Всеки човек се сблъсква с понятието температура всеки ден. Терминът здраво влезе в ежедневието ни: загряваме храна в микровълновата или готвим храна във фурната, интересуваме се от времето навън или разбираме дали водата в реката е студена - всичко това е тясно свързано с това понятие. И какво е температура, какво означава този физически параметър, по какъв начин се измерва? Ще отговорим на тези и други въпроси в статията.
Физическо количество
Нека разгледаме каква е температурата от гледна точка на изолирана система в термодинамично равновесие. Терминът идва от латински език и означава "правилно смесване", "нормално състояние", "пропорционалност". Тази стойност характеризира състоянието на термодинамично равновесие на всяка макроскопична система. В случай, когато изолирана система е извън равновесие, с течение на времето има преход на енергията от по-нагрети обекти към по-малко нагрети. Резултатът е изравняване (промяна) на температурата в цялата система. Това е първият постулат (нулев принцип) на термодинамиката.
Температурата определяразпределение на съставните частици на системата по енергийни нива и скорости, степента на йонизация на веществата, свойствата на равновесното електромагнитно излъчване на телата, общата обемна плътност на излъчването. Тъй като за система, която е в термодинамично равновесие, изброените параметри са равни, те обикновено се наричат температура на системата.
Plasma
Освен равновесни тела, има системи, в които състоянието се характеризира с няколко температурни стойности, които не са равни една на друга. Добър пример е плазмата. Състои се от електрони (леко заредени частици) и йони (тежко заредени частици). Когато се сблъскат, енергията бързо се прехвърля от електрон на електрон и от йон на йон. Но между хетерогенните елементи има бавен преход. Плазмата може да бъде в състояние, в което електроните и йоните поотделно са близки до равновесни. В този случай могат да се вземат отделни температури за всеки вид частици. Тези параметри обаче ще се различават един от друг.
Магнити
В тела, в които частиците имат магнитен момент, преносът на енергия обикновено става бавно: от транслационни към магнитни степени на свобода, които са свързани с възможността за промяна на посоките на момента. Оказва се, че има състояния, при които тялото се характеризира с температура, която не съвпада с кинетичния параметър. То съответства на транслационното движение на елементарните частици. Магнитната температура определя част от вътрешната енергия. Тя може да бъде положителна илиотрицателен. По време на процеса на подравняване енергията ще бъде прехвърлена от частици с по-висока стойност към частици с по-ниска стойност на температурата, ако и двете са положителни или отрицателни. В противен случай този процес ще продължи в обратна посока - отрицателната температура ще бъде "по-висока" от положителната.
Защо е необходимо това?
Парадоксът се крие във факта, че обикновеният човек, за да извърши процеса на измерване както в ежедневието, така и в индустрията, дори не е необходимо да знае каква е температурата. За него ще бъде достатъчно да разбере, че това е степента на нагряване на обект или среда, особено след като сме запознати с тези термини от детството. Всъщност повечето от практическите устройства, предназначени да измерват този параметър, всъщност измерват други свойства на веществата, които се променят с нивото на нагряване или охлаждане. Например налягане, електрическо съпротивление, обем и т.н. Освен това такива показания се преобразуват ръчно или автоматично в желаната стойност.
Оказва се, че за да се определи температурата, няма нужда да се учи физика. По-голямата част от населението на нашата планета живее на този принцип. Ако телевизорът е включен, тогава няма нужда да разбирате преходните процеси на полупроводниковите устройства, да изследвате откъде идва електричеството в контакта или как сигналът пристига в сателитната антена. Хората са свикнали с факта, че във всяка област има специалисти, които могат да поправят или да отстранят грешки в системата. Лаикът не иска да си напряга мозъка, защото къде е по-добре да гледа сапунена опера или футбол на "кутия", докато отпивастудена бира.
Искам да знам
Но има хора, най-често студенти, които или поради своето любопитство, или поради необходимост, са принудени да учат физика и да определят каква е температурата в действителност. В резултат на това в своето търсене те попадат в дивата природа на термодинамиката и изучават нейните нулев, първи и втори закон. Освен това любознателният ум ще трябва да разбере циклите на Карно и ентропията. И в края на своето пътуване той със сигурност ще признае, че дефиницията на температурата като параметър на обратима термична система, която не зависи от вида на работното вещество, няма да добави яснота към усещането за това понятие. И все пак видимата част ще бъде някои градуси, приети от международната система от единици (SI).
Температура като кинетична енергия
По-осезаем е подходът, който се нарича молекулярно-кинетична теория. Той формира идеята, че топлината се разглежда като една от формите на енергия. Например, кинетичната енергия на молекулите и атомите, параметър, осреднена за огромен брой произволно движещи се частици, се оказва мярка за това, което обикновено се нарича температура на тялото. По този начин частиците на нагрята система се движат по-бързо от студената.
Тъй като разглежданият термин е тясно свързан със средната кинетична енергия на група частици, би било съвсем естествено да се използва джаулът като единица за температура. Това обаче не се случва, което се обяснява с факта, че енергията на топлинното движение е елементарначастиците са много малки спрямо джаула. Следователно използването му е неудобно. Топлинното движение се измерва в единици, получени от джаули с помощта на специален коефициент на преобразуване.
Температурни единици
Днес се използват три основни единици за показване на този параметър. У нас температурата обикновено се измерва в градуси по Целзий. Тази мерна единица се основава на точката на замръзване на водата - абсолютна стойност. Тя е отправната точка. Тоест температурата на водата, при която започва да се образува лед, е нула. В този случай водата служи като примерна мярка. Тази конвенция е приета за удобство. Втората абсолютна стойност е температурата на парата, тоест моментът, в който водата преминава от течно в газообразно състояние.
Следващата единица е Келвин. Референтната точка на тази система се счита за точката на абсолютната нула. И така, един градус Келвин е равен на един градус по Целзий. Разликата е само в началото на обратното броене. Получаваме, че нулата в Келвин ще бъде равна на минус 273,16 градуса по Целзий. През 1954 г. на Генералната конференция по мерки и теглилки беше решено терминът "градус Келвин" за единица за температура да се замени с "келвин".
Третата обща мерна единица е Фаренхайт. До 1960 г. те са били широко използвани във всички англоезични страни. Въпреки това, днес в ежедневието в Съединените щати използвайте това устройство. Системата е коренно различна от описаната по-горе. Взета като отправна точкаточка на замръзване на смес от сол, амоняк и вода в съотношение 1:1:1. Така че, по скалата на Фаренхайт, точката на замръзване на водата е плюс 32 градуса, а точката на кипене е плюс 212 градуса. В тази система един градус е равен на 1/180 от разликата между тези температури. И така, диапазонът от 0 до +100 градуса по Фаренхайт съответства на диапазона от -18 до +38 по Целзий.
Абсолютна нулева температура
Нека разберем какво означава този параметър. Абсолютната нула е граничната температура, при която налягането на идеалния газ изчезва при фиксиран обем. Това е най-ниската стойност в природата. Както прогнозира Михайло Ломоносов, „това е най-голямата или последна степен на студ“. От това следва химичният закон на Авогадро: равни обеми газове при една и съща температура и налягане съдържат еднакъв брой молекули. Какво следва от това? Има минимална температура на газ, при която налягането или обемът му изчезват. Тази абсолютна стойност съответства на нула Келвин или 273 градуса по Целзий.
Някои интересни факти за слънчевата система
Температурата на повърхността на Слънцето достига 5700 Келвина, а в центъра на ядрото - 15 милиона Келвина. Планетите на Слънчевата система са много различни една от друга по отношение на нивото на нагряване. И така, температурата на ядрото на нашата Земя е приблизително същата като на повърхността на Слънцето. Юпитер се счита за най-горещата планета. Температурата в центъра на ядрото му е пет пъти по-висока, отколкото на повърхността на Слънцето. И тук е най-ниската стойност на параметъразаписана на повърхността на Луната - тя беше само 30 келвина. Тази стойност е дори по-ниска, отколкото на повърхността на Плутон.
Земни факти
1. Най-високата температура, регистрирана от човек, е 4 милиарда градуса по Целзий. Тази стойност е 250 пъти по-висока от температурата на ядрото на Слънцето. Рекордът е поставен от нюйоркската природна лаборатория в Брукхейвън в йонния колайдер, който е дълъг около 4 километра.
2. Температурата на нашата планета също не винаги е идеална и комфортна. Например в град Верхноянск в Якутия температурата през зимата пада до минус 45 градуса по Целзий. Но в етиопския град Далол ситуацията е обратна. Там средната годишна температура е плюс 34 градуса.
3. Най-екстремните условия, при които хората работят, са регистрирани в златни мини в Южна Африка. Миньорите работят на дълбочина от три километра при температура от плюс 65 градуса по Целзий.
