В чем заключается преимущество термодинамической температурной шкалы выберите один ответ
Тепловое равновесие. Температура
Измерение температуры
3. Сложность измерения температуры заключается в том, что её нельзя сравнить с эталоном, как, например, массу или длину. Поэтому для измерения температуры используют зависимость от неё физических свойств тел: объёма, давления, электрического сопротивления и т. п. Исторически впервые для измерения температуры была использована зависимость объёма жидкости от температуры.
Первый прибор для измерения температуры — термоскоп был сконструирован в 1597 г. Галилеем. Термоскоп Галилея состоял из стеклянного шарика, наполненного воздухом, и стеклянной трубки, частично заполненной водой. Конец трубки был опущен в сосуд с водой. Когда воздух в шарике расширялся при его нагревании или сжимался при охлаждении, уровень воды в трубке изменялся. Поскольку этот прибор не имел шкалы, то он позволял только сравнивать температуру разных тел и судить о её изменении. Кроме того, при использовании термоскопа Галилея не учитывали, что высота столба жидкости в трубке зависит не только от температуры, но и от атмосферного давления.
Термоскоп Галилея пытались усовершенствовать, однако эти приборы не имели общепринятой шкалы и каждый показывал свою температуру.
Для того чтобы изготовить термометр, необходимо помимо термометрического тела — тела, объём которого изменяется при изменении температуры, построить шкалу и отметить на ней реперные (опорные, основные) точки. Расстояние между этими точками делят на равные отрезки и ставят соответствующие значения.
Современная шкала Цельсия была предложена в 1742 г. При градуировке этой шкалы используют две реперные точки: температуру таяния льда, которой приписывают 0 °С, и температуру кипения воды, принятую за 100 °С. Интервал между ними делится на 100 равных частей, и одна сотая этого интервала принимается за 1 °С. В качестве термометрического тела в зависимости от назначения термометра используются спирт, ртуть и т. п.
Построенная таким образом шкала является достаточно удобной для практических целей, хотя она имеет ряд недостатков. Во-первых, реперные точки выбраны произвольно, так же как произвольным является и деление интервала между ними на 100 частей. Во-вторых, при построении шкалы полагают, что объём термометрического тела при изменении температуры изменяется равномерно на всём температурном интервале, однако это не так. В разных температурных интервалах тепловое расширение термометрического тела различно. Подобные недостатки характерны и для шкал Фаренгейта и Реомюра, которые так же, как и шкала Цельсия, являются эмпирическими.
Поэтому возникает необходимость построения температурной шкалы, лишённой этих недостатков.
Термодинамическая температурная шкала
4. Термодинамическая (абсолютная) шкала температур строится следующим образом. Выбирается одна реперная точка — тройная точка воды, т. е. температура, при которой вода, лёд и пар существуют одновременно. Осуществить такое состояние возможно при строго определённом давлении. Температура тройной точки воды составляет 0,01 °С, а давление, при котором она существует, равно 609 Па.
Соотношение между значениями температуры по шкале Цельсия и по термодинамической шкале выражается формулами:
Часто величиной 0,15 пренебрегают, так как она мала по сравнению с 273, и при решении задач за абсолютный нуль принимают температуру-273 °С.
Абсолютная термодинамическая температура
Температу́ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, 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 таяния льда (0° C) и температуре кипения (100° C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном.
Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие.
Содержание
Молекулярно-кинетическое определение
Температура с молекулярно-кинетической точки зрения — физическая величина, характеризующая интенсивность хаотического, теплового движения всей совокупности частиц системы и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения одной частицы.
Связь между кинетической энергией, массой и скоростью выражается следующей формулой:
Ek = 1 /2m • v 2
Таким образом частицы одинаковой массы и имеющие одинаковую скорость имеют и одинаковую температуру.
Средняя кинетическая энергия частицы связана с термодинамической температурой постоянной Больцмана:
Eср = i/2kBT
где:
i — число степеней свободы kB = 1.380 6505(24) × 10 −23 Дж/K — постоянная Больцмана T — температура;
Термодинамическое определение
Температура — величина, обратная изменению энтропии (степени беспорядка) системы при добавлении в систему единичного количества теплоты: 1/T = ΔS/ΔQ.
История термодинамического подхода
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.
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 же 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 ли живая ткань тепло или получает его.
Некоторые квантовомеханические системы могут находится 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 нуля», а «выше бесконечности», поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим положительной температурой, энергия передается от системы к телу, а не наоборот (подробнее см. Квантовая термодинамика).
Свойства температуры изучает раздел физики — термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.
Измерение температуры
Для измерения температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры.
На практике для измерения температуры используют
Единицы и шкала измерения температуры
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 температур Кельвина
Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры — кельвин (К).
Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры — абсолютный ноль, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.
Абсолютный ноль определён как 0 K, что приблизительно равно −273.15 °C.
Шкала температур Кельвина — температурная шкала, в которой начало отсчёта ведётся от абсолютного нуля.
Используемые в быту температурные шкалы — как Цельсия, так и Фаренгейта (используемая, в основном, в США), — не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур.
Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая — абсолютной термодинамической шкалой (шкалой Кельвина); температуры по ним измеряются, соответственно, в градусах Ранкина (°Ra) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля. Различаются они тем, что кельвин равен градусу Цельсия, а градус Ранкина — градусу Фаренгейта.
Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K. Число градусов Цельсия и кельвинов между точками замерзания и кипения воды одинаково и равно 100. Поэтому градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,15.
Шкала Цельсия
В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при нормальном 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 связана с замерзанием атмосферной воды. Шкала предложена Андерсом Цельсием в 1742 г.
Шкала Фаренгейта
В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.
Энергия теплового движения при абсолютном нуле
Когда материя охлаждается, многие формы тепловой энергии и связанные с ней эффекты одновременно уменьшаются по величине. Вещество переходит от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному. Газ превращается в жидкость и затем кристаллизуется в твёрдое тело (гелий и при абсолютном нуле остается в жидком состоянии при атмосферном давлении). Движение атомов и молекул замедляется, их кинетическая энергия уменьшается. Сопротивление большинства металлов падает из-за уменьшения рассеяния электронов на колеблющихся с меньшей амплитудой атомах кристаллической решётки. Таким образом даже при абсолютном нуле электроны проводимости движутся между атомами со скоростью Ферми порядка 1×10 6 м/с.
Температура, при которой частицы вещества имеют минимальное количество движения, сохраняющееся только благодаря квантовомеханическому движению, — это температура абсолютного нуля (Т = 0К).
Температура с термодинамической точки зрения
Существует множество различных шкал температур. Когда-то температура определялась очень произвольно. Мерой температуры служили метки, нанесённые на равных расстояниях на стенах трубочки, в которой при нагревании расширялась вода. Потом решили измерить температуру ртутным термометром и обнаружили, что градусные расстояния не одинаковы. В термодинамике дается определение температуры, не зависящее от каких-либо частных свойств вещества.
Поскольку найденная функция возрастает с температурой, то можно считать, что она сама по себе измеряет температуру, начиная со стандартной температуры в один градус. Это означает, что можно найти температуру тела, определив количество тепла, которое поглощается тепловой машиной, работающей в интервале между температурой тела и температурой в один градус. Полученная таким образом температура называется абсолютной термодинамической температурой и не зависит от свойств вещества. Таким образом, для обратимой тепловой машины выполняется равенство:
Температура и излучение
При повышении температуры растёт энергия, излучаемая нагретым телом. Энергия излучения абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана — Больцмана
Шкала Реомюра
Предложена 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)
В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.
Переходы из разных шкал
| в\из | Кельвин | Цельсий | Фаренгейт |
|---|---|---|---|
| Кельвин (K) | = K | = С + 273,15 | = (F + 459,67) / 1,8 |
| Цельсий (° C) | = K − 273,15 | = C | = (F − 32) / 1,8 |
| Фаренгейт (°F) | = K · 1,8 − 459,67 | = C · 1,8 + 32 | = F |
Сравнение температурных шкал
| Описание | Кельвин | Цельсий | Фаренгейт | Ранкин | Делиль | Ньютон | Реомюр | Рёмер |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Абсолютный ноль | 0 | −273.15 | −459.67 | 0 | 559.725 | −90.14 | −218.52 | −135.90 |
| Температура таяния смеси Фаренгейта (соль и лёд в равных количествах) | 255.37 | −17.78 | 0 | 459.67 | 176.67 | −5.87 | −14.22 | −1.83 |
| Температура замерзания воды (Нормальные условия) | 273.15 | 0 | 32 | 491.67 | 150 | 0 | 0 | 7.5 |
| Средняя температура человеческого тела ¹ | 310.0 | 36.6 | 98.2 | 557.9 | 94.5 | 12.21 | 29.6 | 26.925 |
| Температура кипения воды (Нормальные условия) | 373.15 | 100 | 212 | 671.67 | 0 | 33 | 80 | 60 |
| Плавление титана | 1941 | 1668 | 3034 | 3494 | −2352 | 550 | 1334 | 883 |
| Поверхность Солнца | 5800 | 5526 | 9980 | 10440 | −8140 | 1823 | 4421 | 2909 |
Некоторые значения в этой таблице были округлены.
Характеристика фазовых переходов
Для описания точек фазовых переходов различных веществ используют следующие значения температуры:
Термодинамическая шкала температур.
Температура измеряется жидкостными или газовыми термометрами, соответствующим образом градуированными. Высокая температура измеряется оптическими термометрами (по спектру излучения) или электрическими (полупроводниковые термисторы, термопары).
В международной шкале температур за ноль принята температуру таяния льда при нормальном атмосферном давлении, 100 ° С — температуру пара кипящей воды при нормальном атмосферном давлении. 1/100 этого интервала — это 1 ° С (Цельсия). Обозначается t ° С.
В термодинамической шкале температур за ноль принята температура, при которой прекратилось бы тепловое движение частиц, из которых состоит тело.
Эта температура называется абсолютным нулем температур. Единица термодинамической шкалы температур в системе СИ — кельвин (К). Обозначается T (1 К = 1 ° С).
Формула связи термодинамической температуры (T) и температуры по международной шкале температур:
В физике в большинстве случаев пользуются введенной английским ученым У. Кельвином абсолютной шкалой температур (1848 p.), Которая имеет две основные точки.
Первая основная точка — 0 К, или абсолютный ноль.
Вторая основная точка на абсолютной шкале температур — это точка, в которой вода существует во всех трех состояниях (твердом, жидком и газообразном), она названа тройной точкой.
Физический смысл абсолютного нуля: это температура, при которой прекращается тепловое движение молекул.
При абсолютном нуле молекулы поступательно не двигаются, но их колебательный и вращательный движения сохраняются. Тепловое движение молекул непрерывно и бесконечно. Соответственно абсолютный ноль температур при наличии молекул вещества недостижим. Он возможен только при условии отсутствия молекул, которых нет, например, в космосе при большом удалении от звезд и планет. Абсолютный ноль температур — это самая низкая температурная граница, верхней нет.
В быту для измерения температуры используют вторую температурную шкалу — шкалу Цельсия, названную в честь шведского астронома А. Цельсия и введенна им в 1742 году. На шкале Цельсия есть две основные точки: 0 ° С (точка, в которой тает лед) и 100 ° С (точка, в которой кипит вода). Температура, определяемая по шкале Цельсия, сказывается t. Шкала Цельсия имеет как положительные, так и отрицательные значения.
По рисунку можно проследить связь между температурами по шкалам Кельвина и Цельсия.
термодинамическая температурная шкала
Смотреть что такое «термодинамическая температурная шкала» в других словарях:
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА — см. в ст. Температурная шкала. Физическая энциклопедия. В 5 ти томах. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988 … Физическая энциклопедия
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА — (Кельвина шкала) абсолютная шкала температур, не зависящая от свойств термометрического вещества (начало отсчета абсолютный нуль температуры). Построение термодинамической температурной шкалы основано на втором начале термодинамики и, в частности … Большой Энциклопедический словарь
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА — (см. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия
термодинамическая температурная шкала — termodinaminė temperatūros skalė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Temperatūros skalė, pagrįsta absoliučiuoju nuliu, t. y. žemiausia temperatūra, kurią teoriškai galima būtų pasiekti ir kuri yra 273,16 °C žemiau ledo… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
термодинамическая температурная шкала — termodinaminė temperatūros skalė statusas T sritis Energetika apibrėžtis Nepriklauso nuo termometrinės medžiagos ir turi vieną atskaitos tašką – vandens trigubąjį tašką, kuriam suteikta T = 273,16 K vertė. Termodinaminė temperatūros skalė… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА — (Кельвина шкала), абс. шкала темп р, не зависящая от свойств термометрич. в ва (начало отсчёта абс. нуль темп ры). Построение Т. т. ш. основано на втором начале термодинамики и, в частности, на независимости кпд Карно цикла от природы рабочего… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Термодинамическая температурная шкала — см. Температурные шкалы … Большая советская энциклопедия
температурная шкала Кельвина — Термодинамическая шкала температуры (ТК), в которой 0°K=–273.16°C (1K=1°C). Syn.: абсолютная температурная шкала; шкала Келвина … Словарь по географии
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА — ряд числовых точек на шкале термометра, распределённых внутри температурного интервала, ограниченного двумя точками постоянной температуры, принимаемыми за основные главные опорные точки (обычно для одинаковых физ. состояний, напр. температуры… … Большая политехническая энциклопедия
Абсолютная температурная шкала — Хаотическое тепловое движение на плоскости частиц газа таких как атомы и молекулы Существует два определения температуры. Одно с молекулярно кинетической точки зрения, другое с термодинамической. Температура (от лат. temperatura надлежащее… … Википедия
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА
Смотреть что такое «ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА» в других словарях:
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА — см. в ст. Температурная шкала. Физическая энциклопедия. В 5 ти томах. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988 … Физическая энциклопедия
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА — (Кельвина шкала) абсолютная шкала температур, не зависящая от свойств термометрического вещества (начало отсчета абсолютный нуль температуры). Построение термодинамической температурной шкалы основано на втором начале термодинамики и, в частности … Большой Энциклопедический словарь
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА — (см. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия
термодинамическая температурная шкала — (Кельвина шкала), абсолютная шкала температур, не зависящая от свойств термометрического вещества (начало отсчёта абсолютный нуль температуры). Построение термодинамической температурной шкалы основано на втором начале термодинамики и, в… … Энциклопедический словарь
термодинамическая температурная шкала — termodinaminė temperatūros skalė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Temperatūros skalė, pagrįsta absoliučiuoju nuliu, t. y. žemiausia temperatūra, kurią teoriškai galima būtų pasiekti ir kuri yra 273,16 °C žemiau ledo… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
термодинамическая температурная шкала — termodinaminė temperatūros skalė statusas T sritis Energetika apibrėžtis Nepriklauso nuo termometrinės medžiagos ir turi vieną atskaitos tašką – vandens trigubąjį tašką, kuriam suteikta T = 273,16 K vertė. Termodinaminė temperatūros skalė… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
Термодинамическая температурная шкала — см. Температурные шкалы … Большая советская энциклопедия
температурная шкала Кельвина — Термодинамическая шкала температуры (ТК), в которой 0°K=–273.16°C (1K=1°C). Syn.: абсолютная температурная шкала; шкала Келвина … Словарь по географии
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА — ряд числовых точек на шкале термометра, распределённых внутри температурного интервала, ограниченного двумя точками постоянной температуры, принимаемыми за основные главные опорные точки (обычно для одинаковых физ. состояний, напр. температуры… … Большая политехническая энциклопедия
Абсолютная температурная шкала — Хаотическое тепловое движение на плоскости частиц газа таких как атомы и молекулы Существует два определения температуры. Одно с молекулярно кинетической точки зрения, другое с термодинамической. Температура (от лат. temperatura надлежащее… … Википедия