Температура определение в физике. Определение температуры Определение температура тела из физики

• Температу́ра (от лат. temperatura - надлежащее смешение, нормальное состояние) - физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел.

  Живые существа способны воспринимать ощущения тепла и холода непосредственно, с помощью органов чувств. Однако точное определение температуры требует, чтобы температура измерялась объективно, с помощью приборов. Такие приборы называются термометрами и измеряют так называемую эмпирическую температуру. В эмпирической шкале температур устанавливаются две реперные точки и число делений между ними - так были введены используемые ныне шкалы Цельсия, Фаренгейта и другие. Измеряемая в кельвинах абсолютная температура вводится по одной реперной точке с учётом того, что в природе существует минимальное предельное значение температуры - абсолютный нуль. Верхнее значение температуры ограничено планковской температурой.

  Если система находится в тепловом равновесии, то температура всех её частей одинакова. В противном случае в системе происходит передача энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым, приводящая к выравниванию температур в системе, и говорят о распределении температуры в системе или скалярном поле температур. В термодинамике температура - это интенсивная термодинамическая величина.

  Наряду с термодинамическим, в других разделах физики могут вводиться и другие определения температуры. В молекулярно-кинетической теории показывается, что температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц системы. Температура определяет распределение частиц системы по уровням энергии (см. Статистика Максвелла - Больцмана), распределение частиц по скоростям (см. Распределение Максвелла), степень ионизации вещества (см. Уравнение Саха), спектральную плотность излучения (см. Формула Планка), полную объёмную плотность излучения (см. Закон Стефана - Больцмана) и т. д. Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла - кинетической температурой, в формулу Саха - ионизационной температурой, в закон Стефана - Больцмана - радиационной температурой. Для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, и их называют просто температурой системы.

  В Международной системе величин (англ. International System of Quantities, ISQ) термодинамическая температура выбрана в качестве одной из семи основных физических величин системы. В Международной системе единиц (СИ), основанной на Международной системе величин, единица этой температуры - кельвин - является одной из семи основных единиц СИ. В системе СИ и на практике используется также температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия (°С), по размеру равный кельвину. Это удобно, так как большинство климатических процессов на Земле и процессов в живой природе связаны с диапазоном от -50 до +50 °С.

История

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.

Из того, что температура - это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах - градусах.

Шкала Кельвина

В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана. Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.

Шкала Цельсия

В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия - особая точка для метеорологии , поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.

Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия - это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F - 32), то есть изменение температуры на 1 °F соответствует изменению на 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

Шкала Реомюра

Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица - градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками - 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.

Сравнение температурных шкал

¹ Нормальная температура человеческого тела - 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F - это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Поскольку это значение не входит в диапазон нормальной температуры по современным представлениям, можно говорить, что оно содержит избыточную (неверную) точность. Некоторые значения в этой таблице были округлены.

Сопоставление шкал Фаренгейта и Цельсия

( o F - шкала Фаренгейта, o C - шкала Цельсия)

Для перевода градусов цельсия в кельвины необходимо пользоваться формулой T=t+T 0 где T- температура в кельвинах, t- температура в градусах цельсия, T 0 =273.15 кельвина. По размеру градус Цельсия равен Кельвину.

Парадокс заключается в том, что чтобы измерять температуру в быту, промышленности и даже в прикладной науке не нужно знать, что такое «температура». Достаточно довольно расплывчатого представления, что «температура - это степень нагретости тела». Действительно, большинство практических приборов для измерения температуры фактически измеряют другие свойства веществ, меняющиеся от этой степени нагретости, такие как давление, объем, электрическое сопротивление и т.д. Затем их показания автоматически или вручную пересчитываются в единицы температуры.

Любознательные люди и студенты, которые либо хотят, либо вынуждены разобраться, что же такое температура, обычно попадают в стихию термодинамики с ее нулевым, первым и вторым законами, циклом Карно и энтропией. Нужно признать, что определение температуры, как параметра идеальной обратимой тепловой машины, не зависящего от рабочего вещества, обычно не добавляет ясности в наше ощущение понятия «температура».

Более «осязаемым» кажется подход, называемый молекулярно-кинетической теорией, из которого формируется представление, что теплота может рассматривается просто как одна из форм энергии, а именно - кинетическая энергия атомов и молекул. Эта величина, усредненная по огромному числу беспорядочно движущихся частиц, и оказывается мерилом того, что называется температурой тела. Частицы нагретого тела движутся быстрее, чем холодного.

Поскольку понятие температуры тесно связано с усредненной кинетической энергией частиц, было бы естественным и в качестве единиц ее измерения использовать джоуль. Однако, энергия теплового движения частиц очень мала по сравнению с джоулем, поэтому использование этой величины оказывается неудобным. Тепловое движение измеряется в других единицах, которые получаются из джоулей посредством переводного коэффициента «k».

Если температура T измеряется в кельвинах (К), то связь ее со средней кинетической энергией поступательного движения атомов идеального газа имеет вид

E k = (3/2) kT , (1)

Где k - переводный коэффициент, определяющий, какая часть джоуля содержится в кельвине. Величина k называется постоянной Больцмана.

Учитывая, что давление тоже может быть выражено через среднюю энергию движения молекул

p=(2/3)n E k (2)

Где n = N/V, V - объем, занимаемый газом, N - полное число молекул в этом объеме

Уравнение состояния идеального газа будет иметь вид:

p = n kT

Если полное число молекул представить в виде N = µN A , где µ - число молей газа, N A - число Авагадро,т.е число частиц на один моль, можно легко получить известное уравнение Клапейрона - Менделеева:

pV = µ RT,где R - молярнаягазовая постоянная R = N A . k

или для одного моля pV = N A . kT (3)

Таким образом, температура - это искусственно введенный в уравнение состояния параметр. С помощью уравнения состояния можно определить термодинамическую температуру Т, если все другие параметры и константы известны. Из такого определения температуры очевидно, что значения Т будут зависеть от константы Больцмана. Можем ли выбрать для этого коэффициента пропорциональности произвольное значение и затем на него опираться? Нет. Ведь мы можем таким образом получить произвольное значение для тройной точки воды, в то время как мы должны получить значение 273,16 К! Возникает вопрос - почему именно 273,16 К?

Причины тому чисто исторические, а не физические. Дело в том, что в первых температурных шкалах были приняты точные значения сразу для двух состояний воды - точки затвердевания (0 °С) и точки кипения (100 °С). Это были условные значения, выбранные для удобства. Учитывая, что градус Цельсия равен градусу Кельвина и выполняя измерения термодинамической температуры газовым термометром, градуированным в этих точках, получили для абсолютного нуля (0 °К) методом экстраполяции значение - 273,15 °С. Конечно, это значение можно считать точным только в том случае, если измерения газовым термометром были абсолютно точны. Это не так. Поэтому фиксируя значение 273,16 К для тройной точки воды, и измерив точку кипения воды более совершенным газовым термометром, можно получить слегка отличное от 100 °С значение для кипения. Например, сейчас наиболее реальным является значение 99,975 °С. И это только потому, что ранние работы с газовым термометром дали ошибочное значение для абсолютного нуля. Таким образом, мы либо фиксируем абсолютный ноль, либо интервал 100 °С между точками затвердевания и кипения воды. Если зафиксировать интервал и повторить измерения для экстраполяции к абсолютному нулю, то получим -273,22 °С.

В 1954 г. МКМВ принял резолюцию о переходе на новое определение кельвина, никак не связанное с интервалом 0 -100 °С. Оно фактически закрепило за тройной точкой воды значение 273,16 К (0,01 °С) и «пустило в свободное плаванье» около 100 °С точку кипения воды. Вместо «градуса Кельвина» для единицы температуры был введен просто «кельвин».

Из формулы (3) следует, что приписав Т при таком стабильном и хорошо воспроизводимом состоянии системы как тройная точка воды фиксированное значение 273,16 К, значение константы k можно определить экспериментально. До недавнего времени наиболее точные экспериментальные значения константы Больцмана к получались методом предельно разреженного газа.

Существуют и другие методы получения постоянной Больцмана, основанные на использовании законов, в которые входит параметр кТ.

Это закон Стефана-Больцмана, согласно которому полная энергия теплового излучения Е(Т) является функцией четвертой степени от кТ .
Уравнение, связывающее квадрат скорость звука в идеальном газе с 0 2 линейной зависимостью с кТ .
Уравнение для среднего квадратического напряжения шумов на электрическом сопротивлении V 2 , также линейно зависящего от кТ .

Установки для реализации вышеперечисленных методов определения кТ называются приборами абсолютной термометрии или первичной термометрии.

Таким образом, в определении значений температуры в кельвинах, а не в джоулях много условностей. Основное то, что сам коэффициент пропорциональности k между температурными и энергетическими единицами не является постоянным. Он зависит от точности термодинамических измерений, достижимой на настоящий момент. Такой подход не очень удобен для первичных термометров, особенно работающих в диапазоне температур, далеком от тройной точки. Их показания будут зависеть от изменений в значении постоянной Больцмана.

Каждое изменение практической международной температурной шкалы - результат научных исследований метрологических центров всего мира. Введение новой редакции температурной шкалы сказывается на градуировках всех средств измерения температуры.

ТЕМПЕРАТУРА И ЕЁ ИЗМЕРЕНИЕ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ.

1.Тепловое равновесие. Температура.

Температура – это физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Если два тела разной температуры привести в соприкосновение, то, как показывает опыт, более нагретое тело будет охлаждаться, а менее нагретое – нагреваться, т.е. происходит теплообмен – передача энергии от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы.

Энергия, передаваемая при теплообмене, называется количеством теплоты .

Через некоторое время после приведения тел в соприкосновение они приобретают одинаковую степень нагретости, т.е. приходят в состояние теплового равновесия .

Тепловое равновесие – это такое состояние системы тел, находящихся в тепловом контакте, при котором теплообмен не происходит и все макропараметры тел остаются неизменными, если внешние условия не меняются.

При этом два параметра – объём и давление – могут быть различными для разных тел системы, а третий, температура, в случае теплового равновесия одинаков для всех тел системы. На этом основано определение температуры.

Физический параметр, одинаковый для всех тел системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, называется температурой этой системы.

Например, система состоит из двух сосудов с газом. Приведём их в соприкосновение. Объём и давление газа в них могут быть различными, а температура в результате теплообмена станет одинаковой.

2.Измерение температуры.

Для измерения температуры используют физические приборы – термометры, в которых о величине температуры судят по изменению какого-либо параметра.

Для создания термометра необходимо:

Выбрать термометрическое вещество, параметры (характеристики) которого изменяются при изменении температуры (например, ртуть, спирт и т.д.);

Выбрать термометрическую величину, т.е. величину, которая изменяется с изменением температуры (например, высота ртутного или спиртового столбика, величина электрического сопротивления и т.д.);

Откалибровать термометр, т.е. создать шкалу, по которой будет производиться отсчёт температуры. Для этого термометрическое тело приводится в тепловой контакт с телами, температуры которых постоянны. Например, при построении шкалы Цельсия температура смеси воды и льда в состоянии плавления принимается за 0 0 С, а температура смеси водяного пара и воды в состоянии кипения при давлении 1 атм. – за 100 0 С. Отмечается положение столбика жидкости в обоих случаях, а затем расстояние между полученными метками делится на 100 делений.

При измерении температуры термометр приводят в тепловой контакт с телом, температура которого измеряется, и после того, как установится тепловое равновесие (показания термометра перестанут меняться), считывается показание термометра.

3.Экспериментальные газовые законы.

Параметры, описывающие состояние системы, взаимозависимы. Установить зависимость друг от друга сразу трёх параметров сложно, поэтому немного упростим задачу. Рассмотрим процессы, при которых

а) количество вещества (или масса) постоянно, т.е. ν=const (m=const);

б) значение одного из параметров фиксировано, т.е. постоянно либо давление, либо объём, либо температура.

Такие процессы называются изопроцессами .

1).Изотермический процесс, т.е. процесс, происходящий с одним и тем же количеством вещества при постоянной температуре.

Исследован Бойлем (1662 г.) и Мариоттом (1676 г.).

Упрощённая схема опытов такова. Рассмотрим сосуд с газом, закрытый подвижным поршнем, на который устанавливаются грузики, уравновешивающие давление газа.

Опыт показал, что произведение давления на объём газа при постоянной температуре есть величина постоянная. Это значит

PV = const

Закон Бойля-Мариотта .

Объём V данного количества газа ν при постоянной температуре t 0 обратно пропорционален его давлению, т.е. .

Графики изотермических процессов.

График зависимости давления от объёма при постоянной температуре называется изотермой. Чем больше температура, тем выше на графике располагается изотерма.

2).Изобарный процесс, т.е. процесс, происходящий с одним и тем же количеством вещества при постоянном давлении.

Исследован Гей-Люссаком (1802 г.).

Упрощённая схема такова. Сосуд с газом закрыт подвижным поршнем, на котором установлен грузик, уравновешивающий давление газа. Сосуд с газом нагревается.

Опыт показал, что при нагревании газа при постоянном давлении его объём изменяется по следующему закону: где V 0 – объём газа при температуре t 0 = 0 0 C; V – объём газа при температуре t 0 , α v – температурный коэффициент объёмного расширения,

Закон Гей-Люссака .

Объём данного количества газа при постоянном давлении линейно зависит от температуры.

Графики изобарных процессов.

График зависимости объёма газа от температуры при постоянном давлении называется изобарой.

Если экстраполировать (продолжить) изобары в область низких температур, то все они сойдутся в точке, соответствующей температуре t 0 = - 273 0 С.

3).Изохорный процесс , т.е. процесс, происходящий с одним и тем же количеством вещества при постоянном объёме.

Исследован Шарлем (1802 г.).

Упрощённая схема такова. Сосуд с газом закрыт подвижным поршнем, на который устанавливаются грузики, уравновешивающие давление газа. Сосуд нагревается.

Опыт показал, что при нагревании газа при постоянном объёме его давление изменяется по следующему закону: где P 0 – объём газа при температуре t 0 = 0 0 C; P – объём газа при температуре t 0 , α p – температурный коэффициент давления,

Закон Шарля .

Давление данного количества газа при постоянном объёме линейно зависит от температуры.

График зависимости давления газа от температуры при постоянном объёме называется изохорой.

Если экстраполировать (продолжить) изохоры в область низких температур, то все они сойдутся в точке, соответствующей температуре t 0 = - 273 0 С.

4.Абсолютная термодинамическая шкала.

Английский учёный Кельвин предложил переместить начало температурной шкалы влево на 273 0 и назвать эту точку абсолютным нулём температуры. Масштаб новой шкалы такой же, как и у шкалы Цельсия. Новая шкала называется шкалой Кельвина или абсолютной термодинамической шкалой. Единица измерения – кельвин.

Нулю градусов Цельсия соответствует 273 К. Температура по шкале Кельвина обозначается буквой Т.

T = t 0 C + 273

t 0 C = T – 273

Новая шкала оказалась более удобной для записи газовых законов.

Температура - это просто!

Температура

Температура - это мера средней кинетической энергии молекул.
Температура характеризует степень нагретости тел.

Прибор для измерения температуры - термометр.
Принцип действия термометра:
При измерении температуры используется зависимость изменения какого-либо макроскопического параметра (объема, давления, электрического сопротивления и т.д.) вещества от температуры.
В жидкостных термометрах - это изменение объема жидкости.
При контакте двух сред происходит передача энергии от более нагретой среды менее нагретой.
В процессе измерения температура тела и термометра приходят в состояние теплового равновесия.

Жидкостные термометры

На практике часто используются жидкостные термометры: ртутные (в диапазоне от -35 o С до +750 o С) и спиртовые (от -80 o С до +70 o С).
В них используется свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры.
Однако, у каждой жидкости существуют свои особенности изменения объема (расширения) при различных температурах.
В результате сравнения, например, показаний ртутного и спиртового термометров, точное совпадение будет только лишь в двух точках (при температурах 0 o С и 100 o С).
Этих недостатков лишены газовые термометры.

Газовые термометры

Первый газовый термометр был создан французским физиком Ж. Шарлем.

Преимущества газового термометра:
- используется линейная зависимость изменения объема или давления газа от температуры, которая справедлива для всех газов
- точность измерения от 0,003 o С до 0,02 o С
- интервал температур от -271 o С до +1027 o С.

Тепловое равновесие

При соприкосновении двух тел различной температуры происходит передача внутренней энергии от более нагретого тела менее нагретому, и температуры обоих тел выравниваются.
Наступает состояние теплового равновесия, при котором все макропараметры (объем, давление, температура) обоих тел остаются в дальнейшем неизменными при неизменных внешних условиях.

Тепловым равновесием называется такое состояние, при котором все макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго.
Состояние теплового равновесия системы тел характеризуется температурой: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
Установлено, что при тепловом равновесии средние кинетические энергии поступательного движения молекул всех газов одинаковы, т.е.

Для разреженных (идеальных) газов величина

и зависит только от температуры, тогда

где k - постоянная Больцмана

Эта зависимость дает возможность ввести новую температурную шкалу абсолютную шкалу температур, не зависящую от вещества, используемого для измерения температуры.

Абсолютная шкала температур

Введена английским физиком У. Кельвином
- нет отрицательных температур

Единица абсолютной температуры в СИ: [T] = 1K (Кельвин)
Нулевая температура абсолютной шкалы - это абсолютный ноль (0К = -273 o С), самая низкая температура в природе. В настоящее время достигнута самая низкая температура - 0,0001К.
По величине 1К равен 1 o C.

Связь абсолютной шкалы со шкалой Цельсия

Запомни! В формулах абсолютная температура обозначается буквой «Т», а температура по шкале Цельсия буквой «t».

После введения абсолютной температуры получаем новые выражения для формул:

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул

Давление газа - основное уравнение МКТ

Средняя квадратичная скорость молекул