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

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

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

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

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

(2)

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

тела передаёт другому макроскопическому объекту за одно

соударение с этим объектом.

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

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

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

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

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

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

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

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

и
.

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

Θ = kT .

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

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

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

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

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

тела передаёт другому макроскопическому объекту за один

элементарный акт взаимодействия с этим объектом .

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

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

Физическая величина

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

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

Плазма

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

Магниты

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

А зачем это надо?

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

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

А я хочу знать

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

Температура как кинетическая энергия

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

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

Единицы измерения температуры

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

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

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

Абсолютный нуль температуры

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

Несколько интересных фактов о Солнечной системе

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

Факты о Земле

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

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

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

Термодинамическая температура

Термодинами́ческая температу́ра (англ. thermodynamic temperature , нем. thermodynamische Temperatur ), или абсолю́тная температу́ра (англ. absolute temperature , нем. absolute Temperatur ) является единственной функцией состояния термодинамической системы, которая характеризует направление самопроизвольного теплообмена между телами (системами).

Термодинамическая температура обозначается буквой T {\displaystyle T} , измеряется в кельвинах (обозначается K) и отсчитывается по абсолютной термодинамической шкале (шкале Кельвина). Абсолютная термодинамическая шкала является основной шкалой в физике и в уравнениях термодинамики.

Молекулярно-кинетическая теория, со своей стороны, связывает абсолютную температуру со средней кинетической энергией поступательного движения молекул идеального газа в условиях термодинамического равновесия:

1 2 m v ¯ 2 = 3 2 k T , {\displaystyle {\frac {1}{2}}m{\bar {v}}^{2}={\frac {3}{2}}kT,}

где m {\displaystyle m} ─ масса молекулы, v ¯ {\displaystyle {\bar {v}}} ─ средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул, T {\displaystyle T} ─ абсолютная температура, k {\displaystyle k} ─ постоянная Больцмана.

История

Измерение температуры прошло долгий и трудный путь в своём развитии. Так как температура не может быть измерена непосредственно, то для её измерения использовали свойства термометрических тел, которые находились в функциональной зависимости от температуры. На этой основе были разработаны различные температурные шкалы, которые получили название эмпирических , а измеренная с их помощью температура называется эмпирической. Существенными недостатками эмпирических шкал являются отсутствие их непрерывности и несовпадение значений температур для разных термометрических тел: как между реперными точками, так и за их пределами. Отсутствие непрерывности эмпирических шкал связано с отсутствием в природе вещества, которое способно сохранять свои свойства во всём диапазоне возможных температур. В 1848 году Томсон (лорд Кельвин) предложил выбрать градус температурной шкалы таким образом, чтобы в её пределах эффективность идеальной тепловой машины была одинаковой. В дальнейшем, в 1854 году он предложил использовать обратную функцию Карно для построения термодинамической шкалы, не зависящей от свойств термометрических тел. Однако, практическая реализация этой идеи оказалась невозможной. В начале XIX века в поисках «абсолютного» прибора для измерения температуры снова вернулись к идее идеального газового термометра, основанного на законах идеальных газов Гей-Люссака и Шарля. Газовый термометр в течение долгого времени был единственным способом воспроизведения абсолютной температуры. Новые направления в воспроизведении абсолютной температурной шкалы основаны на использовании уравнения Стефана ─ Больцмана в бесконтактной термометрии и уравнения Гарри (Харри) Найквиста ─ в контактной.

Физические основы построения термодинамической шкалы температур

1. Термодинамическая шкала температур принципиально может быть построена на основании теоремы Карно, которая утверждает, что коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя не зависит от природы рабочего тела и конструкции двигателя, и зависит только от температур нагревателя и холодильника.

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}}},}

где Q 1 {\displaystyle Q_{1}} - количество теплоты, полученной рабочим телом (идеальным газом) от нагревателя, Q 2 {\displaystyle Q_{2}} - количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику, T 1 , T 2 {\displaystyle T_{1},T_{2}} - температуры нагревателя и холодильника, соответственно.

Из приведённого выше уравнения следует соотношение:

Q 1 Q 2 = T 1 T 2 . {\displaystyle {\frac {Q_{1}}{Q_{2}}}={\frac {T_{1}}{T_{2}}}.}

Это соотношение может быть использовано для построения абсолютной термодинамической температуры . Если один из изотермических процессов цикла Карно Q 3 {\displaystyle Q_{3}} проводить при температуре тройной точки воды (реперная точка), установленной произвольно ─ T 3 = 273 , 16 K , {\displaystyle T_{3}=273{,}16\,K,} то любая другая температура будет определяться по формуле T = 273 , 16 Q Q 3 {\displaystyle T=273{,}16{\frac {Q}{Q_{3}}}} . Установленная таким образом температурная шкала называется термодинамической шкалой Кельвина . К сожалению, точность измерения количества теплоты невысока, что не позволяет реализовать вышеописанный способ на практике.

2. Абсолютная температурная шкала может быть построена, если использовать в качестве термометрического тела идеальный газ. В самом деле, из уравнения Клапейрона вытекает соотношение

T = p V R . {\displaystyle T={\frac {pV}{R}}.}

Если измерять давление газа, близкого по свойствам к идеальному, находящегося в герметичном сосуде постоянного объёма, то таким способом можно установить температурную шкалу, которая носит название идеально-газовой. Преимущество этой шкалы состоит в том, что давление идеального газа при V = c o n s t {\displaystyle V=const} изменяется линейно с температурой. Поскольку даже сильно разреженные газы по своим свойствам несколько отличаются от идеального газа, то реализация идеально-газовой шкалы связана с определёнными трудностями.

3. В различных учебниках по термодинамике приводятся доказательства того, что температура, измеренная по идеально-газовой шкале, совпадает с термодинамической температурой. Следует, однако, оговориться: несмотря на то, что численно термодинамическая и идеально-газовая шкалы абсолютно идентичны, с качественной точки зрения между ними есть принципиальная разница. Только термодинамическая шкала является абсолютно независимой от свойств термометрического вещества.

4. Как уже было указано, точное воспроизведение термодинамической шкалы, а также идеально-газовой, сопряжено с серьёзными трудностями. В первом случае необходимо тщательно измерять количество теплоты, которая подводится и отводится в изотермических процессах идеального теплового двигателя. Такого рода измерения неточны. Воспроизведение термодинамической (идеально-газовой) температурной шкалы в диапазоне от 10 до 1337 K возможно с помощью газового термометра. При более высоких температурах заметно проявляется диффузия реального газа сквозь стенки резервуара, а при температурах в несколько тысяч градусов многоатомные газы распадаются на атомы. При ещё больших температурах реальные газы ионизируются и превращаются в плазму, которая не подчиняется уравнению Клапейрона. Наиболее низкая температура, которая может быть измерена газовым термометром, заполненным гелием при низком давлении равна 1 K. Для измерения температур за пределами возможностей газовых термометров используют специальные методы измерения. Подробнее см. Термометрия .

Определение температуры застывания

Основные нарушения в системе подачи топлива при низких температурах связаны с температурой помутнения и застывания топлива. В отличие от бензинов в дизельных топливах может находиться довольно много углеводородов с высокой температурой плавления, в первую очередь парафиновых (алкановых) и ароматических углеводородов.

При понижении температуры наиболее высокоплавкие углеводороды выпадают из топлива в виде кристаллов различной формы, топливо мутнеет. Наивысшая температура, при которой топливо теряет прозрачность, называется температурой помутнения . При этом топливо не теряет свойство текучести. Значение вязкости при повышении температуры увеличивается незначительно, однако кристаллы, проникая через фильтр грубой очистки, образуют непроницаемую для топлива пленку на фильтре тонкой очистки, что приводит к прекращению подачи топлива. Температура помутнения, как правило, должна быть на 3-5 °С ниже температуры окружающей среды. При дальнейшем охлаждении ДТ наступает сращивание отдельных кристаллов в каркас, который пронизывает все топливо, сковывая его. Топливо теряет текучесть.

При дальнейшем охлаждении топлива кристаллы высокоплавких углеводородов начинают соединяться, образуя пространственную решетку, в ячейках которой остаются жидкие углеводороды. Затем образующаяся структура настолько упрочняется, что топливо теряет текучесть - застывает. Наивысшую температуру, при которой топливо теряет текучесть, называют температурой застывания. Она должна быть на 8-12 °С ниже температуры окружающей среды. Температурой застывания считается температура, при которой налитое в пробирку дизельное топливо при охлаждении в определенных условиях не изменяет положения мениска в течение 1 мин при наклоне пробирки под углом 45° от вертикали (ГОСТ 20287-91). Температура застывания дизельного топлива - величина условная и служит лишь ориентиром для определения условий применения топлива.

Оборудование: прибор для определения температуры помутнения топлива; штатив лабораторный; реактивы для охладительных смесей (соль-лед для температуры до минус 20 °С; спирт и углекислота - сухой лед - для температуры ниже минус 20 °С); пробирка; образец топлива; серная кислота.

Рис. 2.3. Прибор для определения температуры помутнения и застывания топлива: 1 - пробирка наружная; 2 - пробирка внутренняя; 3 - пробка; 4 - термометр; 5 - мешалка

Порядок выполнения работы:

Сущность определения температуры помутнения топлива заключается в глубоком его охлаждении и визуальном наблюдении за изменением его состояния. Сущность определения температуры застывания заключается в глубоком охлаждении топлива до состояния потери подвижности.

1. Испытуемое топливо тщательно перемешать и налить во внутреннюю пробирку до метки (40 мм от дна нанесена метка). Пробирку закрыть корковой пробкой с термометром. Термометр вставить так, чтобы его ртутный шарик находился в пробирке на расстоянии 15 мм от дна и равном расстоянии от стенок.

2. Налить испытуемое топливо в другую пробирку, которую использовать в качестве эталона прозрачности.

3. Заполнить сосуд прибора охлаждающей смесью, уровень которой поддерживать на 30-40 мм выше уровня топлива в пробирке. Температура охладительной смеси при испытании все время должна быть на 15±2 °С ниже температуры испытуемого топлива.

4. Укрепить внутреннюю пробирку с топливом и термометром во внешней пробирке. Во избежание запотевания внутренних стенок между пробирками заливают серную кислоту в количестве 0,5-1,0 мл.

5. Поместить собранный прибор в охлаждающую смесь. Топливо во время охлаждения все время перемешивать.

6. За 5 °С до ожидаемой температуры помутнения пробирку вынуть из охлаждающей смеси, быстро вытереть ватой, смоченной спиртом, и сравнить с эталоном. Продолжительность определения сравнения не более 12 с.

7. Если топливо по сравнению с прозрачным эталоном не изменилось, то пробирку снова опускают в сосуд прибора и дальнейшее наблюдение производят через каждый градус, понижая температуру топлива. Эти сравнительные наблюдения с прозрачным эталоном производят до тех пор, пока топливо не станет отличаться от эталона, т. е. когда в нем появится муть. При определении температуры помутнения неизвестного образца топлива сначала устанавливают значения этих температур приблизительно путем наблюдения за состоянием топлива через каждые 5 °С.

8. Для определения температуры застывания топлива в соответствии с пунктами 1 и 2 подготовить прибор с испытуемым обезвоженным (с помощью свежепрокаленного хлористого кальция) топлива. Подготовленный прибор поместить в сосуд с охлаждающей жидкостью. Температура охладительной смеси должна быть на 5 °С ниже предполагаемой температуры застывания топлива.

9. Не вынимая из охлаждающей смеси, наклонить прибор под углом 45° и держать в таком положении в течение одной минуты, до тех пор, пока испытуемое топливо в пробирке примет температуру, соответствующую температуре его застывания.

10. Вынуть пробирку из охлаждающей смеси, протереть стенки ватой, смоченной в спирте, и наблюдать, не сместился ли мениск топлива. Если мениск не сместился, то топливо остается застывшим, и наоборот. Если температура топлива неизвестна даже приблизительно, испытание по смещению мениска проводят через каждые 5 °С понижения температуры топлива. Температуру смеси в этом случае поддерживают на 4-5° ниже температуры топлива. После проведения испытания прибор и рабочее место привести в первоначальное положение. Полученную температуру сравнить с показателями ГОСТ.

Определение цетанового числа дизельного топлива расчетным методом

Способность ДТ самовоспламеняться оценивают цетановым числом (ЦЧ). Метод оценки самовоспламеняемости топлив для быстроходных дизелей аналогичен методу оценки детонационной стойкости бензинов. В качестве эталонных топлив для определения самовоспламеняемости выбирают два углеводорода: цетан С 16 Н 34 и альфаметилнафталин С 10 Н 7 СН 3 . Самовоспламеняемость первого углеводорода условно принята за 100, второго - за 0. Смешивая их можно получить смесь с самовоспламеняемостью от 0 до 100. Таким образом, цетановым числом называется условный показатель, численно равный процентному содержанию цетана в такой его смеси с альфаметилнафталином, которая по самовоспламеняемости соответствует испытуемому образцу.

Цетановое число ДТ определяют методом совпадения вспышек (рис. 2.4).

Для безотказной работы современных двигателей требуется топливо с цетановым числом летом - не менее 45, зимой - 50. При цетановом числе ниже 45 дизели работают жестко, особенно зимой, а выше 45 - мягко. Однако использовать топлива с цетановым числом выше 60 нерентабельно, так как жесткость работы при этом изменяется незначительно, а удельный расход топлива возрастает. Последнее объясняется тем, что при повышении ЦЧ свыше 55 период задержки воспламенения (время с момента начала подачи топлива в цилиндр двигателя до начала горения) настолько мал, что топливо воспламеняется вблизи форсунки, и воздух, находящийся дальше от места впрыска, почти не участвует в процессе сгорания. В результате топливо сгорает не полностью, снижается экономичность двигателя.

ДТ не всегда обеспечивают необходимую самовоспламеняемость, поэтому возникает необходимость в повышении цетанового числа. Существуют два основных метода: изменение химического состава и введение специальных присадок.

Что касается надежности холодного пуска двигателя при различных температурах окружающей среды, то он в большей степени зависит от конструкции двигателя и режима пуска, чем от ЦЧ топлива. При температуре в камере сгорания ниже 350-400 °С горючая смесь уже не будет в состоянии воспламеняться. Минимальная пусковая частота вращения коленчатого вала дизеля должна быть 100-120 мин-1. И чем выше пусковая частота, тем выше температура сжимаемого воздуха, а значит и условия пуска двигателя.

Цетановое число зависит от содержания и строения углеводородов, входящих в состав ДТ. Цетановые числа алканов - самые высокие, самые низкие числа имеют ароматические углеводороды. Углеводороды, входящие в состав ДТ, по ЦЧ располагаются следующим образом: 1 - алканы, 2 - циклоалканы, 3 - изоалканы, 4 - ароматические углеводороды. Увеличение числа углеродных атомов в молекулах углеводородов приводит к увеличению цетанового числа. Таким образом, повышение содержания н-алканов приводит к увеличению ЦЧ. Однако н-алканы имеют высокую температуру кристаллизации, что приводит к ухудшению низкотемпературных свойств ДТ.

Введение в ДТ специальных кислородсодержащих присадок способствует легкому выделению активного кислорода. К таким присадкам относятся органические перекиси, сложные эфиры азотной кислоты, которые, попадая в камеру сгорания, ускоряют образование перекисей, от разложения которой ускоряется процесс самовоспламенения. Так, добавление 1 % изопропилнитрата повышает ЦЧ на 10-12 единиц и улучшает пусковые свойства ДТ в зимнее время. Существует эмпирическая зависимость цетанового числа топлива от его октанового числа.

ЦЧ = 60 - ОЧ / 2, (2.4)

где ЦЧ - цетановое число; ОЧ - октановое число.

Чем выше октановое число, тем ниже его цетановое число и наоборот. Поэтому добавление в дизельное топливо бензиновых фракций всегда ведет к снижению его цетанового числа.

Цетановое число приближенно может быть подсчитано по формуле (полученный результат отличается от действительного на 2-3 единицы):

Ц.Ч. = 1,5879 · (ν 20 + 17,8) / ρ 20 , (2.5)

где ν 20 - вязкость топлива в сСт при 20°С; ρ 20 - плотность топлива при 20°С, г/см3.

Что такое температура?

Ответы типа "мера нагретости тела" не принимаются))))))

Виталик обухов

Температу́ра (от лат. temperatura - надлежащее смешение, нормальное состояние) - физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.
В системе СИ температура измеряется в кельвинах. Но на практике часто применяют градусы Цельсия из-за привязки к важным характеристикам воды - температуре таяния льда (0° C) и температуре кипения (100° C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном.
Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие.
Температура с молекулярно-кинетической точки зрения - физическая величина, характеризующая интенсивность хаотического, теплового движения всей совокупности частиц системы и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения одной частицы.
Связь между кинетической энергией, массой и скоростью выражается следующей формулой:
Ek = 1/2m v 2
Таким образом частицы одинаковой массы и имеющие одинаковую скорость имеют и одинаковую температуру.
Средняя кинетическая энергия частицы связана с термодинамической температурой постоянной Больцмана:
Eср = i/2kBT
где:
i - число степеней свободы
kB = 1.380 6505(24) × 10−23 Дж/K - постоянная Больцмана
T - температура;
Температура - величина, обратная изменению энтропии (степени беспорядка) системы при добавлении в систему единичного количества теплоты: 1/T = ΔS/ΔQ.
[править] История термодинамического подхода
Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества - теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково - градусами.
В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла) . Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, потому что суммарная энтропия при этом возрастает.
Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода» , связанными с тем, отдает ли живая ткань тепло или получает его.
Некоторые квантовомеханические системы могут находится в состоянии, при котором энтропия не возрастает, а убывает при добавлении энергии, что формально соответствует отрицательной абсолютной температуре. Однако такие состояния находятся не «ниже абсолютного нуля» , а «выше бесконечности» , поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим положительной температурой, энергия передается от системы к телу, а не наоборот (подробнее см. Квантовая термодинамика) .
Свойства температуры изучает раздел физики - термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.

Бобр

Если "на пальцах", то мера средней энергии частиц вещества. Если речь идёт о газе или жидкости - кинетической энергии, если о твёрдом веществе, тогда энергия колебаний частиц в решетке.
Тут важно, что это мера именно средней энергии, т. е. если частиц слишком мало, то понятие температуры теряет смысл. Например, в космосе: там всякие частицы носятся, но их слишком мало для того, чтобы усреднение энергий имело смысл.

Дмитрий д.

Бобр в принципе верно написал, только колебания частиц в решетке -- это тоже кинетическая энергия. , так что самое краткое определение:
температура -- мера средней кинетической энергии структурных частиц вещества.

Существует несколько различных единиц измерения температуры.

Наиболее известными являются следующие:

Градус Цельсия - применяется в Международной системе единиц (СИ) наряду с кельвином.

Градус Цельсия назван в честь шведского учёного Андерса Цельсия, предложившего в 1742 году новую шкалу для измерения температуры.

Первоначальное определение градуса Цельсия зависело от определения стандартного атмосферного давления, потому что и температура кипения воды и температура таяния льда зависят от давления. Это не очень удобно для стандартизации единицы измерения. Поэтому после принятия кельвина K, в качестве основной единицы измерения температуры, определение градуса Цельсия было пересмотрено.

Согласно современному определению, градус Цельсия равен одному кельвину K, а ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге, шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15:

В 1665 году голландский физик Христиан Гюйгенс вместе с английским физиком Робертом Гуком впервые предложили использовать в качестве отсчетных точек температурной шкалы точки таяния льда и кипения воды.

В 1742 году шведский астроном, геолог и метеоролог Андерс Цельсий (1701-1744) на основе этой идеи разработал новую температурную шкалу. Первоначально в ней 0° (нулём) была точка кипения воды, а 100° - температура замерзания воды (точка плавления льда). Позже, уже после смерти Цельсия, его современники и соотечественники ботаник Карл Линней и астроном Мортен Штремер использовали эту шкалу в перевёрнутом виде (за 0° стали принимать температуру таяния льда, а за 100° - кипения воды). В таком виде шкала и используется до нашего времени.

По одним сведениям, Цельсий сам перевернул свою шкалу по совету Штремера. По другим сведениям, шкалу перевернул Карл Линней в 1745 году. А по третьим - шкалу перевернул преемник Цельсия Мортен Штремер, и в XVIII веке такой термометр был широко распространён под названием «шведский термометр», а в самой Швеции - под именем Штремера, но известнейший шведский химик Йёнс Якоб Берце́лиус в своем труде «Руководство по химии» назвал шкалу «Цельсиевой» и с тех пор стоградусная шкала стала носить имя Андерса Цельсия.

Градус Фаренгейта.

Назван в честь немецкого учёного Габриеля Фаренгейта, предложившего в 1724 году шкалу для измерения температуры.

На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F, а точка кипения воды +212 °F (при нормальном атмосферном давлении). При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Диапазон 0…+100 °F по шкале Фаренгейта примерно соответствует диапазону −18…+38 °C по шкале Цельсия. Ноль на этой шкале определяется по температуре замерзания смеси воды, соли и нашатыря (1:1:1), а за 96 °F принята нормальная температура человеческого тела.

Кельвин (до 1968 года градус Кельвина) - единица термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Предложена в 1848 году. 1 кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём.

Пересчёт в градусы Цельсия: °С = K−273,15 (температура тройной точки воды - 0,01 °C).

Единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона, которому было пожаловано звание лорд Кельвин Ларгский из Айршира. В свою очередь, это звание пошло от реки Кельвин (River Kelvin), протекающей через территорию университета в Глазго.

Кельвин

Градус Цельсия

Градус Фаренгейта

Абсолютный ноль

Температура кипения жидкого азота

Сублимация (переход из твёрдого состояния в газообразное) сухого льда

Точка пересечения шкал Цельсия и Фаренгейта

Температура плавления льда

Тройная точка воды

Нормальная температура человеческого тела

Температура кипения воды при давлении в 1 атмосферу (101,325 кПа)

Градус Реомюра - единица измерения температуры, в которой температура замерзания и кипения воды приняты за 0 и 80 градусов, соответственно. Предложен в 1730 году Р. А. Реомюром. Шкала Реомюра практически вышла из употребления.

Градус Рёмера - неиспользуемая ныне единица температуры.

Температурная шкала Рёмера была создана в 1701 году датским астрономом Оле Кристенсеном Рёмером. Она стала прообразом шкалы Фаренгейта, который посещал Рёмера в 1708 году.

За ноль градусов берётся температура замерзания солёной воды. Вторая реперная точка - температура человеческого тела (30 градусов по измерениям Рёмера, то есть 42 °C). Тогда температура замерзания пресной воды получается как 7,5 градусов (1/8 шкалы), а температура кипения воды - 60 градусов. Таким образом, шкала Рёмера - 60-градусная. Такой выбор, по-видимому, объясняется тем, что Рёмер прежде всего астроном, а число 60 было краеугольным камнем астрономии со времён Вавилона.

Градус Ранкина – единица температуры в абсолютной температурной шкале, названа по имени шотландского физика Уильяма Ранкина (1820-1872). Используется в англоязычных странах для инженерных термодинамических расчётов.

Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля, точка замерзания воды соответствует 491,67°Ra, точка кипения воды 671,67°Ra. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180.

Соотношение между кельвином и градусом Ранкина: 1 K = 1,8 °Ra, градусы Фаренгейта переводятся в градусы Ранкина по формуле °Ra = °F + 459,67.

Градус Делиля - ныне неупотребляемая единица измерения температуры. Была изобретена французским астрономом Жозефом Николя Делилем (1688-1768). Шкала Делиля схожа с температурной шкалой Реомюра. Использовалась в России до XVIII века.

Петр Первый пригласил французского астронома Жозефа Николя Делиля в Россию, учреждая Академию Наук. В 1732 году Делиль создал термометр, использующий ртуть в качестве рабочей жидкости. В качестве нуля была выбрана температура кипения воды. За один градус было принято такое изменение температуры, которое приводило к уменьшению объема ртути на одну стотысячную.

Таким образом, температура таяния льда составила 2400 градусов. Однако позже столь дробная шкала показалась избыточной, и уже зимой 1738 года коллега Делиля по петербургской академии, медик Йозиас Вайтбрехт (1702-1747), уменьшил число ступеней от температуры кипения до температуры замерзания воды до 150.

«Перевернутость» этой шкалы (как и изначального варианта шкалы Цельсия) по сравнению с принятыми в настоящее время обычно объясняют чисто техническими трудностями, связанными с градуировкой термометров.

Шкала Делиля получила достаточно широкое распространение в России, и его термометры использовались около 100 лет. Этой шкалой пользовались многие российские академики, в том числе Михаил Ломоносов, который, однако «перевернул» её, расположив ноль в точке замерзания, а 150 градусов - в точке кипения воды.

Градус Гука - историческая единица температуры. Шкала Гука считается самой первой температурной шкалой с фиксированным нулём.

Прообразом для созданной Гуком шкалы стал попавший к нему в 1661 термометр из Флоренции. В изданной через год «Микрографии» Гука встречается описание разработанной им шкалы. Гук определил один градус как изменение объёма спирта на 1/500, т. е. один градус Гука равен примерно 2,4 °C.

В 1663 году члены Королевского общества согласились использовать термометр Гука в качестве стандартного и сравнивать с ним показания других термометров. Голландский физик Христиан Гюйгенс в 1665 г. вместе с Гуком предложил использовать температуры таяния льда и кипения воды для создания шкалы температур. Это была первая шкала с фиксированным нулём и отрицательными значениями.

Градус Дальтона – историческая единица температуры. Он не имеет определённого значения (в единицах традиционных температурных шкал, таких как шкала Кельвина, Цельсия или Фаренгейта), поскольку шкала Дальтона - логарифмическая.

Шкала Дальтона была разработана Джоном Дальтоном для проведения измерений при высоких температурах, поскольку обычные термометры с равномерной шкалой давали ошибку из-за неравномерного расширения термометрической жидкости.

Нуль шкалы Дальтона соответствует нулю Цельсия. Отличительной чертой шкалы Дальтона является то, что в ней абсолютный нуль равен − ∞°Da, т. е. он является недостижимой величиной (что на самом деле так, согласно теореме Нернста).

Градус Ньютона - не используемая ныне единица температуры.

Температурная шкала Ньютона была разработана Исааком Ньютоном в 1701 году для проведения теплофизических исследований и стала, вероятно, прообразом шкалы Цельсия.

В качестве термометрической жидкости Ньютон использовал льняное масло. За ноль градусов Ньютон взял температуру замерзания пресной воды, а температуру человеческого тела он обозначил как 12 градусов. Таким образом, температура кипения воды стала равна 33 градусам.

Лейденский градус - историческая единица температуры, использовавшаяся в начале XX века для измерения криогенных температур ниже −183 °C.

Эта шкала происходит из Лейдена, где с 1897 года находилась лаборатория Камерлинг-Оннеса. В 1957 году Х. ван Дийк и М. Дюро ввели шкалу L55.

За ноль градусов бралась температура кипения стандартного жидкого водорода (−253 °C), состоящего на 75 % из ортоводорода и на 25 % из параводорода. Вторая реперная точка - температура кипения жидкого кислорода (−193 °C).

Планковская температура , названная в честь немецкого ученого-физика Макса Планка, единица температуры, обозначаемая T P , в Планковской системе единиц. Это одна из планковских единиц, которая представляет фундаментальный предел в квантовой механике. Современная физическая теория не способна описать что-либо более горячее из-за отсутствия в ней разработанной квантовой теории гравитации. Выше планковской температуры энергия частиц становится настолько большой, что гравитационные силы между ними становятся сравнимы с остальными фундаментальными взаимодействиями. Это температура Вселенной в первый момент (Планковское время) Большого взрыва в соответствии с текущими представлениями космологии.



План:

    Введение
  • 1 Термодинамическое определение
    • 1.1 История термодинамического подхода
  • 2 Определение температуры в статистической физике
  • 3 Измерение температуры
  • 4 Единицы и шкала измерения температуры
    • 4.1 Шкала температур Кельвина
    • 4.2 Шкала Цельсия
    • 4.3 Шкала Фаренгейта
  • 5 Энергия теплового движения при абсолютном нуле
    • 5.1 Температура и излучение
    • 5.2 Шкала Реомюра
  • 6 Переходы из разных шкал
  • 7 Сравнение температурных шкал
  • 8 Характеристика фазовых переходов
  • 9 Интересные факты
    • Примечания
    Литература

Введение

Температу́ра (от лат. temperatura - надлежащее смешение, нормальное состояние) - скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться...

(П. Л. Капица)

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура входит в состав семи основных единиц и выражается в кельвинах. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия . На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды - температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно изменению температуры на один Кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения Кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99,975 °C .

Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие.


1. Термодинамическое определение

Существование равновесного состояния называют первым исходным положением термодинамики. Вторым исходным положением термодинамики называют утверждение о том, что равновесное состояние характеризуется некоторой величиной, которая при тепловом контакте двух равновесных систем становится для них одинаковой в результате обмена энергией. Эта величина называется температурой.

1.1. История термодинамического подхода

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества - теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково - градусами.

В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, потому что суммарная энтропия при этом возрастает.

Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдаёт ли живая ткань тепло или получает его.

Некоторые квантовомеханические системы могут находиться в состоянии, при котором энтропия не возрастает, а убывает при добавлении энергии, что формально соответствует отрицательной абсолютной температуре. Однако такие состояния находятся не «ниже абсолютного нуля», а «выше бесконечности», поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим положительной температурой, энергия передаётся от системы к телу, а не наоборот (подробнее см. Квантовая термодинамика).

Свойства температуры изучает раздел физики - термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.


2. Определение температуры в статистической физике

В статистической физике температура определяется по формуле

,

где S - энтропия, E - энергия термодинамической системы. Введённая таким образом величина T является одинаковой для различных тел при термодинамическом равновесии. При контакте двух тел тело с большим значением T будет отдавать энергию другому.


3. Измерение температуры

Для измерения термодинамической температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объема. Известны также термометры абсолютные радиационные, шумовые, акустические.

Термодинамические термометры - это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. Для получения функции интерполяции они должны быть отградуированы в реперных точках международной температурной шкалы. Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления . Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам - Цельсия или Фаренгейта.

На практике для измерения температуры также используют

  • жидкостные и механические термометры,
  • термопару,
  • термометр сопротивления,
  • газовый термометр,
  • пирометр.

Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения .


4. Единицы и шкала измерения температуры

Из того, что температура - это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах - градусах.

4.1. Шкала температур Кельвина

Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры - кельвин (К).

Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры - абсолютный ноль, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.

Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно −273.15 °C (точно).

Шкала температур Кельвина - это шкала, в которой начало отсчёта ведётся от абсолютного нуля.

Важное значение имеет разработка на основе термодинамической шкалы Кельвина Международных практических шкал, основанных на реперных точках - фазовых переходах чистых веществ, определенных методами первичной термометрии. Первой международной температурной шкалой являлась принятая в 1927 г. МТШ-27. С 1927 г. шкала несколько раз переопределялась (МТШ-48, МПТШ-68, МТШ-90): менялись реперные температуры, методы интерполяции, но принцип остался тот же - основой шкалы является набор фазовых переходов чистых веществ с определенными значениями термодинамических температур и интерполяционные приборы, градуированные в этих точках. В настоящее время действует шкала МТШ-90. Основной документ (Положение о шкале) устанавливает определение Кельвина, значения температур фазовых переходов (реперных точек) и методы интерполяции.

Используемые в быту температурные шкалы - как Цельсия, так и Фаренгейта (используемая, в основном, в США), - не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур.

Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая - абсолютной термодинамической шкалой (шкалой Кельвина); температуры по ним измеряются, соответственно, в градусах Ранкина (°Ra) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля. Различаются они тем, что цена одного деления по шкале Кельвина равна цене деления шкалы Цельсия, а цена деления шкалы Ранкина эквивалентна цене деления термометров со шкалой Фаренгейта. Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Масштаб шкалы Кельвина привязан к тройной точке воды (273,16 К), при этом от неё зависит постоянная Больцмана. Это создаёт проблемы с точностью интерпретации измерений высоких температур. Сейчас МБМВ рассматривает возможность перехода к новому определению кельвина и фиксированию постоянной Больцмана, вместо привязки к температуре тройной точки. .


4.2. Шкала Цельсия

В технике, медицине, метеорологии и в быту используется шкала Цельсия, в которой температура тройной точки воды равна 0,008 °C, и, следовательно, точка замерзания воды при давлении в 1 атм равна 0 °C. В настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: цена одного деления в шкале Цельсия равна цене деления шкалы Кельвина, t(°С) = Т(К) - 273,15. Таким образом, точка кипения воды, изначально выбранная Цельсием, как реперная точка, равная 100 °C, утратила свое значение, и по современным оценкам температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении составляет около 99,975 °C.Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия - особая точка для метеорологии, поскольку связана с замерзанием атмосферной воды. Шкала предложена Андерсом Цельсием в 1742 г.


4.3. Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия - это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 9/5 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F - 32), t °F = 9/5 t °С + 32. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.


5. Энергия теплового движения при абсолютном нуле

Когда материя охлаждается, многие формы тепловой энергии и связанные с ней эффекты одновременно уменьшаются по величине. Вещество переходит от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному.

… современное понятие абсолютного нуля не есть понятие абсолютного покоя, наоборот, при абсолютном нуле может быть движение - и оно есть, но это есть состояние полного порядка …

П. Л. Капица (Свойства жидкого гелия)

Газ превращается в жидкость и затем кристаллизуется в твёрдое тело (гелий и при абсолютном нуле остаётся в жидком состоянии при атмосферном давлении). Движение атомов и молекул замедляется, их кинетическая энергия уменьшается. Сопротивление большинства металлов падает из-за уменьшения рассеяния электронов на колеблющихся с меньшей амплитудой атомах кристаллической решётки. Таким образом даже при абсолютном нуле электроны проводимости движутся между атомами со скоростью Ферми порядка 1×10 6 м/с.

Температура, при которой частицы вещества имеют минимальное количество движения, сохраняющееся только благодаря квантовомеханическому движению, - это температура абсолютного нуля (Т = 0К).

Температуры абсолютного нуля достичь невозможно. Наиболее низкая температура (450±80)×10 −12 К конденсата Бозе-Эйнштейна атомов натрия была получена в 2003 г. исследователями из МТИ. При этом пик теплового излучения находится в области длин волн порядка 6400 км, то есть примерно радиуса Земли.


5.1. Температура и излучение

Излучаемая телом энергия пропорциональна четвёртой степени его температуры. Так, при 300 К с квадратного метра поверхности излучается до 450 ватт. Этим объясняется, например, ночное охлаждение земной поверхности ниже температуры окружающего воздуха. Энергия излучения абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана - Больцмана

5.2. Шкала Реомюра

Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица - градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками - температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

6. Переходы из разных шкал

7. Сравнение температурных шкал

Сравнение температурных шкал
Описание Кельвин Цельсий Фаренгейт Ранкин Делиль Ньютон Реомюр Рёмер
Абсолютный ноль 0 −273.15 −459.67 0 559.725 −90.14 −218.52 −135.90
Температура таяния смеси Фаренгейта (соль и лёд в равных количествах) 255.37 −17.78 0 459.67 176.67 −5.87 −14.22 −1.83
Температура замерзания воды (Нормальные условия) 273.15 0 32 491.67 150 0 0 7.5
Средняя температура человеческого тела ¹ 310.0 36.6 98.2 557.9 94.5 12.21 29.6 26.925
Температура кипения воды (Нормальные условия) 373.15 100 212 671.67 0 33 80 60
Плавление титана 1941 1668 3034 3494 −2352 550 1334 883
Поверхность Солнца 5800 5526 9980 10440 −8140 1823 4421 2909

¹ Нормальная средняя температура человеческого тела - 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F - это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Однако это значение не входит в диапазон нормальной средней температуры тела человека, поскольку температура разных частей тела разная .

Некоторые значения в этой таблице были округлены.


8. Характеристика фазовых переходов

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

  • Температура плавления
  • Температура кипения
  • Температура отжига
  • Температура спекания
  • Температура синтеза
  • Температура воздушных масс
  • Температура почвы
  • Гомологическая температура
  • Тройная точка
  • Температура Дебая (Характеристическая температура)
  • Температура Кюри

9. Интересные факты

Самая низкая температура на Земле до 1910 −68, Верхоянск

  • Самая высокая температура, созданная человеком, ~ 10 трлн. К (что сравнимо с температурой Вселенной в первые секунды её жизни) была достигнута в 2010 году при столкновении ионов свинца, ускоренных до околосветовых скоростей. Эксперимент был проведён на Большом Адронном Коллайдере
  • Самая высокая теоретически возможная температура - планковская температура. Более высокая температура не может существовать, так как всё превращается в энергию (все субатомные частицы разрушатся). Эта температура примерно равна 1.41679(11)×10 32 K (примерно 142 нониллиона K).
  • Самая низкая температура, созданная человеком, была получена в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из США при охлаждении атомов рубидия. . Она была выше абсолютного нуля менее чем на 1/170 млрд долю K (5,9×10 −12 K).
  • Поверхность Солнца имеет температуры около 6000 K.
  • Семена высших растений сохраняют всхожесть после охлаждения до −269 °C.

Примечания

  1. ГОСТ 8.417-2002. ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИН - nolik.ru/systems/gost.htm
  2. Понятие температуры - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
  3. И. П. Базаров. Термодинамика, М., Высшая школа, 1976, с. 13-14.
  4. Платиновый - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 термометр сопротивления - основной прибор МТШ-90.
  5. Лазерная термометрия - temperatures.ru/newmet/newmet.php?page=0
  6. Реперные точки МТШ-90 - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
  7. Разработка нового определения кельвина - temperatures.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
  8. Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря Критическая точка. Свойства вещества в критическом состоянии. Тройная точка. Фазовые переходы II рода. Методы получения низких температур. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf . Статистическая термодинамика. Лекция 11 . Санкт-Петербургский академический университет.
  9. О различных измерениях температуры тела - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (англ.)
  10. BBC News - Large Hadron Collider (LHC) generates a "mini-Big Bang" - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
  11. Всё про всё. Рекорды температуры - tem-6.narod.ru/weather_record.html
  12. Чудеса науки - www.seti.ee/ff/34gin.swf

Литература

  • Б. И. Спасский История физики Ч.I - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Москва: «Высшая школа», 1977.
  • Сивухин Д. В. Термодинамика и молекулярная физика. - Москва: «Наука», 1990.
скачать
Данный реферат составлен на основе статьи из русской Википедии . Синхронизация выполнена 09.07.11 16:20:43
Похожие рефераты: Спектр (в физике) , Пространство в физике , Физические величины .
Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike .

Температура (в физике) Температура (от лат. temperatura - надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние), физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Т. одинакова для всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии термодинамическом . Если изолированная система не находится в равновесии, то с течением времени переход энергии (теплопередача) от более нагретых частей системы к менее нагретым приводит к выравниванию Т. во всей системе (первый постулат, или нулевое начало термодинамики ). Т. определяет: распределение образующих систему частиц по уровням энергии (см. Больцмана статистика ) и распределение частиц по скоростям (см. Максвелла распределение ); степень ионизации вещества (см. Саха формула ); свойства равновесного электромагнитного излучения тел - спектральную плотность излучения (см. Планка закон излучения ), полную объёмную плотность излучения (см. Стефана - Больцмана закон излучения ) и т. д. Т., входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют Т. возбуждения, в распределение Максвелла - кинетической Т., в формулу Саха - ионизационной Т., в закон Стефана - Больцмана - радиационной температурой . Поскольку для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, их называют просто температурой системы. В кинетической теории газов и др. разделах статистической механики Т. количественно определяется так, что средняя кинетическая энергия поступательного движения частицы (обладающей тремя степенями свободы) равнакТ, где k - Больцмана постоянная , Т - температура тела. В общем случае Т. определяется как производная от энергии тела в целом по его энтропии . Такая Т. всегда положительна (поскольку кинетическая энергия положительна), её называют абсолютной Т. или Т. по термодинамической температурной шкале. За единицу абсолютной Т. в Международной системе единиц (СИ) принят кельвин (К). Часто Т. измеряют по шкале Цельсия (t ), значения t связаны с Т равенством t = Т √ 273,15 К (градус Цельсия равен Кельвину). Методы измерения Т. рассмотрены в статьях Термометрия , Термометр .

Строго определённой Т. характеризуется лишь равновесное состояние тел. Существуют, однако, системы, состояние которых можно приближённо охарактеризовать несколькими не равными друг другу температурами. Например, в плазме, состоящей из лёгких (электроны) и тяжёлых (ионы) заряженных частиц, при столкновении частиц энергия быстро передаётся от электронов к электронам и от ионов к ионам, но медленно от электронов к ионам и обратно. Существуют состояния плазмы, в которых системы электронов и ионов в отдельности близки к равновесию, и можно ввести Т. электронов Тэ и Т. ионов Ти , не совпадающие между собой.

В телах, частицы которых обладают магнитным моментом , энергия обычно медленно передаётся от поступательных к магнитным степеням свободы, связанным с возможностью изменения направления магнитного момента. Благодаря этому существуют состояния, в которых система магнитных моментов характеризуется Т., не совпадающей с кинетической Т., соответствующей поступательному движению частиц. Магнитная Т. определяет магнитную часть внутренней энергии и может быть как положительной, так и отрицательной (см. Отрицательная температура ). В процессе выравнивания Т. энергия передаётся от частиц (степеней свободы) с большей Т. к частицам (степеням свободы) с меньшей Т., если они одновременно положительны или отрицательны, но в обратном направлении, если одна из них положительна, а другая отрицательна. В этом смысле отрицательная Т. «выше» любой положительной.

Понятие Т. применяют также для характеристики неравновесных систем (см. Термодинамика неравновесных процессов ). Например, яркость небесных тел характеризуют яркостной температурой , спектральный состав излучения - цветовой температурой и т. д.

Л. Ф. Андреев.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Температура (в физике)" в других словарях:

    - … Википедия

    ТЕМПЕРАТУРА, в биологии интенсивность тепла. У теплокровных (ГОМОЙОТЕРМНЫХ) животных, таких, как птицы и млекопитающие, температура тела поддерживается в узких пределах независимо от температуры окружающей среды. Это обусловлено мышечной… … Научно-технический энциклопедический словарь

    Размерность Θ Единицы измерения СИ К … Википедия

    Температура кипения, точка кипения температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением. Температура кипения соответствует температуре насыщенного пара над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как … Википедия

    Главнейшим элементом, характеризующим погоду, является Т. газовой среды, окружающей земную поверхность, правильнее Т. того слоя воздуха, который подлежит нашему наблюдению. При метеорологических наблюдениях этому элементу и отводится первое место … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

    температура - 1) Величина, характеризующая физ.тела в состоянии теплового равновесия, связана с интенсивностью теплового движения частей тела; 2) степень теплоты человеческого тела как показатель здоровья; разг. повышенная степень теплоты тела при… … Историко-этимологический словарь латинских заимствований

    Необходимо проверить качество перевода и привести статью в соответствие со стилистическими правилами Википедии. Вы можете помочь … Википедия

    История технологий По периодам и регионам: Неолитическая революция Древние технологии Египта Наука и технологии древней Индии Наука и технологии древнего Китая Технологии Древней Греции Технологии Древнего Рима Технологии исламского мира… … Википедия

    Температура, характеризующая равновесные состояния термодинамической системы, в которых вероятность обнаружить систему в микросостоянии с более высокой энергией выше, чем в микросостоянии с более низкой. В квантовой статистике это значит, что… … Википедия