Temperaturdefinisjon i fysikk. Absolutt temperatur på en ideell gass Hva er temperatur i fysikk

Historie

Ordet "temperatur" oppsto i de dager da folk trodde at flere oppvarmede kropper inneholdt en større mengde av et spesielt stoff - kalori - enn mindre oppvarmede. Derfor ble temperatur oppfattet som styrken til en blanding av kroppsstoff og kalori. Av denne grunn kalles måleenhetene for styrken til alkoholholdige drikker og temperatur de samme - grader.

Siden temperatur er den kinetiske energien til molekyler, er det klart at det er mest naturlig å måle den i energienheter (dvs. i SI-systemet i joule). Imidlertid begynte temperaturmåling lenge før etableringen av molekylær kinetisk teori, så praktiske skalaer måler temperatur i konvensjonelle enheter- grader.

Kelvin skala

Termodynamikk bruker Kelvin-skalaen, der temperaturen måles fra absolutt null (tilstanden som tilsvarer den minste teoretisk mulige indre energien til et legeme), og en kelvin er lik 1/273,16 av avstanden fra absolutt null til trippelpunktet til vann (tilstanden der is, vann og vannpar er i likevekt). Boltzmanns konstant brukes til å konvertere kelvin til energienheter. Avledede enheter brukes også: kilokelvin, megakelvin, millikelvin, etc.

Celsius

I hverdagen brukes Celsius-skalaen, der frysepunktet for vann tas til 0, og kokepunktet for vann tas til 100°. atmosfærisk trykk. Siden fryse- og kokepunktene til vann ikke er godt definert, er Celsius-skalaen for øyeblikket definert ved å bruke Kelvin-skalaen: en grad Celsius er lik en kelvin, absolutt null er tatt til å være -273,15 °C. Celsius-skalaen er praktisk talt veldig praktisk fordi vann er veldig vanlig på planeten vår og livet vårt er basert på det. Null Celsius er et spesielt punkt for meteorologi, siden frysing av atmosfærisk vann endrer alt betydelig.

Fahrenheit

I England og spesielt i USA brukes Fahrenheit-skalaen. Denne skalaen deler intervallet fra temperaturen på den kaldeste vinteren i byen der Fahrenheit levde til temperaturen på menneskekroppen i 100 grader. Null grader Celsius er 32 grader Fahrenheit, og en grad Fahrenheit er lik 5/9 grader Celsius.

Den nåværende definisjonen av Fahrenheit-skalaen er som følger: det er en temperaturskala der 1 grad (1 °F) er lik 1/180 av forskjellen mellom kokepunktet til vann og smeltetemperaturen til is ved atmosfærisk trykk, og smeltepunktet for is er +32 °F. Fahrenheit-temperatur er relatert til Celsius-temperatur (t °C) med forholdet t °C = 5/9 (t °F - 32), det vil si at en temperaturendring på 1 °F tilsvarer en endring på 5/9 ° C. Foreslått av G. Fahrenheit i 1724.

Reaumur skala

Foreslått i 1730 av R. A. Reaumur, som beskrev alkoholtermometeret han oppfant.

Enheten er graden Reaumur (°R), 1 °R er lik 1/80 av temperaturintervallet mellom referansepunktene - smeltetemperaturen til is (0 °R) og kokepunktet for vann (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

Foreløpig har vekten gått ut av bruk; den overlevde lengst i Frankrike, forfatterens hjemland.

Sammenligning av temperaturskalaer

¹ Normal menneskelig kroppstemperatur er 36,6 °C ±0,7 °C, eller 98,2 °F ±1,3 °F. Den ofte oppgitte verdien på 98,6 °F er en nøyaktig konvertering til Fahrenheit av 1800-tallets tyske verdi på 37 °C. Siden denne verdien ikke er innenfor det normale temperaturområdet iht moderne ideer, kan vi si at den inneholder overdreven (feil) presisjon. Noen verdier i denne tabellen er avrundet.

Sammenligning av Fahrenheit og Celsius skalaer

(o F- Fahrenheit skala, oC- Celsius skala)

For å konvertere grader Celsius til Kelvin må du bruke formelen T=t+T 0 der T er temperaturen i kelvin, t er temperaturen i grader Celsius, T 0 =273,15 kelvin. Størrelsen på en grad Celsius er lik Kelvin.

Termodynamisk definisjon

Historien om den termodynamiske tilnærmingen

Ordet "temperatur" oppsto i de dager da folk trodde at flere oppvarmede kropper inneholdt en større mengde av et spesielt stoff - kalori, enn mindre oppvarmede. Derfor ble temperatur oppfattet som styrken til en blanding av kroppsstoff og kalori. Av denne grunn kalles måleenhetene for styrken til alkoholholdige drikker og temperatur de samme - grader.

Bestemmelse av temperatur i statistisk fysikk

Temperaturmåleinstrumenter er ofte kalibrert på relative skalaer - Celsius eller Fahrenheit.

I praksis måles også temperatur

Det mest nøyaktige praktiske termometeret er platinamotstandstermometeret. Utviklet nyeste metoder temperaturmålinger basert på målinger av laserstrålingsparametere.

Temperaturenheter og skala

Siden temperatur er den kinetiske energien til molekyler, er det klart at det er mest naturlig å måle den i energienheter (det vil si i SI-systemet i joule). Imidlertid begynte temperaturmåling lenge før etableringen av den molekylære kinetiske teorien, så praktiske skalaer måler temperaturen i konvensjonelle enheter - grader.

Absolutt temperatur. Kelvin temperaturskala

Begrepet absolutt temperatur ble introdusert av W. Thomson (Kelvin), og derfor kalles den absolutte temperaturskalaen Kelvin-skalaen eller termodynamisk temperaturskala. Enheten for absolutt temperatur er kelvin (K).

Den absolutte temperaturskalaen kalles så fordi målet på grunntilstanden til den nedre temperaturgrensen er absolutt null, det vil si den lavest mulige temperaturen der det i prinsippet er umulig å utvinne termisk energi fra et stoff.

Absolutt null er definert som 0 K, som er lik -273,15 °C.

Kelvin temperaturskala er en skala som starter på absolutt null.

Viktig har utvikling, basert på den termodynamiske Kelvin-skalaen, av internasjonale praktiske skalaer basert på referansepunkter - faseoverganger av rene stoffer, bestemt ved metoder for primær termometri. Den første internasjonale temperaturskalaen ble vedtatt i 1927 av ITS-27. Siden 1927 har skalaen blitt omdefinert flere ganger (MTSh-48, MPTS-68, MTSh-90): referansetemperaturer og interpolasjonsmetoder har endret seg, men prinsippet forblir det samme - grunnlaget for skalaen er et sett med faseoverganger av rene stoffer med visse verdier for termodynamiske temperaturer og interpolasjonsinstrumenter kalibrert på disse punktene. For øyeblikket er ITS-90-skalaen i kraft. Hoveddokumentet (Forskrifter på skalaen) etablerer definisjonen av Kelvin, verdiene for faseovergangstemperaturer (referansepunkter) og interpolasjonsmetoder.

Temperaturskalaer som brukes i hverdagen - både Celsius og Fahrenheit (brukes hovedsakelig i USA) - er ikke absolutte og derfor upraktiske når man utfører eksperimenter under forhold der temperaturen synker under frysepunktet til vann, og det er grunnen til at temperaturen må uttrykkes negativt tall. For slike tilfeller ble det innført absolutte temperaturskalaer.

Den ene kalles Rankine-skalaen, og den andre kalles den absolutte termodynamiske skalaen (Kelvin-skalaen); deres temperaturer måles i henholdsvis grader Rankine (°Ra) og kelvin (K). Begge skalaene begynner ved absolutt null temperatur. De skiller seg ved at prisen på én divisjon på Kelvin-skalaen er lik prisen på en divisjon på Celsius-skalaen, og prisen på én divisjon på Rankine-skalaen tilsvarer prisen på deling av termometre med Fahrenheit-skalaen. Frysepunktet for vann ved standard atmosfærisk trykk tilsvarer 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Kelvin-skalaen er knyttet til vannets trippelpunkt (273,16 K), og Boltzmann-konstanten avhenger av den. Dette skaper problemer med nøyaktigheten av måletolkningen høye temperaturer. BIPM vurderer nå muligheten for å gå over til en ny definisjon av Kelvin og fikse Boltzmann-konstanten, i stedet for å referere til trippelpunktstemperaturen. .

Celsius

I teknologi, medisin, meteorologi og i hverdagen brukes Celsius-skalaen, der temperaturen til trippelpunktet til vann er 0,008 °C, og derfor er frysepunktet for vann ved et trykk på 1 atm 0 ° C. For øyeblikket bestemmes Celsius-skalaen gjennom Kelvin-skalaen: prisen på én divisjon på Celsius-skalaen er lik prisen på en divisjon på Kelvin-skalaen, t(°C) = T(K) - 273,15. Dermed har kokepunktet for vann, opprinnelig valgt av Celsius som et referansepunkt på 100 °C, mistet sin betydning, og moderne estimater setter kokepunktet for vann ved normalt atmosfærisk trykk på omtrent 99,975 °C. Celsius-skalaen er praktisk talt veldig praktisk, siden vann er veldig utbredt på planeten vår og livet vårt er basert på det. Null Celsius er et spesielt punkt for meteorologi fordi det er assosiert med frysing av atmosfærisk vann. Skalaen ble foreslått av Anders Celsius i 1742.

Fahrenheit

I England og spesielt i USA brukes Fahrenheit-skalaen. Null grader Celsius er 32 grader Fahrenheit, og 100 grader Celsius er 212 grader Fahrenheit.

Den nåværende definisjonen av Fahrenheit-skalaen er som følger: det er en temperaturskala der 1 grad (1 °F) er lik 1/180 av forskjellen mellom kokepunktet til vann og smeltetemperaturen til is ved atmosfærisk trykk, og smeltepunktet for is er +32 °F. Temperatur på Fahrenheit-skalaen er relatert til temperatur på Celsius-skalaen (t °C) med forholdet t °C = 5/9 (t °F - 32), t °F = 9/5 t °C + 32. Foreslått av G. Fahrenheit i 1724 år.

Reaumur skala

Overganger fra ulike skalaer

Sammenligning av temperaturskalaer

¹ Den normale gjennomsnittlige kroppstemperaturen er 36,6 °C ±0,7 °C, eller 98,2 °F ±1,3 °F. Den ofte oppgitte verdien på 98,6 °F er en nøyaktig konvertering til Fahrenheit av 1800-tallets tyske verdi på 37 °C. Imidlertid er denne verdien ikke innenfor området for normal gjennomsnittlig menneskelig kroppstemperatur, siden temperaturen forskjellige deler kropper er forskjellige.

Noen verdier i denne tabellen er avrundet.

Kjennetegn på faseoverganger

For å beskrive faseovergangspunkter ulike stoffer Følgende temperaturverdier brukes:

• Glødetemperatur
• Sintringstemperatur
• Syntesetemperatur
• Lufttemperatur
• Jordtemperatur
• Homolog temperatur
• Debye-temperatur (karakteristisk temperatur)

se også

Notater

Litteratur

• Spassky B.I. Fysikkens historie del I. - Moskva: " forskerskolen", 1977.
• Sivukhin D.V. Termodynamikk og molekylær fysikk. - Moskva: "Vitenskap", 1990.

Temperaturen er lett!

Temperatur

Temperatur- Dette er et mål på gjennomsnittet kinetisk energi molekyler.
Temperatur karakteriserer graden av oppvarming av legemer.

Temperaturmåler - termometer.
Driftsprinsipp termometer:
Ved måling av temperatur, avhengigheten av endringer i enhver makroskopisk parameter (volum, trykk, elektrisk motstand etc.) stoffer avhengig av temperatur.
I væsketermometre er dette en endring i væskevolumet.
Når to medier kommer i kontakt, overføres energi fra det mer oppvarmede miljøet til det mindre oppvarmede.
Under måleprosessen når kroppstemperaturen og termometeret en tilstand av termisk likevekt.

Væsketermometre

I praksis brukes ofte flytende termometre: kvikksølv (i området fra -35 o C til +750 o C) og alkohol (fra -80 o C til +70 o C).
De bruker egenskapen til en væske til å endre volumet når temperaturen endres.
Imidlertid har hver væske sine egne egenskaper for volumendring (ekspansjon) ved forskjellige temperaturer.
Som et resultat av å sammenligne for eksempel avlesningene til kvikksølv- og alkoholtermometre, vil en nøyaktig overensstemmelse bare være på to punkter (ved temperaturer på 0 o C og 100 o C).
Gasstermometre har ikke disse ulempene.

Gass termometre

Det første gasstermometeret ble laget av den franske fysikeren J. Charles.

Fordeler gass ​​termometer:
- det brukes en lineær avhengighet av endringen i gassvolum eller trykk på temperaturen, som er gyldig for alle gasser
- målenøyaktighet fra 0,003 o C til 0,02 o C
- temperaturområde fra -271 o C til +1027 o C.

Termisk likevekt

Når to legemer med forskjellige temperaturer kommer i kontakt, overføres intern energi fra den mer oppvarmede kroppen til den mindre oppvarmede, og temperaturene til begge legemer utjevnes.
En tilstand av termisk likevekt oppstår, der alle makroparametre (volum, trykk, temperatur) til begge legemer forblir uendret i fremtiden under konstante ytre forhold.

Termisk likevekt er en tilstand der alle makroskopiske parametere forblir uendret i uendelig lang tid.
Tilstanden til termisk likevekt til et system av kropper er preget av temperatur: alle kropper i systemet som er i termisk likevekt med hverandre har samme temperatur.
Det er fastslått at ved termisk likevekt er de gjennomsnittlige kinetiske energiene til translasjonsbevegelsen til molekylene til alle gasser de samme, dvs.

For sjeldne (ideelle) gasser verdien

og avhenger kun av temperaturen, da

hvor k er Boltzmanns konstant

Denne avhengigheten gjør det mulig å innføre en ny temperaturskala – en absolutt temperaturskala som ikke er avhengig av stoffet som brukes til å måle temperatur.

Absolutt temperaturskala

Introdusert av den engelske fysikeren W. Kelvin
- ingen negative temperaturer

SI-enhet for absolutt temperatur: [T] = 1K (Kelvin)
Nulltemperaturen på den absolutte skalaen er absolutt null (0K = -273 o C), den laveste temperaturen i naturen. For øyeblikket er den laveste temperaturen nådd - 0,0001K.
Verdien av 1K er lik 1 o C.

Forholdet mellom den absolutte skalaen og Celsius-skalaen

Huske! I formler er absolutt temperatur betegnet med bokstaven "T", og temperatur på Celsius-skalaen med bokstaven "t".

Etter å ha innført den absolutte temperaturen får vi nye uttrykk for formler:

Gjennomsnittlig kinetisk energi av translasjonsbevegelse av molekyler

Gasstrykk - den grunnleggende ligningen til MKT

Gjennomsnittlig kvadrathastighet for molekyler

Temperatur (i fysikk)

Temperatur(fra latin temperatura ≈ riktig blanding, proporsjonalitet, normal tilstand), fysisk mengde, som karakteriserer tilstanden til termodynamisk likevekt til et makroskopisk system. T. er lik for alle deler av et isolert system som er i termodynamisk likevekt. Hvis et isolert system ikke er i likevekt, vil overgangen av energi (varmeoverføring) fra mer oppvarmede deler av systemet til mindre oppvarmede deler over tid føre til en utjevning av temperaturen gjennom hele systemet (det første postulatet, eller nullloven). termodynamikk). T bestemmer: fordelingen av partikler som danner et system i henhold til energinivåer (se Boltzmann-statistikk) og fordelingen av partikler i henhold til hastigheter (se Maxwell-fordeling); grad av ionisering av et stoff (se Sakha-formelen); egenskaper ved likevekt elektromagnetisk stråling legemer ≈ spektral strålingstetthet (se Plancks strålingslov), total volumetrisk strålingstetthet (se Stefan ≈ Boltzmanns strålingslov), etc. T., inkludert som parameter i Boltzmann-fordelingen, kalles ofte T. eksitasjon, i fordelingen Maxwell ≈ kinetisk temperatur, i Sahas formel ≈ ioniseringstemperatur, i Stefans lov ≈ Boltzmann ≈ strålingstemperatur. Siden for et system i termodynamisk likevekt er alle disse parametrene like med hverandre, kalles de ganske enkelt systemets temperatur. I den kinetiske teorien om gasser og andre deler av statistisk mekanikk kvantifiseres temperaturen slik at den gjennomsnittlige kinetiske energien til translasjonsbevegelsen til en partikkel (som har tre frihetsgrader) er lik T, hvor k ≈ Boltzmann konstant, T ≈ kropp temperatur. I det generelle tilfellet er energi definert som derivatet av energien til kroppen som helhet ved dens entropi. Denne temperaturen er alltid positiv (siden den kinetiske energien er positiv kalles den absolutt temperatur eller temperatur på den termodynamiske temperaturskalaen). Per enhet av absolutt T. in Internasjonalt system enheter (SI) er kelvin (K). T. måles ofte på Celsius-skalaen (t), verdiene av t er relatert til T med likheten t = T √ 273,15 K (en grad Celsius er lik Kelvin). Metoder for å måle temperatur er omtalt i artiklene Termometri, Termometer.

Bare likevektstilstanden til legemer er preget av en strengt definert temperatur. Det finnes imidlertid systemer hvis tilstand tilnærmet kan karakteriseres av flere ulike temperaturer. For eksempel, i et plasma som består av lette (elektroner) og tunge (ioner) ladede partikler, når partikler kolliderer, overføres energi raskt fra elektroner til elektroner og fra ioner til ioner, men sakte fra elektroner til ioner og tilbake. Det er tilstander av plasma der individuelle systemer av elektroner og ioner er nær likevekt, og det er mulig å introdusere T. av elektronene Te og T. av Ti-ioner som ikke sammenfaller med hverandre.

I legemer hvis partikler har et magnetisk moment, overføres energi vanligvis sakte fra translasjons- til magnetiske frihetsgrader knyttet til muligheten for å endre retningen til det magnetiske momentet. På grunn av dette er det tilstander hvor systemet av magnetiske momenter er preget av en temperatur som ikke sammenfaller med den kinetiske temperaturen tilsvarende bevegelse fremover partikler. Magnetisk temperatur bestemmer den magnetiske delen av indre energi og kan være enten positiv eller negativ (se Negativ temperatur). I prosessen med å utjevne temperaturen, overføres energi fra partikler (frihetsgrader) med høyere temperatur til partikler (frihetsgrader) med lavere temperatur, hvis de er både positive eller negative, men i motsatt retning, hvis en av dem er positiv og den andre er negativ. I denne forstand er negativ T. "høyere" enn noen positiv.

Termodynamikkbegrepet brukes også til å karakterisere ikke-likevektssystemer (se Termodynamikk av ikke-likevektsprosesser ). For eksempel lysstyrke himmellegemer preget av lysstyrketemperatur, spektral sammensetning av stråling ≈ fargetemperatur, etc.

Temperatur er en fysisk størrelse som karakteriserer tilstanden til termodynamisk likevekt i et makroskopisk system. Temperaturen er den samme for alle deler av et isolert system som er i termodynamisk likevekt. Hvis et isolert termodynamisk system ikke er i likevekt, vil overgangen av energi (varmeoverføring) fra mer oppvarmede deler av systemet til mindre oppvarmede over tid føre til utjevning av temperaturen i hele systemet (termodynamikkens nulllov). Under likevektsforhold er temperaturen proporsjonal med den gjennomsnittlige kinetiske energien til partikler i kroppen.

Temperaturen kan ikke måles direkte. En endring i temperaturen bedømmes av endringer i andre fysiske egenskaper til legemer (volum, trykk, elektrisk motstand, emf, strålingsintensitet, etc.) som er unikt relatert til den (de såkalte termodynamiske egenskapene). Enhver metode for å måle temperatur innebærer å definere en temperaturskala.

Metoder for å måle temperatur er forskjellige for ulike områder av målte temperaturer, de avhenger av måleforholdene og den nødvendige nøyaktigheten. De kan deles inn i to hovedgrupper: kontakt og ikke-kontakt. Kontaktmetoder kjennetegnes ved at enheten som måler temperaturen på mediet må være i termisk likevekt med den, dvs. har samme temperatur som henne. Hovedkomponentene i alle instrumenter for måling av temperatur er det følsomme elementet, hvor den termometriske egenskapen er realisert, og måleanordningen knyttet til elementet.

I følge molekylær kinetisk teori ideell gass temperatur er en mengde som karakteriserer den gjennomsnittlige kinetiske energien til translasjonsbevegelsen til molekyler i en ideell gass. Når vi tar i betraktning den termodynamiske betydningen av temperatur, kan vi redusere målingen av temperaturen til ethvert legeme til målingen av den gjennomsnittlige kinetiske energien til molekylene til en ideell gass.

Men i praksis er det ikke energien til molekyler som måles ved deres hastighet, men gasstrykket, som er direkte proporsjonalt med energien.

I følge den molekylære kinetiske teorien om en ideell gass, temperaturen T er et mål på den gjennomsnittlige kinetiske energien til translasjonsbevegelsen til molekyler:

Hvor
J/C– Boltzmann konstant;

T– absolutt temperatur i Kelvin.

Den grunnleggende ligningen for den molekylære kinetiske teorien om en ideell gass, som etablerer avhengigheten av trykk fra den kinetiske energien til translasjonsbevegelsen til gassmolekyler, har formen:

, (2)

Hvor – antall molekyler per volumenhet, dvs. konsentrasjon.

Ved å bruke ligning (1) og (2) får vi avhengigheten

(3)

mellom trykk og temperatur, som lar oss fastslå at trykket til en ideell gass er proporsjonal med dens absolutte temperatur og konsentrasjon av molekyler, der

(4)

Temperaturmåling er basert på følgende to eksperimentelle fakta:

a) hvis det er to legemer, som hver er i termisk likevekt med det samme tredje legemet, så har alle tre legemer samme temperatur;

b) en endring i temperaturen er alltid ledsaget av en kontinuerlig endring i minst én av parameterne, ikke medregnet selve temperaturen, som kjennetegner kroppens tilstand, for eksempel: volum, trykk, elektrisk ledningsevne osv. Den første av disse bestemmelsene lar deg sammenligne temperaturen til forskjellige kropper uten å bringe dem i kontakt selv.

Den andre posisjonen lar deg velge en av parameterne som termometrisk.

Generelt er temperatur definert som derivatet av energien som helhet med hensyn til dens entropi. Temperaturen definert på denne måten er alltid positiv (siden kinetisk energi alltid er positiv), kalles den temperatur eller temperatur på den termodynamiske temperaturskalaen og betegnes T. SI-enheten (International System of Units) for absolutt temperatur er kelvin ( TIL). Se "Innledning". Temperaturen måles ofte på Celsius-skalaen (
), den er assosiert med T (TIL) likhet

;
(5)

Hvor
– termisk koeffisient for volumetrisk ekspansjon av gass.