SA. Температура

Состояние термодинамического равновесия

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.

Опыт показывает, что макросистема, предоставленная самой себе, через некоторый промежуток времени приходит в состояние, в котором каждый ее параметр имеет одинаковое значение во всех точках системы. Такое состояние называется состоянием термодинамического равновесия.

Например, если соединить два сосуда с газами разного давления p₁ и p₂, то через некоторое время давление во всех точках соединенных сосудов будет одинаковое и равно p₃.

Для того, чтобы определить находится система в термодинамическом равновесии или нет, необходимо было ввести параметр, который не встречается в механике. Таким параметром выбрали температуру.

Температура — скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Другими словами, по температуре мы определяем состояние равновесия между телами системами: если у тел одинаковая температура и она не меняется в течении времени, то система в равновесии, если температура разная — равновесие нарушено и необходимо некоторое время для его установления.

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

Рис. 1

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.

Шкала Реомюра

Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром.

Градус Реомюра (1 °R) равен 1/80 части температурного интервала между температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25° C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Шкала Цельсия

Предложена в 1742 г. А. Цельсием.

По шкале Цельсия температура обозначается буквой t, измеряется в градусах Цельсия (ºС).

Градус Цельсия (1 °С) равен 1/100 части температурного интервала между температурой тающего льда (0 °С) и кипящей воды (100 °С).

• Первоначально А. Цельсий ставил 0° при точке кипения, а 100° при точке замерзания. Но такая шкала не пользовалась популярностью, и вскоре, по совету М. Штёрмера, была перевернута.

Эта шкала получила широкое распространение во всем мире.

Шкала Кельвина

В 1848 г. английскому физику Вильяму Томсону (лорд Кельвин) удалось построить так называемую абсолютную температурную шкалу (ее в настоящее время называют термодинамической шкалой температур или шкалой Кельвина), совершенно не зависящую ни от природы термометрического тела, ни от избранного термометрического параметра.

• Можно провести следующий эксперимент. Взять сосуды с разными газами. Определить предварительно их объемы, массы и рассчитать число молекул по формуле \(~N = \dfrac {m}{M} \cdot N_A\), затем поместить сосуд в тающий лед. После наступления теплового равновесия определить давление p и рассчитать отношение \(~\dfrac{p \cdot V}{N}\). Опыт показывает, что оно одинаково для всех газов Затем эти сосуды помещают в кипящую воду. Опять это отношение для всех газов определенное, но большее, т.е. оно ~ Т. Введя коэффициент пропорциональности k, можно записать\[~\dfrac{p \cdot V}{N} = k \cdot T .\] Измерения показали, что давление газа в кипящей воде в 1,3661 раза больше, чем в тающем льде. Учитывая это можно по данной формуле определить, что температура таяния льда T₀ = 273,15 К.

Предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю (т.е. газ как бы должен сжаться в "точку") при неизменном давлении, называется абсолютным нулем.

Это самая низкая температура в природе.

Абсолютная температурная шкала — шкала температур, в которой за начало отсчета принят абсолютный нуль. Температура здесь обозначается буквой T, измеряется в кельвинах (К). За единицу измерения в этой шкале принят один градус Цельсия, т.е. изменение на один кельвин (1 К) равно изменению на один градус Цельсия.

T = (t + 273) К или t = (T – 273) ºС,

где T — абсолютная термодинамическая температура (К); t — температура по шкале Цельсия (ºС).

• Более точно T = (t + 273,15) К или t = (T – 273,15) ºС.

Термометры

Для измерения температуры можно воспользоваться зависимостью любой макроскопической величины (объема, давления, электрического сопротивления и др.) от температуры.

На практике чаще всего используют жидкостные термометры, в которых учитывают изменение объёма жидкости (обычно это спирт или ртуть) при изменении температуры окружающей среды (рис. 2).

• 

  Рис. 2
• 

  Рис. 3
• 

  Рис. 4

Такие термометры обладают существенными недостатками: 1) диапазон температур ограничен: при низких температурах жидкости затвердевают, при высоких испаряются; 2) показания различных термометров, например ртутного и спиртового, совпадая при 0 °С и 100 °С, не совпадают при других температурах в силу того, что температурные коэффициенты объемного расширения спирта и ртути по-разному зависят от температуры.

В механических термометрах в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла, которые раскручиваются и скручиваются при изменении температуры (рис. 3).

Принцип работы электрических термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды (рис. 4). Электрические термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).

Газовые термометры (рис. 5) учитывается то, что давление газа пропорционально температуре при постоянном объеме (V = const). Соединив сосуд, в котором находится газ (чаще водород или гелий), с манометром и, проградуировав прибор, можно измерять температуру по показаниям манометра.

Рис. 5

Газовый термометр непригоден для определения температуры в области высоких температур, при которых происходит термическая диссоциация и ионизация, и очень низких температур, при которых все реальные газы конденсируются. Да и размеры не позволяют использовать его в быту.

См. также

1. Бытовые термометры
2. Промышленные термометры
3. Wikipedia Термометр

Интересные факт

1. Самая высокая температура созданная человеком ~ 4 трлн. К (что сравнимо с температурой Вселенной в первые секунды её жизни) была достигнута в 2010 году при столкновении золотых частиц, ускоренных до околосветовых скоростей. Эксперимент был проведён на установке RHIC, расположенной в Брукхейвенской национальной лаборатории, США.
2. Самая высокая теоретически возможная температура - планковская температура. Более высокая температура не может существовать, так как всё превращается в энергию (все субатомные частицы разрушатся). Эта температура примерно равна 1.41679(11)⋅10³² °C (примерно 142 нониллиона градусов).
3. Самая низкая температура, созданная человеком была получена в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из США при охлаждении атомов рубидия. Она была выше абсолютного нуля менее чем на 1/170 млрд долю градуса (5,9⋅10⁻¹²).
4. Поверхность Солнца имеет температуры около 6000 °С.

См. также

1. Аксенович Л.А. и др. Физика в средней школе // 6.12. Температура и тепловое равновесие системы. 6.13. Измерение температуры. 6.14. Абсолютная температурная шкала. Абсолютный нуль
2. Кикоин А.К. Температура. Теплота. Теплоемкость (Из истории физики) //Квант. — 1983. — № 11. — С. 26-28
3. Wikipedia Температура