Vsak človek se vsak dan sooča s pojmom temperature. Izraz je trdno vstopil v naše vsakdanje življenje: segrevamo hrano v mikrovalovni pečici ali kuhamo hrano v pečici, zanima nas vreme zunaj ali ugotavljamo, ali je voda v reki mrzla – vse to je tesno povezano s tem pojmom. In kaj je temperatura, kaj ta fizični parameter pomeni, na kakšen način se meri? Na ta in druga vprašanja bomo odgovorili v članku.
fizična količina
Premislimo, kaj je temperatura z vidika izoliranega sistema v termodinamičnem ravnotežju. Izraz izvira iz latinskega jezika in pomeni "pravilno mešanje", "normalno stanje", "sorazmernost". Ta vrednost označuje stanje termodinamičnega ravnotežja katerega koli makroskopskega sistema. V primeru, ko izoliran sistem ni v ravnovesju, sčasoma pride do prehoda energije iz bolj segretih predmetov na manj segrete. Rezultat je izenačitev (sprememba) temperature v celotnem sistemu. To je prvi postulat (načelo nič) termodinamike.
Temperatura določaporazdelitev sestavnih delcev sistema po energijskih ravneh in hitrostih, stopnja ionizacije snovi, lastnosti ravnotežnega elektromagnetnega sevanja teles, skupna volumetrična gostota sevanja. Ker so za sistem, ki je v termodinamičnem ravnotežju, navedeni parametri enaki, jih običajno imenujemo temperatura sistema.
Plazma
Poleg ravnotežnih teles obstajajo sistemi, v katerih je stanje označeno z več temperaturnimi vrednostmi, ki si med seboj niso enake. Plazma je dober primer. Sestavljen je iz elektronov (lahko nabiti delci) in ionov (težki nabiti delci). Ko trčijo, se energija hitro prenaša z elektrona na elektron in z iona na ion. Toda med heterogenimi elementi je počasen prehod. Plazma je lahko v stanju, v katerem so elektroni in ioni posamezno blizu ravnotežja. V tem primeru je mogoče meriti ločene temperature za vsako vrsto delcev. Vendar se bodo ti parametri med seboj razlikovali.
magneti
V telesih, v katerih imajo delci magnetni moment, prenos energije običajno poteka počasi: od translacijskih do magnetnih stopenj svobode, ki so povezane z možnostjo spreminjanja smeri trenutka. Izkazalo se je, da obstajajo stanja, v katerih je za telo značilna temperatura, ki ne sovpada s kinetičnim parametrom. Ustreza translacijskemu gibanju elementarnih delcev. Magnetna temperatura določa del notranje energije. Lahko je pozitiven oznegativno. Med postopkom poravnave se energija prenese iz delcev z višjo vrednostjo na delce z nižjo temperaturno vrednostjo, če sta oba pozitivna ali negativna. V nasprotnem primeru bo ta proces potekal v nasprotni smeri - negativna temperatura bo "višja" od pozitivne.
Zakaj je to potrebno?
Paradoks je v tem, da povprečnemu človeku, da lahko izvaja meritve tako v vsakdanjem življenju kot v industriji, sploh ni treba vedeti, kaj je temperatura. Zadostuje, da razume, da je to stopnja ogrevanja predmeta ali okolja, še posebej, ker smo te izraze poznali že od otroštva. Dejansko večina praktičnih naprav, zasnovanih za merjenje tega parametra, dejansko meri druge lastnosti snovi, ki se spreminjajo s stopnjo segrevanja ali hlajenja. Na primer tlak, električni upor, prostornina itd. Poleg tega se takšni odčitki ročno ali samodejno pretvorijo v želeno vrednost.
Izkazalo se je, da za določitev temperature ni treba študirati fizike. Večina prebivalstva našega planeta živi po tem načelu. Če je televizor vklopljen, potem ni treba razumeti prehodnih procesov polprevodniških naprav, preučevati, od kod prihaja elektrika v vtičnico ali kako signal prispe do satelitske antene. Ljudje so navajeni, da na vsakem področju obstajajo strokovnjaki, ki lahko popravijo ali odpravijo napake v sistemu. Laik si ne želi obremenjevati možganov, kajti kje je bolje, da ob srkanju gledajo solo opero ali nogomet na "boxu"hladno pivo.
Želim vedeti
Vendar so ljudje, največkrat študenti, ki so bodisi zaradi radovednosti bodisi iz nuje prisiljeni študirati fiziko in ugotavljati, kakšna je temperatura v resnici. Posledično v svojem iskanju padejo v divjine termodinamike in preučujejo njen ničelni, prvi in drugi zakon. Poleg tega bo moral radoveden um razumeti Carnotove cikle in entropijo. In ob koncu svoje poti bo zagotovo priznal, da opredelitev temperature kot parametra reverzibilnega toplotnega sistema, ki ni odvisen od vrste delovne snovi, ne bo dodala jasnosti občutku tega koncepta. Vseeno bo vidni del nekaj stopinj, ki jih sprejema mednarodni sistem enot (SI).
Temperatura kot kinetična energija
Bolj "otipljiv" je pristop, ki se imenuje molekularno-kinetična teorija. Oblikuje idejo, da se toplota obravnava kot ena od oblik energije. Na primer, kinetična energija molekul in atomov, parameter, povprečen za ogromno število naključno premikajočih se delcev, se izkaže za merilo tistega, kar običajno imenujemo temperatura telesa. Tako se delci segretega sistema premikajo hitreje kot hladnega.
Ker je obravnavani izraz tesno povezan s povprečno kinetično energijo skupine delcev, bi bilo povsem naravno uporabiti džul kot temperaturno enoto. Vendar se to ne zgodi, kar je razloženo z dejstvom, da je energija toplotnega gibanja elementarnadelci so zelo majhni glede na joul. Zato je njegova uporaba neprijetna. Toplotno gibanje se meri v enotah, izpeljanih iz džulov s pomočjo posebnega pretvorbenega faktorja.
temperaturne enote
Danes se za prikaz tega parametra uporabljajo tri osnovne enote. Pri nas se temperatura običajno meri v stopinjah Celzija. Ta merska enota temelji na zmrzišču vode - absolutni vrednosti. Ona je izhodišče. To pomeni, da je temperatura vode, pri kateri se led začne tvoriti, enak nič. V tem primeru voda služi kot zgledni ukrep. Ta konvencija je bila sprejeta zaradi udobja. Druga absolutna vrednost je temperatura pare, to je trenutek, ko voda preide iz tekočega v plinasto stanje.
Naslednja enota je Kelvin. Referenčna točka tega sistema se šteje za točko absolutne ničle. Torej je ena stopinja Kelvina enaka eni stopinji Celzija. Razlika je le v začetku odštevanja. Dobimo, da bo nič v Kelvinu enaka minus 273,16 stopinj Celzija. Leta 1954 je bilo na Generalni konferenci za uteži in mere sklenjeno, da se izraz "stopnja Kelvin" za enoto temperature nadomesti s "kelvin".
Tretja običajna merska enota je Fahrenheit. Do leta 1960 so bili široko uporabljeni v vseh angleško govorečih državah. Vendar pa danes v vsakdanjem življenju v Združenih državah uporabljajo to enoto. Sistem se bistveno razlikuje od zgoraj opisanih. Vzeti kot izhodiščezmrzišče mešanice soli, amoniaka in vode v razmerju 1:1:1. Torej, na lestvici Fahrenheit je ledišče vode plus 32 stopinj, vrelišče pa plus 212 stopinj. V tem sistemu je ena stopinja enaka 1/180 razlike med tema temperaturama. Torej, razpon od 0 do +100 stopinj Fahrenheita ustreza razponu od -18 do +38 Celzija.
temperatura absolutne nič
Razujmo, kaj ta parameter pomeni. Absolutna nič je mejna temperatura, pri kateri tlak idealnega plina izgine pri fiksni prostornini. To je najnižja vrednost v naravi. Kot je napovedal Mihail Lomonosov, "je to največja ali zadnja stopnja mraza." Iz tega izhaja Avogadrov kemijski zakon: enake količine plinov pri enaki temperaturi in tlaku vsebujejo enako število molekul. Kaj sledi iz tega? Obstaja minimalna temperatura plina, pri kateri njegov tlak ali prostornina izgineta. Ta absolutna vrednost ustreza nič Kelvina ali 273 stopinj Celzija.
Nekaj zanimivih dejstev o sončnem sistemu
Temperatura na površini Sonca doseže 5700 Kelvinov, v središču jedra pa 15 milijonov Kelvinov. Planeti sončnega sistema se med seboj zelo razlikujejo po stopnji ogrevanja. Torej je temperatura jedra naše Zemlje približno enaka kot na površini Sonca. Jupiter velja za najbolj vroč planet. Temperatura v središču njegovega jedra je petkrat višja kot na površini Sonca. In tukaj je najnižja vrednost parametrazabeleženo na površini lune - bilo je le 30 kelvinov. Ta vrednost je celo nižja kot na površini Plutona.
Dejstva o Zemlji
1. Najvišja temperatura, ki jo je zabeležil človek, je bila 4 milijarde stopinj Celzija. Ta vrednost je 250-krat višja od temperature Sončevega jedra. Rekord je postavil New York Brookhaven Natural Laboratory v ionskem trkalniku, ki je dolg približno 4 kilometre.
2. Tudi temperatura na našem planetu ni vedno idealna in udobna. Na primer, v mestu Verkhnoyansk v Jakutiji temperatura pozimi pade na minus 45 stopinj Celzija. Toda v etiopskem mestu Dallol je situacija obrnjena. Tam je povprečna letna temperatura plus 34 stopinj.
3. Najbolj ekstremni pogoji, v katerih ljudje delajo, so zabeleženi v rudnikih zlata v Južni Afriki. Rudarji delajo na globini treh kilometrov pri temperaturi plus 65 stopinj Celzija.
