināsies pretējā virzienā - negatīvā temperatūra būs “augstāka” par pozitīvo.
Kāpēc tas ir vajadzīgs?
Paradokss ir tāds, ka vidusmēra cilvēkam, lai veiktu mērīšanas procesu gan ikdienā, gan rūpniecībā, pat nav jāzina, kas ir temperatūra. Pietiks, lai viņš saprastu, ka tā ir objekta vai vides sasilšanas pakāpe, jo īpaši tāpēc, ka šie termini mums ir pazīstami kopš bērnības. Patiešām, lielākā daļa praktisko instrumentu, kas paredzēti šī parametra mērīšanai, faktiski mēra citas vielu īpašības, kas mainās atkarībā no sildīšanas vai dzesēšanas līmeņa. Piemēram, spiediens, elektriskā pretestība, tilpums utt. Tālāk šādi rādījumi tiek manuāli vai automātiski pārrēķināti līdz vajadzīgajai vērtībai.
Izrādās, ka temperatūras noteikšanai nav jāmācās fizika. Lielākā daļa mūsu planētas iedzīvotāju dzīvo pēc šī principa. Ja televizors darbojas, tad nav jāsaprot pusvadītāju ierīču pārejas procesi, jāpēta, no kurienes kontaktligzdā nāk elektrība vai kā signāls nonāk satelītantenā. Cilvēki ir pieraduši, ka katrā jomā ir speciālisti, kas var labot vai atkļūdot sistēmu. Vidusmēra cilvēks nevēlas noslogot smadzenes, jo daudz labāk ir skatīties ziepju operu vai futbolu uz “kastes”, malkojot aukstu alu. 
Un es gribu zināt
Bet ir cilvēki, visbiežāk tie ir studenti, kuri vai nu ziņkārības, vai nepieciešamības dēļ ir spiesti studēt fiziku un noteikt, kāda īsti ir temperatūra. Rezultātā viņi savos meklējumos nonāk termodinamikas džungļos un pēta tā nulles, pirmo un otro likumu. Turklāt zinātkārajam prātam būs jāsaprot Kārno cikli un entropija. Un ceļojuma beigās viņš, iespējams, atzīs, ka temperatūras definēšana kā atgriezeniskas termiskās sistēmas parametrs, kas nav atkarīgs no darba vielas veida, nedos skaidrību šī jēdziena jēgai. Un tomēr redzamā daļa būs daži grādi, ko pieņem starptautiskā mērvienību sistēma (SI).
Temperatūra kā kinētiskā enerģija
“Taustāmāku” pieeju sauc par molekulāri kinētisko teoriju. No tā veidojas priekšstats, ka siltums tiek uzskatīts par enerģijas veidu. Piemēram, molekulu un atomu kinētiskā enerģija, parametrs, kas aprēķināts vidēji lielam skaitam haotiski kustīgu daļiņu, izrādās mērs tam, ko parasti sauc par ķermeņa temperatūru. Tādējādi daļiņas apsildāmā sistēmā pārvietojas ātrāk nekā aukstā sistēmā. 
Tā kā attiecīgais termins ir cieši saistīts ar daļiņu grupas vidējo kinētisko enerģiju, būtu gluži dabiski izmantot džoulu kā temperatūras mērvienību. Tomēr tas nenotiek, kas izskaidrojams ar to, ka elementārdaļiņu siltuma kustības enerģija ir ļoti maza attiecībā pret džoulu. Tāpēc tas ir neērti lietot. Termisko kustību mēra vienībās, kas iegūtas no džouliem, izmantojot īpašu konversijas koeficientu.
Temperatūras mērvienības
Šodien šī parametra attēlošanai tiek izmantotas trīs galvenās vienības. Mūsu valstī temperatūru parasti mēra grādos pēc Celsija. Šīs mērvienības pamatā ir ūdens sacietēšanas punkts - absolūtā vērtība. Tas ir sākuma punkts. Tas ir, ūdens temperatūra, kurā sāk veidoties ledus, ir nulle. Šajā gadījumā ūdens kalpo kā priekšzīmīga mēraukla. Šī konvencija ir pieņemta ērtības labad. Otrā absolūtā vērtība ir tvaika temperatūra, tas ir, brīdis, kad ūdens pāriet no šķidra stāvokļa uz gāzveida stāvokli. 
Nākamā mērvienība ir Kelvina grādi. Šīs sistēmas izcelsme tiek uzskatīta par absolūto nulles punktu. Tātad, viens Kelvina grāds ir vienāds ar vienu grādu pēc Celsija. Vienīgā atšķirība ir sākuma punkts. Mēs atklājam, ka nulle Kelvina būs vienāda ar mīnus 273,16 grādiem pēc Celsija. 1954. gadā Vispārējā svaru un mēru konference nolēma temperatūras mērvienības terminu "kelvins" aizstāt ar "kelvinu".
Trešā vispārpieņemtā mērvienība ir Fārenheita grādi. Līdz 1960. gadam tos plaši izmantoja visās angliski runājošās valstīs. Tomēr šī vienība joprojām tiek izmantota ikdienas dzīvē Amerikas Savienotajās Valstīs. Sistēma būtiski atšķiras no iepriekš aprakstītajām. Par sākumpunktu tiek ņemta sāls, amonjaka un ūdens maisījuma sasalšanas temperatūra attiecībā 1:1:1. Tātad, pēc Fārenheita skalas, ūdens sasalšanas temperatūra ir plus 32 grādi, bet viršanas temperatūra ir plus 212 grādi. Šajā sistēmā viens grāds ir vienāds ar 1/180 no šo temperatūru starpības. Tādējādi diapazons no 0 līdz +100 grādiem pēc Fārenheita atbilst diapazonam no -18 līdz +38 grādiem pēc Celsija.
Absolūtā nulles temperatūra
Noskaidrosim, ko nozīmē šis parametrs. Absolūtā nulle ir ierobežojošās temperatūras vērtība, pie kuras ideālās gāzes spiediens kļūst par nulli fiksētam tilpumam. Tā ir zemākā vērtība dabā. Kā prognozēja Mihailo Lomonosovs, “šī ir lielākā vai pēdējā aukstuma pakāpe”. No tā izriet Avogadro ķīmiskais likums: vienādi gāzu tilpumi, kas pakļauti vienai temperatūrai un spiedienam, satur vienādu molekulu skaitu. Kas no tā izriet? Pastāv minimālā gāzes temperatūra, pie kuras tās spiediens vai tilpums sasniedz nulli. Šī absolūtā vērtība atbilst nullei Kelvina jeb 273 grādiem pēc Celsija. 
Daži interesanti fakti par Saules sistēmu
Temperatūra uz Saules virsmas sasniedz 5700 Kelvinu, bet kodola centrā - 15 miljonus Kelvinu. Saules sistēmas planētas ļoti atšķiras viena no otras apkures līmeņu ziņā. Tādējādi mūsu Zemes kodola temperatūra ir aptuveni tāda pati kā uz Saules virsmas. Jupiters tiek uzskatīts par karstāko planētu. Temperatūra tās kodola centrā ir piecas reizes augstāka nekā Saules virsmā. Bet zemākā parametra vērtība tika reģistrēta uz Mēness virsmas - tā bija tikai 30 Kelvini. Šī vērtība ir pat zemāka nekā uz Plutona virsmas.
Fakti par Zemi
1. Augstākā cilvēka reģistrētā temperatūra bija 4 miljardi grādu pēc Celsija. Šī vērtība ir 250 reizes augstāka par Saules kodola temperatūru. Rekordu uzstādīja Ņujorkas Brookhaven Natural Laboratory jonu paātrinātājā, kura garums ir aptuveni 4 kilometri. 
2. Temperatūra uz mūsu planētas arī ne vienmēr ir ideāla un ērta. Piemēram, Verhnojanskas pilsētā Jakutijā temperatūra ziemā nokrītas līdz mīnus 45 grādiem pēc Celsija. Taču Etiopijas pilsētā Dalolā situācija ir pretēja. Tur gada vidējā temperatūra ir plus 34 grādi.
3. Ekstrēmākie apstākļi, kādos cilvēki strādā, reģistrēti zelta raktuvēs Dienvidāfrikā. Kalnrači strādā trīs kilometru dziļumā plus 65 grādu pēc Celsija temperatūrā.
Termodinamiskā temperatūra
Termodinamiskā temperatūra(Angļu) termodinamiskā temperatūra, vācu termodinamis Temperatūra), vai absolūtā temperatūra(Angļu) absolūtā temperatūra, vācu absolūtā temperatūra) ir vienīgā termodinamiskās sistēmas stāvokļa funkcija, kas raksturo spontānas siltuma apmaiņas virzienu starp ķermeņiem (sistēmām).
Termodinamisko temperatūru apzīmē ar burtu T (\displaystyle T), mēra kelvinos (apzīmē ar K) un mēra pēc absolūtās termodinamiskās skalas (Kelvina skala). Absolūtā termodinamiskā skala ir fundamentālā skala fizikā un termodinamikas vienādojumos.
Molekulārā kinētiskā teorija savukārt saista absolūto temperatūru ar ideālas gāzes molekulu translācijas kustības vidējo kinētisko enerģiju termodinamiskā līdzsvara apstākļos:
1 2 m v ¯ 2 = 3 2 kT, (\displeja stils (\frac (1) (2)) m(\bar (v))^ (2)=(\frac (3) (2)) kT,)
kur m (\displaystyle m) ─ molekulmasa, v ¯ (\displaystyle (\bar (v))) ─ molekulu translācijas kustības vidējais kvadrātiskais ātrums, T (\displaystyle T) ─ absolūtā temperatūra, k (\displaystyle k ) ─ nemainīgs Bolcmans.
Stāsts
Temperatūras mērīšana ir nogājusi garu un sarežģītu ceļu savā attīstībā. Tā kā temperatūru nevar izmērīt tieši, tās mērīšanai tika izmantotas termometrisko ķermeņu īpašības, kas bija funkcionāli atkarīgas no temperatūras. Pamatojoties uz to, tika izstrādātas dažādas temperatūras skalas, kuras sauca empīrisks, un ar to palīdzību izmērīto temperatūru sauc par empīrisku. Būtiski empīrisko skalu trūkumi ir to nepārtrauktības trūkums un neatbilstība starp temperatūras vērtībām dažādiem termometriskiem ķermeņiem: gan starp atskaites punktiem, gan aiz tiem. Empīrisko skalu nepārtrauktības trūkums ir saistīts ar to, ka dabā nav vielas, kas spēj saglabāt savas īpašības visā iespējamo temperatūru diapazonā. 1848. gadā Tomsons (lords Kelvins) ierosināja izvēlēties temperatūras skalas pakāpi tā, lai tās robežās ideāla siltuma dzinēja efektivitāte būtu tāda pati. Pēc tam 1854. gadā viņš ierosināja izmantot apgriezto Karno funkciju, lai izveidotu termodinamisko skalu neatkarīgi no termometrisko ķermeņu īpašībām. Taču šīs idejas praktiskā īstenošana izrādījās neiespējama. 19. gadsimta sākumā, meklējot “absolūtu” temperatūras mērīšanas ierīci, viņi atkal atgriezās pie idejas par ideālu gāzes termometru, kura pamatā ir Geja-Lusaka un Čārlza ideālo gāzu likumi. Gāzes termometrs ilgu laiku bija vienīgais veids, kā reproducēt absolūto temperatūru. Jauni virzieni absolūtās temperatūras skalas reproducēšanai ir balstīti uz Stefana-Boltzmana vienādojuma izmantošanu bezkontakta termometrijā un Harija (Harija) Nikvista vienādojuma izmantošanu kontakta termometrijā.
Fizikālais pamats termodinamiskās temperatūras skalas konstruēšanai
1. Termodinamisko temperatūras skalu principā var konstruēt, pamatojoties uz Kārno teorēmu, kas nosaka, ka ideāla siltuma dzinēja efektivitāte nav atkarīga no darba šķidruma rakstura un dzinēja konstrukcijas, bet gan ir atkarīga tikai no sildītāja un ledusskapja temperatūra.
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))),)
kur Q 1 (\displaystyle Q_(1)) ir siltuma daudzums, ko darba šķidrums (ideālā gāze) saņem no sildītāja, Q 2 (\displaystyle Q_(2)) ir siltuma daudzums, ko darba šķidrums dod ledusskapis, T 1 , T 2 ( \displaystyle T_(1),T_(2)) - attiecīgi sildītāja un ledusskapja temperatūras.
No iepriekš minētā vienādojuma izriet attiecības:
Q 1 Q 2 = T 1 T 2 . (\displaystyle (\frac (Q_(1))(Q_(2)))=(\frac (T_(1))(T_(2))).)
Šīs attiecības var izmantot, lai izveidotu absolūtā termodinamiskā temperatūra. Ja viens no Kārno cikla Q 3 izotermiskajiem procesiem (\displaystyle Q_(3)) tiek veikts ūdens trīskāršā punkta (atskaites punkta) temperatūrā, iestatiet patvaļīgi ─ T 3 = 273, 16 K, (\ displeja stils T_(3)=273(, )16\,K,) tad jebkura cita temperatūra tiks noteikta pēc formulas T = 273, 16 Q Q 3 (\displaystyle T=273(,)16(\frac (Q)( Q_(3)))) . Šādā veidā izveidoto temperatūras skalu sauc termodinamiskā Kelvina skala. Diemžēl siltuma daudzuma mērīšanas precizitāte ir zema, kas neļauj iepriekš aprakstīto metodi ieviest praksē.
2. Absolūto temperatūras skalu var izveidot, ja par termometrisku ķermeni izmanto ideālu gāzi. Faktiski Clapeyron vienādojums nozīmē attiecību
T = p V R . (\displaystyle T=(\frac (pV)(R)).)
Ja mēra spiedienu gāzei, kas pēc īpašībām ir tuvu ideālam, kas atrodas noslēgtā konstanta tilpuma traukā, tad šādā veidā var izveidot temperatūras skalu, ko sauc. ideāls-gāze.Šīs skalas priekšrocība ir tāda, ka ideālās gāzes spiediens pie V = c o n s t (\displaystyle V=const) mainās lineāri atkarībā no temperatūras. Tā kā pat ļoti retas gāzes pēc savām īpašībām nedaudz atšķiras no ideālās gāzes, ideālās gāzes skalas ieviešana ir saistīta ar zināmām grūtībām.
3. Dažādas termodinamikas mācību grāmatas sniedz pierādījumus, ka temperatūra, kas mērīta ideālās gāzes skalā, sakrīt ar termodinamisko temperatūru. Tomēr ir jāizdara atruna: neskatoties uz to, ka skaitliski termodinamiskās un ideālās gāzes skalas ir absolūti identiskas, no kvalitatīvā viedokļa starp tām pastāv būtiska atšķirība. Tikai termodinamiskā skala ir absolūti neatkarīga no termometriskās vielas īpašībām.
4. Kā jau norādīts, precīza termodinamiskās skalas, kā arī ideālās gāzes skalas reproducēšana ir saistīta ar nopietnām grūtībām. Pirmajā gadījumā ir rūpīgi jāizmēra siltuma daudzums, kas tiek piegādāts un izņemts ideāla siltuma dzinēja izotermiskajos procesos. Šāda veida mērījumi ir neprecīzi. Termodinamiskās (ideālās gāzes) temperatūras skalas reproducēšana diapazonā no 10 līdz 1337 K ir iespējama, izmantojot gāzes termometru. Augstākā temperatūrā reālās gāzes difūzija caur tvertnes sienām ir pamanāma, un vairāku tūkstošu grādu temperatūrā poliatomiskās gāzes sadalās atomos. Vēl augstākā temperatūrā īstas gāzes jonizējas un pārvēršas plazmā, kas nepakļaujas Klepeirona vienādojumam. Zemākā temperatūra, ko var izmērīt ar gāzes termometru, kas pildīts ar hēliju zemā spiedienā, ir 1 K. Lai mērītu temperatūru, kas pārsniedz gāzes termometru iespējas, tiek izmantotas īpašas mērīšanas metodes. Skatīt sīkāku informāciju. Termometrija.
Izliešanas punkta noteikšana
Galvenie traucējumi degvielas padeves sistēmā zemās temperatūrās ir saistīti ar degvielas duļķainības un sastingšanas punktu. Atšķirībā no benzīna, dīzeļdegviela var saturēt diezgan daudz ogļūdeņražu ar augstu kušanas temperatūru, galvenokārt parafīnu (alkānu) un aromātiskos ogļūdeņražus.
Temperatūrai pazeminoties, no degvielas izkrīt visvairāk kūstošie ogļūdeņraži dažādu formu kristālu veidā, un degviela kļūst duļķaina. Tiek saukta augstākā temperatūra, kurā degviela zaudē savu caurspīdīgumu mākoņa punkts. Tajā pašā laikā degviela nezaudē savas plūstamības īpašības. Viskozitātes vērtība nedaudz palielinās, paaugstinoties temperatūrai, tomēr kristāli, iekļūstot caur rupjo filtru, uz smalkā filtra veido degvielu necaurlaidīgu plēvi, kas noved pie degvielas padeves apstāšanās. Duļķainības punktam, kā likums, jābūt par 3-5 °C zemākam par apkārtējās vides temperatūru. Dīzeļdegvielai tālāk atdziestot, atsevišķi kristāli saplūst rāmī, kas caurstrāvo visu degvielu, saistot to. Degviela zaudē plūstamību.
Degvielai tālāk atdziestot, sāk apvienoties augstas kušanas temperatūras ogļūdeņražu kristāli, veidojot telpisku režģi, kura šūnās paliek šķidrie ogļūdeņraži. Tad iegūtā struktūra ir tik nostiprināta, ka degviela zaudē plūstamību - tā sacietē. Augstāko temperatūru, kurā degviela zaudē plūstamību, sauc par sastingšanas punktu. Tam jābūt par 8-12 °C zemākam par apkārtējās vides temperatūru. Ieliešanas punkts Tiek ņemta vērā temperatūra, kādā mēģenē ielieta dīzeļdegviela, ja tā konkrētos apstākļos atdzesēta, nemaina meniska stāvokli 1 minūtes laikā, kad mēģene ir sasvērta 45° leņķī no vertikāles (GOST 20287- 91). Dīzeļdegvielas sastingšanas temperatūra ir nosacīta vērtība un kalpo tikai kā ceļvedis degvielas lietošanas nosacījumu noteikšanai.
Aprīkojums:
ierīce degvielas duļķainības punkta noteikšanai; laboratorijas statīvs; reaģenti maisījumu dzesēšanai (sāls-ledus temperatūrai līdz mīnus 20 °C; spirts un oglekļa dioksīds - sausais ledus - temperatūrai zem mīnus 20 °C); mēģene; degvielas paraugs; sērskābe.
Rīsi. 2.3. Ierīce degvielas duļķainības un izliešanas punkta noteikšanai: 1 - ārējā mēģene; 2 - iekšējā mēģene; 3 - spraudnis; 4 - termometrs; 5 - maisītājs
Darba kārtība:
Degvielas duļķainības punkta noteikšanas būtība ir to dziļi atdzesēt un vizuāli novērot tās stāvokļa izmaiņas. Ieliešanas punkta noteikšanas būtība ir dziļi atdzesēt degvielu līdz mobilitātes zudumam.
1. Rūpīgi samaisiet pārbaudāmo degvielu un ielejiet to iekšējā mēģenē līdz atzīmei (40 mm no apakšas ir atzīme). Mēģeni noslēdz ar korķa aizbāzni un termometru. Ievietojiet termometru tā, lai tā dzīvsudraba lode atrastos mēģenē 15 mm attālumā no apakšas un vienādā attālumā no sienām.
2. Ielejiet testa degvielu citā mēģenē, kas tiek izmantota kā caurspīdīguma standarts.
3. Piepildiet ierīces tvertni ar dzesēšanas maisījumu, kura līmenis jāuztur 30-40 mm virs degvielas līmeņa mēģenē. Dzesēšanas šķidruma maisījuma temperatūrai testēšanas laikā vienmēr jābūt par 15±2 °C zemākai par testējamās degvielas temperatūru.
4. Nostipriniet iekšējo cauruli ar degvielu un termometru ārējā caurulē. Lai izvairītos no iekšējo sienu miglošanas, starp mēģenēm ielej 0,5-1,0 ml sērskābes.
5. Ievietojiet samontēto ierīci dzesēšanas maisījumā. Dzesēšanas laikā visu laiku samaisiet degvielu.
6. 5 °C pirms paredzamā duļķainības punkta, izņemiet mēģeni no dzesēšanas maisījuma, ātri noslaukiet ar spirtā samērcētu vati un salīdziniet ar standartu. Salīdzinājuma noteikšanas ilgums ir ne vairāk kā 12 s.
7. Ja degviela nav mainījusies, salīdzinot ar caurspīdīgo standartu, tad mēģene atkal tiek nolaista instrumenta traukā un tiek veikta turpmākā novērošana ik pēc grādiem, pazeminot degvielas temperatūru. Šie salīdzinošie novērojumi ar caurspīdīgu standartu tiek veikti līdz degviela sāk atšķirties no standarta, t.i., kad tajā parādās duļķainība. Nosakot nezināma degvielas parauga duļķainības punktu, vispirms nosakiet šo temperatūru vērtības aptuveni, novērojot degvielas stāvokli ik pēc 5 °C.
8. Lai noteiktu degvielas sasēšanas punktu saskaņā ar 1. un 2. punktu, sagatavo ierīci ar testa dehidrētu (izmantojot svaigi kalcinētu kalcija hlorīdu) degvielu. Sagatavoto ierīci ievieto traukā ar dzesēšanas šķidrumu. Dzesēšanas šķidruma maisījuma temperatūrai jābūt par 5 °C zemākai par paredzamo degvielas izliešanas temperatūru.
9. Neizņemot to no dzesēšanas maisījuma, sasveriet ierīci 45° leņķī un turiet to šajā stāvoklī vienu minūti, līdz testa degviela mēģenē sasniedz temperatūru, kas atbilst tās sastingšanas temperatūrai.
10. Izņemiet mēģeni no dzesēšanas maisījuma, noslaukiet sienas ar spirtā samērcētu vati un novērojiet, vai degvielas menisks nav nobīdījies. Ja menisks nav nobīdījies, tad degviela paliek sasalusi un otrādi. Ja degvielas temperatūra nav pat aptuveni zināma, ik pēc 5 °C degvielas temperatūras pazemināšanās tiek veikts meniska nobīdes tests. Šajā gadījumā maisījuma temperatūra tiek uzturēta 4-5° zem degvielas temperatūras. Pēc pārbaudes atgrieziet ierīci un darba vietu sākotnējā stāvoklī. Salīdziniet iegūto temperatūru ar GOST indikatoriem.
Dīzeļdegvielas cetānskaitļa noteikšana ar aprēķina metodi
Dīzeļdegvielas pašaizdegšanās spēju novērtē pēc cetānskaitļa (CN). Degvielas pašaizdegšanās novērtēšanas metode ātrgaitas dīzeļdzinējiem ir līdzīga metodei benzīna detonācijas pretestības novērtēšanai. Pašaizdegšanās noteikšanai kā standartdegviela ir izvēlēti divi ogļūdeņraži: cetāns C16H34 un alfametilnaftalīns C10H7CH3. Pirmā ogļūdeņraža spontāna aizdegšanās parasti tiek pieņemta kā 100, otrā - kā 0. Tos sajaucot, jūs varat iegūt maisījumu ar spontānu aizdegšanos no 0 līdz 100. Tādējādi, cetāna skaitlis sauc par nosacītu indikatoru, kas skaitliski vienāds ar cetāna procentuālo daudzumu tā maisījumā ar alfametilnaftalīnu, kas spontānas aizdegšanās ziņā atbilst testa paraugam.
Dīzeļdegvielas cetānskaitli nosaka ar zibspuldzes sakritības metodi (2.4. att.).
Mūsdienu dzinēju netraucētai darbībai ir nepieciešama degviela, kuras cetānskaitlis ir vismaz 45 vasarā un 50 ziemā. Taču izmantot degvielu ar cetānskaitli virs 60 ir nerentabla, jo ekspluatācijas smagums mainās nenozīmīgi un palielinās īpatnējais degvielas patēriņš. Pēdējais izskaidrojams ar to, ka, centrālajai frekvencei palielinoties virs 55, aizdedzes aiztures periods (laiks no brīža, kad degviela tiek padots dzinēja cilindrā līdz degšanas sākumam) ir tik mazs, ka degviela aizdegas sprauslas tuvumā. , un gaiss, kas atrodas tālāk no injekcijas vietas, gandrīz nepiedalās procesa sadegšanā. Rezultātā degviela pilnībā nesadeg un dzinēja efektivitāte samazinās.
Dīzeļdegviela ne vienmēr nodrošina nepieciešamo pašaizdegšanos, tāpēc ir nepieciešams palielināt cetānskaitli. Ir divas galvenās metodes: ķīmiskā sastāva maiņa un īpašu piedevu ieviešana.
Kas attiecas uz aukstas motora iedarbināšanas uzticamību pie dažādām apkārtējās vides temperatūrām, tas vairāk ir atkarīgs no dzinēja konstrukcijas un palaišanas režīma nekā no degvielas CN. Ja temperatūra sadegšanas kamerā ir zemāka par 350–400 °C, degmaisījums vairs nespēs aizdegties. Dīzeļa kloķvārpstas minimālajam sākuma ātrumam jābūt 100-120 min-1. Un jo augstāks ir palaišanas biežums, jo augstāka ir saspiestā gaisa temperatūra un līdz ar to arī dzinēja iedarbināšanas nosacījumi.
Cetāna skaitlis ir atkarīgs no ogļūdeņražu satura un struktūras, kas veido dīzeļdegvielu. Vislielākais alkānu cetānskaitlis ir aromātiskajiem ogļūdeņražiem. Dīzeļdegvielā iekļautie ogļūdeņraži ir sakārtoti pēc centrālā numura: 1 - alkāni, 2 - cikloalkāni, 3 - izoalkāni, 4 - aromātiskie ogļūdeņraži. Oglekļa atomu skaita palielināšanās ogļūdeņražu molekulās noved pie cetānskaitļa palielināšanās. Tādējādi n-alkānu satura palielināšanās izraisa KN palielināšanos. Tomēr n-alkāniem ir augsta kristalizācijas temperatūra, kas noved pie dīzeļdegvielas zemas temperatūras īpašību pasliktināšanās.
Īpašu skābekli saturošu piedevu ievadīšana dīzeļdegvielā atvieglo aktīvā skābekļa izdalīšanos. Pie šādām piedevām pieder organiskie peroksīdi, slāpekļskābes esteri, kas, nonākot sadegšanas kamerā, paātrina peroksīdu veidošanos, kuru sadalīšanās paātrina pašaizdegšanās procesu. Tādējādi 1% izopropilnitrāta pievienošana palielina centrālo skaitli par 10-12 vienībām un uzlabo dīzeļdzinēju palaišanas īpašības ziemā. Pastāv empīriska sakarība starp degvielas cetānskaitli un tās oktānskaitli.
CN = 60 — OC / 2, (2.4)
kur CN ir cetāna skaitlis; OC - oktānskaitlis.
Jo lielāks oktānskaitlis, jo mazāks ir tā cetānskaitlis un otrādi. Tāpēc benzīna frakciju pievienošana dīzeļdegvielai vienmēr noved pie tās cetāna skaita samazināšanās.
Cetāna skaitli var aptuveni aprēķināt, izmantojot formulu (iegūtais rezultāts atšķiras no faktiskā par 2-3 vienībām):
Ts.Ch. = 1,5879 · (ν 20 + 17,8) / ρ 20, (2,5)
kur ν 20 ir degvielas viskozitāte cSt 20°C temperatūrā; ρ 20 - degvielas blīvums pie 20°C, g/cm3.
Kas ir temperatūra?
Atbildes, piemēram, “ķermeņa siltuma mērījums” netiek pieņemtas))))))
Vitāliks Obuhovs
Temperatūra (no latīņu valodas temperatura - pareiza sajaukšanās, normāls stāvoklis) ir fizikāls lielums, kas aptuveni raksturo makroskopiskās sistēmas daļiņu vidējo kinētisko enerģiju uz vienu brīvības pakāpi, kas atrodas termodinamiskā līdzsvara stāvoklī.
SI sistēmā temperatūru mēra kelvinos. Bet praksē Celsija grādus bieži izmanto, jo tie ir saistīti ar svarīgām ūdens īpašībām - ledus kušanas temperatūru (0 ° C) un viršanas temperatūru (100 ° C). Tas ir ērti, jo lielākā daļa klimatisko procesu, savvaļas dzīvnieku uc ir saistīti ar šo diapazonu.
Ir arī Fārenheita skalas un daži citi.
Temperatūra no molekulārās kinētiskā viedokļa ir fizisks lielums, kas raksturo visa sistēmas daļiņu kopuma haotiskās, termiskās kustības intensitāti un ir proporcionāls vienas daļiņas translācijas kustības vidējai kinētiskajai enerģijai.
Attiecību starp kinētisko enerģiju, masu un ātrumu izsaka ar šādu formulu:
Ek = 1/2 m pret 2
Tādējādi daļiņām ar tādu pašu masu un vienādu ātrumu ir arī tāda pati temperatūra.
Daļiņas vidējā kinētiskā enerģija ir saistīta ar Bolcmana konstantes termodinamisko temperatūru:
Eav = i/2kBT
Kur:
i - brīvības pakāpju skaits
kB = 1,380 6505(24) × 10-23 J/K — Bolcmaņa konstante
T - temperatūra;
Temperatūra ir sistēmas entropijas (nekārtības pakāpes) izmaiņu apgrieztā vērtība, ja sistēmai tiek pievienots siltuma daudzums: 1/T = ΔS/ΔQ.
[rediģēt] Termodinamiskās pieejas vēsture
Vārds “temperatūra” radās tajos laikos, kad cilvēki uzskatīja, ka vairāk apsildāmos ķermeņos ir lielāks daudzums īpašas vielas - kaloriju - nekā mazāk sakarsētajos. Tāpēc temperatūra tika uztverta kā ķermeņa vielas un kaloriju maisījuma stiprums. Šī iemesla dēļ alkoholisko dzērienu stipruma un temperatūras mērvienības tiek sauktas par vienādām - grādiem.
Līdzsvara stāvoklī temperatūrai ir vienāda vērtība visām makroskopiskajām sistēmas daļām. Ja sistēmā diviem ķermeņiem ir vienāda temperatūra, tad starp tiem nenotiek daļiņu kinētiskās enerģijas (siltuma) pārnešana. Ja ir temperatūras starpība, tad siltums pāriet no ķermeņa ar augstāku temperatūru uz ķermeni ar zemāku, jo palielinās kopējā entropija.
Temperatūra ir saistīta arī ar subjektīvām “siltuma” un “aukstuma” sajūtām, kas saistītas ar to, vai dzīvie audi izdala vai saņem siltumu.
Dažas kvantu mehāniskās sistēmas var būt stāvoklī, kurā entropija nevis palielinās, bet samazinās, pievienojot enerģiju, kas formāli atbilst negatīvai absolūtai temperatūrai. Tomēr šādi stāvokļi nav “zem absolūtās nulles”, bet gan “virs bezgalības”, jo, kad šāda sistēma nonāk saskarē ar ķermeni ar pozitīvu temperatūru, enerģija tiek pārnesta no sistēmas uz ķermeni, nevis otrādi (jo sīkāku informāciju skatiet Kvantu termodinamika).
Temperatūras īpašības pēta fizikas nozare - termodinamika. Temperatūrai ir svarīga loma arī daudzās zinātnes jomās, tostarp citās fizikas nozarēs, kā arī ķīmijā un bioloģijā.
Bebrs
Ja “uz pirkstiem”, tad tas ir vielas daļiņu vidējās enerģijas mērs. Ja mēs runājam par gāzi vai šķidrumu - kinētisko enerģiju, ja par cietu vielu, tad par daļiņu vibrāciju enerģiju režģī.
Šeit ir svarīgi, lai tas būtu vidējās enerģijas mērs, t.i., ja daļiņu ir pārāk maz, temperatūras jēdziens zaudē savu nozīmi. Piemēram, kosmosā: tur peld visdažādākās daļiņas, taču to ir pārāk maz, lai būtu jēga aprēķināt vidējo enerģiju.
Dmitrijs d.
Bebrs principā rakstīja pareizi, tikai daļiņu vibrācijas režģī ir arī kinētiskā enerģija. , tāpēc īsākā definīcija ir:
temperatūra ir vielas strukturālo daļiņu vidējās kinētiskās enerģijas mērs.
Plāns:
- Ievads
- 1
Termodinamiskā definīcija
- 1.1 Termodinamiskās pieejas vēsture
- 2 Temperatūras noteikšana statistiskajā fizikā
- 3 Temperatūras mērīšana
- 4
Temperatūras mērvienības un skala
- 4.1 Kelvina temperatūras skala
- 4,2 Celsija skala
- 4.3 Fārenheita
- 5
Siltuma kustības enerģija pie absolūtās nulles
- 5.1 Temperatūra un starojums
- 5.2 Reaumur skala
- 6 Pārejas no dažādiem mērogiem
- 7 Temperatūras skalu salīdzinājums
- 8 Fāzu pāreju raksturojums
- 9 Interesanti fakti Piezīmes
Literatūra
Ievads
Temperatūra(no lat. temperatūra- pareiza sajaukšana, normāls stāvoklis) ir skalārs fizikāls lielums, kas raksturo makroskopiskās sistēmas daļiņu vidējo kinētisko enerģiju termodinamiskā līdzsvara stāvoklī uz vienu brīvības pakāpi.
Temperatūras mēraukla nav pati kustība, bet gan šīs kustības haotiskais raksturs. Ķermeņa stāvokļa nejaušība nosaka tā temperatūras stāvokli, un šī ideja (kuru pirmais izstrādāja Bolcmans), ka noteiktu ķermeņa temperatūras stāvokli vispār nenosaka kustības enerģija, bet gan šīs kustības nejaušība. , ir jaunais jēdziens temperatūras parādību aprakstā, kas mums jāizmanto ..
(P. L. Kapica)
Starptautiskajā vienību sistēmā (SI) termodinamiskā temperatūra ir viena no septiņām pamatvienībām, un to izsaka kelvinos. Atvasinātie SI daudzumi, kuriem ir īpašs nosaukums, ietver temperatūru pēc Celsija, ko mēra Celsija grādos. Praksē Celsija grādus bieži izmanto, ņemot vērā to vēsturisko saistību ar svarīgām ūdens īpašībām – ledus kušanas temperatūru (0 °C) un viršanas temperatūru (100 °C). Tas ir ērti, jo lielākā daļa klimata procesu, savvaļas dzīvnieku uc ir saistīti ar šo diapazonu. Temperatūras izmaiņas par vienu grādu pēc Celsija ir līdzvērtīgas viena Kelvina temperatūras izmaiņām. Tāpēc pēc jaunas Kelvina definīcijas ieviešanas 1967. gadā ūdens viršanas temperatūra pārstāja pildīt nemainīga atskaites punkta lomu un, kā liecina precīzi mērījumi, tas vairs nav vienāds ar 100 °C, bet tuvu 99,975. °C.
Ir arī Fārenheita skalas un daži citi.
1. Termodinamiskā definīcija
Līdzsvara stāvokļa esamību sauc par termodinamikas pirmo sākotnējo stāvokli. Otra termodinamikas sākuma pozīcija ir apgalvojums, ka līdzsvara stāvokli raksturo noteikts lielums, kas, termiski saskaroties divām līdzsvara sistēmām, enerģijas apmaiņas rezultātā kļūst tām vienāds. Šo daudzumu sauc par temperatūru.
1.1. Termodinamiskās pieejas vēsture
Vārds “temperatūra” radās tajos laikos, kad cilvēki uzskatīja, ka vairāk apsildāmos ķermeņos ir lielāks daudzums īpašas vielas - kaloriju - nekā mazāk sakarsētajos. Tāpēc temperatūra tika uztverta kā ķermeņa vielas un kaloriju maisījuma stiprums. Šī iemesla dēļ alkoholisko dzērienu stipruma un temperatūras mērvienības tiek sauktas par vienādām - grādiem.
Līdzsvara stāvoklī temperatūrai ir vienāda vērtība visām makroskopiskajām sistēmas daļām. Ja sistēmā diviem ķermeņiem ir vienāda temperatūra, tad starp tiem nenotiek daļiņu kinētiskās enerģijas (siltuma) pārnešana. Ja ir temperatūras starpība, tad siltums pāriet no ķermeņa ar augstāku temperatūru uz ķermeni ar zemāku, jo palielinās kopējā entropija.
Temperatūra ir saistīta arī ar subjektīvām “siltuma” un “aukstuma” sajūtām, kas saistītas ar to, vai dzīvie audi izdala vai saņem siltumu.
Dažas kvantu mehāniskās sistēmas var būt stāvoklī, kurā entropija nevis palielinās, bet samazinās, pievienojot enerģiju, kas formāli atbilst negatīvai absolūtai temperatūrai. Tomēr šādi stāvokļi nav “zem absolūtās nulles”, bet gan “virs bezgalības”, jo, kad šāda sistēma nonāk saskarē ar ķermeni ar pozitīvu temperatūru, enerģija tiek pārnesta no sistēmas uz ķermeni, nevis otrādi (jo sīkāku informāciju skatiet Kvantu termodinamika).
Temperatūras īpašības pēta fizikas nozare - termodinamika. Temperatūrai ir svarīga loma arī daudzās zinātnes jomās, tostarp citās fizikas nozarēs, kā arī ķīmijā un bioloģijā.
2. Temperatūras noteikšana statistiskajā fizikā
Statistiskajā fizikā temperatūru nosaka pēc formulas
,kur S ir entropija, E ir termodinamiskās sistēmas enerģija. Šādā veidā ievadītā vērtība T ir vienāda dažādiem ķermeņiem termodinamiskā līdzsvara apstākļos. Kad divi ķermeņi saskaras, ķermenis ar lielu T vērtību nodos enerģiju otram.
3. Temperatūras mērīšana
Termodinamiskās temperatūras mērīšanai tiek izvēlēts noteikts termometriskās vielas termodinamiskais parametrs. Šī parametra izmaiņas ir skaidri saistītas ar temperatūras izmaiņām. Klasisks termodinamiskā termometra piemērs ir gāzes termometrs, kurā temperatūru nosaka, mērot gāzes spiedienu nemainīga tilpuma cilindrā. Ir zināmi arī absolūtā starojuma, trokšņa un akustiskie termometri.
Termodinamiskie termometri ir ļoti sarežģītas vienības, kuras nevar izmantot praktiskiem mērķiem. Tāpēc lielākā daļa mērījumu tiek veikti, izmantojot praktiskus termometrus, kas ir sekundāri, jo tie nevar tieši saistīt nevienu vielas īpašību ar temperatūru. Lai iegūtu interpolācijas funkciju, tie ir jākalibrē atsauces punktos starptautiskajā temperatūras skalā. Visprecīzākais praktiskais termometrs ir platīna pretestības termometrs. Temperatūras mērīšanas instrumenti bieži tiek kalibrēti uz relatīvām skalām - Celsija vai Fārenheita.
Praksē tiek mērīta arī temperatūra
- šķidruma un mehāniskie termometri,
- termopāris,
- pretestības termometrs,
- gāzes termometrs,
- pirometrs.
Izstrādātas jaunākās temperatūras mērīšanas metodes, kuru pamatā ir lāzera starojuma parametru mērīšana.
4. Temperatūras mērīšanas mērvienības un skala
Tā kā temperatūra ir molekulu kinētiskā enerģija, ir skaidrs, ka visdabiskāk to mērīt enerģijas vienībās (tas ir, SI sistēmā džoulos). Taču temperatūras mērīšana sākās ilgi pirms molekulārās kinētiskās teorijas radīšanas, tāpēc praktiskie svari temperatūru mēra konvencionālās mērvienībās – grādos.
4.1. Kelvina temperatūras skala
Absolūtās temperatūras jēdzienu ieviesa V. Tomsons (Kelvins), un tāpēc absolūtās temperatūras skalu sauc par Kelvina skalu jeb termodinamiskās temperatūras skalu. Absolūtās temperatūras mērvienība ir kelvins (K).
Absolūtā temperatūras skala tiek saukta, jo temperatūras apakšējās robežas pamatstāvokļa mērs ir absolūtā nulle, tas ir, zemākā iespējamā temperatūra, kurā principā nav iespējams iegūt siltumenerģiju no vielas.
Absolūtā nulle ir definēta kā 0 K, kas ir vienāds ar –273,15 °C (precīzi).
Kelvina temperatūras skala ir skala, kas sākas ar absolūtu nulli.
Liela nozīme ir starptautisko praktisko skalu izstrādei, pamatojoties uz Kelvina termodinamisko skalu, pamatojoties uz atskaites punktiem - tīru vielu fāzu pārejām, kas noteiktas ar primārās termometrijas metodēm. Pirmo starptautisko temperatūras skalu 1927. gadā pieņēma ITS-27. Kopš 1927. gada skala ir vairākkārt definēta no jauna (MTSh-48, MPTS-68, MTSh-90): ir mainījušās atsauces temperatūras un interpolācijas metodes, taču princips paliek nemainīgs - skalas pamatā ir fāzu pāreju kopums. tīras vielas ar noteiktām termodinamisko temperatūru vērtībām un šajos punktos kalibrēti interpolācijas instrumenti. Pašlaik ir spēkā ITS-90 skala. Galvenais dokuments (Noteikumi par skalu) nosaka Kelvina definīciju, fāzu pārejas temperatūru (atskaites punktu) vērtības un interpolācijas metodes.
Ikdienā lietotās temperatūras skalas - gan Celsija, gan Fārenheita skalas (izmanto galvenokārt ASV) - nav absolūtas un tāpēc ir neērtas, veicot eksperimentus apstākļos, kad temperatūra nokrītas zem ūdens sasalšanas punkta, tāpēc temperatūra ir jāizsaka negatīvi. numuru. Šādos gadījumos tika ieviestas absolūtās temperatūras skalas.
Viens no tiem tiek saukts par Rankine skalu, bet otrs ir absolūtā termodinamiskā skala (Kelvina skala); to temperatūru mēra attiecīgi Rankīna (°Ra) un kelvinos (K) grādos. Abas skalas sākas pie absolūtās nulles temperatūras. Tās atšķiras ar to, ka vienas iedaļas cena pēc Kelvina skalas ir vienāda ar Celsija skalas iedalījuma cenu, bet vienas iedaļas cena pēc Rankina skalas ir līdzvērtīga termometru dalījuma cenai ar Fārenheita skalu. Ūdens sasalšanas punkts standarta atmosfēras spiedienā atbilst 273,15 K, 0 °C, 32 °F.
Kelvina skala ir piesaistīta ūdens trīskāršajam punktam (273,16 K), un no tā ir atkarīga Bolcmana konstante. Tas rada problēmas ar augstas temperatūras mērījumu interpretācijas precizitāti. BIPM tagad apsver iespēju pāriet uz jaunu Kelvina definīciju un noteikt Boltzmann konstanti, nevis atsauci uz trīskāršā punkta temperatūru. .
4.2. Celsija
Tehnoloģijā, medicīnā, meteoroloģijā un sadzīvē tiek izmantota Celsija skala, kurā ūdens trīskāršā punkta temperatūra ir 0,008 °C, un līdz ar to ūdens sasalšanas punkts pie 1 atm spiediena ir 0 °. C. Pašlaik Celsija skalu nosaka ar Kelvina skalas palīdzību: viena dalījuma cena pēc Celsija skalas ir vienāda ar Kelvina skalas dalījuma cenu, t(°C) = T(K) - 273,15. Tādējādi ūdens viršanas temperatūra, kuru pēc Celsija sākotnēji izvēlējās kā atskaites punktu 100 ° C, ir zaudējusi savu nozīmi, un mūsdienu aplēses nosaka, ka ūdens viršanas temperatūra normālā atmosfēras spiedienā ir aptuveni 99,975 ° C. Celsija skala ir praktiski ļoti ērti, jo ūdens uz mūsu planētas ir ļoti izplatīts un uz tā balstās mūsu dzīve. Nulle Celsija ir īpašs meteoroloģijas punkts, jo tas ir saistīts ar atmosfēras ūdens sasalšanu. Šo mērogu 1742. gadā ierosināja Anderss Celsiuss.
4.3. Fārenheita
Anglijā un īpaši ASV izmanto Fārenheita skalu. Nulle grādi pēc Celsija ir 32 grādi pēc Fārenheita, un grāds pēc Fārenheita ir 9/5 grādi pēc Celsija.
Pašreizējā Fārenheita skalas definīcija ir šāda: tā ir temperatūras skala, kurā 1 grāds (1 °F) ir vienāds ar 1/180 starpību starp ūdens viršanas temperatūru un ledus kušanas temperatūru atmosfēras spiedienā, un ledus kušanas temperatūra ir +32 °F. Temperatūra pēc Fārenheita skalas ir saistīta ar temperatūru pēc Celsija skalas (t °C) ar attiecību t °C = 5/9 (t °F - 32), t °F = 9/5 t °C + 32. Ierosinātais G. Fārenheits 1724. gadā.
5. Termiskās kustības enerģija pie absolūtās nulles
Kad matērija atdziest, daudzi siltumenerģijas veidi un ar tiem saistītā ietekme vienlaikus samazinās. Matērija pāriet no mazāk sakārtota stāvokļa uz sakārtotāku.
... mūsdienu absolūtās nulles jēdziens nav absolūtas atpūtas jēdziens, gluži pretēji, pie absolūtās nulles var būt kustība - un tā pastāv, bet tas ir pilnīgas kārtības stāvoklis.
P. L. Kapitsa (Šķidrā hēlija īpašības)
Gāze pārvēršas šķidrumā un pēc tam kristalizējas cietā vielā (hēlijs, pat pie absolūtās nulles, atmosfēras spiedienā paliek šķidrā stāvoklī). Atomu un molekulu kustība palēninās, to kinētiskā enerģija samazinās. Lielākajai daļai metālu pretestība samazinās, jo samazinās elektronu izkliede uz kristāliskā režģa atomiem, kas vibrē ar zemāku amplitūdu. Tādējādi pat pie absolūtās nulles vadītspējas elektroni pārvietojas starp atomiem ar Fermi ātrumu 1 × 10 6 m/s.
Temperatūra, kurā vielas daļiņām ir minimāls kustības apjoms, kas saglabājas tikai kvantu mehāniskās kustības dēļ, ir absolūtās nulles temperatūra (T = 0K).
Absolūto nulles temperatūru nevar sasniegt. Bozes-Einšteina nātrija atomu kondensāta zemāko temperatūru (450 ± 80) × 10–12 K ieguva MIT pētnieki 2003. gadā. Šajā gadījumā termiskā starojuma maksimums atrodas viļņa garuma apgabalā, kas ir aptuveni 6400 km, tas ir, aptuveni Zemes rādiusā.
5.1. Temperatūra un starojums
Ķermeņa izstarotā enerģija ir proporcionāla tā temperatūras ceturtajai pakāpei. Tātad 300 K temperatūrā no kvadrātmetra virsmas tiek izstarots līdz 450 vatiem. Tas izskaidro, piemēram, zemes virsmas atdzišanu naktī zem apkārtējās vides temperatūras. Absolūti melna ķermeņa starojuma enerģiju apraksta Stefana-Bolcmaņa likums
5.2. Reaumur skala
1730. gadā ierosināja R. A. Reamurs, kurš aprakstīja viņa izgudroto spirta termometru.
Mērvienība ir Reaumur grāds (°R), 1°R ir vienāds ar 1/80 no temperatūras intervāla starp atskaites punktiem - ledus kušanas temperatūru (0°R) un ūdens viršanas temperatūru (80°R).
1 °R = 1,25 °C.
Pašlaik mērogs ir izkritis no lietošanas, tas visilgāk izdzīvojis autora dzimtenē.
6. Pārejas no dažādiem mērogiem
7. Temperatūras skalu salīdzinājums
| Apraksts | Kelvins | Celsija | Fārenheita | Rankins | Delisle | Ņūtons | Reaumur | Rēmers |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Absolūtā nulle | 0 | −273.15 | −459.67 | 0 | 559.725 | −90.14 | −218.52 | −135.90 |
| Fārenheita maisījuma kušanas temperatūra (sāls un ledus vienādos daudzumos) | 255.37 | −17.78 | 0 | 459.67 | 176.67 | −5.87 | −14.22 | −1.83 |
| Ūdens sasalšanas punkts (normāli apstākļi) | 273.15 | 0 | 32 | 491.67 | 150 | 0 | 0 | 7.5 |
| Vidējā cilvēka ķermeņa temperatūra¹ | 310.0 | 36.6 | 98.2 | 557.9 | 94.5 | 12.21 | 29.6 | 26.925 |
| Ūdens viršanas temperatūra (normāli apstākļi) | 373.15 | 100 | 212 | 671.67 | 0 | 33 | 80 | 60 |
| Kūstošs titāns | 1941 | 1668 | 3034 | 3494 | −2352 | 550 | 1334 | 883 |
| Saules virsma | 5800 | 5526 | 9980 | 10440 | −8140 | 1823 | 4421 | 2909 |
¹ Cilvēka ķermeņa normālā vidējā temperatūra ir 36,6 °C ±0,7 °C vai 98,2 °F ±1,3 °F. Parasti norādītā vērtība 98,6 °F ir precīza 19. gadsimta Vācijas vērtības 37 °C pārvēršana Fārenheitā. Tomēr šī vērtība neietilpst normālas vidējās cilvēka ķermeņa temperatūras diapazonā, jo dažādu ķermeņa daļu temperatūra ir atšķirīga.
Dažas vērtības šajā tabulā ir noapaļotas.
8. Fāzu pāreju raksturojums
Lai aprakstītu dažādu vielu fāzes pārejas punktus, tiek izmantotas šādas temperatūras vērtības:
- Kušanas temperatūra
- Vārīšanās temperatūra
- Atkausēšanas temperatūra
- Saķepināšanas temperatūra
- Sintēzes temperatūra
- Gaisa temperatūra
- Augsnes temperatūra
- Homoloģiskā temperatūra
- Trīskāršais punkts
- Debye temperatūra (raksturīgā temperatūra)
- Kirī temperatūra
9. Interesanti fakti
Zemākā temperatūra uz Zemes līdz 1910-68, Verhojanska
- Augstākā cilvēka radītā temperatūra, ~10 triljoni. K (kas ir salīdzināma ar Visuma temperatūru tā dzīves pirmajās sekundēs) tika sasniegts 2010. gadā svina jonu sadursmes laikā, kas paātrināta līdz gandrīz gaismas ātrumam. Eksperiments tika veikts lielajā hadronu paātrinātājā
- Augstākā teorētiski iespējamā temperatūra ir Planka temperatūra. Augstāka temperatūra nevar pastāvēt, jo viss pārvēršas enerģijā (visas subatomiskās daļiņas sabruks). Šī temperatūra ir aptuveni 1,41679 (11) × 10 32 K (aptuveni 142 nonillion K).
- Zemāko cilvēka radīto temperatūru 1995. gadā ieguva Ēriks Kornels un Karls Vīmans no ASV, atdzesējot rubīdija atomus. . Tas bija virs absolūtās nulles par mazāk nekā 1/170 miljardo daļu no K (5,9 × 10–12 K).
- Saules virsmas temperatūra ir aptuveni 6000 K.
- Augstāko augu sēklas paliek dzīvotspējīgas pēc atdzesēšanas līdz –269 °C.
Piezīmes
- GOST 8.417-2002. DAUDZUMU VIENĪBAS - nolik.ru/systems/gost.htm
- Temperatūras jēdziens - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
- I. P. Bazarovs. Termodinamika, M., Augstskola, 1976, lpp. 13-14.
- Platīns - temperatūras.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 pretestības termometrs - galvenā ierīce MTSH-90.
- Lāzera termometrija - temperatures.ru/newmet/newmet.php?page=0
- MTSH-90 atskaites punkti — temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
- Jaunas kelvina definīcijas izstrāde - temperatures.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
- D. A. Paršins, G. G. Zegrja Kritiskais punkts. Vielas īpašības kritiskā stāvoklī. Trīskāršais punkts. Otrā veida fāzu pārejas. Zemas temperatūras iegūšanas metodes. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. Statistiskā termodinamika. 11. lekcija. Sanktpēterburgas Akadēmiskā universitāte.
- Par dažādiem ķermeņa temperatūras mērījumiem - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (angļu valodā)
- BBC News — Lielais hadronu paātrinātājs (LHC) ģenerē "mini-Lielo sprādzienu" - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
- Viss par visu. Temperatūras ieraksti - tem-6.narod.ru/weather_record.html
- Zinātnes brīnumi - www.seti.ee/ff/34gin.swf
Literatūra
- B. I. Spaskis Fizikas vēsture I daļa - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Maskava: “Augstskola”, 1977.
- Sivukhins D.V. Termodinamika un molekulārā fizika. - Maskava: “Zinātne”, 1990.
Šis kopsavilkums ir balstīts uz rakstu no krievu Vikipēdijas. Sinhronizācija pabeigta 07/09/11 16:20:43
Līdzīgi kopsavilkumi:
