Svaka se osoba svakodnevno susreće s pojmom temperature. Pojam je čvrsto ušao u naš svakodnevni život: zagrijavamo hranu u mikrovalnoj pećnici ili kuhamo hranu u pećnici, zanima nas kakvo je vrijeme vani ili saznajemo je li voda u rijeci hladna – sve je to usko povezano s ovim konceptom. A što je temperatura, što znači ovaj fizički parametar, na koji način se mjeri? Odgovorit ćemo na ova i druga pitanja u članku.
Fizička količina
Razmotrimo što je temperatura s gledišta izoliranog sustava u termodinamičkoj ravnoteži. Pojam dolazi iz latinskog jezika i znači "pravilno miješanje", "normalno stanje", "proporcionalnost". Ova vrijednost karakterizira stanje termodinamičke ravnoteže bilo kojeg makroskopskog sustava. U slučaju kada je izolirani sustav izvan ravnoteže, tijekom vremena dolazi do prijelaza energije s više grijanih objekata na manje zagrijane. Rezultat je izjednačavanje (promjena) temperature u cijelom sustavu. Ovo je prvi postulat (nulti princip) termodinamike.
Temperatura određujeraspodjela sastavnih čestica sustava po energetskim razinama i brzinama, stupanj ionizacije tvari, svojstva ravnotežnog elektromagnetskog zračenja tijela, ukupna volumetrijska gustoća zračenja. Budući da su za sustav koji je u termodinamičkoj ravnoteži navedeni parametri jednaki, obično se nazivaju temperaturom sustava.
Plasma
Osim ravnotežnih tijela, postoje sustavi u kojima stanje karakterizira nekoliko temperaturnih vrijednosti koje nisu jednake jedna drugoj. Plazma je dobar primjer. Sastoji se od elektrona (lako nabijene čestice) i iona (teške nabijene čestice). Kada se sudare, energija se brzo prenosi s elektrona na elektron i s iona na ion. Ali između heterogenih elemenata postoji spori prijelaz. Plazma može biti u stanju u kojem su elektroni i ioni pojedinačno blizu ravnoteže. U tom slučaju se mogu mjeriti odvojene temperature za svaku vrstu čestica. Međutim, ovi će se parametri međusobno razlikovati.
Magneti
U tijelima u kojima čestice imaju magnetski moment prijenos energije obično se odvija sporo: od translacijskih do magnetskih stupnjeva slobode, koji su povezani s mogućnošću promjene smjera trenutka. Ispada da postoje stanja u kojima tijelo karakterizira temperatura koja se ne podudara s kinetičkim parametrom. To odgovara translacijskom kretanju elementarnih čestica. Magnetska temperatura određuje dio unutarnje energije. Može biti pozitivno ilinegativan. Tijekom procesa poravnanja, energija će se prenijeti s čestica s višom vrijednošću na čestice s nižom temperaturnom vrijednošću ako su obje pozitivne ili negativne. Inače će se ovaj proces odvijati u suprotnom smjeru - negativna temperatura će biti "viša" od pozitivne.
Zašto je to potrebno?
Paradoks leži u činjenici da prosječan čovjek, da bi mogao provoditi proces mjerenja kako u svakodnevnom životu tako iu industriji, ne mora ni znati što je temperatura. Njemu će biti dovoljno da shvati da je to stupanj zagrijavanja predmeta ili okoline, pogotovo jer smo s tim pojmovima upoznati od djetinjstva. Doista, većina praktičnih uređaja dizajniranih za mjerenje ovog parametra zapravo mjeri druga svojstva tvari koja se mijenjaju s razinom zagrijavanja ili hlađenja. Na primjer, tlak, električni otpor, volumen, itd. Nadalje, takva očitanja se ručno ili automatski pretvaraju u željenu vrijednost.
Ispostavilo se da za određivanje temperature nema potrebe učiti fiziku. Većina stanovništva našeg planeta živi po ovom principu. Ako je TV uključen, onda nema potrebe razumjeti prolazne procese poluvodičkih uređaja, proučavati odakle dolazi električna energija u utičnicu ili kako signal dolazi do satelitske antene. Ljudi su navikli na činjenicu da u svakom području postoje stručnjaci koji mogu popraviti ili otkloniti pogreške u sustavu. Laik ne želi naprezati mozak, jer gdje je bolje gledati sapunicu ili nogomet na "kutiji" pijuckajućihladno pivo.
Želim znati
Ali postoje ljudi, najčešće studenti, koji su, ili zbog svoje znatiželje ili iz nužde, prisiljeni studirati fiziku i odrediti što je zapravo temperatura. Kao rezultat toga, u svojoj potrazi upadaju u divljinu termodinamike i proučavaju njezin nulti, prvi i drugi zakon. Osim toga, radoznali um morat će shvatiti Carnotove cikluse i entropiju. I na kraju svog puta sigurno će priznati da definicija temperature kao parametra reverzibilnog toplinskog sustava, koji ne ovisi o vrsti radne tvari, neće dodati jasnoću osjećaju ovog koncepta. I svejedno, vidljivi dio bit će neki stupnjevi prihvaćeni od strane međunarodnog sustava jedinica (SI).
Temperatura kao kinetička energija
Još "opipljiviji" je pristup koji se naziva molekularno-kinetičkom teorijom. Formira ideju da se toplina smatra jednim od oblika energije. Na primjer, ispada da je kinetička energija molekula i atoma, parametar prosječan za ogroman broj nasumično pokretnih čestica, mjera onoga što se obično naziva temperaturom tijela. Dakle, čestice zagrijanog sustava kreću se brže od hladnog.
Budući da je pojam koji se razmatra usko povezan s prosječnom kinetičkom energijom grupe čestica, bilo bi sasvim prirodno koristiti džul kao jedinicu temperature. Međutim, to se ne događa, što se objašnjava činjenicom da je energija toplinskog gibanja elementarnačestica je vrlo mala u odnosu na džul. Stoga je njegova uporaba nezgodna. Toplinsko kretanje se mjeri u jedinicama izvedenim iz džula pomoću posebnog faktora pretvorbe.
Jedinice temperature
Danas se za prikaz ovog parametra koriste tri osnovne jedinice. Kod nas se temperatura obično mjeri u Celzijevim stupnjevima. Ova mjerna jedinica temelji se na točki smrzavanja vode - apsolutnoj vrijednosti. Ona je početna točka. To jest, temperatura vode pri kojoj se led počinje stvarati je nula. U ovom slučaju voda služi kao primjerna mjera. Ova konvencija je usvojena radi praktičnosti. Druga apsolutna vrijednost je temperatura pare, odnosno trenutak kada voda prelazi iz tekućeg u plinovito stanje.
Sljedeća jedinica je Kelvin. Referentnom točkom ovog sustava smatra se točka apsolutne nule. Dakle, jedan stupanj Kelvina jednak je jednom stupnju Celzijusa. Razlika je samo u početku odbrojavanja. Dobivamo da će nula u Kelvinu biti jednaka minus 273,16 stupnjeva Celzija. Godine 1954., na Generalnoj konferenciji za utege i mjere, odlučeno je da se izraz "stupanj Kelvina" za jedinicu temperature zamijeni s "kelvin".
Treća uobičajena mjerna jedinica je Fahrenheit. Do 1960. godine bili su široko korišteni u svim zemljama engleskog govornog područja. Međutim, danas u svakodnevnom životu u Sjedinjenim Državama koristite ovu jedinicu. Sustav se bitno razlikuje od gore opisanih. Uzeti kao polazišteledište mješavine soli, amonijaka i vode u omjeru 1:1:1. Dakle, na Fahrenheitovoj ljestvici, točka smrzavanja vode je plus 32 stupnja, a točka ključanja je plus 212 stupnjeva. U ovom sustavu jedan stupanj jednak je 1/180 razlike između ovih temperatura. Dakle, raspon od 0 do +100 stupnjeva Fahrenheita odgovara rasponu od -18 do +38 Celzijusa.
temperatura apsolutne nule
Shvatimo što ovaj parametar znači. Apsolutna nula je granična temperatura pri kojoj tlak idealnog plina nestaje pri fiksnom volumenu. Ovo je najniža vrijednost u prirodi. Kako je predvidio Mihail Lomonosov, "ovo je najveći ili posljednji stupanj hladnoće". Iz ovoga slijedi Avogadrov kemijski zakon: jednaki volumeni plinova pri istoj temperaturi i tlaku sadrže isti broj molekula. Što iz ovoga slijedi? Postoji minimalna temperatura plina pri kojoj njegov tlak ili volumen nestaje. Ova apsolutna vrijednost odgovara nuli Kelvina ili 273 stupnja Celzijusa.
Neke zanimljive činjenice o Sunčevom sustavu
Temperatura na površini Sunca doseže 5700 Kelvina, au središtu jezgre - 15 milijuna Kelvina. Planeti Sunčevog sustava međusobno se jako razlikuju po stupnju zagrijavanja. Dakle, temperatura jezgre naše Zemlje je otprilike ista kao na površini Sunca. Jupiter se smatra najtoplijim planetom. Temperatura u središtu njegove jezgre pet je puta viša nego na površini Sunca. A ovdje je najniža vrijednost parametrazabilježeno na površini mjeseca - bilo je samo 30 kelvina. Ova vrijednost je čak niža nego na površini Plutona.
Činjenice o Zemlji
1. Najviša temperatura koju je osoba zabilježila bila je 4 milijarde stupnjeva Celzija. Ova vrijednost je 250 puta viša od temperature jezgre Sunca. Rekord je postavio New York Brookhaven Natural Laboratory u ionskom sudaraču, dugom oko 4 kilometra.
2. Temperatura na našem planetu također nije uvijek idealna i ugodna. Na primjer, u gradu Verkhnoyansk u Jakutiji, temperatura zimi pada na minus 45 stupnjeva Celzija. No, u etiopskom gradu Dallolu situacija je obrnuta. Tamo je prosječna godišnja temperatura plus 34 stupnja.
3. Najekstremniji uvjeti u kojima ljudi rade zabilježeni su u rudnicima zlata u Južnoj Africi. Rudari rade na dubini od tri kilometra na temperaturi od plus 65 stupnjeva Celzija.
