Jokainen ihminen kohtaa lämpötilan käsitteen joka päivä. Termi on tullut vahvasti jokapäiväiseen elämäämme: lämmitämme ruokaa mikroa altouunissa tai valmistamme ruokaa uunissa, olemme kiinnostuneita säästä ulkona tai selvittelemme, onko joen vesi kylmää - kaikki tämä liittyy läheisesti tähän käsitteeseen. Ja mikä on lämpötila, mitä tämä fyysinen parametri tarkoittaa, millä tavalla se mitataan? Vastaamme näihin ja muihin kysymyksiin artikkelissa.
Fyysinen määrä
Mietitään, mikä lämpötila on termodynaamisessa tasapainossa olevan eristetyn järjestelmän kann alta. Termi tulee latinan kielestä ja tarkoittaa "oikeaa sekoittumista", "normaalia tilaa", "suhteellisuutta". Tämä arvo kuvaa minkä tahansa makroskooppisen järjestelmän termodynaamisen tasapainon tilaa. Siinä tapauksessa, että eristetty järjestelmä on poissa tasapainosta, ajan myötä energia siirtyy kuumemmista kohteista vähemmän kuumennettuihin. Tuloksena on lämpötilan tasaantuminen (muutos) koko järjestelmässä. Tämä on termodynamiikan ensimmäinen postulaatti (nollaperiaate).
Lämpötila määrääjärjestelmän aineosien jakautuminen energiatasojen ja nopeuksien mukaan, aineiden ionisaatioaste, kappaleiden tasapainoisen sähkömagneettisen säteilyn ominaisuudet, säteilyn kokonaistilavuustiheys. Koska termodynaamisessa tasapainossa olevalle järjestelmälle luetellut parametrit ovat samat, niitä kutsutaan yleensä järjestelmän lämpötilaksi.
Plasma
Tasapainokappaleiden lisäksi on järjestelmiä, joissa tilalle on ominaista useita lämpötila-arvoja, jotka eivät ole keskenään samanarvoisia. Plasma on hyvä esimerkki. Se koostuu elektroneista (kevyesti varautuneita hiukkasia) ja ioneista (raskaasti varautuneita hiukkasia). Kun ne törmäävät, energia siirtyy nopeasti elektronista elektroniin ja ionista ioniin. Mutta heterogeenisten elementtien välillä tapahtuu hidas siirtymä. Plasma voi olla tilassa, jossa elektronit ja ionit yksittäin ovat lähellä tasapainoa. Tässä tapauksessa kullekin hiukkastyypille voidaan ottaa erilliset lämpötilat. Nämä parametrit eroavat kuitenkin toisistaan.
Magneetit
Kappaleissa, joissa hiukkasilla on magneettinen momentti, energian siirto tapahtuu yleensä hitaasti: translaatiosta magneettiseen vapausasteeseen, johon liittyy mahdollisuus muuttaa hetken suuntia. Osoittautuu, että on tiloja, joissa keholle on ominaista lämpötila, joka ei ole sama kuin kineettinen parametri. Se vastaa alkuainehiukkasten translaatioliikettä. Magneettinen lämpötila määrää osan sisäisestä energiasta. Se voi olla joko positiivista tainegatiivinen. Kohdistusprosessin aikana energiaa siirtyy korkeamman arvon hiukkasista alhaisemman lämpötilan omaaviin hiukkasiin, jos ne ovat sekä positiivisia että negatiivisia. Muuten tämä prosessi etenee päinvastaiseen suuntaan - negatiivinen lämpötila on "korkeampi" kuin positiivinen.
Miksi tämä on tarpeen?
Paradoksi piilee siinä, että keskivertoihmisen ei tarvitse edes tietää mitä lämpötila on suorittaakseen mittausprosessin sekä arjessa että teollisuudessa. Hänelle riittää, että hän ymmärtää, että tämä on esineen tai ympäristön lämmitysaste, varsinkin kun olemme tunteneet nämä termit lapsuudesta lähtien. Useimmat tämän parametrin mittaamiseen suunnitelluista käytännön laitteista todellakin mittaavat muita aineiden ominaisuuksia, jotka muuttuvat lämmitys- tai jäähdytystason mukaan. Esimerkiksi paine, sähkövastus, tilavuus jne. Lisäksi tällaiset lukemat muunnetaan manuaalisesti tai automaattisesti halutuiksi arvoiksi.
On käynyt ilmi, että lämpötilan määrittämiseksi ei tarvitse opiskella fysiikkaa. Suurin osa planeettamme väestöstä elää tämän periaatteen mukaan. Jos televisio on päällä, ei tarvitse ymmärtää puolijohdelaitteiden ohimeneviä prosesseja, tutkia mistä sähkö tulee pistorasiasta tai miten signaali saapuu satelliittiantenniin. Ihmiset ovat tottuneet siihen, että kaikilla aloilla on asiantuntijoita, jotka voivat korjata tai korjata järjestelmän. Maalliko ei halua rasittaa aivojaan, koska missä on parempi katsoa saippuaoopperaa tai jalkapalloa "laatikolla" siemaillenkylmä olut.
Haluan tietää
Mutta on ihmisiä, useimmiten opiskelijoita, jotka joko uteliaisuudestaan tai pakosta pakotetaan opiskelemaan fysiikkaa ja määrittämään, mikä lämpötila todella on. Tämän seurauksena he joutuvat etsiessään termodynamiikan erämaahan ja tutkivat sen nollaa, ensimmäistä ja toista lakia. Lisäksi uteliaan mielen on ymmärrettävä Carnotin syklit ja entropia. Ja matkansa lopussa hän varmasti myöntää, että lämpötilan määritelmä palautuvan lämpöjärjestelmän parametriksi, joka ei riipu työaineen tyypistä, ei lisää selkeyttä tämän käsitteen tunteeseen. Ja kaikesta huolimatta näkyvä osa on joitain kansainvälisen yksikköjärjestelmän (SI) hyväksymiä asteita.
Lämpötila liike-energiana
"Konkreettisempi" on lähestymistapa, jota kutsutaan molekyylikineettiseksi teoriaksi. Se muodostaa ajatuksen, että lämpöä pidetään yhtenä energian muodoista. Esimerkiksi molekyylien ja atomien kineettinen energia, suurelle määrälle satunnaisesti liikkuvia hiukkasia keskiarvoistettu parametri, osoittautuu mittana siitä, mitä yleisesti kutsutaan kehon lämpötilaksi. Siten lämmitetyn järjestelmän hiukkaset liikkuvat nopeammin kuin kylmän.
Koska kyseessä oleva termi liittyy läheisesti hiukkasryhmän keskimääräiseen kineettiseen energiaan, olisi aivan luonnollista käyttää joulea lämpötilan yksikkönä. Näin ei kuitenkaan tapahdu, mikä selittyy sillä, että alkuaineen lämpöliikkeen energiahiukkaset ovat hyvin pieniä suhteessa jouleen. Siksi sen käyttö on hankalaa. Lämpöliike mitataan yksiköissä, jotka on johdettu jouleista erityisen muuntokertoimen avulla.
Lämpötilayksiköt
Tänä päivänä tämän parametrin näyttämiseen käytetään kolmea perusyksikköä. Maassamme lämpötila mitataan yleensä celsiusasteina. Tämä mittayksikkö perustuu veden jäätymispisteeseen - absoluuttiseen arvoon. Hän on lähtökohta. Eli veden lämpötila, jossa jäätä alkaa muodostua, on nolla. Tässä tapauksessa vesi toimii esimerkillisenä toimenpiteenä. Tämä sopimus on hyväksytty mukavuuden vuoksi. Toinen absoluuttinen arvo on höyryn lämpötila, eli hetki, jolloin vesi muuttuu nestemäisestä tilasta kaasumaiseen tilaan.
Seuraava yksikkö on Kelvin. Tämän järjestelmän vertailupisteeksi katsotaan absoluuttisen nollapiste. Joten yksi Kelvin-aste on yhtä kuin yksi Celsius-aste. Ero on vasta lähtölaskennan alku. Saamme, että nolla kelvineinä on miinus 273,16 celsiusastetta. Vuonna 1954 yleisessä paino- ja mittakonferenssissa päätettiin korvata lämpötilayksikön termi "kelvin-aste" termillä "kelvin".
Kolmas yleinen mittayksikkö on Fahrenheit. Vuoteen 1960 asti niitä käytettiin laaj alti kaikissa englanninkielisissä maissa. Kuitenkin tänään jokapäiväisessä elämässä Yhdysvalloissa käyttää tätä yksikköä. Järjestelmä eroaa olennaisesti yllä kuvatuista. Otettu lähtökohtanasuolan, ammoniakin ja veden seoksen jäätymispiste suhteessa 1:1:1. Joten Fahrenheit-asteikolla veden jäätymispiste on plus 32 astetta ja kiehumispiste plus 212 astetta. Tässä järjestelmässä yksi aste on yhtä suuri kuin 1/180 näiden lämpötilojen välisestä erosta. Joten alue 0 - +100 Fahrenheit astetta vastaa aluetta -18 - +38 Celsius.
Absoluuttinen nollalämpötila
Ymmärretään, mitä tämä parametri tarkoittaa. Absoluuttinen nolla on rajalämpötila, jossa ihanteellisen kaasun paine häviää tietyssä tilavuudessa. Tämä on pienin arvo luonnossa. Kuten Mihailo Lomonosov ennusti, "tämä on suurin tai viimeinen pakkasaste". Tästä seuraa Avogadron kemiallinen laki: sama määrä kaasuja samassa lämpötilassa ja paineessa sisältää saman määrän molekyylejä. Mitä tästä seuraa? Kaasulla on vähimmäislämpötila, jossa sen paine tai tilavuus häviää. Tämä itseisarvo vastaa nollaa Kelviniä eli 273 celsiusastetta.
Mielenkiintoisia faktoja aurinkokunnasta
Auringon pinnan lämpötila saavuttaa 5700 Kelviniä ja ytimen keskellä 15 miljoonaa Kelviniä. Aurinkokunnan planeetat eroavat toisistaan lämpenemistason suhteen hyvin paljon. Maapallomme ytimen lämpötila on siis suunnilleen sama kuin Auringon pinnalla. Jupiteria pidetään kuumimpana planeetana. Lämpötila sen ytimen keskellä on viisi kertaa korkeampi kuin Auringon pinnalla. Ja tässä on parametrin pienin arvotallennettu kuun pinnalle - se oli vain 30 kelviniä. Tämä arvo on jopa pienempi kuin Pluton pinnalla.
Maan faktat
1. Korkein ihmisen mittaama lämpötila oli 4 miljardia celsiusastetta. Tämä arvo on 250 kertaa korkeampi kuin Auringon ytimen lämpötila. Ennätyksen teki New York Brookhaven Natural Laboratory ionitörmätimessä, joka on noin 4 kilometriä pitkä.
2. Lämpötila planeetallamme ei myöskään ole aina ihanteellinen ja mukava. Esimerkiksi Jakutian Verkhnoyanskin kaupungissa lämpötila laskee talvella miinus 45 celsiusasteeseen. Mutta Etiopian Dallolin kaupungissa tilanne on päinvastainen. Siellä vuoden keskilämpötila on plus 34 astetta.
3. Äärimmäisimmät työolosuhteet ovat Etelä-Afrikan kultakaivoksissa. Kaivostyöläiset työskentelevät kolmen kilometrin syvyydessä plus 65 celsiusasteen lämpötilassa.
