Рис. 29.3. опыт, позволяющий установить связь между температурой и средней кинетической энергией поступательного движения молекул газа. Газы в сосудах находятся в состоянии теплового равновесия со средой, а следовательно, и друг с другом
Единицы измерения температуры
Изучая геометрию, используют длину как основную единицу (остальные единицы производные), в кинематике добавляется вторая основная единица — время, динамика дает третью основную единицу — массу, изучение теории тепловых явлений требует введения новой основной единицы — температуры. Температуру определяют как степень нагретости тел. Однако такое определение является качественным, субъективным и не имеет указания на то, как производить измерения температуры. Методы измерения температуры получили свое развитие только после того, как температуру связали с длиной, объемом и т.д., параметрами, которые можно непосредственно измерять. Численные методы измерения температуры имеют свои корни в XVII веке. Свой термоскоп демонстрировал Г. Галилей.
Еще позднее было показано, из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газа, что температура является мерой средней кинетической энергии молекул. Исторически температура была введена в науку как термодинамический параметр, ее единицей стали считать градус. После того, как определили связь температуры со средней кинетической энергией молекул, стало понятно, что температуру можно определить как энергию и единицей ее считать джоуль или эрг.
Все единицы измерения температуры делят на две большие группы: относительные температуры и абсолютные. Например, градус Цельсия, градус Фаренгейта — единицы измерения температуры, относящиеся к группе относительных температур. Кельвин, градус Ранкина- единицы измерения температуры, которые относят к группе абсолютных температур.
Кельвин, градус Цельсия — единицы измерения температуры в системе СИ
В Международной системе единиц (СИ), единицей термодинамической температуры ($T$) является кельвин (К). Это основная единица данной системы единиц. Один кельвин — это термодинамическая температура равная $\frac$ части от температуры тройной точки воды. К недостатками такого определения относят то, что попытки получить температуру в один кельвин связаны с зависимостью от чистоты и изотопного состава воды. Существуют попытки дать определение одного кельвина через величину постоянной Больцмана ($k=1,38\cdot ^\frac$). Вероятно в таком случае один кельвин — это будет такое изменение температуры, которое ведет к изменению энергии (на одну степень свободы) равному $kT$=400,38\cdot ^Дж$.
Единица термодинамической температуры именована в честь английского ученого У. Томсона (лорда Кельвина). Вплоть до 1968 г. единицу термодинамической температуры называли градусом Кельвина. Начало шкалы термодинамической температуры совпадает с абсолютным нулем ($T=0К$).
Кратные и дольные единицы кельвина получают используя стандартные приставки системы СИ, например, кК — килокельвин (400кК=^3К$); пК -пикокельвин (400пК=^К$) и т.д.
Градус Цельсия ($^\circ\!C>$) — это еще одна единица измерения температуры ($t$), которую используют в системе СИ совместно с кельвином. Свое название $^\circ\!C>$ получил в честь шведского ученого А. Цельсия, который создал свою шкалу измерения температуры. На сегодняшний момент градус Цельсия равен кельвину, однако ноль шкалы температур по Цельсию сдвинут относительно шкалы Кельвина:
Около 1715 года Фаренгейт первым в мире использовал ртуть в термометрах и разработал эффективную технику заполнения ею хрупких стеклянных устройств. Он относился к этому как к своей коммерческой тайне и в течение 18 лет, почти до самой смерти, никому ее не раскрывал.
Измерение температуры
Чтобы измерить температуру какого-либо тела, его необходимо привести в тепловой контакт с термометром.
Термометр — прибор для измерения температуры.
Основной частью термометра является термометрическое тело, приводимое в тепловой контакт с объектом, температуру которого надо измерить. В жидкостных термометрах термометрическим телом служит либо ртуть, либо подкрашенный спирт. В электрических термометрическим телом служит металлическая проволока, а температура определяется по ее электрическому сопротивлению.
- Термометр не должен иметь большой массы, т.к. массивный термометр изменит температуру того тела, с которым он приведен в тепловой контакт.
Изобретателем термометра принято считать Галилея: в его собственных сочинениях нет описания этого прибора, но его ученики засвидетельствовали, что уже в 1597 г. он устроил нечто вроде термобароскопа (термоскоп).
Термометры с жидкостью описаны в первый раз в 1667 г. «Saggi di naturale esperienze fatte nell’Accademia del Cimento», где о них говорится как о предметах, давно изготовляемых искусными ремесленниками, которых называют «Confia». Сначала эти термометры наполняли водой, и они лопались, когда она замерзала. Затем стали применять для этого винный спирт. Обычно на таких термометрах делали 50 делений так, чтобы при таянии снега спирт не опускался ниже 10, а на солнце не поднимался выше 40.
По мере распространения термометров возникла необходимость в создании температурной шкалы, позволяющей приписывать температуре определенные числа. Обычно для построения шкалы выбирают две так называемые реперные точки, которым приписываются произвольные значения температуры, а шкала между ними делится на равные части. Этим устанавливается единица измерения температуры. Выбор реперных точек температурной шкалы и число частей совершенно произволен.
Шкала Фаренгейта
Предложена в 1724 г. Г. Фаренгейтом.
Градус Фаренгейта (1 °F) равен 1/180 части температурного интервала между температурой кипения воды (212 °F) и таяния льда (32 °F).
- Сам Фаренгейт брал такой промежуток температур: за 0 °F — температуру смеси снега с нашатырём или поваренною солью, за 96 °F —температуру здорового человеческого тела, во рту или под мышкой.
Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением (рис. 1)
t °С = 5/9 (t °F – 32), t °F = 9/5 t °С + 32.
Используется шкала Фаренгейта в Англии и в США.
Решение. По условию задачи единица температуры в системе СИ стала больше в пять раз, это означает, что если обозначить температуру по общепринятой шкале как $T$, но по нашей новой шкале ($T_N$) она станет равна:
Определение температуры в статистической физике
В статистической физике температура определяется по формуле
» width=»» height=»» />,
где S — энтропия, E — энергия термодинамической системы. Введённая таким образом величина T является одинаковой для различных тел при термодинамическом равновесии. При контакте двух тел тело с большим значением T будет отдавать энергию другому.
Измерение температуры
Для измерения термодинамической температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объёма. Известны также термометры абсолютные радиационные, шумовые, акустические.
Термодинамические термометры — это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. Для получения функции интерполяции они должны быть отградуированы в реперных точках международной температурной шкалы.
Чтобы измерить температуру какого-либо тела, его необходимо привести в тепловой контакт с «пробным» телом — термометром. Термометр не должен иметь большую массу, в противном случае, массивный термометр изменит температуру того тела, с которым он приведён в тепловой контакт. Термометр фиксирует свою собственную температуру, равную температуре тела, с которым он находится в термодинамическом равновесии 4 .
Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам — Цельсия или Фаренгейта.
На практике для измерения температуры также используют
Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления 5 . Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения 6 .
Около 1600 года к идее термоскопа вернулся Галилей. Хотя во многих источниках он упоминается как изобретатель термометра (термоскоп со шкалой), ни одно из описаний прибора Галилея не содержит информации о шкале.
Сравнение двух температурных величин
Принятая абсолютная температурная величина 0 К взята за начало отсчёта по шкале Кельвина. Вплоть до 1968 г. новая мера градусной величины именовалась «градусом Кельвина», по подобию с «градусом Цельсия». Впоследствии научное сообщество, во главе с Генеральной комиссией, ответственной за обозначения мер и весов, официально переименовала температурную единицу в «кельвин», с сокращённым обозначением «К» и относительной величиной к Цельсию ( о С) равной: С/К = 1/274,15.
Существующая шкала температур Кельвина применяется чаще в научном мире, в химии, математике и физике, в частности – термодинамике. Далеко не всем понятно определение, что под К понимается термодинамическая температура тройной точки воды. И если простому обывателю знания температурных режимов необходимы на уровне погоды или приготовления пищи, то учёные используют в своих экспериментах ту систему, которая для конкретной работы представляется наиболее удобной.
Изучение технических определений, использующих данные шкалы Кельвина, введено в программу физико-математических вузов, или применяется для школьных классов с углублённым изучением данных предметов. Температурная шкала Кельвина как раз является более рациональной, нежели общераспространённая шкала Цельсия, при таких случаях, как, например, измерение цветовой температуры в лампах накаливания, осветительных приборах профессионального назначения (можно встретить обозначения 3000K; 6000K на фотокамерах, что говорит о яркости, качестве, др. температурных характеристиках прибора).
Как перевести значения
Теперь, зная выведенные постоянные величины, переводить Кельвины в Цельсии и наоборот достаточно просто. Для этого нужно всего лишь к показанию градусов Цельсия добавить постоянную Кельвина.
- температура замерзания воды 0 о С;
- по шкале Томпсона (Кельвина) 0 о С – это 273,16 К;
- температура замерзания воды в «кельвинах» будет 273,16 К.
- температура кипения воды равна 100 градусов по Цельсию (t =100 о С);
- 100 + 273,16 = 373,16;
- температура кипения воды в «кельвинах» равна 373,16 К.
Нужно перевести 100 К в о С.
Если необходимо выполнить перевод «кельвинов» в градусы Цельсия, то надо из величины, взятой по шкале Томпсона (Кельвина), вычесть величину абсолютного нуля, равную 273,16.
Абсолютный нуль по Кельвину в переводе на шкалу Цельсия равен:
Около 1600 года к идее термоскопа вернулся Галилей. Хотя во многих источниках он упоминается как изобретатель термометра (термоскоп со шкалой), ни одно из описаний прибора Галилея не содержит информации о шкале.
Температура
Температура — физическая величина, примерно характеризующая среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, приходящаяся на одну степень свободы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.
В системе СИ температура измеряется в кельвинах. Но на практике часто применяют градусы Цельсия из-за привязки к важным характеристикам воды — температуре плавления (0 °C) и температуры кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и др. связаны с этим диапазоном.
Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие.
Содержание
Температура — величина, обратная изменению энтропии (степени беспорядка) системы при добавлении в систему одиночного количества теплоты: 1/T = ΔS/ΔQ.
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 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 живая ткань тепло или получает ее.
Некоторые квантовомеханические системы могут находиться в состоянии, при котором энтропия не возрастает, а убывает при добавлении энергии, что формально соответствует отрицательной абсолютной температуре. Однако такие состояния находятся не «ниже абсолютного ноля», а «выше бесконечности», поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим положительной температурой, энергия передается от системы к телу, а не наоборот.
Свойства температуры изучает раздел физики — термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.
