Що таке температура? Одиниці виміру температури - градуси. Температура пари та газу

Кожна людина щодня стикається з поняттям температури. Термін міцно увійшов в наше повсякденне життя: ми розігріваємо в мікрохвильовій печі продукти або готуємо їжу в духовій шафі, цікавимося погодою на вулиці або дізнаємося, холодна вода в річці - все це тісно пов`язано з даним поняттям. А що таке температура, що означає цей фізичний параметр, в чому він вимірюється? На ці та інші питання відповімо в статті.

Фізична величина

Давайте розглянемо, що таке температура з точки зору ізольованої системи, що знаходиться в термодинамічній рівновазі. Термін прийшов з латинської мови і означає "належне змішання", "нормальний стан", "відповідність". Ця величина характеризує стан термодинамічної рівноваги будь-якої макроскопічної системи. У тому випадку, коли ізольована система знаходиться поза рівноваги, з часом відбувається перехід енергії від більш нагрітих об`єктів до менш нагрітих. У результаті виходить вирівнювання (зміна) температури у всій системі. Це є першим постулатом (нульовим початком) термодинаміки.

Температура визначає розподіл складових частинок системи за рівнями енергії і за швидкостями, ступінь іонізації речовин, властивості рівноважного електромагнітного випромінювання тіл, повну об`ємну щільність випромінювання. Так як для системи, яка знаходиться в термодинамічній рівновазі, перераховані параметри рівні, то їх прийнято називати температурою системи.

Плазма

Крім рівноважних тіл, існують системи, у яких стан характеризується кількома значеннями температури, що не рівними між собою. Хорошим прикладом є плазма. Вона складається з електронів (легких заряджених частинок) та іонів (важких заряджених частинок). При їх зіткненнях відбувається швидка передача енергії від електрона до електрона і від іона до іона. А от між неоднорідними елементами відбувається повільний перехід. Плазма може перебувати в стані, при якому електрони і іони окремо близькі до рівноваги. У такому випадку можна прийняти окремі температури кожного виду частинок. Однак між собою ці параметри будуть відрізнятися.

Магніти

У тілах, у яких частинки мають магнітним моментом, передача енергії зазвичай відбувається повільно: від поступальних до магнітних ступенями свободи, які пов`язані з можливістю зміни напрямків моменту. Виходить, що існують стани, при яких тіло характеризується температурою, яка не співпадає з кінетичним параметром. Вона відповідає поступальному руху елементарних частинок. Магнітна температура визначає частину внутрішньої енергії. Вона може бути як позитивною, так і негативною. У процесі вирівнювання енергія буде передаватися від часток з великим значенням до частинок з меншим значенням температури в тому випадку, якщо вони є одночасно позитивними або негативними. У неприємної ситуації цей процес буде протікати в зворотному напрямку - негативна температура буде «вище» позитивною.

А навіщо це треба?

Парадокс полягає в тому, що обивателю, щоб провести процес вимірювання як у побуті, так і в промисловості, навіть немає необхідності знати, що таке температура. Для нього буде достатнім розуміти, що це ступінь нагретости об`єкта або середовища, тим більше що з цими термінами ми знайомі з дитинства. Дійсно, велика частина практичних приладів, призначених для вимірювання цього параметра, фактично вимірює інші властивості речовин, які змінюються від рівня нагріву або охолодження. Наприклад, тиск, електричний опір, обсяг т. Д. Далі такі свідчення вручну або автоматично перераховуються в потрібну величину.

Виходить, щоб визначити температуру, немає необхідності вивчати фізику. За таким принципом живе велика частина населення нашої планети. Якщо працює телевізор, то немає необхідності розбиратися в перехідних процесах напівпровідникових приладів, вивчати, звідки береться електрика в розетці або як надходить на супутникову тарілку сигнал. Люди звикли, що в кожній області є фахівці, які зможуть полагодити або налагодити систему. Обиватель не хоче напружувати свій мозок, адже куди краще дивитися мильну оперу чи футбол по «ящику», потягуючи холодне пиво.

А я хочу знати

Але є люди, найчастіше це студенти, які або в міру своєї допитливості, або за необхідності змушені вивчати фізику і визначати, що таке температура насправді. В результаті у своєму пошуку вони потрапляють в нетрі термодинаміки і вивчають її нульовий, перший і другий закони. Крім того, допитливому розуму доведеться осягнути цикли Карно і ентропію. І в кінці свого шляху він напевно визнає, що визначення температури як параметр оборотної теплової системи, яка не залежить від типу робочої речовини, не додасть ясності у відчуття цього поняття. І все одно видимою частиною будуть прийняті міжнародною системою одиниць (СІ) якісь градуси.

Температура як кінетична енергія

Більш "відчутним" є підхід, який називають молекулярно-кінетичної теорії. З нього формується уявлення того, що теплота розглядається в якості однієї з форм енергії. Наприклад, кінетична енергія молекул і атомів, параметр, усереднений по величезному числу хаотично рухомих частинок, виявляється мірилом того, що прийнято називати температурою тіла. Так, частинки нагрітої системи рухаються швидше, ніж холодною.

Оскільки розглянутий термін тісно пов`язаний з усередненою кінетичної енергією групи частинок, було б цілком природним в якості одиниці вимірювання температури використовувати джоуль. Проте цього не відбувається, що пояснюється тим, що енергія теплового руху елементарних частинок дуже мала по відношенню до джоулю. Тому використання його незручно. Тепловий рух вимірюють в одиницях, отриманих з джоулів допомогою спеціального переказного коефіцієнта.

Одиниці виміру температури

На сьогоднішній день використовується три основних одиниці для відображення цього параметра. У нашій країні температуру прийнято визначати в градусах за Цельсієм. В основі цієї одиниці виміру лежить точка затвердіння води - абсолютне значення. Вона є початком відліку. Тобто температура води, при якій починає утворюватися лід, є нулем. В даному випадку вода служить зразковим мірилом. Це умовне значення було прийнято для зручності. Другим абсолютним значенням є температура пари, тобто момент, коли вода з рідкого стану переходить в газоподібний.

Наступною одиницею є градуси за Кельвіном. Початком відліку цієї системи прийнято вважати точку абсолютного нуля. Так, один градус Кельвіна дорівнює одному градусу Цельсія. Відмінністю є тільки початок відліку. Отримуємо, що нуль за Кельвіном буде дорівнює мінус 273,16 градусів за Цельсієм. У 1954 році на Генеральній конференції з мір та ваг було вирішено замінити термін «градус Кельвіна» для одиниці температури на «коливань».

Третьою загальноприйнятою одиницею вимірювання є градуси Фаренгейта. До 1960 року вони широко використовувалися у всіх англомовних країнах. Однак і сьогодні в побуті в США використовують цю одиницю. Система в корені відрізняється від описаних вище. За початок відліку прийнята температура замерзання суміші солі, нашатирю і води в пропорції 1: 1: 1. Так, на шкалі Фаренгейта точка замерзання води дорівнює плюс 32 градуси, а кипіння - плюс 212 градусів. У цій системі один градус дорівнює 1/180 різниці цих температур. Так, діапазон від 0 до +100 градусів за Фаренгейтом відповідає діапазону від -18 до +38 за Цельсієм.

Абсолютний нуль

Давайте розберемося, що означає цей параметр. Абсолютним нулем називають значення граничної температури, при якій тиск ідеального газу звернеться в нуль при фіксованому обсязі. Це найнижче значення в природі. Як пророкував Михайло Ломоносов, «це найбільша або остання ступінь холоду». З цього випливає хімічний закон Авогадро: в рівних обсягах газів за умови однакової температури і тиску міститься однакова кількість молекул. Що з цього випливає? Існує мінімальна температура газу, при якій його тиск або обсяг звернуться в нуль. Ця абсолютна величина відповідає нулю за Кельвіном, або 273 градусам за Цельсієм.

Кілька цікавих фактів про Сонячну систему

Температура на поверхні Сонця досягає 5700 кельвінів, а в центрі ядра - 15 мільйонів кельвінів. Планети Сонячної системи сильно відрізняються один від одного за рівнем нагріву. Так, температура ядра нашої Землі становить приблизно стільки ж, скільки на поверхні Сонця. Найгарячішою планетою вважається Юпітер. Температура в центрі його ядра в п`ять разів вище, ніж на поверхні Сонця. А ось найнижче значення параметра зафіксували на поверхні Місяця - воно склало всього 30 кельвінів. Це значення навіть нижче, ніж на поверхні Плутона.

Факти про Землю

1. Найвище значення температури, яке зафіксував людина, склало 4000 млн градусів за Цельсієм. Ця величина в 250 разів перевищує температуру ядра Сонця. Рекорд поставлений Нью-Йоркській природною лабораторією Брукхевен в іонному колайдері, довжина якого складає близько 4 кілометрів.

2. Температура на нашій планеті теж не завжди ідеальна і комфортна. Наприклад, у місті Верхноянске в Якутії температура в зимовий період опускається до мінус 45 градусів за Цельсієм. А ось в ефіопському місті Даллол зворотна ситуація. Там середньорічна температура становить плюс 34 градуси.

3. Найбільш екстремальні умови, при яких працюють люди, зафіксовані в золотих шахтах в Південній Африці. Шахтарі трудяться на глибині трьох кілометрів при температурі плюс 65 градусів за Цельсієм.