Temperatura - jedna z podstawowych w termodynamice wielkości fizycznych (parametrów stanu) [1], będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, z termodynamicznego bowiem punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ 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.
Spis treści |
edytuj Temperatura a energia kinetyczna
edytuj Złożony ruch cząsteczek gazu
Pod względem mikroskopowym, temperatura jest wynikiem ruchu cząsteczek, z których złożone jest ciało. Temperatura rośnie, kiedy wzrasta energia tych ruchów. Ruch może być związany z przemieszczaniem się cząsteczki (np. w gazie), z drganiami atomów, cząsteczek (np. w krysztale), 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 NIST otrzymali rekordowo niska temperaturę wynoszącą 700 nK (1 nK = 10−9 K), a laserowa technika bezpośredniego pomiaru ruchu cząsteczek pokazała, że średnia prędkość poruszania się atomów jest równa 7 mm/s.
Cząsteczki takie jak O2 mają więcej stopni swobody ruchu niż pojedyncze atomy: mogą obracać się, drgać, oraz przemieszczać się. Wzrost temperatury powoduje wzrost średniej energii kinetycznej każdego z rodzajów ruchu. Dlatego dwuatomowy gaz z większą liczbą stopni swobody wymagać będzie większego wkładu energii dla zmiany temperatury, co oznacza, że będzie posiadał większą pojemność cieplną niż gaz jednoatomowy.
Proces ochładzania związany jest z oddawaniem energii z układu. Jeśli nie ma już więcej energii do oddania, to układ osiąga tzw. temperaturę zera bezwzględnego na termodynamicznej skali temperatur, w której to temperaturze cząsteczki mają najmniejszą z możliwych energię kinetyczna ruchu cząsteczek. Według mechaniki klasycznej pozostają w spoczynku, według mechaniki kwantowej poruszają się z najmniejszą możliwą prędkością. Temperatura zera absolutnego wynosi 0 kelwinów (−273,15°C lub −459,67°F).
edytuj Temperatura w kinetycznej teorii gazów
Temperatura bezwzględna T układu złożonego z atomów jak i kilkuatomowych cząsteczek jest określona jako średnia energia kinetyczna <E> ruchu pojedynczej cząsteczki (mierzona względem środka masy układu), przypadająca na jeden stopień swobody ruchu:
Współczynnik proporcjonalności k pomiędzy jednostkami temperatury i energii nazywany jest stałą Boltzmanna, jego wartość liczbowa wynosi k = 1,38x10-23 J/K.
Wszystkie własności temperatury wynikają z tej definicji.
edytuj Temperatura a równowaga termodynamiczna
Właściwości temperatury są przedmiotem analizy termodynamiki i mechaniki statystycznej. Temperatura układu w stanie równowagi termodynamicznej jest zdefiniowana przez zależność pomiędzy różniczką ciepła δQ wprowadzanego do systemu w czasie nieskończenie wolnej quasi-statycznej przemiany termodynamicznej, a różniczką δS jej entropii podczas tej przemiany.
W odróżnieniu od entropii i ciepła, których mikroskopowe definicje są obowiązujące także w stanie nierównowagi termodynamicznej, temperatura może być zdefiniowana tylko w stanie równowagi, lub lokalnej równowagi termodynamicznej.
edytuj 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 skale temperatur. 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.
edytuj Skale historyczne
Pierwsi konstruktorzy termometrów i skal temperatur opierali swe skale na znanych im zjawiskach, najczęściej przyjmowano, że zmiana temperatury jest proporcjonalna do zmiany objętości cieczy (alkoholu, rtęci). W skalach tych przyjmowano za odniesienie temperatury dwóch zjawisk, które zachodzą zawsze w tej samej temperaturze. W skali Celsjusza przyjmuje się, że 0°C odpowiada temperaturze zamarzania wody, a 100°C to temperatura wody wrzącej pod normalnym ciśnieniem (choć Celsjusz pierwotnie przyjmował odwrotnie). W takich skalach istnieją temperatury ujemne.
edytuj 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 tą określa na podstawie równania stanu gazu idealnego (równania Clapeyrona): pV = nRT. Temperaturę określa się na podstawie pomiaru ciśnienia i objętości gazu idealnego.
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 zera bezwzględnego jest najniższą temperaturą jaką mogą uzyskać ciała, w temperaturze tej wszystkie cząstki mają najmniejszą możliwą energię, według mechaniki klasycznej ruch cząsteczek całkowicie ustaje, a według statystycznej mechaniki kwantowej wszystkie cząsteczki znajdują się w swoim stanie podstawowym wykonując tzw. drgania zerowe (ang. zero-point energy). W temperaturze zera bezwzględnego wszystkie ciała są w stanie stałym, wyjątkiem jest hel, 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 skala Kelvina odpowiadająca skali Celsjusza oraz skala Rankine'a odpowiadająca skali Fahrenheita.
Kelwin jest główną jednostką temperatury przyjętą w układzie SI i uznawaną przez cały świat naukowo- techniczny.
edytuj Międzynarodowa Skala Temperatur (MST-90)
Międzynarodowa, ujednolicona skala temperatury jest oparta na temperaturach w punktach charakterystycznych dla kilku związków chemicznych, np. punkcie potrójnym wody, tlenu, lub punkcie topnienia miedzi przy ciśnieniu 101325 Pa. W wersji obecnej obowiązuje od 1990 r. (ITS 90). Poprzednio obowiązywała skala ITS 68.
edytuj 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 USA, w dalszym ciągu używa się stopni Fahrenheita. W tej skali temperatura zamarzania wody jest równa 32°F a wrzenia 212°F.
Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Fahrenheita na temperaturę w stopniach Celsjusza:
Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Celsjusza na temperaturę w stopniach Fahrenheita:
| Zjawisko | Kelvin | Celsjusz | Fahrenheit | Rankine | Delisle | Newton | Réaumur | Rømer |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Zero bezwzględne | 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 |
| Zamarzanie 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 |
| Wrzenie wody | 373,15 | 100 | 212 | 671,67 | 0 | 33 | 80 | 60 |
| Topnienie tytanu | 1941 | 1668 | 3034 | 3494 | -2352 | 550 | 1334 | 883 |
| Temperatura efektywna powierzchni Słońca | 5800 | 5526 | 9980 | 10440 | −8140 | 1823 | 4421 | 2909 |
Inne skale: barwa żaru, barwa nalotowa stali.
edytuj Bibliografia
- ↑ Praca zbiorowa, Słownik fizyczny, Warszawa, Państwowe Wydawnictwo "Wiedza Powszechna", s.403, 1984, ISBN 83-214-0053-1.