Какво е температура в дефиницията на биологията. абсолютна температура. Температурни единици



план:

    Въведение
  • 1 Термодинамична дефиниция
    • 1.1 История на термодинамичния подход
  • 2 Дефиниция на температурата в статистическата физика
  • 3 Измерване на температурата
  • 4 Температурни единици и скала
    • 4.1 Температурна скала на Келвин
    • 4.2 Скала по Целзий
    • 4.3 Фаренхайт
  • 5 Енергия на топлинно движение при абсолютна нула
    • 5.1 Температура и радиация
    • 5.2 Скала на Реомюр
  • 6 Преходи от различни гами
  • 7 Сравнение на температурни скали
  • 8 Характеристики на фазовите преходи
  • 9 Интересни факти
    • Бележки
    Литература

Въведение

температура(от лат. температура- правилно смесване, нормално състояние) - скалар физическо количество, която характеризира средната кинетична енергия на частиците на една макроскопична система, която се намира в състояние на термодинамично равновесие, на една степен на свобода.

Мярката за температура не е самото движение, а произволността на това движение. Случайността на състоянието на тялото определя неговото температурно състояние и тази идея (която е разработена за първи път от Болцман), че определено топлинно състояние на тялото изобщо не се определя от енергията на движение, а от случайността на това движение , е новата концепция в описанието на топлинните явления, която трябва да използваме...

(П. Л. Капица)

IN международна системаединици (SI) термодинамичната температура е част от седемте основни единици и се изразява в келвини. Съставът на получените SI стойности със специално име включва температурата на Целзий, измерена в градуси Целзий. В практиката често се използват градуси по Целзий поради историческата препратка към важните характеристики на водата – температурата на топене на леда (0°C) и точката на кипене (100°C). Това е удобно, тъй като повечето климатични процеси, процеси в дивата природа и т.н. са свързани с този диапазон. Промяна на температурата с един градус по Целзий е идентична с промяна на температурата с един Келвин. Следователно, след въвеждането на нова дефиниция на Келвин през 1967 г., точката на кипене на водата престана да играе ролята на неизменна референтна точка и, както показват точните измервания, тя вече не е равна на 100 ° C, а близо до 99,975 °C.

Има и скали на Фаренхайт и някои други.


1. Термодинамична дефиниция

Наличието на равновесно състояние се нарича първа начална позиция на термодинамиката. Второто изходно положение на термодинамиката е твърдението, че равновесното състояние се характеризира с определена стойност, която при топлинен контакт на две равновесни системи става еднаква за тях в резултат на обмен на енергия. Тази стойност се нарича температура.

1.1. История на термодинамичния подход

Думата "температура" възниква във време, когато хората вярват, че по-горещите тела съдържат по-голямо количество специално вещество - калорично, отколкото по-малко нагрятите. Следователно температурата се възприема като силата на смес от телесна субстанция и калории. Поради тази причина мерните единици за силата на алкохолните напитки и температурата се наричат ​​еднакви - градуси.

В равновесно състояние температурата има еднаква стойност за всички макроскопични части на системата. Ако две тела в системата имат еднаква температура, тогава между тях няма пренос на кинетична енергия на частици (топлина). Ако има температурна разлика, тогава топлината преминава от тяло с по-висока температура към тяло с по-ниска, тъй като в този случай общата ентропия се увеличава.

Температурата също се свързва със субективните усещания за "топлина" и "студ", свързани с това дали живата тъкан отдава топлина или я приема.

Някои квантово-механични системи могат да бъдат в състояние, в което ентропията не се увеличава, а намалява с добавянето на енергия, което формално съответства на отрицателна абсолютна температура. Такива състояния обаче не са „под абсолютната нула“, а „над безкрайността“, тъй като когато такава система контактува с тяло с положителна температура, енергията се прехвърля от системата към тялото, а не обратно (за повече подробности, виж Квантова термодинамика).

Свойствата на температурата се изучават от раздела на физиката – термодинамиката. Температурата също играе важна роля в много области на науката, включително други клонове на физиката, както и химията и биологията.


2. Определяне на температурата в статистическата физика

В статистическата физика температурата се определя по формулата

,

където S е ентропията, E е енергията на термодинамичната система. Стойността на T, въведена по този начин, е една и съща за различни тела в термодинамично равновесие. Когато две тела влязат в контакт, едно тяло с голяма стойност на Т ще даде енергия на другото.


3. Измерване на температурата

За измерване на термодинамичната температура се избира определен термодинамичен параметър на термометрично вещество. Промяната в този параметър е недвусмислено свързана с промяна в температурата. Класически пример за термодинамичен термометър е газовият термометър, при който температурата се определя чрез измерване на налягането на газ в цилиндър с постоянен обем. Известни са също абсолютни радиационни, шумови и акустични термометри.

Термодинамичните термометри са много сложни устройства, които не могат да се използват за практически цели. Поради това повечето измервания се правят с помощта на практични термометри, които са вторични, тъй като не могат директно да свържат някое свойство на дадено вещество с температурата. За да се получи интерполационната функция, те трябва да бъдат калибрирани в референтни точки на международната температурна скала. Най-точният практичен термометър е платиненият съпротивителен термометър. Уредите за измерване на температурата често са градуирани по относителни скали - Целзий или Фаренхайт.

На практика за измерване се използва и температура

  • течни и механични термометри,
  • термодвойка
  • съпротивителен термометър,
  • газов термометър,
  • пирометър.

Разработени са най-новите методи за измерване на температурата, базирани на измерването на параметрите на лазерното лъчение.


4. Единици и скала за измерване на температурата

От факта, че температурата е кинетичната енергия на молекулите, става ясно, че е най-естествено да се измерва в енергийни единици (т.е. в системата SI в джаули). Измерването на температурата обаче започва много преди създаването на молекулярната кинетична теория, следователно практическите везни измерват температурата в произволни единици - градуси.

4.1. Температурна скала на Келвин

Концепцията за абсолютна температура е въведена от У. Томсън (Келвин), във връзка с което абсолютната температурна скала се нарича скала на Келвин или термодинамична температурна скала. Единицата за абсолютна температура е келвин (K).

Абсолютната температурна скала се нарича така, защото мярката на основното състояние долна границатемпература - абсолютна нула, тоест най-ниската възможна температура, при която по принцип е невъзможно да се извлече топлинна енергия от дадено вещество.

Абсолютната нула се определя като 0 K, което е -273,15 °C (точно).

Температурната скала на Келвин е скала, която се измерва от абсолютната нула.

От голямо значение е разработването на базата на термодинамичната скала на Келвин на международни практически скали, базирани на референтни точки - фазови преходи чисти веществаопределя се чрез методите на първичната термометрия. Първата международна температурна скала е ITS-27, приета през 1927 г. От 1927 г. скалата е предефинирана няколко пъти (MTSh-48, MPTSh-68, MTSh-90): референтните температури и методите на интерполация са променени, но принципът остава същият - основата на скалата е набор от фази преходи на чисти вещества с определени стойности на термодинамични температури и интерполационни инструменти, градуирани в тези точки. В момента е в сила скалата ITS-90. Основният документ (Правила за скалата) установява дефиницията на Келвин, стойностите на температурите на фазов преход (референтни точки) и методите на интерполация.

Температурните скали, използвани в ежедневието - както по Целзий, така и по Фаренхайт (използвани главно в САЩ) - не са абсолютни и следователно неудобни при провеждане на експерименти в условия, при които температурата пада под точката на замръзване на водата, поради което температурата трябва да бъде изразява отрицателно число. За такива случаи бяха въведени абсолютни температурни скали.

Едната от тях се нарича скала на Ранкин, а другата се нарича абсолютна термодинамична скала (скала на Келвин); температурите се измерват съответно в градуси Ранкин (°Ra) и келвини (K). И двете скали започват от абсолютната нула. Те се различават по това, че цената на едно деление по скалата на Келвин е равна на цената на деленето на скалата на Целзий, а цената на деленето на скалата на Ранкин е еквивалентна на цената на деленето на термометрите със скалата на Фаренхайт. Точка на замръзване на водата при стандарт атмосферно наляганеотговарят на 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Мащабът на скалата на Келвин е свързан с тройната точка на водата (273,16 К), докато константата на Болцман зависи от нея. Това създава проблеми с точността на тълкуване на измерванията на висока температура. Сега BIPM обмисля възможността за преминаване към нова дефиниция на келвин и фиксиране на константата на Болцман, вместо да се свързва с температурата на тройната точка. .


4.2. Целзий

В инженерството, медицината, метеорологията и ежедневието се използва скалата на Целзий, при която температурата на тройната точка на водата е 0,008 ° C и следователно точката на замръзване на водата при налягане от 1 atm е 0 ° C . В момента скалата на Целзий се определя чрез скалата на Келвин: цената на едно деление в скалата на Целзий е равна на цената на деление на скалата на Келвин, t (° C) \u003d T (K) - 273,15. По този начин точката на кипене на водата, първоначално избрана от Целзий като референтна точка от 100 ° C, е загубила значението си и според съвременните оценки точката на кипене на водата при нормално атмосферно налягане е около 99,975 ° C. Скалата на Целзий на практика е много удобно, тъй като водата е много разпространена на нашата планета и животът ни се основава на нея. Нула по Целзий е специална точка за метеорологията, тъй като се свързва със замръзване атмосферна вода. Скалата е предложена от Андерс Целзий през 1742 г.


4.3. Фаренхайт

В Англия и особено в САЩ се използва скалата на Фаренхайт. Нула градуса по Целзий е 32 градуса по Фаренхайт, а градус по Фаренхайт е 9/5 градуса по Целзий.

Текущата дефиниция на скалата на Фаренхайт е следната: това е температурна скала, 1 градус (1 °F) от която е равен на 1/180 от разликата между точката на кипене на водата и топенето на леда при атмосферно налягане, и точката на топене на леда е +32 °F. Температурата по скалата на Фаренхайт е свързана с температурата по скалата на Целзий (t ° C) чрез съотношението t ° C \u003d 5/9 (t ° F - 32), t ° F \u003d 9/5 t ° C + 32. Предложен от Г. Фаренхайт през 1724 г.


5. Енергия на топлинно движение при абсолютна нула

Тъй като материята се охлажда, много форми на топлинна енергия и свързаните с тях ефекти едновременно намаляват по величина. Материята преминава от по-малко подредено състояние в по-подредено състояние.

... съвременната концепция за абсолютна нула не е концепцията за абсолютен покой, напротив, при абсолютната нула може да има движение - и то е, но това е състояние на пълен ред ...

П. Л. Капица (Свойства на течния хелий)

Газът се превръща в течност и след това кристализира в твърдо(хелият остава течен дори при абсолютна нула при атмосферно налягане). Движението на атомите и молекулите се забавя, кинетичната им енергия намалява. Съпротивлението на повечето метали пада поради намаляване на разсейването на електрони от атоми на кристалната решетка, вибриращи с по-малка амплитуда. По този начин, дори при абсолютна нула, електроните на проводимостта се движат между атомите със скорост на Ферми от порядъка на 1 × 10 6 m/s.

Температурата, при която частиците на материята имат минимално количество движение, което се запазва само поради квантово механично движение, е температурата на абсолютната нула (T = 0K).

Температури от абсолютната нула не могат да бъдат достигнати. Най-ниската температура (450±80)×10 −12 K на кондензата на Бозе-Айнщайн от натриеви атоми е получена през 2003 г. от изследователи от MIT. В този случай пикът на топлинното излъчване е в областта на дължини на вълните от порядъка на 6400 km, тоест приблизително радиуса на Земята.


5.1. Температура и радиация

Енергията, излъчвана от едно тяло, е пропорционална на четвъртата степен на неговата температура. И така, при 300 K, до 450 вата се излъчват от квадратен метър повърхност. Това обяснява например нощното охлаждане земната повърхностпод температурата на околната среда. Енергията на излъчване на черно тяло се описва от закона на Стефан-Болцман

5.2. Скала на Реомюр

Предложен е през 1730 г. от R. A. Reaumur, който описва изобретения от него алкохолен термометър.

Единица - градус Réaumur (°R), 1 °R е равен на 1/80 от температурния интервал между референтните точки - температурата на топящ се лед (0 °R) и вряща вода (80 °R)

1°R = 1,25°C.

В момента мащабът е излязъл от употреба, най-дълго време се е запазил във Франция, в родината на автора.

6. Преходи от различни гами

7. Сравнение на температурни скали

Сравнение на температурни скали
Описание Келвин Целзий Фаренхайт Ранкин Делайл Нютон Реомюр Рьомер
Абсолютна нула 0 −273.15 −459.67 0 559.725 −90.14 −218.52 −135.90
Точка на топене на сместа по Фаренхайт (сол и лед в равни количества) 255.37 −17.78 0 459.67 176.67 −5.87 −14.22 −1.83
Точка на замръзване на водата (референтни условия) 273.15 0 32 491.67 150 0 0 7.5
Средна температура на човешкото тяло¹ 310.0 36.6 98.2 557.9 94.5 12.21 29.6 26.925
Точка на кипене на водата (нормални условия) 373.15 100 212 671.67 0 33 80 60
топящ се титан 1941 1668 3034 3494 −2352 550 1334 883
Слънчева повърхност 5800 5526 9980 10440 −8140 1823 4421 2909

¹ Нормалната средна температура на човешкото тяло е 36,6°C ±0,7°C или 98,2°F ±1,3°F. Обикновено даваната стойност от 98,6 °F е точно преобразуване по Фаренхайт на немската стойност от 19-ти век от 37 °C. Тази стойност обаче е извън диапазона на нормалната средна човешка телесна температура, тъй като температурата различни частитялото е различно.

Някои стойности в тази таблица са закръглени.


8. Характеристики на фазовите преходи

За да се опишат точките на фазовите преходи на различни вещества, се използват следните температурни стойности:

  • Температура на топене
  • Температура на кипене
  • Температура на отгряване
  • Температура на синтероване
  • Температура на синтез
  • Температура на въздушната маса
  • температура на почвата
  • хомоложна температура
  • тройна точка
  • Температура на Дебай (характерна температура)
  • Температура на Кюри

9. Интересни факти

Най-ниската температура на Земята преди 1910 г. −68, Верхоянск

  • Най-високата температура, създадена от човека, ~ 10 трлн. K (което е сравнимо с температурата на Вселената в първите секунди от нейния живот) беше достигната през 2010 г. по време на сблъсък на оловни йони, ускорени до скорости, близки до светлината. Експериментът е проведен в Големия адронен колайдер
  • Най-високата теоретично възможна температура е температурата на Планк. По-висока температура не може да съществува, тъй като всичко се превръща в енергия (всички субатомни частици ще се сринат). Тази температура е приблизително равна на 1,41679(11)×10 32 K (приблизително 142 нонилиона K).
  • Най-ниската температура, създадена от човека, е получена през 1995 г. от Ерик Корнел и Карл Уиман от САЩ чрез охлаждане на атоми на рубидий. . Беше над абсолютната нула с по-малко от 1/170 милиарда част от K (5,9×10 −12 K).
  • Повърхността на Слънцето има температури около 6000 K.
  • Семената на висшите растения остават жизнеспособни след охлаждане до -269 °C.

Бележки

  1. ГОСТ 8.417-2002. ЕДИНИЦИ ЗА СТОЙНОСТИ - nolik.ru/systems/gost.htm
  2. Концепцията за температура - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
  3. И. П. Базаров. Термодинамика, М., Висше училище, 1976, с. 13-14.
  4. Platinum - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 термометър за съпротивление - основното устройство MTSh-90.
  5. Лазерна термометрия - temperatures.ru/newmet/newmet.php?page=0
  6. Фиксирани точки МТШ-90 - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
  7. Разработване на нова дефиниция на келвин - temperatures.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
  8. Д. А. Паршин, Г. Г. ЗегряКритична точка. Свойства на вещество в критично състояние. Тройна точка. Фазови преходи от втори род. Методи за придобиване ниски температури. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. Статистическа термодинамика. Лекция 11. Академичен университет в Санкт Петербург.
  9. За различните измервания на телесната температура - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml
  10. BBC News - Големият адронен колайдер (LHC) генерира "мини-голям взрив" - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
  11. Всичко за всичко. Температурни рекорди - tem-6.narod.ru/weather_record.html
  12. Чудесата на науката - www.seti.ee/ff/34gin.swf

Литература

  • Б. И. СпаскиИстория на физиката Ch.I - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Москва: "Висше училище", 1977 г.
  • Сивухин Д.В.Термодинамика и молекулярна физика. - Москва: "Наука", 1990 г.
Изтегли
Това резюме се основава на статия от руската Уикипедия. Синхронизирането приключи на 09.07.11 16:20:43
Подобни резюмета: Спектър (във физиката), Пространство във физиката, Физични величини.
Текстът е достъпен под лиценз Creative Commons Attribution-ShareAlike.

Температура (във физиката) температура(от лат. температура - правилно смесване, пропорционалност, нормално състояние), физическа величина, която характеризира състоянието на термодинамично равновесие на макроскопична система. Т. е еднакъв за всички части на изолирана система, разположена в термодинамично равновесие. Ако една изолирана система не е в равновесие, тогава с течение на времето преносът на енергия (пренос на топлина) от по-горещите части на системата към по-хладните части води до изравняване на температурата в цялата система (първият постулат или нулевото начало термодинамика). Т. определя: разпределението на частиците, образуващи системата над енергийни нива(см. Статистика на Болцман) и разпределението на скоростта на частиците (вж Разпределение на Максуел); степента на йонизация на дадено вещество (вж Саха формула); свойства на равновесното електромагнитно излъчване на тела - спектралната плътност на излъчването (вж. Законът на Планк за радиацията), общата обемна плътност на излъчване (виж фиг. Стефан - Болцманов закон за радиацията) и др. Т., който е включен като параметър в разпределението на Болцман, често се нарича възбуждане Т., в разпределението на Максуел - кинетично Т., във формулата на Саха - йонизация Т., в закона на Стефан-Болцман - радиационна температура. Тъй като за система в термодинамично равновесие всички тези параметри са равни помежду си, те се наричат ​​просто температура на системата. IN кинетична теория на газоветеи други раздели на статистическата механика T. се определя количествено така, че средната кинетична енергия на транслационното движение на частица (с три степени на свобода) е равна на kT, където k е Константа на Болцман, T- Телесна температура. В общия случай Т. се определя като производна на енергията на тялото като цяло по отношение на неговата ентропия .Такава температура винаги е положителна (тъй като кинетичната енергия е положителна), тя се нарича абсолютна температура или температура според термодинамичната температурна скала. На единица абсолютна Т. в Международна система единици(SI) приети келвин(ДА СЕ). Често T. се измерва по скалата на Целзий (t), стойностите на t се свързват с T чрез равенството t \u003d T √ 273,15 K (градус по Целзий е равен на Келвин). Методите за измерване на Т. са разгледани в статиите Термометрия, Термометър.

Строго дефинираната термодинамика характеризира само равновесното състояние на телата. Съществуват обаче системи, чието състояние може приблизително да се характеризира с няколко различни температури. Например, в плазма, състояща се от леки (електрони) и тежки (йони) заредени частици, когато частиците се сблъскат, енергията се прехвърля бързо от електрони към електрони и от йони към йони, но бавно от електрони към йони и обратно. Има плазмени състояния, в които системи от електрони и йони поотделно са близки до равновесие и може да се въведе T. електрони T ъъъи Т. йони Т И ,несъвпадащи един с друг.

В тела, чиито частици имат магнитен момент, енергията обикновено се прехвърля бавно от транслационни към магнитни степени на свобода, свързани с възможността за промяна на посоката на магнитния момент. Поради това има състояния, при които системата от магнитни моменти се характеризира с Т., която не съвпада с кинетичната Т., която съответства на транслационното движение на частиците. Магнитна Т. определя магнитната част вътрешна енергияи може да бъде положителен или отрицателен (вж. Отрицателна температура). В процеса на изравняване на Т. енергията се прехвърля от частици (степени на свобода) с по-висока Т. към частици (степени на свобода) с по-ниска Т., ако те са едновременно положителни или отрицателни, но в обратна посока, ако единият от тях е положителен, а другият е отрицателен. В този смисъл отрицателната Т. е „по-висока“ от всяка положителна.

Концепцията за термодинамика се използва и за характеризиране на неравновесни системи (вж Термодинамика на неравновесните процеси). Например яркост небесни телахарактеризират яркостна температура, спектрален състав на радиацията - цветна температураи т.н.

Л. Ф. Андреев.

Велика съветска енциклопедия. - М.: Съветска енциклопедия. 1969-1978 .

Вижте какво е "температура (във физиката)" в други речници:

    - ... Уикипедия

    ТЕМПЕРАТУРА, в биологията, интензивността на топлината. При топлокръвните (ХОМОЙОТЕРМАЛНИ) животни, като птици и бозайници, телесната температура се поддържа в тесни граници, независимо от температурата. заобикаляща среда. Това се дължи на мускулите... Научно-технически енциклопедичен речник

    Размерност Θ SI единици K ... Wikipedia

    Точка на кипене, точката на кипене е температурата, при която течността кипи при постоянно налягане. Точката на кипене съответства на температурата на наситената пара над плоската повърхност на кипяща течност, тъй като ... Wikipedia

    Основният елемент, който характеризира времето, е температурата на газовата среда, заобикаляща земната повърхност, или по-скоро температурата на слоя въздух, който е обект на нашето наблюдение. В метеорологичните наблюдения на този елемент се дава първо място ... Енциклопедичен речник F.A. Brockhaus и I.A. Ефрон

    температура- 1) Стойността, характеризираща физическото тяло в състояние на топлинно равновесие, е свързана с интензивността на топлинното движение на частите на тялото; 2) степента на затопляне на човешкото тяло като показател за здраве; разгънете повишена степен на телесна топлина с ... ... Исторически и етимологичен речник на латинските заемки

    Необходимо е да се провери качеството на превода и да се приведе статията в съответствие със стилистичните правила на Уикипедия. Можете да помогнете ... Wikipedia

    История на технологиите По периоди и региони: Неолитна революция Древни технологии на Египет Наука и технологии древна индияНауката и технологиите древен КитайТехнологии Древна ГърцияТехнологии древен РимТехнологии на ислямския свят ... ... Wikipedia

    Температурата, която характеризира равновесните състояния на термодинамична система, при които вероятността системата да се намира в микросъстояние с по-висока енергия е по-висока, отколкото в микросъстояние с по-ниска. В квантовата статистика това означава, че ... ... Wikipedia


  • Температурата (от лат. temperatura - правилно смесване, нормално състояние) е физична величина, която характеризира термодинамична система и количествено изразява интуитивната концепция за различната степен на нагряване на телата.

    Живите същества са в състояние да възприемат усещанията за топлина и студ директно, с помощта на сетивата. Точното определяне на температурата обаче изисква тя да се измерва обективно, с помощта на инструменти. Такива устройства се наричат ​​термометри и измерват така наречената емпирична температура. В емпиричната температурна скала са установени две референтни точки и броят на деленията между тях - така са въведени използваните в момента скали на Целзий, Фаренхайт и други. Абсолютната температура, измерена в келвини, се въвежда в една референтна точка, като се има предвид, че в природата има минимална температурна граница - абсолютна нула. Горната стойност на температурата е ограничена от температурата на Планк.

    Ако системата е в топлинно равновесие, тогава температурата на всички негови части е еднаква. В противен случай системата предава енергия от по-нагретите части на системата към по-слабо нагретите, което води до изравняване на температурите в системата и се говори за температурно разпределение в системата или скаларно температурно поле. В термодинамиката температурата е интензивна термодинамична величина.

    Наред с термодинамичните, други определения на температурата могат да бъдат въведени в други клонове на физиката. Молекулярно-кинетичната теория показва, че температурата е пропорционална на средната кинетична енергия на частиците на системата. Температурата определя разпределението на частиците на системата по енергийни нива (виж статистиката на Максуел-Болцман), разпределението на частиците по скорости (виж разпределението на Максуел), степента на йонизация на материята (виж уравнението на Саха), спектралната плътност на излъчване (вижте формулата на Планк), общата обемна плътност на излъчване (вижте закона на Стефан-Болцман) и др. Температурата, включена като параметър в разпределението на Болцман, често се нарича температура на възбуждане, в разпределението на Максуел - кинетична температура, във формулата на Саха - температурата на йонизация, в закона на Стефан-Болцман - температура на излъчване. За система в термодинамично равновесие всички тези параметри са равни помежду си и се наричат ​​просто температура на системата.

    В Международната система от величини (ISQ) термодинамичната температура е избрана като една от седемте основни физични величини на системата. В Международната система единици (SI), базирана на Международната система единици, единицата за тази температура, келвин, е една от седемте основни единици SI. В системата SI и в практиката се използва и температурата по Целзий, нейната единица е градус по Целзий (°C), равен по размер на келвин. Това е удобно, тъй като повечето от климатичните процеси на Земята и процесите в дивата природа са свързани с диапазон от -50 до +50 °C.

История

Думата "температура" възниква във време, когато хората вярват, че по-горещите тела съдържат по-голямо количество специално вещество - калорично, отколкото по-малко нагрятите. Следователно температурата се възприема като силата на смес от телесна субстанция и калории. Поради тази причина мерните единици за силата на алкохолните напитки и температурата се наричат ​​еднакви - градуси.

От факта, че температурата е кинетичната енергия на молекулите, става ясно, че е най-естествено тя да се измерва в енергийни единици (т.е. в системата SI в джаули). Измерването на температурата обаче започва много преди създаването на молекулярно-кинетичната теория, така че практическите везни измерват температурата в конвенционални единици - градуси.

Скала на Келвин

В термодинамиката се използва скалата на Келвин, при която температурата се измерва от абсолютната нула (състоянието, съответстващо на минималната теоретично възможна вътрешна енергия на тялото), а един келвин е равен на 1/273,16 от разстоянието от абсолютната нула до тройната точка на водата (състоянието, в което ледът, водата и водните двойки са в равновесие. Константата на Болцман се използва за преобразуване на келвини в енергийни единици. Използват се и производни единици: килокелвин, мегакелвин, миликелвин и др.

Целзий

В ежедневието се използва скалата на Целзий, при която точката на замръзване на водата се приема за 0, а точката на кипене на водата при атмосферно налягане се приема за 100 °. Тъй като точките на замръзване и кипене на водата не са добре дефинирани, скалата на Целзий в момента се определя по скалата на Келвин: градуси по Целзий са равни на Келвин, абсолютната нула се приема за -273,15 °C. Скалата по Целзий е практически много удобна, тъй като водата е много разпространена на нашата планета и животът ни се основава на нея. Нула по Целзий е специална точка за метеорологията, тъй като замръзването на атмосферната вода променя всичко значително.

Фаренхайт

В Англия и особено в САЩ се използва скалата на Фаренхайт. В тази скала интервалът е разделен на 100 градуса от температурата на студена зимав града, където е живял Фаренхайт, до температурата на човешко тяло. Нула градуса по Целзий е 32 градуса по Фаренхайт, а градус по Фаренхайт е 5/9 градуса по Целзий.

Текущата дефиниция на скалата на Фаренхайт е следната: това е температурна скала, 1 градус (1 °F) от която е равен на 1/180 от разликата между точката на кипене на водата и топенето на леда при атмосферно налягане, и точката на топене на леда е +32 °F. Температурата по скалата на Фаренхайт е свързана с температурата по скалата на Целзий (t ° C) чрез съотношението t ° C \u003d 5/9 (t ° F - 32), т.е. промяна на температурата от 1 ° F съответства до промяна от 5/9 ° C. Предложен от Г. Фаренхайт през 1724г.

Скала на Реомюр

Предложен през 1730 г. от R. A. Reaumur, който описва изобретения от него алкохолен термометър.

Единица - градус Réaumur (°R), 1 °R е равен на 1/80 от температурния интервал между референтните точки - температурата на топящ се лед (0 °R) и вряща вода (80 °R)

1°R = 1,25°C.

В момента мащабът е излязъл от употреба, най-дълго време се е запазил във Франция, в родината на автора.

Преобразуване на температурата между основните скали

Келвин

Целзий

Фаренхайт

Келвин (K)

С + 273.15

= (F + 459,67) / 1,8

Целзий (°C)

K − 273,15

= (F - 32) / 1,8

Фаренхайт (°F)

K 1.8 - 459.67

С 1,8 + 32

Сравнение на температурни скали

Описание

 Келвин Целзий

Фаренхайт

 Нютон Реомюр

Абсолютна нула

−273.15

−459.67

−90.14

−218.52

Точка на топене на сместа по Фаренхайт (сол и лед в равни количества)

255.37

−17.78

−5.87

−14.22

Точка на замръзване на водата (нормални условия)

273.15

Средна температура на човешкото тяло ¹

310.0

36.8

98.2

12.21

29.6

Точка на кипене на водата (нормални условия)

373.15

Температура на слънчевата повърхност

5800

5526

9980

1823

4421

¹ Нормалната температура на човешкото тяло е 36,6°C ±0,7°C или 98,2°F ±1,3°F. Обикновено даваната стойност от 98,6 °F е точно преобразуване по Фаренхайт на немската стойност от 19-ти век от 37 °C. Тъй като тази стойност не попада в обхвата на нормалната температура според съвременните концепции, можем да кажем, че съдържа прекомерна (неправилна) точност. Някои стойности в тази таблица са закръглени.

Сравнение на скалите на Фаренхайт и Целзий

(на- скала на Фаренхайт, oC- скала по Целзий)

оЕ

о° С

оЕ

о° С

оЕ

о° С

оЕ

о° С

459.67
-450
-400
-350
-300
-250
-200
-190
-180
-170
-160
-150
-140
-130
-120
-110
-100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
-65

273.15
-267.8
-240.0
-212.2
-184.4
-156.7
-128.9
-123.3
-117.8
-112.2
-106.7
-101.1
-95.6
-90.0
-84.4
-78.9
-73.3
-70.6
-67.8
-65.0
-62.2
-59.4
-56.7
-53.9

60
-55
-50
-45
-40
-35
-30
-25
-20
-19
-18
-17
-16
-15
-14
-13
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5

51.1
-48.3
-45.6
-42.8
-40.0
-37.2
-34.4
-31.7
-28.9
-28.3
-27.8
-27.2
-26.7
-26.1
-25.6
-25.0
-24.4
-23.9
-23.3
-22.8
-22.2
-21.7
-21.1
-20.6

4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19

20.0
-19.4
-18.9
-18.3
-17.8
-17.2
-16.7
-16.1
-15.6
-15.0
-14.4
-13.9
-13.3
-12.8
-12.2
-11.7
-11.1
-10.6
-10.0
-9.4
-8.9
-8.3
-7.8
-7.2

20
21
22
23
24
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
125
150
200

6.7
-6.1
-5.6
-5.0
-4.4
-3.9
-1.1
1.7
4.4
7.2
10.0
12.8
15.6
18.3
21.1
23.9
26.7
29.4
32.2
35.0
37.8
51.7
65.6
93.3

За да конвертирате градуси по Целзий в келвини, използвайте формулата T=t+T0където T е температурата в келвини, t е температурата в градуси по Целзий, T 0 =273,15 келвина. Градусът по Целзий е равен по размер на Келвин.



план:

    Въведение
  • 1 Термодинамична дефиниция
    • 1.1 История на термодинамичния подход
  • 2 Дефиниция на температурата в статистическата физика
  • 3 Измерване на температурата
  • 4 Температурни единици и скала
    • 4.1 Температурна скала на Келвин
    • 4.2 Скала по Целзий
    • 4.3 Фаренхайт
  • 5 Енергия на топлинно движение при абсолютна нула
    • 5.1 Температура и радиация
    • 5.2 Скала на Реомюр
  • 6 Преходи от различни гами
  • 7 Сравнение на температурни скали
  • 8 Характеристики на фазовите преходи
  • 9 Интересни факти
    • Бележки
    Литература

Въведение

температура(от лат. температура- правилно смесване, нормално състояние) - скаларно физическо количество, което характеризира средната кинетична енергия на частиците на макроскопична система, която е в състояние на термодинамично равновесие за една степен на свобода.

Мярката за температура не е самото движение, а произволността на това движение. Случайността на състоянието на тялото определя неговото температурно състояние и тази идея (която е разработена за първи път от Болцман), че определено топлинно състояние на тялото изобщо не се определя от енергията на движение, а от случайността на това движение , е новата концепция в описанието на топлинните явления, която трябва да използваме...

(П. Л. Капица)

В Международната система от единици (SI) термодинамичната температура е част от седем основни единици и се изразява в келвини. Съставът на получените SI стойности със специално име включва температурата на Целзий, измерена в градуси Целзий. В практиката често се използват градуси по Целзий поради историческата препратка към важните характеристики на водата – температурата на топене на леда (0°C) и точката на кипене (100°C). Това е удобно, тъй като повечето климатични процеси, процеси в дивата природа и т.н. са свързани с този диапазон. Промяна на температурата с един градус по Целзий е идентична с промяна на температурата с един Келвин. Следователно, след въвеждането на нова дефиниция на Келвин през 1967 г., точката на кипене на водата престана да играе ролята на неизменна референтна точка и, както показват точните измервания, тя вече не е равна на 100 ° C, а близо до 99,975 °C.

Има и скали на Фаренхайт и някои други.


1. Термодинамична дефиниция

Наличието на равновесно състояние се нарича първа начална позиция на термодинамиката. Второто изходно положение на термодинамиката е твърдението, че равновесното състояние се характеризира с определена стойност, която при топлинен контакт на две равновесни системи става еднаква за тях в резултат на обмен на енергия. Тази стойност се нарича температура.

1.1. История на термодинамичния подход

Думата "температура" възниква във време, когато хората вярват, че по-горещите тела съдържат по-голямо количество специално вещество - калорично, отколкото по-малко нагрятите. Следователно температурата се възприема като силата на смес от телесна субстанция и калории. Поради тази причина мерните единици за силата на алкохолните напитки и температурата се наричат ​​еднакви - градуси.

В равновесно състояние температурата има еднаква стойност за всички макроскопични части на системата. Ако две тела в системата имат еднаква температура, тогава между тях няма пренос на кинетична енергия на частици (топлина). Ако има температурна разлика, тогава топлината преминава от тяло с по-висока температура към тяло с по-ниска, тъй като в този случай общата ентропия се увеличава.

Температурата също се свързва със субективните усещания за "топлина" и "студ", свързани с това дали живата тъкан отдава топлина или я приема.

Някои квантово-механични системи могат да бъдат в състояние, в което ентропията не се увеличава, а намалява с добавянето на енергия, което формално съответства на отрицателна абсолютна температура. Такива състояния обаче не са „под абсолютната нула“, а „над безкрайността“, тъй като когато такава система контактува с тяло с положителна температура, енергията се прехвърля от системата към тялото, а не обратно (за повече подробности, виж Квантова термодинамика).

Свойствата на температурата се изучават от раздела на физиката – термодинамиката. Температурата също играе важна роля в много области на науката, включително други клонове на физиката, както и химията и биологията.


2. Определяне на температурата в статистическата физика

В статистическата физика температурата се определя по формулата

,

където S е ентропията, E е енергията на термодинамичната система. Стойността на T, въведена по този начин, е една и съща за различни тела в термодинамично равновесие. Когато две тела влязат в контакт, едно тяло с голяма стойност на Т ще даде енергия на другото.


3. Измерване на температурата

За измерване на термодинамичната температура се избира определен термодинамичен параметър на термометрично вещество. Промяната в този параметър е недвусмислено свързана с промяна в температурата. Класически пример за термодинамичен термометър е газовият термометър, при който температурата се определя чрез измерване на налягането на газ в цилиндър с постоянен обем. Известни са също абсолютни радиационни, шумови и акустични термометри.

Термодинамичните термометри са много сложни устройства, които не могат да се използват за практически цели. Поради това повечето измервания се правят с помощта на практични термометри, които са вторични, тъй като не могат директно да свържат някое свойство на дадено вещество с температурата. За да се получи интерполационната функция, те трябва да бъдат калибрирани в референтни точки на международната температурна скала. Най-точният практичен термометър е платиненият съпротивителен термометър. Уредите за измерване на температурата често са градуирани по относителни скали - Целзий или Фаренхайт.

На практика за измерване се използва и температура

  • течни и механични термометри,
  • термодвойка
  • съпротивителен термометър,
  • газов термометър,
  • пирометър.

Разработени са най-новите методи за измерване на температурата, базирани на измерването на параметрите на лазерното лъчение.


4. Единици и скала за измерване на температурата

От факта, че температурата е кинетичната енергия на молекулите, става ясно, че е най-естествено да се измерва в енергийни единици (т.е. в системата SI в джаули). Измерването на температурата обаче започва много преди създаването на молекулярно-кинетичната теория, така че практическите везни измерват температурата в конвенционални единици - градуси.

4.1. Температурна скала на Келвин

Концепцията за абсолютна температура е въведена от У. Томсън (Келвин), във връзка с което абсолютната температурна скала се нарича скала на Келвин или термодинамична температурна скала. Единицата за абсолютна температура е келвин (K).

Абсолютната температурна скала се нарича така, защото мярката за основното състояние на долната температурна граница е абсолютната нула, тоест най-ниската възможна температура, при която по принцип е невъзможно да се извлече топлинна енергия от дадено вещество.

Абсолютната нула се определя като 0 K, което е -273,15 °C (точно).

Температурната скала на Келвин е скала, която се измерва от абсолютната нула.

От голямо значение е разработването на базата на термодинамичната скала на Келвин на международни практически скали, базирани на референтни точки - фазови преходи на чисти вещества, определени чрез методите на първичната термометрия. Първата международна температурна скала е ITS-27, приета през 1927 г. От 1927 г. скалата е предефинирана няколко пъти (MTSh-48, MPTSh-68, MTSh-90): референтните температури и методите на интерполация са променени, но принципът остава същият - основата на скалата е набор от фази преходи на чисти вещества с определени стойности на термодинамични температури и интерполационни инструменти, градуирани в тези точки. В момента е в сила скалата ITS-90. Основният документ (Правила за скалата) установява дефиницията на Келвин, стойностите на температурите на фазов преход (референтни точки) и методите на интерполация.

Температурните скали, използвани в ежедневието - както по Целзий, така и по Фаренхайт (използвани главно в САЩ) - не са абсолютни и следователно неудобни при провеждане на експерименти в условия, при които температурата пада под точката на замръзване на водата, поради което температурата трябва да бъде изразява отрицателно число. За такива случаи бяха въведени абсолютни температурни скали.

Едната от тях се нарича скала на Ранкин, а другата се нарича абсолютна термодинамична скала (скала на Келвин); температурите се измерват съответно в градуси Ранкин (°Ra) и келвини (K). И двете скали започват от абсолютната нула. Те се различават по това, че цената на едно деление по скалата на Келвин е равна на цената на деленето на скалата на Целзий, а цената на деленето на скалата на Ранкин е еквивалентна на цената на деленето на термометрите със скалата на Фаренхайт. Точката на замръзване на водата при стандартно атмосферно налягане съответства на 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Мащабът на скалата на Келвин е свързан с тройната точка на водата (273,16 К), докато константата на Болцман зависи от нея. Това създава проблеми с точността на тълкуване на измерванията на висока температура. Сега BIPM обмисля възможността за преминаване към нова дефиниция на келвин и фиксиране на константата на Болцман, вместо да се свързва с температурата на тройната точка. .


4.2. Целзий

В инженерството, медицината, метеорологията и ежедневието се използва скалата на Целзий, при която температурата на тройната точка на водата е 0,008 ° C и следователно точката на замръзване на водата при налягане от 1 atm е 0 ° C . В момента скалата на Целзий се определя чрез скалата на Келвин: цената на едно деление в скалата на Целзий е равна на цената на деление на скалата на Келвин, t (° C) \u003d T (K) - 273,15. По този начин точката на кипене на водата, първоначално избрана от Целзий като референтна точка от 100 ° C, е загубила значението си и според съвременните оценки точката на кипене на водата при нормално атмосферно налягане е около 99,975 ° C. Скалата на Целзий на практика е много удобно, тъй като водата е много разпространена на нашата планета и животът ни се основава на нея. Нула по Целзий е специална точка за метеорологията, тъй като се свързва със замръзването на атмосферната вода. Скалата е предложена от Андерс Целзий през 1742 г.


4.3. Фаренхайт

В Англия и особено в САЩ се използва скалата на Фаренхайт. Нула градуса по Целзий е 32 градуса по Фаренхайт, а градус по Фаренхайт е 9/5 градуса по Целзий.

Текущата дефиниция на скалата на Фаренхайт е следната: това е температурна скала, 1 градус (1 °F) от която е равен на 1/180 от разликата между точката на кипене на водата и топенето на леда при атмосферно налягане, и точката на топене на леда е +32 °F. Температурата по скалата на Фаренхайт е свързана с температурата по скалата на Целзий (t ° C) чрез съотношението t ° C \u003d 5/9 (t ° F - 32), t ° F \u003d 9/5 t ° C + 32. Предложен от Г. Фаренхайт през 1724 г.


5. Енергия на топлинно движение при абсолютна нула

Тъй като материята се охлажда, много форми на топлинна енергия и свързаните с тях ефекти едновременно намаляват по величина. Материята преминава от по-малко подредено състояние в по-подредено състояние.

... съвременната концепция за абсолютна нула не е концепцията за абсолютен покой, напротив, при абсолютната нула може да има движение - и то е, но това е състояние на пълен ред ...

П. Л. Капица (Свойства на течния хелий)

Газът се превръща в течност и след това кристализира в твърдо вещество (хелият остава в течно състояние при атмосферно налягане дори при абсолютна нула). Движението на атомите и молекулите се забавя, кинетичната им енергия намалява. Съпротивлението на повечето метали пада поради намаляване на разсейването на електрони от атоми на кристалната решетка, вибриращи с по-малка амплитуда. По този начин, дори при абсолютна нула, електроните на проводимостта се движат между атомите със скорост на Ферми от порядъка на 1 × 10 6 m/s.

Температурата, при която частиците на материята имат минимално количество движение, което се запазва само поради квантово механично движение, е температурата на абсолютната нула (T = 0K).

Температури от абсолютната нула не могат да бъдат достигнати. Най-ниската температура (450±80)×10 −12 K на кондензата на Бозе-Айнщайн от натриеви атоми е получена през 2003 г. от изследователи от MIT. В този случай пикът на топлинното излъчване е в областта на дължини на вълните от порядъка на 6400 km, тоест приблизително радиуса на Земята.


5.1. Температура и радиация

Енергията, излъчвана от едно тяло, е пропорционална на четвъртата степен на неговата температура. И така, при 300 K, до 450 вата се излъчват от квадратен метър повърхност. Това обяснява например нощното охлаждане на земната повърхност под температурата на околния въздух. Енергията на излъчване на черно тяло се описва от закона на Стефан-Болцман

5.2. Скала на Реомюр

Предложен е през 1730 г. от R. A. Reaumur, който описва изобретения от него алкохолен термометър.

Единица - градус Réaumur (°R), 1 °R е равен на 1/80 от температурния интервал между референтните точки - температурата на топящ се лед (0 °R) и вряща вода (80 °R)

1°R = 1,25°C.

В момента мащабът е излязъл от употреба, най-дълго време се е запазил във Франция, в родината на автора.

6. Преходи от различни гами

7. Сравнение на температурни скали

Сравнение на температурни скали
Описание Келвин Целзий Фаренхайт Ранкин Делайл Нютон Реомюр Рьомер
Абсолютна нула 0 −273.15 −459.67 0 559.725 −90.14 −218.52 −135.90
Точка на топене на сместа по Фаренхайт (сол и лед в равни количества) 255.37 −17.78 0 459.67 176.67 −5.87 −14.22 −1.83
Точка на замръзване на водата (референтни условия) 273.15 0 32 491.67 150 0 0 7.5
Средна температура на човешкото тяло¹ 310.0 36.6 98.2 557.9 94.5 12.21 29.6 26.925
Точка на кипене на водата (нормални условия) 373.15 100 212 671.67 0 33 80 60
топящ се титан 1941 1668 3034 3494 −2352 550 1334 883
Слънчева повърхност 5800 5526 9980 10440 −8140 1823 4421 2909

¹ Нормалната средна температура на човешкото тяло е 36,6°C ±0,7°C или 98,2°F ±1,3°F. Обикновено даваната стойност от 98,6 °F е точно преобразуване по Фаренхайт на немската стойност от 19-ти век от 37 °C. Тази стойност обаче не е в обхвата на нормалната средна човешка телесна температура, тъй като температурата на различните части на тялото е различна.

Някои стойности в тази таблица са закръглени.


8. Характеристики на фазовите преходи

За да се опишат точките на фазовите преходи на различни вещества, се използват следните температурни стойности:

  • Температура на топене
  • Температура на кипене
  • Температура на отгряване
  • Температура на синтероване
  • Температура на синтез
  • Температура на въздушната маса
  • температура на почвата
  • хомоложна температура
  • тройна точка
  • Температура на Дебай (характерна температура)
  • Температура на Кюри

9. Интересни факти

Най-ниската температура на Земята преди 1910 г. −68, Верхоянск

  • Най-високата температура, създадена от човека, ~ 10 трлн. K (което е сравнимо с температурата на Вселената в първите секунди от нейния живот) беше достигната през 2010 г. по време на сблъсък на оловни йони, ускорени до скорости, близки до светлината. Експериментът е проведен в Големия адронен колайдер
  • Най-високата теоретично възможна температура е температурата на Планк. По-висока температура не може да съществува, тъй като всичко се превръща в енергия (всички субатомни частици ще се сринат). Тази температура е приблизително равна на 1,41679(11)×10 32 K (приблизително 142 нонилиона K).
  • Най-ниската температура, създадена от човека, е получена през 1995 г. от Ерик Корнел и Карл Уиман от САЩ чрез охлаждане на атоми на рубидий. . Беше над абсолютната нула с по-малко от 1/170 милиарда част от K (5,9×10 −12 K).
  • Повърхността на Слънцето има температури около 6000 K.
  • Семената на висшите растения остават жизнеспособни след охлаждане до -269 °C.

Бележки

  1. ГОСТ 8.417-2002. ЕДИНИЦИ ЗА СТОЙНОСТИ - nolik.ru/systems/gost.htm
  2. Концепцията за температура - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
  3. И. П. Базаров. Термодинамика, М., Висше училище, 1976, с. 13-14.
  4. Platinum - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 термометър за съпротивление - основното устройство MTSh-90.
  5. Лазерна термометрия - temperatures.ru/newmet/newmet.php?page=0
  6. Фиксирани точки МТШ-90 - temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
  7. Разработване на нова дефиниция на келвин - temperatures.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
  8. Д. А. Паршин, Г. Г. ЗегряКритична точка. Свойства на вещество в критично състояние. Тройна точка. Фазови преходи от втори род. Методи за получаване на ниски температури. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. Статистическа термодинамика. Лекция 11. Академичен университет в Санкт Петербург.
  9. За различните измервания на телесната температура - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml
  10. BBC News - Големият адронен колайдер (LHC) генерира "мини-голям взрив" - www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
  11. Всичко за всичко. Температурни рекорди - tem-6.narod.ru/weather_record.html
  12. Чудесата на науката - www.seti.ee/ff/34gin.swf

Литература

  • Б. И. СпаскиИстория на физиката Ch.I - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Москва: "Висше училище", 1977 г.
  • Сивухин Д.В.Термодинамика и молекулярна физика. - Москва: "Наука", 1990 г.
Изтегли
Това резюме се основава на статия от руската Уикипедия. Синхронизирането приключи на 09.07.11 16:20:43
Подобни резюмета: