Ποια είναι η θερμοκρασία; Οι μονάδες θερμοκρασίας είναι μοίρες. Θερμοκρασία ατμού και αερίου

Κάθε πρόσωπο αντιμετωπίζει την έννοια της θερμοκρασίας σε καθημερινή βάση. Ο όρος έχει εισέλθει σταθερά στην καθημερινότητά μας: ζεσταίνουμε φαγητό στο φούρνο μικροκυμάτων, προετοιμάζουμε φαγητό στο φούρνο, ενδιαφέρουμε για τον καιρό στο δρόμο ή ανακαλύπτουμε εάν το νερό είναι κρύο στον ποταμό - το οποίο συνδέεται στενά με αυτή την έννοια. Και ποια είναι η θερμοκρασία, τι σημαίνει αυτή η φυσική παράμετρος, σε τι μετριέται; Αυτές και άλλες ερωτήσεις θα απαντηθούν στο άρθρο.

Φυσική ποσότητα

Ας δούμε τι θερμοκρασία είναι από την άποψη ενός απομονωμένου συστήματος σε θερμοδυναμική ισορροπία. Ο όρος προέρχεται από τα λατινικά και σημαίνει "σωστή ανάμιξη", "κανονική κατάσταση", "αναλογικότητα". Αυτή η ποσότητα χαρακτηρίζει την κατάσταση της θερμοδυναμικής ισορροπίας οποιουδήποτε μακροσκοπικού συστήματος. Στην περίπτωση που το απομονωμένο σύστημα είναι εκτός ισορροπίας, η ενέργεια περνά από τα περισσότερο θερμαινόμενα αντικείμενα σε λιγότερο θερμαινόμενα με την πάροδο του χρόνου. Το αποτέλεσμα είναι μια εξίσωση θερμοκρασίας (αλλαγή) σε ολόκληρο το σύστημα. Αυτό είναι το πρώτο postulate (μηδενικό σημείο) της θερμοδυναμικής.

Η θερμοκρασία καθορίζει την κατανομή των συστατικών σωματιδίων του συστήματος σε όρους ενεργειακών επιπέδων και ταχυτήτων, του βαθμού ιονισμού των ουσιών, των ιδιοτήτων της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ισορροπίας των σωμάτων, της συνολικής πυκνότητας όγκου της ακτινοβολίας. Δεδομένου ότι για το σύστημα που βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία, οι παραμέτρους που παρατίθενται είναι ίσες, ονομάζονται συνήθως η θερμοκρασία του συστήματος.

Πλάσμα

Εκτός από τους οργανισμούς ισορροπίας, υπάρχουν συστήματα στα οποία η κατάσταση χαρακτηρίζεται από πολλές τιμές θερμοκρασίας που δεν είναι ίσες μεταξύ τους. Ένα καλό παράδειγμα είναι το πλάσμα. Αποτελείται από ηλεκτρόνια (ελαφρά φορτισμένα σωματίδια) και ιόντα (βαριά φορτισμένα σωματίδια). Στις συγκρούσεις τους, υπάρχει μια γρήγορη μεταφορά ενέργειας από το ηλεκτρόνιο στο ηλεκτρόνιο και από το ιόν στο ιόν. Αλλά ανάμεσα στα ετερογενή στοιχεία υπάρχει μια αργή μετάβαση. Το πλάσμα μπορεί να είναι σε κατάσταση στην οποία τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα είναι ξεχωριστά κοντά στην ισορροπία. Σε αυτή την περίπτωση, είναι δυνατόν να ληφθούν οι μεμονωμένες θερμοκρασίες κάθε είδους σωματιδίων. Ωστόσο, αυτές οι παράμετροι θα διαφέρουν μεταξύ τους.

Μαγνήτες

Σε σώματα στα οποία τα σωματίδια έχουν μαγνητική ροπή, η μεταφορά ενέργειας γίνεται συνήθως αργά: από τη μετάφραση στους μαγνητικούς βαθμούς ελευθερίας, τα οποία συνδέονται με τη δυνατότητα αλλαγής της κατεύθυνσης της στιγμής. Αποδεικνύεται ότι υπάρχουν καταστάσεις στις οποίες το σώμα χαρακτηρίζεται από μια θερμοκρασία που δεν συμπίπτει με την κινητική παράμετρο. Αντιστοιχεί στην μεταφορική κίνηση των στοιχειωδών σωματιδίων. Η μαγνητική θερμοκρασία καθορίζει μέρος της εσωτερικής ενέργειας. Μπορεί να είναι θετική ή αρνητική. Στη διαδικασία εξισορρόπησης, η ενέργεια μεταφέρεται από σωματίδια με μεγαλύτερη τιμή σε σωματίδια με χαμηλότερη τιμή θερμοκρασίας εάν είναι θετικά ή αρνητικά. Σε μια δυσάρεστη κατάσταση, αυτή η διαδικασία θα προχωρήσει προς την αντίθετη κατεύθυνση - η αρνητική θερμοκρασία θα είναι "υψηλότερη" από τη θετική.

Και γιατί είναι απαραίτητο αυτό;

Το παράδοξο είναι ότι ο μέσος άνθρωπος, προκειμένου να πραγματοποιήσει τη διαδικασία μέτρησης τόσο στην καθημερινή ζωή όσο και στη βιομηχανία, δεν χρειάζεται καν να γνωρίζει τι θερμοκρασία είναι. Θα είναι αρκετό για αυτόν να καταλάβει ότι αυτός είναι ο βαθμός θέρμανσης ενός αντικειμένου ή μέσου, ειδικά αφού γνωρίζουμε αυτούς τους όρους από την παιδική ηλικία. Πράγματι, τα περισσότερα πρακτικά όργανα που έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση αυτής της παραμέτρου πράγματι μετρούν άλλες ιδιότητες των ουσιών που διαφέρουν από το επίπεδο θέρμανσης ή ψύξης. Για παράδειγμα, η πίεση, η ηλεκτρική αντίσταση, η ένταση κλπ. Επιπλέον, τέτοιες μετρήσεις υπολογίζονται με το χέρι ή αυτόματα στην επιθυμητή τιμή.

Αποδεικνύεται ο καθορισμός της θερμοκρασίας, δεν υπάρχει ανάγκη να μελετηθεί η φυσική. Με αυτήν την αρχή, το μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού του πλανήτη μας ζει. Εάν η τηλεόραση λειτουργεί, δεν χρειάζεται να κατανοήσουμε τις παροδικές διεργασίες συσκευών ημιαγωγών, να μελετήσουμε από πού προέρχεται ο ηλεκτρισμός στην έξοδο ή πώς μεταδίδεται το σήμα στο δορυφορικό πιάτο . Οι άνθρωποι συνηθίζουν στο γεγονός ότι σε κάθε περιοχή υπάρχουν ειδικοί που μπορούν να επιδιορθώσουν ή να διορθώσουν το σύστημα. Ο φιλιπτίνος δεν θέλει να στραγγίξει τον εγκέφαλό του, επειδή είναι πολύ καλύτερο να παρακολουθήσετε σαπουνόπερα ή ποδόσφαιρο στο "κουτί", πίνοντας κρύα μπύρα.

Και θέλω να το ξέρω

Υπάρχουν όμως άνθρωποι, συνήθως είναι φοιτητές οι οποίοι, είτε με τη μέτρηση της περιέργειάς τους, είτε αναγκαστικά πρέπει να μελετήσουν τη φυσική και να καθορίσουν ποια είναι η πραγματική θερμοκρασία. Ως αποτέλεσμα, κατά την αναζήτησή τους, πέφτουν στη ζούγκλα της θερμοδυναμικής και μελετούν τον μηδενικό, πρώτο και δεύτερο νόμο. Επιπλέον, το περίεργο μυαλό θα πρέπει να κατανοήσει τους κύκλους Carnot και την εντροπία. Και στο τέλος του ταξιδιού του σίγουρα αναγνωρίζει ότι ο ορισμός της θερμοκρασίας ως παράμετρος ενός αναστρέψιμου θερμικού συστήματος που δεν εξαρτάται από τον τύπο της ουσίας εργασίας δεν θα προσθέσει σαφήνεια στην έννοια αυτής της έννοιας. Ακόμα, το ορατό μέρος θα είναι κάποιες βαθμούς αποδεκτό από το διεθνές σύστημα μονάδων (SI).

Θερμοκρασία ως κινητική ενέργεια

Πιο "απτή" είναι η προσέγγιση, η οποία ονομάζεται μοριακή κινητική θεωρία. Από αυτό σχηματίζεται μια αναπαράσταση ότι η θερμότητα θεωρείται μία από τις μορφές ενέργειας. Για παράδειγμα, η κινητική ενέργεια των μορίων και των ατόμων, μια παράμετρος που υπολογίζεται κατά μέσο όρο σε έναν τεράστιο αριθμό χαμαιτικά κινούμενων σωματιδίων, αποδεικνύεται ότι είναι ένα μέτρο της κοινώς ονομαζόμενης θερμοκρασίας του σώματος. Έτσι, τα σωματίδια του θερμαινόμενου συστήματος κινούνται ταχύτερα από τα ψυχρά.

Δεδομένου ότι ο υπό εξέταση όρος σχετίζεται στενά με την μέση κινητική ενέργεια μιας ομάδας σωματιδίων, θα ήταν φυσικό να χρησιμοποιείται ένα ζουλά ως μονάδα μέτρησης της θερμοκρασίας. Εντούτοις, αυτό δεν συμβαίνει, γεγονός που εξηγείται από το γεγονός ότι η ενέργεια της θερμικής κίνησης των στοιχειωδών σωματιδίων είναι πολύ μικρή σε σχέση με το joule. Ως εκ τούτου, η χρήση του είναι ενοχλητική. Η θερμική κίνηση μετράται σε μονάδες που προέρχονται από ζεύγη μέσω ειδικού συντελεστή μετατροπής.

Μονάδες θερμοκρασίας

Μέχρι σήμερα, υπάρχουν τρεις βασικές μονάδες για την εμφάνιση αυτής της παραμέτρου. Στη χώρα μας, η θερμοκρασία καθορίζεται συνήθως σε βαθμούς Κελσίου. Στην καρδιά αυτής της μονάδας μέτρησης βρίσκεται το σημείο στερεοποίησης του νερού - η απόλυτη τιμή. Είναι η προέλευση. Δηλαδή, η θερμοκρασία του νερού στην οποία αρχίζει να σχηματίζεται ο πάγος είναι μηδέν. Σε αυτή την περίπτωση, το νερό χρησιμεύει ως μοντέλο μέτρησης. Αυτή η υπό όρους τιμή λήφθηκε για λόγους ευκολίας. Η δεύτερη απόλυτη τιμή είναι η θερμοκρασία του ατμού, δηλαδή ο χρόνος που το νερό από την υγρή κατάσταση περνά στην αέρια κατάσταση.

Η επόμενη μονάδα είναι βαθμοί Kelvin. Η προέλευση αυτού του συστήματος θεωρείται ότι είναι το απόλυτο μηδενικό σημείο . Έτσι, ένας βαθμός Κελβίνου είναι ίσος με ένα βαθμό Κελσίου. Η μόνη διαφορά είναι η προέλευση. Παίρνουμε αυτό το μηδέν για τον Kelvin θα είναι ίσο με-273,16 βαθμούς Κελσίου. Το 1954, στη Γενική Διάσκεψη για τα βάρη και τα μέτρα, αποφασίστηκε να αντικατασταθεί ο όρος "βαθμός Kelvin" για μια μονάδα θερμοκρασίας από το "kelvin".

Η τρίτη κοινή μονάδα μέτρησης είναι βαθμοί Φαρενάιτ. Μέχρι το 1960, χρησιμοποιήθηκαν ευρέως σε όλες τις αγγλόφωνες χώρες. Ωστόσο, ακόμη και σήμερα στην καθημερινή ζωή στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποιήστε αυτή τη μονάδα. Το σύστημα είναι θεμελιωδώς διαφορετικό από αυτό που περιγράφεται παραπάνω. Για το σημείο αναφοράς, υιοθετείται η θερμοκρασία ψύξης ενός μείγματος άλατος, αμμωνίας και ύδατος σε αναλογία 1: 1: 1. Έτσι, στην κλίμακα του Fahrenheit, το σημείο πήξης του νερού είναι συν 32 μοίρες, και το βράσιμο - συν 212 βαθμούς. Σε αυτό το σύστημα, ένας βαθμός είναι 1/180 της διαφοράς αυτών των θερμοκρασιών. Έτσι, το εύρος από 0 έως +100 βαθμούς Φαρενάιτ αντιστοιχεί σε μια κλίμακα από -18 έως +38 Κελσίου.

Απόλυτη θερμοκρασία μηδέν

Ας δούμε τι σημαίνει αυτή η επιλογή. Ένα απόλυτο μηδέν είναι η τιμή της οριακής θερμοκρασίας στην οποία η ιδανική πίεση αερίου εξαφανίζεται για σταθερό όγκο. Αυτή είναι η χαμηλότερη αξία στη φύση. Όπως πρόβλεψε ο Mikhailo Lomonosov, "αυτός είναι ο μεγαλύτερος ή ο τελευταίος βαθμός κρύου". Αυτό ακολουθεί τον χημικό νόμο του Avogadro: σε ίσες ποσότητες αερίων, υπό την προϋπόθεση της ίδιας θερμοκρασίας και πίεσης, περιέχεται ο ίδιος αριθμός μορίων. Τι συμβαίνει από αυτό; Υπάρχει μια ελάχιστη θερμοκρασία αερίου στην οποία η πίεση ή ο όγκος του θα εξαφανιστούν. Αυτή η απόλυτη τιμή αντιστοιχεί στο μηδέν σύμφωνα με τον Kelvin ή 273 βαθμούς Κελσίου.

Μερικά ενδιαφέροντα γεγονότα για το ηλιακό σύστημα

Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του ήλιου φτάνει τους 5700 Kelvin, και στο κέντρο του πυρήνα - 15 εκατομμύρια Kelvin. Οι πλανήτες του ηλιακού συστήματος είναι πολύ διαφορετικοί μεταξύ τους όσον αφορά το επίπεδο θέρμανσης. Έτσι, η θερμοκρασία του πυρήνα της Γης μας είναι περίπου η ίδια όπως στην επιφάνεια του Ήλιου. Ο πιο ζεστός πλανήτης είναι ο Δίας. Η θερμοκρασία στο κέντρο του πυρήνα της είναι πέντε φορές μεγαλύτερη από την επιφάνεια του Ήλιου. Αλλά η χαμηλότερη τιμή της παραμέτρου ήταν σταθερή στην επιφάνεια της Σελήνης - ήταν μόνο 30 Kelvin. Αυτή η τιμή είναι ακόμη χαμηλότερη από την επιφάνεια του Πλούτωνα.

Γεγονότα για τη Γη

1. Η υψηλότερη θερμοκρασία που καταγράφηκε ήταν 4 δισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Αυτή η τιμή είναι 250 φορές υψηλότερη από τη θερμοκρασία του πυρήνα του Ήλιου. Record από το φυσικό εργαστήριο της Νέας Υόρκης του Brookhaven στον ιχνηλάτη ιόντων, το μήκος του οποίου είναι περίπου 4 χιλιόμετρα.

2. Η θερμοκρασία στον πλανήτη μας δεν είναι πάντα ιδανική και άνετη. Για παράδειγμα, στην πόλη Verkhnoyansk της Yakutia, η θερμοκρασία το χειμώνα πέφτει στους -45 βαθμούς Κελσίου. Αλλά στην αιθιοπική πόλη Dallall την αντίθετη κατάσταση. Εκεί, η μέση ετήσια θερμοκρασία είναι συν 34 μοίρες.

3. Οι πιο ακραίες συνθήκες υπό τις οποίες εργάζονται οι άνθρωποι καταγράφονται στα ορυχεία χρυσού στη Νότιο Αφρική. Οι ανθρακωρύχοι εργάζονται σε βάθος τριών χιλιομέτρων σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 65 βαθμών Κελσίου.