Temperatura

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Temperatura
1
Temperatura
Temperatura
- jedna z podstawowych w
(
[1]
, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować
tylko dla stanów
z termodynamicznego bowiem punktu
widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów
pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią
ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany
i jest miarą tej
energii.
Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą
temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś mają różną
temperaturę, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o
niższej - aż do wyrównania się temperatur obu ciał.
Temperatura a energia kinetyczna
Złożony ruch cząsteczek gazu
Pod względem mikroskopowym, temperatura jest wynikiem
z których
złożone jest
Temperatura rośnie, kiedy wzrasta
tych ruchów. Ruch może być
związany z przemieszczaniem się cząsteczki (np. w
e), z
mi
w, cząsteczek
(np. w
, drganiami wewnętrznymi cząsteczki.
Prędkość atomów w ruchu termicznym jest bardzo duża, dopiero temperatura bliska zera
bezwzględnego umożliwia bezpośrednią obserwację tych ruchów. Mimo to fizycy potrafią
zmierzyć prędkości ruchu cząsteczek gazu. Jako przykład można podać, że w 1994 r.
naukowcy z instytutu
otrzymali rekordowo niska temperaturę wynoszącą 700 nK
Cząsteczki takie jak O
2
mają więcej
ruchu niż pojedyncze atomy: mogą
obracać się, drgać, oraz przemieszczać się. Wzrost temperatury powoduje wzrost
każdego z rodzajów ruchu. Dlatego dwuatomowy gaz z większą liczbą
stopni swobody ruchu
wymagać będzie większego wkładu energii dla zmiany
temperatury, co oznacza, że będzie posiadał większe
niż gaz jednoatomowy.
Proces ochładzania związany jest z oddawaniem energii z układu. Przy najniższej energii
układ osiąga tzw. temperaturę
na termodynamicznej skali temperatur,
w której to temperaturze cząsteczki mają najmniejszą możliwą energię kinetyczną. Według
mechaniki klasycznej pozostają w spoczynku, według mechaniki kwantowej poruszają się z
najmniejszą możliwą energią (wykonują tzw.
. Temperatura zera
absolutnego wynosi 0 
(
−
273,15
lub
–
459,67
.
(1 nK = 10
−
9
 K), a laserowa technika bezpośredniego pomiaru ruchu cząsteczek pokazała,
że średnia prędkość poruszania się atomów jest równa 7 mm/s.
 Temperatura
2
Temperatura w kinetycznej teorii gazów
Temperatura bezwzględna
T
układu złożonego z atomów jak i kilkuatomowych cząsteczek
jest w
określona jako średnia
<E>
ruchu
pojedynczej cząsteczki (mierzona względem środka masy układu), przypadająca na jeden
stopień swobody ruchu:
proporcjonalności
k
pomiędzy jednostkami temperatury i energii nazywany
jest
jego wartość liczbowa wynosi k = 1,38x10
-23
 
.
Wszystkie własności temperatury wynikają z tej definicji.
Temperatura a równowaga termodynamiczna
Właściwości temperatury są przedmiotem analizy
i
Temperatura układu w stanie
jest zdefiniowana przez
zależność pomiędzy
wprowadzanego do systemu w czasie
nieskończenie wolnej
a
jej
podczas tej przemiany.
W odróżnieniu od entropii i ciepła, których
definicje są obowiązujące także w
stanie nierównowagi termodynamicznej, temperatura może być zdefiniowana tylko w stanie
równowagi, lub lokalnej równowagi termodynamicznej.
Skale temperatur
Określenie powyższe pozwala porównywać temperatury, ale nie określa skali temperatury,
na przykład nie określa kiedy temperatura jednego ciała jest dwa razy wyższa od
temperatury drugiego. Dlatego fizycy konstruują
Skala temperatury
zawiera temperatury charakterystyczne i odpowiadające im zjawiska określające stan
cieplny. Pierwotnie skale były konstruowane w oparciu o temperatury charakterystyczne
zmian stanów skupienia i przy założeniu, że rozszerzalność cieczy jest liniowa, później
konstrukcje opierano na własnościach gazów, współcześnie definiuje się temperaturę
poprzez odwołanie do fizyki statystycznej.
Skale historyczne
Pierwsi konstruktorzy
ów i skal temperatur opierali swe skale na znanych im
zjawiskach, najczęściej przyjmowano, że zmiana temperatury jest proporcjonalna do zmiany
objętości cieczy (
. W skalach tych przyjmowano za odniesienie temperatury
dwóch zjawisk, które zachodzą zawsze w tej samej temperaturze. W
przyjmuje się, że 0°C odpowiada temperaturze zamarzania wody, a 100°C to temperatura
wody wrzącej pod normalnym ciśnieniem (choć
pierwotnie przyjmował odwrotnie).
W takich skalach istnieją temperatury ujemne.
 Temperatura
3
Termodynamiczna skala temperatury
Fizycy badając własności gazów zauważyli, że we wszystkich wzorach do temperatury w
skali Celsjusza trzeba zawsze dodawać stałą wartość 273,15 dlatego wprowadzono skalę
temperatur, zwaną bezwzględną lub absolutną. Skalę tę określa na podstawie równania
stanu gazu idealnego (
):
pV = nRT
. Temperaturę określa się na
podstawie pomiaru
i
Skala bezwzględna temperatury określa temperaturę zerową jako taką temperaturę gazu
idealnego, w której gaz przy zadanym ciśnieniu będzie miał zerową objętość, co odpowiada
temu, że w tej temperaturze wszelki ruch cząsteczek gazu ustaje. W rzeczywistości jednak
objętości cząsteczek gazu są niezerowe, oznacza to, że rzeczywistym termometrem
gazowym nie można mierzyć dowolnie niskich temperatur.
Temperatura
jest najniższą temperaturą jaką mogą uzyskać ciała, w
temperaturze tej wszystkie cząsteczki mają najmniejszą możliwą energię, według mechaniki
klasycznej ruch cząsteczek całkowicie ustaje, a według mechaniki kwantowej wszystkie
cząsteczki znajdują się w stanie podstawowym wykonując tzw.
(ang.
zero-point energy). W temperaturze zera bezwzględnego wszystkie ciała są w stanie stałym,
wyjątkiem jest
który w pewnym zakresie ciśnienia pozostaje cieczą w dowolnie niskich
temperaturach.
Dla pewnych układów można zdefiniować temperaturę, która według definicji opartej o
zmianę entropii będzie ujemna. Układ w takim stanie ma energię większą niż dla dowolnej
temperatury dodatniej. Stąd też wciąż temperatura zera bezwzględnego jest najniższą
możliwą do uzyskania temperaturą.
Na podstawie stosowanych powszechnie skal temperatur, zdefiniowano nowe, tak by ich
zero odpowiadało temperaturze zera bezwzględnego. Jest to odpowiednio
odpowiadająca skali Celsjusza oraz
odpowiadająca
jest główną jednostką temperatury przyjętą w
i uznawaną przez cały
świat naukowo- techniczny.
Międzynarodowa Skala Temperatur (MST-
90)
Międzynarodowa, ujednolicona skala temperatury jest oparta na temperaturach w punktach
charakterystycznych dla kilku
, np.
wody,
,
lub punkcie topnienia
przy ciśnieniu 101325 
W wersji obecnej obowiązuje od
1990 r. (ITS 90). Poprzednio obowiązywała skala ITS 68.
Jednostki temperatur
Najczęściej używaną w Polsce i wielu innych krajach jednostką temperatury są stopnie
Celsjusza.
Wzór do przeliczania temperatury w stopniach Celsjusza na temperaturę w kelwinach jest
następujący:
gdzie
t
jest w °C.
W
w dalszym ciągu używa się stopni
W tej skali temperatura zamarzania
wody jest równa 32°F a wrzenia 212°F.
 Temperatura
4
Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Fahrenheita na temperaturę w stopniach
Celsjusza:
Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Celsjusza na temperaturę w stopniach
Fahrenheita:
Porównanie temperatur w różnych skalach
Zjawisko
0
–
273,15
–
459,67
0
559,725
–
90,14²
–
218,52
–
135,90
Zero Fahrenheita 255,37
–
17,78
0
459,67
176,67
–
5,87
–
14,22
–
1,83
wody 273,15
0
32
491,67
150
0
0
7,5
Średnia
temperatura
ciała człowieka
310,0
36,6
98,2
557,9
94,5
12,21
29,6
26,925
wody
373,15 100
212
671,67
0
33
80
60
1941
1668
3034
3494
–
2352
550
1334
883
powierzchni
5800
5526
9980
10440
–
8140
1823
4421
2909
Inne skale:
,
Bibliografia
[1]
Praca zbiorowa,
Słownik fizyczny
, Warszawa, Państwowe Wydawnictwo "Wiedza Powszechna", s.403,
ISBN 83-214-0053-1.
Zobacz też
•
•
•
Temperatura
5
Źródła i autorzy artykułu
Temperatura
 
Source
:
 
Contributors
:
AdSR, Argentum, Awmarcz, Bags, Belfer00, Beno, Birczanin,
Chrumps, Crittersik, Ejkum, Elel23, Fraximus, Gang65, Gknor, Gładka, IZ, Kakaz, Kauczuk, Kimbar, Kuba G, Kubłok31, Leopold, Lukasz Lukomski, Lzur,
M-i, Maciek17, Malarz pl, Michal mwr, Midge, Milek80, Mily, Mlepicki, Monopol, Mpfiz, Oktan, Omega933, Patryk du Perel, PawełMM, Pcirrus,
PiesekPreriowy, Polimerek, Puchatech K., Rjt, Robert Borkowski, Rogra, Smat, Stok, Superborsuk, Taw, Teleport, Tio, Topory, Tsca, Wiher,
WojciechSwiderski, Yarl, Youandme, Zorro, conversion script, pa111.chojnow.sdi.tpnet.pl, 43 anonymous edits
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]