Temperatur

Temperatur
,
Dimensionera Θ
Enheter
SI Till
GHS Till

Temperatur (från lat.  temperatura  - korrekt blandning, normaltillstånd ) är en skalär fysisk storhet som kännetecknar ett termodynamiskt system och kvantitativt uttrycker det intuitiva konceptet med olika grader av uppvärmning av kroppar.

Levande varelser kan uppfatta förnimmelserna av värme och kyla direkt, med hjälp av sinnena. För korrekt bestämning av temperatur krävs dock att temperaturen mäts objektivt, med hjälp av instrument. Sådana enheter kallas termometrar och mäter den så kallade empiriska temperaturen . I den empiriska temperaturskalan fastställs en referenspunkt och antalet uppdelningar mellan dem - så här introducerades de nu använda skalorna Celsius , Fahrenheit och andra . Den absoluta temperaturen uppmätt i kelvin anges vid en referenspunkt [1] , med hänsyn tagen till att det i naturen finns ett lägsta temperaturgränsvärde -absolut noll . Det övre temperaturvärdet begränsas av Planck-temperaturen .

Om systemet är i termisk jämvikt är temperaturen på alla dess delar densamma. Annars överför systemet energi från de mer uppvärmda delarna av systemet till de mindre uppvärmda, vilket leder till utjämning av temperaturer i systemet, och man talar om en temperaturfördelning i systemet eller ett skalärt temperaturfält. Inom termodynamiken är temperatur en intensiv termodynamisk storhet .

Tillsammans med termodynamisk kan andra definitioner av temperatur införas i andra grenar av fysiken. Den molekylära kinetiska teorin visar att temperaturen är proportionell mot den genomsnittliga kinetiska energin för systemets partiklar. Temperaturen bestämmer fördelningen av systempartiklar efter energinivåer (se Maxwell-Boltzmann statistik ), partikelhastighetsfördelning (se Maxwell distribution ), graden av jonisering av materia (se Saha ekvation ), spektral strålningsdensitet (se Planck formel ), total volymetrisk strålningsdensitet (se Stefan-Boltzmanns lag ), etc. Temperaturen som ingår som parameter i Boltzmann-fördelningen kallas ofta för excitationstemperaturen, i Maxwell-fördelningen - kinetisk temperatur, i Saha-formeln - joniseringstemperatur, i Stefan-Boltzmann lag - strålningstemperatur. För ett system i termodynamisk jämvikt är alla dessa parametrar lika med varandra, och de kallas helt enkelt systemets temperatur [2] .

I International System of Quantities ( Engelska  International System of Quantities , ISQ) väljs termodynamisk temperatur som en av de sju grundläggande fysiska storheterna i systemet. I International System of Units (SI) , baserat på International System of Units, är enheten för denna temperatur, kelvin  , en av de sju grundläggande SI-enheterna [3] . I SI-systemet och i praktiken används även Celsius- temperatur , dess enhet är grader Celsius (°C), lika stor som kelvin [4] . Detta är bekvämt, eftersom de flesta klimatprocesser på jorden och processer i vilda djur är associerade med ett intervall från -50 till +50 ° С.

Temperatur som en lokal parameter. Temperaturfält

Kontinuumfysik betraktar temperatur som en lokal makroskopisk variabel, det vill säga en kvantitet som kännetecknar ett mentalt distingerat område (elementär volym) av ett kontinuerligt medium (kontinuum), vars dimensioner är oändligt små jämfört med inhomogeniteterna hos mediet och oändligt stort. i förhållande till storleken på partiklar (atomer, joner, molekyler, etc.) i detta medium [5] . Temperaturvärdet kan variera från punkt till punkt (från en elementär volym till en annan); temperaturfördelning i rymden vid en given tidpunkt ges av ett skalärt temperaturfält ( temperaturfält ) [6] . Temperaturfältet kan vara antingen icke-stationärt (föränderligt i tid) eller tidsoberoende stationärt. Ett medium med samma temperatur på alla punkter kallas termiskt homogent. Matematiskt beskrivs temperaturfältet av ekvationen för temperaturens beroende av rumsliga koordinater (ibland är hänsyn begränsad till en eller två koordinater) och på tid. För termiskt homogena system

Termodynamisk definition

Historien om den termodynamiska metoden

Ordet "temperatur" uppstod vid en tidpunkt då folk trodde att varmare kroppar innehöll en större mängd av ett speciellt ämne - kaloriinnehåll än mindre uppvärmt[7] .

I ett jämviktstillstånd har temperaturen samma värde för alla makroskopiska delar av systemet. Om två kroppar i ett system har samma temperatur, så finns det ingen överföring av partikelkinetisk energi ( värme ) mellan dem. Om det finns en temperaturskillnad så går värme från en kropp med högre temperatur till en kropp med en lägre.

Temperatur är också förknippad med de subjektiva förnimmelserna av "värme" och "kyla" som är förknippade med huruvida levande vävnad avger värme eller tar emot den.

Vissa kvantmekaniska system (till exempel en lasers arbetskropp , där det finns omvänt befolkade nivåer ) kan vara i ett tillstånd där entropin inte ökar, utan minskar med tillsats av energi, vilket formellt motsvarar en negativ absolut temperatur. Sådana tillstånd är emellertid inte "under absolut noll", utan "över oändligheten", eftersom när ett sådant system kommer i kontakt med en kropp med en positiv temperatur, överförs energi från systemet till kroppen, och inte vice versa (för mer information, se negativ absolut temperatur ).

Temperaturens egenskaper studeras av grenen fysik  - termodynamik . Temperaturen spelar också en viktig roll inom många vetenskapsområden, inklusive andra grenar av fysiken såväl som kemi och biologi .

Jämvikts- och icke-jämviktstemperaturer

Ett system i termodynamisk jämvikt har ett stationärt temperaturfält. Om det inte finns några adiabatiska (energitäta) skiljeväggar i ett sådant system har alla delar av systemet samma temperatur. Med andra ord, jämviktstemperaturen för ett termiskt homogent system beror inte explicit på tiden (men kan förändras i kvasistatiska processer ). Ett icke-jämviktssystem har i allmänhet ett icke-stationärt temperaturfält, där varje elementär volym av mediet har sin egen icke- jämviktstemperatur , som uttryckligen beror på tiden.

Temperatur i fenomenologisk termodynamik

Definitionen av temperatur inom fenomenologisk termodynamik beror på hur disciplinens matematiska apparat är uppbyggd (se Axiomatics of thermodynamics ).

Skillnader i de formella definitionerna av termodynamisk temperatur i olika system för att konstruera termodynamik betyder inte att vissa av dessa system är mer uppenbara än andra, eftersom i alla dessa system, för det första, i en beskrivande definition, betraktas temperatur som ett mått på uppvärmning / kylning av en kropp, och, för det första, för det andra, de meningsfulla definitionerna som fastställer sambandet mellan termodynamisk temperatur och temperaturskalorna som används för att mäta den sammanfaller.

Inom rationell termodynamik , som till en början förkastar uppdelningen av denna disciplin i jämviktstermodynamik och icke-jämviktstermodynamik (det vill säga den skiljer inte mellan jämvikts- och icke-jämviktstemperaturer), är temperaturen den initiala odefinierade variabeln, som endast beskrivs av sådana egenskaper som kan uttryckas på matematikens språk [8] . Begreppen energi, temperatur, entropi och kemisk potential introduceras samtidigt i rationell termodynamik; det är i princip omöjligt att bestämma dem separat. Tekniken för att introducera dessa koncept visar att många olika temperaturer kan tas i beaktande, motsvarande olika energiflöden. Till exempel kan man introducera temperaturerna för translationella och spinorrörelser, strålningstemperaturen etc. [9] .

Nollprincipen (lagen) introducerar i termodynamiken i jämvikt begreppet empirisk temperatur [10] [11] [12] [13] som en tillståndsparameter, vars likhet i alla punkter är villkoret för termisk jämvikt i ett system utan adiabatisk partitioner.

I tillvägagångssättet för konstruktionen av termodynamiken, som används av anhängarna till R. Clausius [14] , ställs jämviktstillståndsparametrarna - termodynamisk temperatur och entropi  - in med hjälp av en termodynamisk parameter som kännetecknar den termodynamiska processen . Nämligen,

(Termodynamisk temperatur och entropi enligt Clausius)

var  är mängden värme som tas emot eller avges av ett slutet system i en elementär (oändligt liten) jämviktsprocess . Vidare är begreppet termodynamisk temperatur enligt Clausius utvidgat till öppna system och icke-jämviktstillstånd och processer , vanligtvis utan att specifikt stipulera att vi talar om att inkludera ytterligare axiom i uppsättningen av termodynamiska lagar som används.

I Carathéodorys axiomatik [15] [16] betraktas differentialformen av Pfaff , och den termodynamiska jämviktstemperaturen anses vara den integrerande divisorn för denna differentialform [17] .

I A. A. Gukhmans axiomsystem [18] [19] uttrycks förändringen i systemets inre energi i en elementär jämviktsprocess genom interaktionspotentialerna och tillståndskoordinaterna :

(Guchmanns ekvation)

dessutom är den termiska potentialen den termodynamiska temperaturen , och den termiska koordinaten är entropin ; tryck (med motsatt tecken) spelar rollen som potentialen för mekanisk deformationsinteraktion för isotropa vätskor och gaser, och volymen är koordinaten förknippad med tryck; i kemiska och fastransformationer är tillståndskoordinaterna och potentialerna komponenternas massor och deras konjugerade kemiska potentialer. Med andra ord, i Guchmanns axiomatik introduceras temperatur, entropi och kemiska potentialer i jämviktstermodynamik samtidigt via den grundläggande Gibbs ekvation . Termen tillståndskoordinater som används av Guchman och hans anhängare , vars lista, tillsammans med geometriska, mekaniska och elektromagnetiska variabler, inkluderar entropi och massor av komponenter, eliminerar tvetydigheten förknippad med termen generaliserade termodynamiska koordinater : vissa författare hänvisar till generaliserade koordinater, bland andra variabler, entropi- och masskomponenter [20] , medan andra är begränsade till geometriska, mekaniska och elektromagnetiska variabler [21] .)

I Gibbs termodynamik uttrycks jämviktstemperaturen i termer av intern energi och entropi [22] [23] [24]

(Termodynamisk temperatur enligt Gibbs)

där  är en uppsättning (utan entropi) av naturliga variabler för intern energi, betraktad som karakteristiska funktioner för . Jämlikheten mellan temperaturer vid alla punkter i ett system utan adiabatiska bafflar som ett villkor för termisk jämvikt i Gibbs termodynamik följer av de extrema egenskaperna hos intern energi och entropi i ett tillstånd av termodynamisk jämvikt.

Axiomatiken hos Falk och Young [25] när de definierar entropi skiljer inte mellan jämvikts- och icke-jämviktstillstånd, och därför är definitionen av temperatur som ges i detta system av axiom genom entropi och intern energi lika tillämplig på alla termiskt homogena system:

(Termodynamisk temperatur enligt Falk och Young)

där  är en uppsättning (som inte inkluderar intern energi) av oberoende entropivariabler.

Principen om lokal jämvikt tillåter icke-jämviktssystem att låna definitionen av temperatur från jämviktstermodynamik och använda denna variabel som en icke-jämviktstemperatur för en elementär volym av ett medium [26] .

I utökad icke-jämviktstermodynamik (RNT), baserad på förkastandet av principen om lokal jämvikt, ges icke-jämviktstemperaturen av en relation liknande den som används i Falk och Youngs axiomatik (se Termodynamisk temperatur enligt Falk och Young ), men med en annan uppsättning oberoende variabler för entropi [27] . Den termodynamiska lokalt jämviktstemperaturen enligt Gibbs skiljer sig också från PNT icke-jämviktstemperaturen i valet av oberoende variabler för entropi [27] .

I N. I. Belokons axiomatik [28] . Den initiala definitionen av temperatur följer av Belokons postulat, som bär namnet - postulatet för termostatens andra lag. Temperaturen är den enda funktionen av kropparnas tillstånd som bestämmer riktningen för spontan värmeväxling mellan dessa kroppar, det vill säga kroppar i termisk jämvikt har samma temperatur på vilken temperaturskala som helst. Det följer att två kroppar som inte har termisk kontakt med varandra, men som var och en är i termisk jämvikt med den tredje (mätanordningen), har samma temperatur.

Empiriska, absoluta och termodynamiska temperaturer

Temperaturen kan inte mätas direkt. En förändring i temperatur bedöms av en förändring i andra fysiska egenskaper hos kroppar ( volym , tryck , elektriskt motstånd , EMF , strålningsintensitet , etc.), unikt förknippad med det (de så kallade termometriska egenskaperna). Kvantitativt bestäms temperaturen genom att ange metoden för dess mätning med en eller annan termometer. En sådan definition fastställer ännu inte vare sig ursprunget eller temperaturenheten, därför är varje metod för temperaturmätning associerad med valet av temperaturskala . Den empiriska temperaturen  är den temperatur som mäts på den valda temperaturskalan.

Definitionerna av termodynamisk temperatur som ges av fenomenologisk termodynamik beror inte på valet av termometrisk egenskap som används för att mäta den; temperaturenheten ställs in med en av de termodynamiska temperaturskalorna .

Inom termodynamiken accepteras det som ett axiom, baserat på erfarenhet, att den termodynamiska jämviktstemperaturen är en kvantitet som är begränsad å ena sidan för alla system, och den temperatur som motsvarar denna gräns är densamma för alla termodynamiska system och därför , kan användas som en naturlig referenspunkt för temperaturskalan. Om denna referenspunkt tilldelas ett temperaturvärde lika med noll, kommer temperaturerna i skalan baserad på denna referenspunkt alltid att ha samma tecken [29] . Genom att tilldela ett positivt temperaturvärde till den andra referenspunkten erhålls en absolut temperaturskala med positiva temperaturer; temperatur mätt från absolut noll kallas absolut temperatur [30] . Följaktligen kallas den termodynamiska temperaturen mätt från absoluta nollpunkten för den absoluta termodynamiska temperaturen (se Kelvins temperaturskala ). Ett exempel på en empirisk temperaturskala med temperaturavläsning från absolut noll är den internationella praktiska temperaturskalan .

Celsius temperaturskalan är inte absolut.

Vissa författare menar med temperaturens absoluthet inte dess avläsning från absoluta nollpunkten, utan temperaturens oberoende av valet av termometrisk egenskap som används för att mäta den [31] [32] .

Negativa absoluta temperaturer

Den termodynamiska absoluta jämviktstemperaturen är alltid positiv (se Empiriska, absoluta och termodynamiska temperaturer ). Användningen av negativa (på Kelvin-skalan) temperaturer är en bekväm matematisk teknik för att beskriva icke-jämviktssystem med speciella egenskaper [33] . Denna teknik består i att mentalt separera objekt med speciella egenskaper som är en del av det fysiska systemet till ett oberoende delsystem, och separat överväga det resulterande partiella delsystemet . Med andra ord, samma volym av utrymme anses samtidigt upptas av två eller flera delsystem som samverkar svagt med varandra.

Ett exempel på användningen av detta tillvägagångssätt är övervägandet av kärnspinn hos en kristall belägen i ett magnetfält som ett system som är svagt beroende av termiska vibrationer i kristallgittret. Med en snabb förändring av magnetfältets riktning till motsatt, när spinnen inte hinner följa det föränderliga fältet, kommer systemet av kärnspinn att ha en negativ icke-jämviktstemperatur under en tid [34] , dvs. en formell synvinkel kommer det vid denna tidpunkt i samma rumsliga region att finnas två svagt interagerande system med olika temperaturer [35] . På grund av den interaktion som fortfarande äger rum kommer temperaturerna i båda systemen att bli lika efter en tid.

Den klassiska fenomenologiska termodynamikens formalism kan kompletteras med idéer om negativa absoluta temperaturer [36] [35] . I enlighet med Tiszas postulat är den inre energin i vilket system som helst avgränsad underifrån, och denna gräns motsvarar den absoluta nolltemperaturen [37] . I system som inte bara har en lägre, utan också en övre gräns för intern energi, med ökande temperatur, ökar den inre energin och når sitt gränsvärde; ytterligare temperaturökning leder inte längre till en ökning av intern energi, utan till en minskning av systemets entropi ( vid ) [35] . I enlighet med termodynamikens formler motsvarar detta en övergång från området för positiva temperaturer genom en punkt med temperatur (punkter med temperaturer och är fysiskt identiska [38] ) mot en punkt med ett ouppnåeligt gränstemperaturvärde lika med [39] [35] .

Molekylär kinetisk definition

I molekylär kinetisk teori definieras temperatur som en kvantitet som kännetecknar den genomsnittliga kinetiska energin för partiklarna i ett makroskopiskt system, som är i ett tillstånd av termodynamisk jämvikt , per en frihetsgrad .

... temperaturmåttet är inte själva rörelsen, utan slumpmässigheten i denna rörelse. Slumpmässigheten i en kropps tillstånd bestämmer dess temperaturtillstånd, och denna idé (som först utvecklades av Boltzmann) att ett visst termiskt tillstånd hos en kropp inte alls bestäms av rörelseenergin, utan av slumpmässigheten i denna rörelse , är det nya konceptet i beskrivningen av termiska fenomen som vi måste använda ...P. L. Kapitsa [40]

Definition av temperatur i statistisk fysik

I statistisk fysik definieras temperatur som derivatan av energin i ett system med avseende på dess entropi:

,

var  är entropin ,  är energin i det termodynamiska systemet. Värdet som introduceras på detta sätt är detsamma för olika kroppar vid termodynamisk jämvikt. När två kroppar kommer i kontakt kommer kroppen med ett högre värde att ge energi till den andra.

Temperaturmätning

För att mäta den termodynamiska temperaturen väljs en viss termodynamisk parameter för ett termometriskt ämne. En förändring av denna parameter är entydigt förknippad med en förändring i temperaturen. Ett klassiskt exempel på en termodynamisk termometer är en gastermometer , där temperaturen bestäms genom att mäta trycket på en gas i en cylinder med konstant volym. Absoluta strålnings-, brus- och akustiska termometrar är också kända.

Termodynamiska termometrar är mycket komplexa enheter som inte kan användas för praktiska ändamål. Därför görs de flesta mätningar med hjälp av praktiska termometrar, som är sekundära, eftersom de inte direkt kan relatera någon egenskap hos ett ämne till temperaturen. För att få interpolationsfunktionen måste de kalibreras i referenspunkter på den internationella temperaturskalan.

För att mäta temperaturen på en kropp mäter de vanligtvis någon fysisk parameter relaterad till temperatur, till exempel geometriska dimensioner (se Dilatometer ) för gaser - volym eller tryck , ljudhastighet , elektrisk ledningsförmåga , elektromagnetisk absorption eller strålningsspektra (till exempel, pyrometrar och mätning av temperaturen hos stjärnornas fotosfärer och atmosfärer  - i det senare fallet genom dopplerbreddning av spektrallinjerna för absorption eller emission).

I den dagliga praktiken mäts temperaturen vanligtvis med hjälp av speciella enheter - kontakttermometrar . I detta fall bringas termometern i termisk kontakt med kroppen som studeras, och efter att den termodynamiska jämvikten mellan kroppen och termometern har upprättats, utjämnas deras temperaturer, kroppens temperatur bedöms av förändringar i någon mätbar fysisk termometerns parameter. Den termiska kontakten mellan termometern och kroppen måste vara tillräcklig för att temperaturutjämningen ska ske snabbare, dessutom uppnås accelerationen av temperaturutjämningen genom att minska termometerns värmekapacitet jämfört med kroppen som studeras, vanligtvis genom att minska storleken på termometern. En minskning av termometerns värmekapacitet förvränger också mätresultaten mindre , eftersom en mindre del av värmen från den undersökta kroppen tas bort eller överförs till termometern. En idealisk termometer har noll värmekapacitet [41] .

Temperaturmätningsinstrument är ofta graderade på relativa skalor - Celsius eller Fahrenheit.

I praktiken används även temperatur för att mäta

Den mest exakta praktiska termometern är platinamotståndstermometern [ 42] . De senaste metoderna för att mäta temperatur baserat på mätning av parametrar för laserstrålning har utvecklats [43] .

Enheter och skala för temperaturmätning

Eftersom temperatur är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin för den termiska rörelsen hos partiklarna i systemet [44] , vore det mest naturligt att mäta den i energienheter (det vill säga i SI- systemet i joule ; se även eV ) . Baserat på förhållandet mellan temperatur och energi hos partiklar i en monoatomisk idealgas Ekin = 3 2 kT [ 45] . I temperaturenheter motsvarar 1 eV 11 604.518 12 K [46] (se Boltzmanns konstant ) [47] .

Men temperaturmätning började långt innan skapandet av molekylär kinetisk teori , så alla praktiska skalor mäter temperaturen i godtyckliga enheter - grader.

absolut temperatur. Kelvin temperaturskala

Begreppet absolut temperatur introducerades av W. Thomson (Kelvin) , i samband med vilken den absoluta temperaturskalan kallas för Kelvinskalan eller den termodynamiska temperaturskalan. Enheten för absolut temperatur är kelvin (K).

Den absoluta temperaturskalan kallas så eftersom måttet på grundtillståndet för den nedre temperaturgränsen är absolut noll , det vill säga den lägsta möjliga temperaturen vid vilken det i princip är omöjligt att utvinna termisk energi från ett ämne.

Absolut noll definieras som 0 K, vilket är -273,15 °C och -459,67 °F.

Kelvin temperaturskalan är en skala som mäts från absoluta noll .

Av stor betydelse är utvecklingen på basis av Kelvins termodynamiska skala av internationella praktiska skalor baserade på referenspunkter - fasövergångar av rena ämnen, bestämda av metoder för primär termometri. Den första internationella temperaturskalan var ITS-27 som antogs 1927. Sedan 1927 har skalan omdefinierats flera gånger (MTSh-48, MPTSh-68, MTSh-90): referenstemperaturerna och interpolationsmetoderna har ändrats, men principen förblir densamma - grunden för skalan är en uppsättning faser övergångar av rena ämnen med vissa värden på termodynamiska temperaturer och interpolationsinstrument graderade vid dessa punkter. ITS-90-skalan är för närvarande i kraft. Huvuddokumentet (Regler på skalan) fastställer definitionen av Kelvin, värdena för fasövergångstemperaturer (referenspunkter) [48] och interpolationsmetoder.

Temperaturskalorna som används i vardagen - både Celsius och Fahrenheit (används främst i USA ) - är inte absoluta och därför obekväma när man utför experiment under förhållanden där temperaturen sjunker under vattnets fryspunkt, på grund av vilka temperaturen måste vara uttryckt ett negativt tal. För sådana fall infördes absoluta temperaturskalor.

En av dem kallas Rankin- skalan , och den andra kallas den absoluta termodynamiska skalan (Kelvin-skalan); temperaturer mäts i grader Rankine (°Ra) respektive kelvin (K). Båda skalorna börjar på absoluta noll. De skiljer sig åt genom att priset för en division på Kelvin-skalan är lika med divisionspriset på Celsiusskalan, och divisionspriset på Rankine-skalan är likvärdigt med divisionspriset för termometrar med Fahrenheit-skalan. Vattnets fryspunkt vid standardatmosfärstryck motsvarar 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Skalan på Kelvin-skalan var bunden till vattnets trippelpunkt (273,16 K), medan Boltzmann-konstanten berodde på den . Detta skapade problem med noggrannheten i att tolka högtemperaturmätningar. Därför, 2018-2019, som en del av förändringar i SI , introducerades en ny definition av kelvin, baserad på att fixera det numeriska värdet av Boltzmann-konstanten, istället för att länka till trippelpunktens temperatur [49] .

Celsiusskala

Inom teknik, medicin, meteorologi och i vardagen används Celsiusskalan som en enhet för temperatur . För närvarande, i SI-systemet, bestäms den termodynamiska Celsiusskalan genom Kelvin-skalan [4] : ​​t(°C) = T(K) - 273,15 (exakt), det vill säga priset för en division i Celsius skalan är lika med priset för division av Kelvinskalan. På Celsiusskalan är trepunktstemperaturen för vatten ungefär 0,008 °C, [50] och därför är fryspunkten för vatten vid ett tryck på 1 atm mycket nära 0 °C. Vattnets kokpunkt, som ursprungligen valdes av Celsius som den andra fasta punkten med ett värde, per definition lika med 100 ° C, har förlorat sin status som ett av riktmärkena. Enligt moderna uppskattningar är kokpunkten för vatten vid normalt atmosfärstryck på Celsius termodynamisk skala cirka 99,975 °C. Celsiusskalan är mycket praktisk ur praktisk synvinkel, eftersom vatten och dess förhållanden är vanliga och extremt viktiga för livet på jorden . Noll på denna skala är en speciell punkt för meteorologi , eftersom den är förknippad med frysning av atmosfäriskt vatten. Skalan föreslogs av Anders Celsius 1742.

Fahrenheit skala

I England, och speciellt i USA, används Fahrenheit-skalan. Noll grader Celsius är 32 grader Fahrenheit och 100 grader Celsius är 212 grader Fahrenheit.

Den nuvarande definitionen av Fahrenheit-skalan är följande: det är en temperaturskala, varav 1 grad (1 °F) är lika med 1/180 av skillnaden mellan vattnets kokpunkt och issmältningen vid atmosfärstryck, och isens smältpunkt är +32 °F. Temperaturen på Fahrenheit-skalan är relaterad till temperaturen på Celsiusskalan (t ° C) med förhållandet t ° C \u003d 5/9 (t ° F - 32), t ° F \u003d 9/5 t ° C + 32. Föreslagen av G. Fahrenheit 1724 år.

Réaumur skala

Föreslog 1730 av R. A. Reaumur , som beskrev alkoholtermometern han uppfann.

Enheten är graden Réaumur (°Ré), 1 °Ré är lika med 1/80 av temperaturintervallet mellan referenspunkterna - smälttemperaturen för is (0 °Ré) och kokpunkten för vattnet (80 °Ré)

1 °Ré = 1,25 °C.

För närvarande har vågen gått ur bruk, den bevarades längst i Frankrike , i författarens hemland.

Energin för termisk rörelse vid absolut noll

När materia svalnar minskar många former av termisk energi och deras associerade effekter samtidigt i omfattning. Materia rör sig från ett mindre ordnat tillstånd till ett mer ordnat tillstånd.

... det moderna begreppet absolut noll är inte begreppet absolut vila, tvärtom, vid absolut noll kan det finnas rörelse - och det är det, men det är ett tillstånd av fullständig ordning ...P. L. Kapitsa [40]

Gasen förvandlas till en vätska och kristalliserar sedan till en fast substans (helium förblir i flytande tillstånd vid atmosfärstryck även vid absolut noll). Rörelsen av atomer och molekyler saktar ner, deras kinetiska energi minskar. Motståndet hos de flesta metaller faller på grund av en minskning av spridningen av elektroner av atomer i kristallgittret som vibrerar med en mindre amplitud. Således, även vid absolut noll , rör sig ledningselektroner mellan atomer med en Fermi- hastighet av storleksordningen 10 6 m/s.

Temperaturen vid vilken materiens partiklar har en minimal rörelsemängd, som endast bevaras på grund av kvantmekanisk rörelse, är temperaturen på absoluta nollpunkten (T = 0K).

Temperaturer på absolut noll kan inte uppnås. Den lägsta temperaturen (450±80)⋅10 −12 K av Bose-Einstein-kondensatet av natriumatomer erhölls 2003 av forskare från MIT [51] . I detta fall är toppen av termisk strålning i området för våglängder i storleksordningen 6400 km, det vill säga ungefär jordens radie.

Temperatur och strålning

Energin som avges av en kropp är proportionell mot den fjärde potensen av dess temperatur. Så vid 300 K emitteras upp till 450 watt från en kvadratmeter yta . Detta förklarar till exempel den nattliga kylningen av jordytan under den omgivande lufttemperaturen. Strålningsenergin från en svart kropp beskrivs av Stefan-Boltzmann-lagen

Övergångar från olika skalor

Temperaturomvandling mellan huvudvågar
Skala Symbol från Celsius (°C) till Celsius
Fahrenheit (°F) [°F] = [°C] × 9⁄5 + 32 [°C] = ([°F] − 32) × 5⁄9
Kelvin (K) [K] = [°C] + 273,15 [°C] = [K] - 273,15
Rankin (Rankin) (°R) [°R] = ([°C] + 273,15) x 9⁄5 [°C] = ([°R] − 491,67) × 5⁄9
Delisle _ (°D eller °De) [°De] = (100 − [°C]) × 3⁄2 [°C] = 100 - [°De] × 2⁄3
Newton _ (°N) [°N] = [°C] × 33⁄100 [°C] = [°N] × 100⁄33
Reaumur _ (°Re, °Ré, °R) [°Ré] = [°C] × 4⁄5 [°C] = [°Ré] × 5⁄4
Rømer _ (°Rø) [°Rø] = [°C] × 21⁄40 + 7,5 [°C] = ([°Rø] − 7,5) × 40⁄21

Jämförelse av temperaturskalor

Jämförelse av temperaturskalor
Beskrivning Kelvin Celsius Fahrenheit Rankin Delisle Newton Réaumur Römer
absolut noll 0 −273,15 −459,67 0 559,725 −90,14 −218,52 −135,90
Smältpunkt för en Fahrenheit-blandning ( salt , is och ammoniumklorid ) [52] 255,37 −17.78 0 459,67 176,67 −5,87 −14.22 −1,83
Vattnets fryspunkt ( referensvillkor ) 273,15 0 32 491,67 150 0 0 7.5
Människans genomsnittliga kroppstemperatur¹ 309,75 36,6 98,2 557,9 94,5 12.21 29.6 26,925
Vattens kokpunkt ( normala förhållanden ) 373,15 100 212 671,67 0 33 80 60
smältande titan 1941 1668 3034 3494 −2352 550 1334 883
Sol² 5800 5526 9980 10440 −8140 1823 4421 2909

¹ Den normala genomsnittliga mänskliga kroppstemperaturen är +36,6°C ±0,7°C, eller +98,2°F ±1,3°F. Det allmänt angivna värdet på +98,6°F är en exakt Fahrenheit-omvandling av 1800-talets tyska värde på +37°C. Detta värde ligger dock inte inom intervallet för normal genomsnittlig mänsklig kroppstemperatur, eftersom temperaturen i olika delar av kroppen är olika. [53]

² Vissa värden i den här tabellen är avrundade värden. Till exempel är temperaturen på solens yta 5800 Kelvin mycket nära. Men för resten av temperaturskalorna har det exakta resultatet av att omvandla 5800 kelvin till denna skala redan givits.

Karakterisering av fasövergångar

För att beskriva punkterna för fasövergångar för olika ämnen används följande temperaturvärden:

Perceptionens psykologi

Som resultaten av många experiment visar beror känslan av kyla eller värme inte bara på temperaturen och luftfuktigheten i miljön, utan också på humöret. Så om personen känner sig ensam, till exempel, befinner sig i ett rum med människor som inte delar hans åsikter eller värderingar, eller helt enkelt är långt ifrån andra människor, så blir rummet kallare för honom, och vice versa [54] .

Intressanta fakta

Se även

Anteckningar

  1. Den 10 :e allmänna konferensen om vikter och mått 1954 antog trippelpunkten för vatten som referenspunkt och tillskrev den det exakta temperaturvärdet på 273,16 K per definition.
  2. Fysik. Big Encyclopedic Dictionary / Kap. ed. A. M. Prokhorov. - M . : Great Russian Encyclopedia, 1998. - S. 741. - 944 sid.
  3. SI-broschyren Arkiverad 26 april 2006 på Wayback Machine Beskrivning av SI på International Bureau of Weights and Measures webbplats
  4. 1 2 GOST 8.417-2002. Statligt system för att säkerställa enhetlighet i mätningar. Enheter av kvantiteter. . Hämtad 3 december 2018. Arkiverad från originalet 20 september 2018.
  5. Zhilin P. A., Rational continuum mechanics, 2012 , sid. 84.
  6. Temperaturfält . TSB, 3:e upplagan, 1976, v. 25 . Hämtad 27 mars 2015. Arkiverad från originalet 2 april 2015.
  7. Tatyana Danina. Kroppsmekanik . — Liter, 2017-09-05. — 163 sid. — ISBN 9785457547490 . Arkiverad 26 april 2018 på Wayback Machine
  8. K. Truesdell, Thermodynamics for Beginners, 1970 , sid. 117.
  9. Zhilin P. A., Rational continuum mechanics, 2012 , sid. 48.
  10. Fysik. Big Encyclopedic Dictionary, 1998 , sid. 751.
  11. Zalewski, K., Phenomenological and Statistical Thermodynamics, 1973 , sid. 11–12.
  12. Vukalovich M.P., Novikov I.I., Thermodynamics, 1972 , sid. elva.
  13. A. Sommerfeld, Termodynamik och statistisk fysik, 1955 , sid. elva.
  14. Clausius R., The Mechanical Theory of Heat, 1934 .
  15. Carathéodory K., Om termodynamikens grunder, 1964 .
  16. Born, M., Kritik av den traditionella presentationen av termodynamiken, 1964 .
  17. Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , sid. 57.
  18. Gukhman A. A., Om termodynamikens grunder, 1986 .
  19. Leonova V.F., Thermodynamics, 1968 .
  20. Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , sid. 29, 58, 127, 171.
  21. Kubo R., Thermodynamics, 1970 , sid. 20–21.
  22. Gibbs, J.W., Thermodynamics. Statistical Mechanics, 1982 , sid. 93.
  23. Guggenheim E.A., Thermodynamics, 1986 , sid. femton.
  24. Callen H. B., Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 1986 , sid. 35.
  25. Falk G., Jung H., Axiomatik der Thermodynamik, 1959 , sid. 156.
  26. Gyarmati, I., Non-equilibrium thermodynamics, 1974 , sid. 26.
  27. 1 2 Jou D. ea, Extended Irreversible Thermodynamics, 2010 , sid. 48.
  28. Belokon N.I., Grundläggande principer för termodynamiken, 1968 , sid. tio.
  29. Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , sid. 62.
  30. Absolut temperatur . TSB, 3:e upplagan, 1969, v. 1 . Datum för åtkomst: 27 mars 2015. Arkiverad från originalet 21 februari 2015.
  31. I. Prigozhin, D. Kondepudi, Modern thermodynamics, 2002 , sid. 23, 83, 86.
  32. Sorokin V.S., Makroskopisk irreversibilitet och entropi. Introduktion till termodynamik, 2004 , sid. 60.
  33. Negativ temperatur . TSB, 3:e uppl., 1975, v. 19 . Hämtad 27 mars 2015. Arkiverad från originalet 2 april 2015.
  34. Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical physics. Del 1, 2002 , sid. 262.
  35. 1 2 3 4 Powles, D., Negative Absolute Temperatures, 1964 .
  36. Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , sid. 136–148.
  37. Tisza L., Generalized Thermodynamics, 1966 , sid. 125.
  38. Landau L. D., Lifshits E. M., Statistical physics. Del 1, 2002 , sid. 261.
  39. Bazarov I.P., Thermodynamics, 2010 , sid. 137–138.
  40. 1 2 Kapitsa P.L. Egenskaper av flytande helium  // Nature . - Science , 1997. - Nr 12 . Arkiverad från originalet den 21 februari 2016.
  41. Shakhmaev N.M. och andra. Fysik: En lärobok för 10:e klass av utbildningsinstitutioner. - M . : Education , 1996. - S. 21. - 240 sid. — ISBN 5090067937 .
  42. Platinum [[motståndstermometer]] - huvudenheten i ITSh-90. . Hämtad 5 maj 2010. Arkiverad från originalet 8 juni 2010.
  43. Lasertermometri . Hämtad 5 maj 2010. Arkiverad från originalet 8 juni 2010.
  44. Temperatur // Great Russian Encyclopedia  : [i 35 volymer]  / kap. ed. Yu. S. Osipov . - M .  : Great Russian Encyclopedia, 2004-2017.
  45. Elektronvolt // Fysisk uppslagsverk / kap. ed. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1998. - T. 5. Stroboskopiska enheter - Ljusstyrka. - S. 545. - 760 sid. — ISBN 5-85270-101-7 .
  46. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Arkiverad 8 december 2013 på Wayback Machine Fundamental Physical Constants - Komplett notering
  47. Omräkningsfaktorer för energiekvivalenter . Hämtad 17 februari 2021. Arkiverad från originalet 26 januari 2021.
  48. ITS-90 referenspunkter . Hämtad 5 maj 2010. Arkiverad från originalet 17 september 2011.
  49. Utveckling av en ny definition av kelvinen . Hämtad 5 maj 2010. Arkiverad från originalet 8 juni 2010.
  50. D. A. Parshin, G. G. Zegrya. Kritisk punkt. Egenskaper hos ett ämne i ett kritiskt tillstånd. Trippelpunkt. Fasövergångar av det andra slaget. Metoder för att uppnå låga temperaturer. (inte tillgänglig länk) . Statistisk termodynamik. Föreläsning 11 . St Petersburgs akademiska universitet. Hämtad 2 juni 2011. Arkiverad från originalet 3 december 2012. 
  51. Belle Dume. Bose-Einstein kondensat slår temperaturrekord  ( 12 september 2003). Hämtad 24 juli 2013. Arkiverad från originalet 25 juli 2013.
  52. Fahrenheit-skala  // Great Russian Encyclopedia  : [i 35 volymer]  / kap. ed. Yu. S. Osipov . - M .  : Great Russian Encyclopedia, 2004-2017.
  53. Om olika mätningar av kroppstemperatur Arkiverad 26 september 2010 på Wayback Machine 
  54. Talma Lobel, 2014 , sid. 24.
  55. BBC News - Large Hadron Collider (LHC) genererar en "mini-Big Bang" . Hämtad 15 november 2010. Arkiverad från originalet 15 november 2010.
  56. Allt om allt. Temperaturrekord . Datum för åtkomst: 16 december 2009. Arkiverad från originalet den 25 september 2013.
  57. Vetenskapens mirakel (otillgänglig länk) . Hämtad 16 december 2009. Arkiverad från originalet 1 december 2012. 
  58. Var är det kallaste experimentet på jorden?  (engelska) . Hämtad 23 februari 2020. Arkiverad från originalet 23 februari 2020.
  59. Den lägsta temperaturen på jordens yta (otillgänglig länk) . National Geographic Ryssland. Hämtad 9 december 2013. Arkiverad från originalet 13 december 2013. 
  60. Världen: Lägsta temperatur  (engelska)  (länk ej tillgänglig) . Arizona State University. Hämtad 9 december 2013. Arkiverad från originalet 16 juni 2010.
  61. Forskare har registrerat den lägsta temperaturen på planeten i Antarktis . Hämtad 27 juni 2018. Arkiverad från originalet 27 juni 2018.
  62. NASA-USGS Landsat 8 satellit pekar ut de kallaste fläckarna på  jorden . NASA . Hämtad 10 december 2013. Arkiverad från originalet 12 december 2013.
  63. ↑ Antarktis sätter lågtemperaturrekord -135,8 grader  . foxnews . Hämtad 10 december 2013. Arkiverad från originalet 11 december 2013.
  64. Gammalt temperaturrekord utmanas (otillgänglig länk) . Kompulent. Hämtad 30 november 2013. Arkiverad från originalet 3 december 2013. 
  65. Pressmeddelande nr. 956  (engelska)  (länk ej tillgänglig) . Meteorologiska världsorganisationen. Hämtad 30 november 2013. Arkiverad från originalet 6 april 2016.

Litteratur

Länkar