Молекулярная физика. Температура и ее измерение.
Температура — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тел.
В окружающем нас мире происходят различные явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел. Их называют тепловыми явлениями. Так, при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей; вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается и т. д. Степень нагретости тела, или его тепловое состояние, мы обозначаем словами «теплый», «холодный», «горячий», Для количественной оценки этого состояния и служит температура.
Температура — один из макроскопических параметров системы. В физике, тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул, называют макроскопическими. Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Все окружающие тела — от стола или газа в воздушном шарике до песчинки — макроскопические тела.
Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами. К ним относятся объем, давление, температура, концентрация частиц, масса, плотность, намагниченность и т. д. Температура — один из важнейших макроскопических параметров системы (газа, в частности).
Температура — характеристика теплового равновесия системы.
Известно, что для определения температуры среды следует поместить в эту среду термометр и подождать до тех нор, пока температура термометра не перестанет изменяться, приняв значение, равное температуре окружающей среды. Другими словами, необходимо некоторое время для установления между средой и термометром теплового равновесия.
Тепловым, или термодинамическим, равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что не меняются объем и давление в системе, не происходят фазовые превращения, не меняется температура.
Однако микроскопические процессы при тепловом равновесии не прекращаются: скорости молекул меняются, они перемещаются, сталкиваются.
Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел — термодинамическая система — может находиться в различных состояниях теплового равновесия. В каждом из этих состояний температура имеет свое вполне определенное значение. Другие величины могут иметь разные (но постоянные) значения. Например, давление сжатого газа в баллоне будет отличаться от давления в помещении и при температурном равновесии всей системы тел в этом помещении.
Температура характеризует состояние теплового равновесия макроскопической системы: во всех частях системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, температура имеет одно и то же значение (это единственный макроскопический параметр, обладающий таким свойством).
Если два тела имеют одинаковую температуру, между ними не происходит теплообмен, если разную — теплообмен происходит, причем тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до полного выравнивания температур.
Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (например, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термометра — прибора, служащего для измерения температуры.
Действие термометра основано на тепловом расширении вещества. При нагревании столбик используемого в термометре вещества (например, ртути или спирта) увеличивается, при охлаждении — уменьшается. Использующиеся в быту термометры позволяют выразить температуру вещества в градусах Цельсия (°С).
А. Цельсий (1701-1744) — шведский ученый, предложивший использовать стоградусную шкалу температур. В температурной шкале Цельсия за нуль (с середины XVIII в.) принимается температура тающего льда, а за 100 градусом — температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
Поскольку различные жидкости расширяются с повышением температуры по-разному, то температурные шкалы в термометрах с разными жидкостями различны.
Поэтому в физике используют идеальную газовую шкалу температур, основанную на зависимости объема (при постоянном давлении) или давления (при постоянном объеме) газа от температуры.
Virtual Laboratory Wiki
This wiki’s URL has been migrated to the primary fandom.com domain.Read more here
Температура
Хаотическое тепловое движение на плоскости частиц газа таких как атомы и молекулы
Содержание
Молекулярно-кинетическое определение
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;
Термодинамическое определение
Температура — величина, обратная изменению энтропии (степени беспорядка) системы при добавлении в систему единичного количества теплоты: 1/T = ΔS/ΔQ.
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.
Измерение температуры
Для измерения температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. На практике для измерения температуры используют
Единицы и шкала измерения температуры
Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях ). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.
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 приблизительно равно −273.15 °C.
Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K. Число градусов Цельсия и кельвинов между точками замерзания и кипения воды одинаково и равно 100. Поэтому градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,15.
Шкала Цельсия
Шкала Фаренгейта
В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.
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. Газ превращается в жидкость и затем кристаллизуется в твёрдое тело (гелий и при абсолютном нуле остается 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).
Температура с термодинамической точки зрения
Существует множество различных шкал температур. Когда-то температура определялась очень произвольно. Мерой температуры служили метки, нанесённые на равных расстояниях на стенах трубочки, в которой при нагревании расширялась вода. Потом решили измерить температуру ртутным термометром и обнаружили, что градусные расстояния не одинаковы. В термодинамике дается определение температуры, не зависящее от каких-либо частных свойств вещества.
, которая не зависит от свойств вещества. Из термодинамики следует, что если какая-то тепловая машина, поглощая количество теплоты
при
выделяет тепло
при
, выделяет то же самое тепло
при температуре в один градус, то машина, поглощающая
при
должна при температуре
выделять тепло
. Конечно, между теплом
и температурой
существует зависимость и тепло
должно быть пропорционально
. Таким образом, каждому количеству тепла
, выделенного при температуре в один градус, соответствует количество тепла, поглощённого машиной при температуре
, равное
, умноженному на некоторую возрастающую функцию
температуры:
Поскольку найденная функция возрастает с температурой, то можно считать, что она сама по себе измеряет температуру, начиная со стандартной температуры в один градус. Это означает, что можно найти температуру тела, определив количество тепла, которое поглощается тепловой машиной, работающей в интервале между температурой тела и температурой в один градус. Полученная таким образом температура называется абсолютной термодинамической температурой и не зависит от свойств вещества. Таким образом, для обратимой тепловой машины выполняется равенство:
— энтропия:
Для системы, в которой энтропия
может быть функцией
её энергии
, термодинамическая температура определяется как:
Температура и излучение
При повышении температуры растёт энергия, излучаемая нагретым телом. Энергия излучения абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана — Больцмана
Шкала Реомюра
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)
Переходы из разных шкал
| в\из | Кельвин | Цельсий | Фаренгейт |
|---|---|---|---|
| Кельвин (K) | = K | = С + 273,15 | = (F + 459,67) / 1,8 |
| Цельсий (° C) | = K − 273,15 | = C | = (F − 32) / 1,8 |
| Фаренгейт (°F) | = K · 1,8 − 459,67 | = C · 1,8 + 32 | = F |
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 |
Накопительный водонагреватель
Накопительный водонагреватель, или бойлер (от англ. boiler) представляет собой сравнительно большую ёмкость с размещенным в ней или, реже, под ней, источником тепла. Нагрев может производиться при помощи парового или водяного теплообменника — в нём циркулирует горячая вода в замкнутом контуре, нагреваемая, например, с помощью отопительного котла. Такие бойлеры называют бойлерами (водонагревателями) косвенного нагрева. [2]
Некоторые значения в этой таблице были округлены.
Характеристика фазовых переходов
Для описания точек фазовых переходов различных веществ используют следующие значения температуры:
Измерение температуры
Для измерения температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. На практике для измерения температуры используют
Температура
Живые существа способны воспринимать ощущения тепла и холода непосредственно, с помощью органов чувств. Однако точное определение температуры требует, чтобы температура измерялась объективно, с помощью приборов. Такие приборы называются термометрами и измеряют так называемую эмпирическую температуру. В эмпирической шкале температур устанавливаются две реперные точки и число делений между ними — так были введены используемые ныне шкалы Цельсия, Фаренгейта и другие. Измеряемая в кельвинах абсолютная температура вводится по одной реперной точке с учётом того, что в природе существует минимальное предельное значение температуры — абсолютный нуль. Верхнее значение температуры ограничено планковской температурой.
Если система находится в тепловом равновесии, то температура всех её частей одинакова. В противном случае в системе происходит передача энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым, приводящая к выравниванию температур в системе, и говорят о распределении температуры в системе или скалярном поле температур. В термодинамике температура — интенсивная термодинамическая величина.
Наряду с термодинамическим, в других разделах физики могут вводиться и другие определения температуры. В молекулярно-кинетической теории показывается, что температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц системы. Температура определяет распределение частиц системы по уровням энергии (см. Статистика Максвелла — Больцмана), распределение частиц по скоростям (см. Распределение Максвелла), степень ионизации вещества (см. Уравнение Саха), спектральную плотность излучения (см. Формула Планка), полную объёмную плотность излучения (см. Закон Стефана — Больцмана) и т. д. Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла — кинетической температурой, в формулу Саха — ионизационной температурой, в закон Стефана — Больцмана — радиационной температурой. Для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, и их называют просто температурой системы.
В Международной системе величин (англ. International System of Quantities, ISQ) термодинамическая температура выбрана в качестве одной из семи основных физических величин системы. В Международной системе единиц (СИ), основанной на Международной системе величин, единица этой температуры — кельвин — является одной из семи основных единиц СИ. В системе СИ и на практике используется также температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия (°С), по размеру равный кельвину. Это удобно, так как большинство климатических процессов на Земле и процессов в живой природе связаны с диапазоном от −50 до +50 °С.
Что такое температура как физическое понятие
Тепловые явления – это явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, а также с изменением их агрегатного состояния.
Все тепловые явления связаны с температурой.
Все тела характеризуются состоянием своего теплового равновесия. Главной характеристикой теплового равновесия является температура.
Температура – это мера «нагретости» тела.
Поскольку температура является физической величиной, то её можно и нужно измерить. Для измерения температуры используется прибор, который называется термометр (от греч. термо – тепло, метрео – измеряю).
Первый термометр (а, точнее, его аналог) изобрёл Галилео Галилей. Изобретение Галилея, которое он представил своим студентам на лекциях в университете в конце XVI века (1597 г.), было названо термоскопом.
Любой термометр основан на следующем принципе: изменение физических свойств веществ в зависимости от температуры.
Опыт Галилея
Рис. 1. Опыт Галилея
Опыт Галилея (см. Рис. 1) состоял в следующем: он взял колбу с длинной ножкой и наполнил её водой. Затем взял стакан с водой и перевернул колбу ножкой вниз, поставив в стакан. Часть воды, естественно, вылилась, однако, в результате, в ножке остался определённый уровень воды. Если теперь нагревать колбу (в которой находится воздух), то уровень воды будет опускаться, а если охлаждать, то, наоборот, повышаться. Это связано с тем, что при нагревании вещества (в частности, воздух) имеют свойство расширяться, а при охлаждении – наоборот, сужаться (именно поэтому рельсы делают несплошными, а провода между столбами иногда немного провисают).
Эта идея и легла в основу первого термоскопа, который позволял оценивать изменение температуры (точно измерить температуру таким термоскопом нельзя, так как его показания будут сильно зависеть от атмосферного давления).
В это же время была введена так называемая градусная шкала. Само слово «градус» в переводе с латинского означает «ступень».
На сегодняшний день сохранились три основные шкалы.
1. Шкала Цельсия
Наибольшее распространение получение шкала, которая с детства известна каждому – шкала Цельсия.
Андерс Цельсий – шведский астроном, который предложил следующую шкалу температур: 0 о С – температура кипения воды; 100 о С – температура замерзания воды. В настоящее время все мы привыкли к перевёрнутой шкале Цельсия.
Примечание: сам Цельсий говорил, что такой выбор шкалы вызван простым фактом: зато зимой не будет отрицательной температуры.
2. Шкала Фаренгейта
В Англии, США, Франции, Латинской Америке и некоторых других странах популярностью пользуется шкала Фаренгейта.
Габриель Фаренгейт – немецкий исследователь – инженер, который впервые применил свою собственную шкалу для изготовления стекла. Шкала Фаренгейта более тонкая: по размерности градус шкалы Фаренгейта меньше градуса шкалы по Цельсию.
3. Шкала Реомюра
Техническая шкала придумана французским исследователем Р. А. Реомюром. По этой шкале 0 соответствует температуре замерзания воды, а вот в качестве температуры кипения воды Реомюром была выбрана температура в 80 градусов.
Кем и
когда
введена.
А. Цельсия
шведский
астроном, физик
1742 г.
Фаренгейт
стеклодув из Голландии
1724 г.
Реомюр французский физик
1726 г.
Томсон
(лорд Кельвин)
английский физик
1848 г.
Наличие положительных и отрицательных температур
0 о C
– температура таяния льда,
100 о C
– температура кипения воды.
32F
– температура таяния льда,
212F
– температура кипения воды.
0R
– температура таяния
льда,
80R
– температура кипения воды.
0K – абсолютный нуль,
273К
– температура таяния льда
Т = t + 273
Самая высокая температура.
Она получена в центре взрыва термоядерной бомбы – около 300. 400 млн °C. Максимальная температура, достигнутая в ходе управляемой термоядерной реакции на испытательной термоядерной установке ТОКАМАК в Принстонской лаборатории физики плазмы, США, в июне 1986г., составляет 200 млн °C.
Самая низкая температура.
Напомним, что при изменении температуры тела изменяются его линейные размеры (при нагревании – расширяются, при охлаждении – сужаются). Это связано с поведением молекул. При нагревании увеличивается скорость движения частиц, соответственно, они начинают чаще взаимодействовать, и объём увеличивается.
Из этого можно сделать вывод, что температура связана с движением частиц, из которых состоят тела (это относится и к твёрдым, и к жидким, и к газообразным телам).
Движение частиц в газах является беспорядочным (так как молекулы и атомы в газах практически не взаимодействуют).
Движение частиц в жидкостях является «скачкообразным», то есть: молекулы ведут «осёдлый образ жизни», но способны «перепрыгивать» с одного места на другое. Этим определяется текучесть жидкостей.
Движение частиц в твёрдых телах называется колебательным.
Таким образом, все частицы находятся в непрерывном движении. Это движение частиц называется тепловым движением (беспорядочное, хаотическое движение).
Это движение никогда не останавливается (до тех пор, пока у тела есть температура).
Подтвердил наличие теплового движения в 1827 году английский ботаник Роберт Броун, по имени которого данное движение называют броуновским движением.
Рассмотрим в заключении ещё один опыт – опыт французского учёного Гильома Амонтона, который в 1702 году изобрёл так называемый газовый термометр. С небольшими изменениями этот термометр дошёл и до наших дней.
Опыт Амонтона
Рис. 2. Опыт Амонтона
Возьмём колбу с водой и заткнём её пробкой с тонкой трубкой (см. Рис. 2). Если теперь нагревать воду, то за счёт расширения воды, её уровень в трубке будет повышаться. По уровню поднятия воды в трубке можно сделать вывод об изменении температуры. Преимущество термометра Амонтона состоит в том, что он не зависит от атмосферного давления.
На этом уроке мы рассмотрели такую важную физическую величину, как температура. Изучили способы её измерения, характеристики и свойства. На дальнейших уроках мы изучим такое понятие, как внутренняя энергия.
