Κάθε άτομο αντιμετωπίζει την έννοια της θερμοκρασίας κάθε μέρα. Ο όρος έχει μπει σταθερά στην καθημερινότητά μας: ζεσταίνουμε φαγητό στο φούρνο μικροκυμάτων ή μαγειρεύουμε φαγητό στο φούρνο, μας ενδιαφέρει ο καιρός έξω ή ανακαλύπτουμε αν το νερό στο ποτάμι είναι κρύο - όλα αυτά συνδέονται στενά με αυτήν την έννοια. Και τι είναι η θερμοκρασία, τι σημαίνει αυτή η φυσική παράμετρος, με ποιον τρόπο μετριέται; Θα απαντήσουμε σε αυτές και σε άλλες ερωτήσεις στο άρθρο.
Φυσική ποσότητα
Ας εξετάσουμε ποια είναι η θερμοκρασία από την άποψη ενός απομονωμένου συστήματος σε θερμοδυναμική ισορροπία. Ο όρος προέρχεται από τη λατινική γλώσσα και σημαίνει «σωστή ανάμειξη», «κανονική κατάσταση», «αναλογικότητα». Αυτή η τιμή χαρακτηρίζει την κατάσταση της θερμοδυναμικής ισορροπίας οποιουδήποτε μακροσκοπικού συστήματος. Στην περίπτωση που ένα απομονωμένο σύστημα είναι εκτός ισορροπίας, με την πάροδο του χρόνου υπάρχει μια μετάβαση της ενέργειας από πιο θερμαινόμενα αντικείμενα σε λιγότερο θερμαινόμενα. Το αποτέλεσμα είναι μια εξίσωση (αλλαγή) της θερμοκρασίας σε όλο το σύστημα. Αυτό είναι το πρώτο αξίωμα (μηδενική αρχή) της θερμοδυναμικής.
Η θερμοκρασία καθορίζεικατανομή των συστατικών σωματιδίων του συστήματος ανά ενεργειακά επίπεδα και ταχύτητες, ο βαθμός ιοντισμού των ουσιών, οι ιδιότητες της ισορροπίας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας των σωμάτων, η συνολική ογκομετρική πυκνότητα της ακτινοβολίας. Εφόσον για ένα σύστημα που βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία, οι αναφερόμενες παράμετροι είναι ίσες, συνήθως ονομάζονται θερμοκρασία του συστήματος.
Πλάσμα
Εκτός από τα σώματα ισορροπίας, υπάρχουν συστήματα στα οποία η κατάσταση χαρακτηρίζεται από πολλές τιμές θερμοκρασίας που δεν είναι ίσες μεταξύ τους. Το πλάσμα είναι ένα καλό παράδειγμα. Αποτελείται από ηλεκτρόνια (ελαφρώς φορτισμένα σωματίδια) και ιόντα (βαριά φορτισμένα σωματίδια). Όταν συγκρούονται, η ενέργεια μεταφέρεται γρήγορα από ηλεκτρόνιο σε ηλεκτρόνιο και από ιόν σε ιόν. Αλλά μεταξύ ετερογενών στοιχείων υπάρχει μια αργή μετάβαση. Το πλάσμα μπορεί να βρίσκεται σε μια κατάσταση στην οποία τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα μεμονωμένα είναι κοντά στην ισορροπία. Σε αυτή την περίπτωση, μπορούν να ληφθούν ξεχωριστές θερμοκρασίες για κάθε είδος σωματιδίων. Ωστόσο, αυτές οι παράμετροι θα διαφέρουν μεταξύ τους.
Μαγνήτες
Σε σώματα στα οποία τα σωματίδια έχουν μαγνητική ροπή, η μεταφορά ενέργειας γίνεται συνήθως αργά: από μεταφορικούς σε μαγνητικούς βαθμούς ελευθερίας, που σχετίζονται με τη δυνατότητα αλλαγής των κατευθύνσεων της στιγμής. Αποδεικνύεται ότι υπάρχουν καταστάσεις στις οποίες το σώμα χαρακτηρίζεται από θερμοκρασία που δεν συμπίπτει με την κινητική παράμετρο. Αντιστοιχεί στη μεταφορική κίνηση των στοιχειωδών σωματιδίων. Η μαγνητική θερμοκρασία καθορίζει μέρος της εσωτερικής ενέργειας. Μπορεί να είναι είτε θετικό είτεαρνητικός. Κατά τη διαδικασία ευθυγράμμισης, η ενέργεια θα μεταφερθεί από σωματίδια με υψηλότερη τιμή σε σωματίδια με χαμηλότερη τιμή θερμοκρασίας εάν είναι και τα δύο θετικά ή αρνητικά. Διαφορετικά, αυτή η διαδικασία θα προχωρήσει προς την αντίθετη κατεύθυνση - η αρνητική θερμοκρασία θα είναι "υψηλότερη" από τη θετική.
Γιατί είναι απαραίτητο;
Το παράδοξο βρίσκεται στο γεγονός ότι ο μέσος άνθρωπος, για να πραγματοποιήσει τη διαδικασία μέτρησης τόσο στην καθημερινή ζωή όσο και στη βιομηχανία, δεν χρειάζεται καν να γνωρίζει τι είναι η θερμοκρασία. Θα του αρκεί να καταλάβει ότι αυτός είναι ο βαθμός θέρμανσης ενός αντικειμένου ή περιβάλλοντος, ειδικά από τη στιγμή που είμαστε εξοικειωμένοι με αυτούς τους όρους από την παιδική ηλικία. Πράγματι, οι περισσότερες από τις πρακτικές συσκευές που έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση αυτής της παραμέτρου μετρούν στην πραγματικότητα άλλες ιδιότητες ουσιών που αλλάζουν ανάλογα με το επίπεδο θέρμανσης ή ψύξης. Για παράδειγμα, πίεση, ηλεκτρική αντίσταση, όγκος κ.λπ. Επιπλέον, τέτοιες μετρήσεις μετατρέπονται χειροκίνητα ή αυτόματα στην επιθυμητή τιμή.
Αποδεικνύεται ότι για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας, δεν χρειάζεται να μελετήσετε φυσική. Το μεγαλύτερο μέρος του πληθυσμού του πλανήτη μας ζει με αυτήν την αρχή. Εάν η τηλεόραση είναι ενεργοποιημένη, τότε δεν χρειάζεται να κατανοήσετε τις μεταβατικές διαδικασίες των συσκευών ημιαγωγών, να μελετήσετε από πού προέρχεται το ηλεκτρικό ρεύμα στην πρίζα ή πώς φθάνει το σήμα στο δορυφορικό πιάτο. Οι άνθρωποι είναι συνηθισμένοι στο γεγονός ότι σε κάθε τομέα υπάρχουν ειδικοί που μπορούν να διορθώσουν ή να διορθώσουν το σύστημα. Ο λαϊκός δεν θέλει να καταπονήσει τον εγκέφαλό του, γιατί πού είναι καλύτερα να βλέπεις σαπουνόπερα ή ποδόσφαιρο στο «κουτί» πίνονταςκρύα μπύρα.
θέλω να μάθω
Αλλά υπάρχουν άνθρωποι, πιο συχνά φοιτητές, που είτε στο βαθμό της περιέργειάς τους είτε από ανάγκη, αναγκάζονται να σπουδάσουν φυσική και να καθορίσουν ποια είναι πραγματικά η θερμοκρασία. Ως αποτέλεσμα, στην αναζήτησή τους πέφτουν στην άγρια φύση της θερμοδυναμικής και μελετούν τους μηδενικούς, πρώτους και δεύτερους νόμους της. Επιπλέον, ένας περίεργος νους θα πρέπει να κατανοήσει τους κύκλους και την εντροπία Carnot. Και στο τέλος του ταξιδιού του, σίγουρα θα παραδεχτεί ότι ο ορισμός της θερμοκρασίας ως παραμέτρου ενός αναστρέψιμου θερμικού συστήματος, που δεν εξαρτάται από τον τύπο της ουσίας εργασίας, δεν θα προσθέσει σαφήνεια στην αίσθηση αυτής της έννοιας. Και παρόλα αυτά, το ορατό μέρος θα είναι κάποιοι βαθμοί αποδεκτό από το διεθνές σύστημα μονάδων (SI).
Θερμοκρασία ως κινητική ενέργεια
Πιο «απτή» είναι η προσέγγιση που ονομάζεται μοριακή-κινητική θεωρία. Διαμορφώνει την ιδέα ότι η θερμότητα θεωρείται ως μία από τις μορφές ενέργειας. Για παράδειγμα, η κινητική ενέργεια των μορίων και των ατόμων, μια παράμετρος που υπολογίζεται κατά μέσο όρο σε έναν τεράστιο αριθμό τυχαία κινούμενων σωματιδίων, αποδεικνύεται ότι είναι ένα μέτρο αυτού που συνήθως ονομάζεται θερμοκρασία ενός σώματος. Έτσι, τα σωματίδια ενός θερμαινόμενου συστήματος κινούνται πιο γρήγορα από ένα ψυχρό.
Δεδομένου ότι ο υπό εξέταση όρος σχετίζεται στενά με τη μέση κινητική ενέργεια μιας ομάδας σωματιδίων, θα ήταν απολύτως φυσικό να χρησιμοποιηθεί το τζάουλ ως μονάδα θερμοκρασίας. Ωστόσο, αυτό δεν συμβαίνει, γεγονός που εξηγείται από το γεγονός ότι η ενέργεια της θερμικής κίνησης των στοιχειωδώντα σωματίδια είναι πολύ μικρά σε σχέση με το τζάουλ. Επομένως, η χρήση του είναι άβολη. Η θερμική κίνηση μετριέται σε μονάδες που προέρχονται από τζάουλ μέσω ενός ειδικού συντελεστή μετατροπής.
Μονάδες θερμοκρασίας
Σήμερα, χρησιμοποιούνται τρεις βασικές μονάδες για την εμφάνιση αυτής της παραμέτρου. Στη χώρα μας η θερμοκρασία μετριέται συνήθως σε βαθμούς Κελσίου. Αυτή η μονάδα μέτρησης βασίζεται στο σημείο πήξης του νερού - μια απόλυτη τιμή. Αυτή είναι η αφετηρία. Δηλαδή, η θερμοκρασία του νερού στο οποίο αρχίζει να σχηματίζεται πάγος είναι μηδέν. Σε αυτή την περίπτωση, το νερό χρησιμεύει ως υποδειγματικό μέτρο. Αυτή η σύμβαση έχει εγκριθεί για λόγους ευκολίας. Η δεύτερη απόλυτη τιμή είναι η θερμοκρασία του ατμού, δηλαδή η στιγμή που το νερό αλλάζει από υγρή σε αέρια κατάσταση.
Η επόμενη μονάδα είναι το Kelvin. Σημείο αναφοράς αυτού του συστήματος θεωρείται το σημείο του απόλυτου μηδενός. Άρα, ένας βαθμός Κέλβιν ισούται με έναν βαθμό Κελσίου. Η διαφορά είναι μόνο η αρχή της αντίστροφης μέτρησης. Παίρνουμε ότι το μηδέν στο Kelvin θα είναι ίσο με μείον 273,16 βαθμούς Κελσίου. Το 1954, στη Γενική Διάσκεψη για τα Βάρη και τα Μέτρα, αποφασίστηκε να αντικατασταθεί ο όρος "βαθμός Κέλβιν" για τη μονάδα θερμοκρασίας με "Κέλβιν".
Η τρίτη κοινή μονάδα μέτρησης είναι το Φαρενάιτ. Μέχρι το 1960 χρησιμοποιούνταν ευρέως σε όλες τις αγγλόφωνες χώρες. Ωστόσο, σήμερα στην καθημερινή ζωή στις Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποιήστε αυτή τη μονάδα. Το σύστημα είναι θεμελιωδώς διαφορετικό από αυτά που περιγράφηκαν παραπάνω. Λαμβάνεται ως αφετηρίασημείο πήξης μίγματος αλατιού, αμμωνίας και νερού σε αναλογία 1:1:1. Έτσι, στην κλίμακα Φαρενάιτ, το σημείο πήξης του νερού είναι συν 32 μοίρες και το σημείο βρασμού είναι συν 212 μοίρες. Σε αυτό το σύστημα, ένας βαθμός ισούται με το 1/180 της διαφοράς μεταξύ αυτών των θερμοκρασιών. Άρα, το εύρος από 0 έως +100 βαθμούς Φαρενάιτ αντιστοιχεί στο εύρος από -18 έως +38 Κελσίου.
Θερμοκρασία απόλυτο μηδέν
Ας καταλάβουμε τι σημαίνει αυτή η παράμετρος. Το απόλυτο μηδέν είναι η οριακή θερμοκρασία στην οποία η πίεση ενός ιδανικού αερίου εξαφανίζεται σε σταθερό όγκο. Αυτή είναι η χαμηλότερη τιμή στη φύση. Όπως προέβλεψε ο Mikhailo Lomonosov, «αυτός είναι ο μεγαλύτερος ή ο τελευταίος βαθμός ψύχους». Ο χημικός νόμος του Avogadro προκύπτει από αυτό: ίσοι όγκοι αερίων στην ίδια θερμοκρασία και πίεση περιέχουν τον ίδιο αριθμό μορίων. Τι προκύπτει από αυτό; Υπάρχει μια ελάχιστη θερμοκρασία ενός αερίου στην οποία η πίεση ή ο όγκος του εξαφανίζεται. Αυτή η απόλυτη τιμή αντιστοιχεί σε μηδέν Kelvin, ή 273 βαθμούς Κελσίου.
Μερικά ενδιαφέροντα στοιχεία για το ηλιακό σύστημα
Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του Ήλιου φτάνει τα 5700 Kelvin και στο κέντρο του πυρήνα - 15 εκατομμύρια Kelvin. Οι πλανήτες του ηλιακού συστήματος είναι πολύ διαφορετικοί μεταξύ τους ως προς το επίπεδο θέρμανσης. Έτσι, η θερμοκρασία του πυρήνα της Γης μας είναι περίπου η ίδια με την επιφάνεια του Ήλιου. Ο Δίας θεωρείται ο πιο ζεστός πλανήτης. Η θερμοκρασία στο κέντρο του πυρήνα του είναι πέντε φορές υψηλότερη από ό,τι στην επιφάνεια του Ήλιου. Και εδώ είναι η χαμηλότερη τιμή της παραμέτρουκαταγράφηκε στην επιφάνεια του φεγγαριού - ήταν μόνο 30 Κέλβιν. Αυτή η τιμή είναι ακόμη χαμηλότερη από ό,τι στην επιφάνεια του Πλούτωνα.
Γεγονότα
1. Η υψηλότερη θερμοκρασία που καταγράφηκε από ένα άτομο ήταν 4 δισεκατομμύρια βαθμοί Κελσίου. Αυτή η τιμή είναι 250 φορές υψηλότερη από τη θερμοκρασία του πυρήνα του Ήλιου. Το ρεκόρ σημειώθηκε από το New York Brookhaven Natural Laboratory στον επιταχυντή ιόντων, ο οποίος έχει μήκος περίπου 4 χιλιόμετρα.
2. Η θερμοκρασία στον πλανήτη μας επίσης δεν είναι πάντα ιδανική και άνετη. Για παράδειγμα, στην πόλη Verkhnoyansk στη Γιακουτία, η θερμοκρασία το χειμώνα πέφτει στους μείον 45 βαθμούς Κελσίου. Όμως στην πόλη Dallol της Αιθιοπίας, η κατάσταση έχει αντιστραφεί. Εκεί, η μέση ετήσια θερμοκρασία είναι συν 34 βαθμούς.
3. Οι πιο ακραίες συνθήκες κάτω από τις οποίες εργάζονται οι άνθρωποι καταγράφονται σε ορυχεία χρυσού στη Νότια Αφρική. Οι ανθρακωρύχοι εργάζονται σε βάθος τριών χιλιομέτρων σε θερμοκρασία συν 65 βαθμών Κελσίου.
