Teplota

Teplota
,
Dimenze	Θ
Jednotky
SI	Na
GHS	Na

Teplota (z lat.  temperatura  - správné promíchání, normální stav ) je skalární fyzikální veličina , která charakterizuje termodynamický systém a kvantitativně vyjadřuje intuitivní pojetí různého stupně zahřívání těles.

Živé bytosti jsou schopny vnímat pocity tepla a chladu přímo pomocí smyslů. Přesné určení teploty však vyžaduje, aby byla teplota měřena objektivně, s pomocí přístrojů. Taková zařízení se nazývají teploměry a měří takzvanou empirickou teplotu . V empirické teplotní stupnici je stanoven jeden referenční bod a počet dílků mezi nimi - tak byly zavedeny v současnosti používané stupnice Celsia , Fahrenheita a další . Absolutní teplota měřená v kelvinech se zadává v jednom referenčním bodě [1] , přičemž se bere v úvahu skutečnost, že v přírodě existuje minimální mezní hodnota teploty -absolutní nula . Horní hodnota teploty je omezena Planckovou teplotou .

Pokud je systém v tepelné rovnováze, pak je teplota všech jeho částí stejná. V opačném případě systém předává energii z více vyhřívaných částí systému do méně vytápěných, což vede k vyrovnání teplot v systému a hovoří se o rozložení teplot v systému nebo o skalárním teplotním poli. V termodynamice je teplota intenzivní termodynamickou veličinou .

Spolu s termodynamikou lze v jiných odvětvích fyziky zavést další definice teploty. Molekulární kinetická teorie ukazuje, že teplota je úměrná průměrné kinetické energii částic systému. Teplota určuje rozložení částic systému podle energetických hladin (viz Maxwell-Boltzmannovy statistiky ), rozložení rychlosti částic (viz Maxwellovo rozdělení ), stupeň ionizace hmoty (viz rovnice Saha ), hustotu spektrálního záření (viz Planckův vzorec ), celkovou objemovou hustota záření (viz Stefan-Boltzmannův zákon ), atd. Teplota obsažená jako parametr v Boltzmannově rozdělení se často nazývá excitační teplota, v Maxwellově rozdělení - kinetická teplota, v Sahaově vzorci - ionizační teplota, ve Stefan-Boltzmannově rozdělení zákon - teplota záření. Pro systém v termodynamické rovnováze jsou si všechny tyto parametry navzájem rovny a zjednodušeně se jim říká teplota systému [2] .

V Mezinárodní soustavě veličin ( anglicky  International System of Quantities , ISQ) je termodynamická teplota zvolena jako jedna ze sedmi základních fyzikálních veličin soustavy. V Mezinárodní soustavě jednotek (SI) , založené na Mezinárodní soustavě jednotek, je jednotka této teploty, kelvin  , jednou ze sedmi základních jednotek SI [3] . V soustavě SI a v praxi se používá i Celsiova teplota , její jednotkou jsou stupně Celsia (°C), velikostně se rovná kelvinům [4] . To je výhodné, protože většina klimatických procesů na Zemi a procesů ve volné přírodě je spojena s rozsahem od -50 do +50 °С.

Teplota jako lokální parametr. Teplotní pole

Fyzika kontinua považuje teplotu za lokální makroskopickou proměnnou, tedy veličinu, která charakterizuje mentálně odlišenou oblast (elementární objem) spojitého prostředí (kontinua), jehož rozměry jsou nekonečně malé ve srovnání s nehomogenitami prostředí a nekonečně velké. ve vztahu k velikostem částic (atomů, iontů, molekul atd.) tohoto prostředí [5] . Hodnota teploty se může bod od bodu lišit (od jednoho elementárního objemu k druhému); rozložení teploty v prostoru v daném čase je dáno skalárním teplotním polem ( teplotním polem ) [6] . Teplotní pole může být buď nestacionární (měnící se v čase), nebo časově nezávislé stacionární. Médium se stejnou teplotou ve všech bodech se nazývá tepelně homogenní. Matematicky je teplotní pole popsáno rovnicí závislosti teploty na prostorových souřadnicích (někdy je uvažování omezeno na jednu nebo dvě souřadnice) a na čase. Pro tepelně homogenní systémy

Termodynamická definice

Historie termodynamického přístupu

Slovo „teplota“ vzniklo v době, kdy lidé věřili, že žhavější těla obsahují větší množství speciální látky – kalorické než méně zahřáté .[7] .

V rovnovážném stavu má teplota stejnou hodnotu pro všechny makroskopické části systému. Pokud mají dvě tělesa v systému stejnou teplotu, nedochází mezi nimi k přenosu kinetické energie ( tepla ) částic . Pokud je teplotní rozdíl, pak teplo přechází z tělesa s vyšší teplotou na těleso s nižší.

Teplota je také spojena se subjektivními pocity „tepla“ a „chladu“, které souvisí s tím, zda živá tkáň teplo vydává nebo ho přijímá.

Některé kvantově mechanické systémy (například pracovní těleso laseru , ve kterém jsou inverzně osídlené hladiny ) mohou být ve stavu, kdy se entropie nezvyšuje, ale klesá s přidáním energie, což formálně odpovídá záporné hodnotě. absolutní teplota. Takové stavy však nejsou „pod absolutní nulou“, ale „nad nekonečnem“, protože když se takový systém dostane do kontaktu s tělesem s kladnou teplotou, energie se ze systému přenese do těla a ne naopak (více podrobností, viz Záporná absolutní teplota ).

Vlastnosti teploty studuje obor fyzika  - termodynamika . Teplota také hraje důležitou roli v mnoha oblastech vědy, včetně jiných odvětví fyziky, stejně jako chemie a biologie .

Rovnovážné a nerovnovážné teploty

Systém v termodynamické rovnováze má stacionární teplotní pole. Pokud v takovém systému nejsou adiabatické (energeticky těsné) přepážky, pak mají všechny části systému stejnou teplotu. Jinými slovy, rovnovážná teplota tepelně homogenního systému není explicitně závislá na čase (ale může se měnit v kvazistatických procesech ). Nerovnovážný systém má obecně nestacionární teplotní pole, ve kterém má každý elementární objem média svou nerovnovážnou teplotu , která výslovně závisí na čase.

Teplota ve fenomenologické termodynamice

Definice teploty ve fenomenologické termodynamice závisí na způsobu, jakým je sestaven matematický aparát disciplíny (viz Axiomatika termodynamiky ).

Rozdíly ve formálních definicích termodynamické teploty v různých systémech pro konstrukci termodynamiky neznamenají, že některé z těchto systémů jsou zjevnější než jiné, protože ve všech těchto systémech je za prvé v popisné definici teplota považována za míru ohřevu / chlazení tělesa, a za prvé, za druhé, smysluplné definice, které stanoví vztah mezi termodynamickou teplotou a teplotními stupnicemi používanými k jejímu měření, se shodují.

V racionální termodynamice , která zpočátku odmítá dělení této disciplíny na termodynamiku rovnovážnou a termodynamiku nerovnovážnou (tedy nerozlišuje mezi rovnovážnou a nerovnovážnou teplotou), je teplota výchozí nedefinovanou proměnnou, popsanou pouze takovými vlastnostmi, které lze vyjádřit jazykem matematiky [8] . V racionální termodynamice jsou současně zavedeny pojmy energie, teplota, entropie a chemický potenciál ; je zásadně nemožné je samostatně určit. Technika zavádění těchto pojmů ukazuje, že lze uvažovat o mnoha různých teplotách, které odpovídají různým energetickým tokům. Například lze zavést teploty translačních a spinorových pohybů, teplotu záření atd. [9] .

Nulový princip (zákon) zavádí do rovnovážné termodynamiky pojem empirické teploty [10] [11] [12] [13] jako stavového parametru, jehož rovnost ve všech bodech je podmínkou tepelné rovnováhy v systému bez adiabatické oddíly.

V přístupu ke konstrukci termodynamiky, který používají stoupenci R. Clausiuse [14] , jsou parametry rovnovážného stavu - termodynamická teplota a entropie  - nastaveny pomocí termodynamického parametru charakterizujícího termodynamický proces . A to,

(Termodynamická teplota a entropie podle Clausia)

kde  je množství tepla přijatého nebo vydaného uzavřeným systémem v elementárním (nekonečně malém) rovnovážném procesu . Dále je pojem termodynamická teplota podle Clausiuse rozšířen na otevřené systémy a nerovnovážné stavy a procesy , obvykle bez konkrétního určení, že hovoříme o zařazení dalších axiomů do množiny použitých termodynamických zákonů.

V Carathéodoryho axiomatice [15] [16] je uvažována diferenciální forma Pfaffa a rovnovážná termodynamická teplota je považována za integrujícího dělitele této diferenciální formy [17] .

V systému axiomů A. A. Gukhmana [18] [19] je změna vnitřní energie systému v elementárním rovnovážném procesu vyjádřena interakčními potenciály a stavovými souřadnicemi :

(Guchmannova rovnice)

navíc, tepelný potenciál je termodynamická teplota a tepelná souřadnice je entropie ; tlak (s opačným znaménkem) hraje roli potenciálu mechanické deformační interakce pro izotropní kapaliny a plyny a objem je souřadnice spojená s tlakem; v chemických a fázových přeměnách jsou souřadnicemi stavu a potenciály hmotnosti složek a jejich konjugované chemické potenciály. Jinými slovy, v Guchmannově axiomatice jsou teplota, entropie a chemické potenciály zavedeny do rovnovážné termodynamiky současně prostřednictvím základní Gibbsovy rovnice . Termín stavové souřadnice používaný Guchmanem a jeho následovníky , jejichž seznam spolu s geometrickými, mechanickými a elektromagnetickými proměnnými zahrnuje entropii a hmotnosti složek, eliminuje nejednoznačnost spojenou s termínem zobecněné termodynamické souřadnice : někteří autoři se odvolávají na zobecněné souřadnice, kromě jiných proměnných složky entropie a hmotnosti [20] , zatímco jiné jsou omezeny na geometrické, mechanické a elektromagnetické proměnné [21] .)

V Gibbsově termodynamice je rovnovážná teplota vyjádřena pomocí vnitřní energie a entropie [22] [23] [24]

(Termodynamická teplota podle Gibbse)

kde  je množina (bez entropie) přirozených proměnných vnitřní energie, považovaných za charakteristické funkce . Rovnost teplot ve všech bodech systému bez adiabatických přepážek jako podmínka tepelné rovnováhy v Gibbsově termodynamice vyplývá z extrémních vlastností vnitřní energie a entropie ve stavu termodynamické rovnováhy.

Falkova a Youngova axiomatika [25] při definování entropie nerozlišuje mezi rovnovážnými a nerovnovážnými stavy, a proto je definice teploty uvedená v tomto systému axiomů prostřednictvím entropie a vnitřní energie stejně použitelná pro všechny tepelně homogenní systémy:

(Termodynamická teplota podle Falka a Younga)

kde  je množina (která nezahrnuje vnitřní energii) nezávislých proměnných entropie.

Princip lokální rovnováhy umožňuje nerovnovážným systémům vypůjčit si definici teploty z rovnovážné termodynamiky a použít tuto proměnnou jako nerovnovážnou teplotu elementárního objemu média [26] .

V rozšířené nerovnovážné termodynamice (RNT), založené na odmítnutí principu lokální rovnováhy, je nerovnovážná teplota dána vztahem podobným tomu, který se používá v axiomatice Falka a Younga (viz Termodynamická teplota podle Falka a Younga ), ale s jinou sadou nezávislých proměnných pro entropii [27] . Lokálně rovnovážná termodynamická teplota podle Gibbse se od nerovnovážné teploty PNT liší také volbou nezávislých proměnných pro entropii [27] .

V axiomatice N. I. Belokona [28] . Prvotní definice teploty vyplývá z Belokonova postulátu, který nese název – postulát druhého zákona termostatu. Teplota je jedinou funkcí stavu těles, která určuje směr samovolné výměny tepla mezi těmito tělesy, to znamená, že tělesa v tepelné rovnováze mají stejnou teplotu na jakékoli teplotní stupnici. Z toho vyplývá, že dvě tělesa, která spolu nemají tepelný kontakt, ale každé z nich je v tepelné rovnováze s třetím (měřicím zařízením), mají stejnou teplotu.

Empirické, absolutní a termodynamické teploty

Teplotu nelze měřit přímo. Změna teploty se posuzuje podle změny jiných fyzikálních vlastností těles ( objem , tlak , elektrický odpor , EMF , intenzita záření atd.), s ní jednoznačně spojených (tzv. termometrické vlastnosti). Kvantitativně se teplota určuje uvedením způsobu jejího měření pomocí jednoho nebo druhého teploměru. Taková definice zatím nestanoví ani počátek, ani jednotku teploty, proto je jakákoliv metoda měření teploty spojena s volbou teplotní stupnice . Empirická teplota  je teplota naměřená na zvolené teplotní stupnici.

Definice termodynamické teploty dané fenomenologickou termodynamikou nezávisí na volbě termometrické vlastnosti použité k jejímu měření; jednotka teploty se nastavuje pomocí jedné z termodynamických teplotních stupnic .

V termodynamice se na základě zkušeností akceptuje jako axiom, že rovnovážná termodynamická teplota je veličina, která je na jedné straně omezená pro všechny systémy a teplota odpovídající této hranici je pro všechny termodynamické systémy stejná a tedy , lze použít jako přirozený referenční bod teplotní stupnice. Pokud je tomuto referenčnímu bodu přiřazena hodnota teploty rovna nule, pak teploty na stupnici založené na tomto referenčním bodu budou mít vždy stejné znaménko [29] . Přiřazením kladné hodnoty teploty druhému referenčnímu bodu se získá absolutní teplotní stupnice s kladnými teplotami; teplota měřená od absolutní nuly se nazývá absolutní teplota [30] . Podle toho se termodynamická teplota měřená od absolutní nuly nazývá absolutní termodynamická teplota (viz Kelvinova teplotní stupnice ). Příkladem empirické teplotní stupnice s odečítáním teploty od absolutní nuly je mezinárodní praktická teplotní stupnice .

Teplotní stupnice Celsia není absolutní.

Absolutností teploty někteří autoři míní nikoli její čtení z absolutní nuly, ale nezávislost teploty na volbě termometrické vlastnosti použité k jejímu měření [31] [32] .

Záporné absolutní teploty

Rovnovážná termodynamická absolutní teplota je vždy kladná (viz Empirické, absolutní a termodynamické teploty ). Použití záporných teplot (na Kelvinově stupnici) je vhodnou matematickou technikou pro popis nerovnovážných systémů se speciálními vlastnostmi [33] . Tato technika spočívá v mentálním oddělení objektů se speciálními vlastnostmi, které jsou součástí fyzického systému, do samostatného subsystému a odděleného zvážení výsledného dílčího subsystému . Jinými slovy, stejný objem prostoru je považován za současně obsazený dvěma nebo více dílčími subsystémy, které spolu slabě interagují.

Příkladem použití tohoto přístupu je uvažování jaderných spinů krystalu umístěného v magnetickém poli jako systému slabě závislého na tepelných vibracích krystalové mřížky. Při rychlé změně směru magnetického pole na opačnou, kdy spiny nestihnou sledovat měnící se pole, bude mít systém jaderných spinů po určitou dobu negativní nerovnovážnou teplotu [34] , tedy od r. z formálního hlediska budou v tuto chvíli ve stejné prostorové oblasti existovat dva slabě interagující systémy s různými teplotami [35] . Díky interakci, která stále probíhá, se teploty obou systémů po nějaké době vyrovnají.

Formalismus klasické fenomenologické termodynamiky lze doplnit představami o záporných absolutních teplotách [36] [35] . V souladu s Tisovým postulátem je vnitřní energie jakéhokoli systému omezena zdola a tato hranice odpovídá teplotě absolutní nuly [37] . V systémech, které mají nejen spodní, ale i horní hranici vnitřní energie, s rostoucí teplotou vnitřní energie roste a dosahuje své mezní hodnoty; další zvýšení teploty již nevede ke zvýšení vnitřní energie, ale ke snížení entropie systému ( at ) [35] . V souladu se vzorci termodynamiky to odpovídá přechodu z oblasti kladných teplot přes bod s teplotou (body s teplotami a jsou fyzikálně shodné [38] ) směrem k bodu s nedosažitelnou mezní hodnotou teploty rovnou [39] [35] .

Molekulární kinetická definice

V molekulární kinetické teorii je teplota definována jako veličina, která charakterizuje průměrnou kinetickou energii částic makroskopického systému, který je ve stavu termodynamické rovnováhy , na jeden stupeň volnosti .

... měřítkem teploty není pohyb samotný, ale náhodnost tohoto pohybu. Nahodilost stavu tělesa určuje jeho teplotní stav a tato myšlenka (kterou jako první rozvinul Boltzmann), že určitý tepelný stav tělesa není vůbec určen energií pohybu, ale náhodností tohoto pohybu. , je nový koncept v popisu tepelných jevů, který musíme použít ...P. L. Kapitsa [40]

Definice teploty ve statistické fyzice

Ve statistické fyzice je teplota definována jako derivace energie systému s ohledem na jeho entropii:

kde  je entropie ,  je energie termodynamického systému. Takto zavedená hodnota je stejná pro různá tělesa v termodynamické rovnováze. Když se dvě těla dostanou do kontaktu, tělo s vyšší hodnotou dá energii tomu druhému.

Měření teploty

Pro měření termodynamické teploty se volí určitý termodynamický parametr termometrické látky. Změna tohoto parametru je jednoznačně spojena se změnou teploty. Klasickým příkladem termodynamického teploměru je plynový teploměr , ve kterém se teplota zjišťuje měřením tlaku plynu ve válci s konstantním objemem. Jsou známy také absolutní radiační, hlukové a akustické teploměry.

Termodynamické teploměry jsou velmi složitá zařízení, která nelze použít pro praktické účely. Proto se většina měření provádí pomocí praktických teploměrů, které jsou druhotné, protože nemohou přímo spojit některé vlastnosti látky s teplotou. Pro získání interpolační funkce musí být kalibrovány v referenčních bodech mezinárodní teplotní stupnice.

Pro měření teploty tělesa obvykle měří nějaký fyzikální parametr související s teplotou, například geometrické rozměry (viz Dilatometr ) pro plyny - objem nebo tlak , rychlost zvuku , elektrickou vodivost , elektromagnetickou absorpci nebo spektra záření (např. pyrometry a měření teploty fotosfér a atmosfér hvězd  - v druhém případě pomocí Dopplerova rozšíření spektrálních čar absorpce nebo emise).

V každodenní praxi se teplota obvykle měří pomocí speciálních zařízení - kontaktních teploměrů . V tomto případě se teploměr uvede do tepelného kontaktu se zkoumaným tělem a po ustavení termodynamické rovnováhy těla a teploměru se jejich teploty vyrovnají, teplota těla se posoudí podle změn některých měřitelných fyzikálních veličin. parametr teploměru. Tepelný kontakt mezi teploměrem a tělem musí být dostatečný, aby došlo k rychlejšímu vyrovnání teplot, také zrychlení vyrovnání teploty se dosáhne snížením tepelné kapacity teploměru ve srovnání se zkoumaným tělesem, obvykle zmenšením velikosti teploměr. Snížení tepelné kapacity teploměru také méně zkresluje výsledky měření , protože menší část tepla zkoumaného tělesa je odebírána nebo předávána teploměru. Ideální teploměr má nulovou tepelnou kapacitu [41] .

Přístroje na měření teploty jsou často odstupňovány podle relativních stupnic - Celsia nebo Fahrenheita.

V praxi se k měření používá i teplota

• kapalinové a mechanické teploměry ,
• termočlánek ,
• odporový teploměr ,
• plynový teploměr ,
• pyrometr .

Nejpřesnějším praktickým teploměrem je platinový odporový teploměr [42] . Byly vyvinuty nejnovější metody měření teploty založené na měření parametrů laserového záření [43] .

Jednotky a stupnice měření teploty

Protože teplota je mírou průměrné kinetické energie tepelného pohybu částic soustavy [44] , bylo by nejpřirozenější ji měřit v energetických jednotkách (tedy v soustavě SI v joulech ; viz též eV ) . Na základě poměru teploty a energie částic v monoatomickém ideálním plynu Ekin = 3 ⁄ 2 kT [45] . V jednotkách teploty 1 eV odpovídá 11 604,518 12 K [46] (viz Boltzmannova konstanta ) [47] .

Měření teploty však začalo dlouho před vytvořením molekulární kinetické teorie , takže všechny praktické váhy měří teplotu v libovolných jednotkách - stupních.

absolutní teplota. Kelvinova teplotní stupnice

Pojem absolutní teploty zavedl W. Thomson (Kelvin) , v souvislosti s nímž se absolutní teplotní stupnice nazývá Kelvinova stupnice nebo termodynamická teplotní stupnice. Jednotkou absolutní teploty je kelvin (K).

Absolutní teplotní stupnice se tak nazývá proto, že mírou základního stavu dolní meze teploty je absolutní nula , tedy nejnižší možná teplota, při které v zásadě není možné z látky získat tepelnou energii.

Absolutní nula je definována jako 0 K, což je -273,15 °C a -459,67 °F.

Kelvinova teplotní stupnice je stupnice, která se měří od absolutní nuly .

Velký význam má vývoj na základě Kelvinovy ​​termodynamické škály Mezinárodních praktických škál založených na referenčních bodech - fázových přechodech čistých látek, stanovených metodami primární termometrie. První mezinárodní teplotní stupnice byla ITS-27 přijatá v roce 1927. Od roku 1927 byla stupnice několikrát předefinována (MTSh-48, MPTSh-68, MTSh-90): změnily se referenční teploty a interpolační metody, ale princip zůstává stejný - základem stupnice je sada fází přechody čistých látek s určitými hodnotami termodynamických teplot a interpolačními přístroji odstupňovanými v těchto bodech. V současné době je v platnosti stupnice ITS-90. Hlavní dokument (Regulations on the scale) stanoví definici Kelvina, hodnoty teplot fázového přechodu (referenční body) [48] a interpolační metody.

Teplotní stupnice používané v každodenním životě - jak Celsia , tak Fahrenheita (používané hlavně v USA ) - nejsou absolutní, a proto nepohodlné při provádění experimentů v podmínkách, kdy teplota klesá pod bod mrazu vody, kvůli čemuž musí být teplota vyjádřil záporné číslo. Pro takové případy byly zavedeny absolutní teplotní stupnice.

Jedna z nich se nazývá Rankinova stupnice a druhá absolutní termodynamická stupnice (Kelvinova stupnice); teploty se měří ve stupních Rankina (°Ra) a kelvinech (K). Obě stupnice začínají na absolutní nule. Liší se tím, že cena jednoho dílku na Kelvinově stupnici se rovná ceně dílku Celsiovy stupnice a cena dílku Rankinovy ​​stupnice je ekvivalentní ceně dílku teploměrů se stupnicí Fahrenheit. Bod tuhnutí vody při standardním atmosférickém tlaku odpovídá 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Stupnice Kelvinovy ​​stupnice byla vázána na trojný bod vody (273,16 K), zatímco Boltzmannova konstanta na něm závisela . To způsobilo problémy s přesností interpretace měření vysokých teplot. Proto byla v letech 2018-2019 v rámci změn v SI zavedena nová definice kelvinů, založená na fixaci číselné hodnoty Boltzmannovy konstanty, namísto vazby na teplotu trojného bodu [49] .

Celsiova stupnice

Ve strojírenství, medicíně, meteorologii a v každodenním životě se Celsiova stupnice používá jako jednotka teploty . V současné době se v soustavě SI termodynamická Celsiova stupnice určuje pomocí Kelvinovy ​​stupnice [4] : ​​t(°C) = T(K) - 273,15 (přesně), tedy cena jedné divize ve stupních Celsia. stupnice se rovná ceně dělení Kelvinovy ​​stupnice. Na Celsiově stupnici je teplota trojného bodu vody přibližně 0,008 °C, [50] a proto je bod tuhnutí vody při tlaku 1 atm velmi blízký 0 °C. Bod varu vody, původně zvolený Celsiem jako druhý pevný bod s hodnotou, podle definice rovnou 100 °C, ztratil status jednoho z měřítek. Podle moderních odhadů je bod varu vody při normálním atmosférickém tlaku na Celsiově termodynamické stupnici asi 99,975 °C. Celsiova stupnice je z praktického hlediska velmi výhodná, protože voda a její podmínky jsou běžné a nesmírně důležité pro život na Zemi . Nula na této stupnici je zvláštní bod pro meteorologii , protože je spojen se zamrzáním atmosférické vody. Stupnici navrhl Anders Celsius v roce 1742.

Fahrenheitova stupnice

V Anglii a zejména v USA se používá stupnice Fahrenheit. Nula stupňů Celsia je 32 stupňů Fahrenheita a 100 stupňů Celsia je 212 stupňů Fahrenheita.

Současná definice stupnice Fahrenheit je následující: je to teplotní stupnice, jejíž 1 stupeň (1 °F) se rovná 1/180 rozdílu mezi bodem varu vody a táním ledu při atmosférickém tlaku, a bod tání ledu je +32 °F. Teplota na stupnici Fahrenheita souvisí s teplotou na stupnici Celsia (t ° C) poměrem t ° C \u003d 5/9 (t ° F - 32), t ° F \u003d 9/5 t ° C + 32. Navrhl G. Fahrenheit v roce 1724.

Réaumurova stupnice

Navrhl jej v roce 1730 R. A. Reaumur , který popsal lihový teploměr, který vynalezl.

Jednotkou je stupeň Réaumur (°Ré), 1 °Ré se rovná 1/80 teplotního intervalu mezi referenčními body - teplota tání ledu (0 °Ré) a bod varu vody (80 °Ré)

1 °Ré = 1,25 °C.

V současné době váha zanikla, nejdéle se dochovala ve Francii , v autorově domovině.

Energie tepelného pohybu při absolutní nule

Jak se hmota ochlazuje, velikost mnoha forem tepelné energie a jejich souvisejících účinků současně klesá. Hmota se pohybuje z méně uspořádaného stavu do uspořádanějšího stavu.

... moderní pojetí absolutní nuly není pojmem absolutního klidu, naopak při absolutní nule může dojít k pohybu - a je, ale je to stav úplného řádu ...P. L. Kapitsa [40]

Plyn se mění v kapalinu a následně krystalizuje v pevnou látku (helium zůstává v kapalném stavu při atmosférickém tlaku i při absolutní nule). Pohyb atomů a molekul se zpomaluje, jejich kinetická energie klesá. Odpor většiny kovů klesá v důsledku snížení rozptylu elektronů atomy krystalové mřížky vibrujícími s menší amplitudou. I při absolutní nule se tedy vodivostní elektrony pohybují mezi atomy Fermiho rychlostí řádově 10 6 m/s.

Teplota, při které mají částice hmoty minimální množství pohybu, který je zachován pouze díky kvantově mechanickému pohybu, je teplota absolutní nuly (T = 0K).

Teploty absolutní nuly nelze dosáhnout. Nejnižší teplotu (450±80)⋅10 −12 K Bose-Einsteinova kondenzátu atomů sodíku získali v roce 2003 výzkumníci z MIT [51] . V tomto případě je vrchol tepelného záření v oblasti vlnových délek řádově 6400 km, tedy přibližně poloměru Země.

Teplota a záření

Energie vyzařovaná tělesem je úměrná čtvrté mocnině jeho teploty. Takže při 300 K je z metru čtverečního povrchu vyzařováno až 450 wattů . To vysvětluje například noční ochlazení zemského povrchu pod teplotu okolního vzduchu. Energii záření černého tělesa popisuje Stefan-Boltzmannův zákon

Přechody z různých měřítek

Porovnání teplotních stupnic

¹ Normální průměrná teplota lidského těla je +36,6 °C ±0,7 °C nebo +98,2 °F ±1,3 °F. Běžně uváděná hodnota +98,6°F je přesný převod Fahrenheita z německé hodnoty z 19. století +37°C. Tato hodnota však není v rozmezí normální průměrné teploty lidského těla, protože teplota různých částí těla je různá. [53]

² Některé hodnoty v této tabulce jsou zaokrouhlené. Například teplota povrchu Slunce je velmi blízko 5800 Kelvinům. Pro zbytek teplotních stupnic však již byl uveden přesný výsledek převodu 5800 kelvinů na tuto stupnici.

Charakterizace fázových přechodů

K popisu bodů fázových přechodů různých látek se používají následující hodnoty teploty:

• Teplota tání
• Teplota varu
• Teplota žíhání
• Teplota spékání
• Teplota syntézy
• teplota půdy
• homologní teplota
• trojitý bod
• Debyeova teplota (charakteristická teplota)
• Curieova teplota
• Néel teplota

Psychologie vnímání

Jak ukazují výsledky četných experimentů, pocit chladu nebo tepla závisí nejen na teplotě a vlhkosti prostředí, ale také na náladě. Pokud se tedy subjekt cítí osamělý, je například v místnosti s lidmi, kteří nesdílejí jeho názory nebo hodnoty, nebo je prostě daleko od ostatních lidí, pak se pro něj místnost stává chladnější a naopak [54] .

Zajímavosti

• Nejvyšší teploty vytvořené člověkem ~ 10⋅10 12 K (což je srovnatelná s teplotou vesmíru v prvních sekundách jeho života) bylo dosaženo v roce 2010 při srážce iontů olova urychlených na rychlosti blízké světlu . Experiment byl proveden na Large Hadron Collider [55] .
• Nejvyšší teoreticky možná teplota je Planckova teplota . Vyšší teplota podle moderních fyzikálních konceptů nemůže existovat, protože dodání dodatečné energie systému zahřátému na takovou teplotu nezvyšuje rychlost částic, ale pouze generuje nové částice při srážkách, zatímco počet částic v systému roste. a hmotnost systému také roste. Můžeme předpokládat, že se jedná o teplotu „varu“ fyzikálního vakua. Přibližně se rovná 1,41679(11)⋅10 32 K (přibližně 142 nonillion K).
• Povrch Slunce má teploty kolem 6000 K a sluneční jádro má teploty  kolem 15 000 000 K.
• Při velmi nízké teplotě, kterou v roce 1995 získali Eric Cornell a Carl Wiman z USA, byl chlazením atomů rubidia získán Bose-Einsteinův kondenzát [56] [57] . Teplota byla 170 miliardtin kelvinu (1,7⋅10 −7 K) nad absolutní nulou .
• Nejnižší teplota získaná v experimentu je teplota 50 pikokelvinů (5⋅10 −11 K), kterou získala skupina ze Stanfordské univerzity v roce 2015 [58] .
• Rekordně nízká teplota na zemském povrchu -89,2 °C byla zaznamenána na sovětské vnitrozemské vědecké stanici Vostok, Antarktida (nadmořská výška 3488 m n. m.) 21. července 1983 [59] [60] . V červnu 2018 se objevila informace o teplotě −98 °C zaznamenané v Antarktidě [61] .
• Dne 9. prosince 2013 na konferenci Americké geofyzikální unie skupina amerických výzkumníků oznámila, že 10. srpna 2010 klesla teplota vzduchu v jednom z bodů Antarktidy na -135,8 ° F (-93,2 ° С) . Tyto informace byly odhaleny jako výsledek analýzy satelitních dat NASA [62] . Podle Teda Scambose, který  se zprávou mluvil, nebude získaná hodnota registrována jako záznam, protože byla určena jako výsledek satelitního měření a nikoli teploměrem [63] .
• Rekordně vysoká teplota vzduchu v blízkosti zemského povrchu +56,7 ˚C byla zaznamenána 10. července 1913 na Greenland Ranch v Death Valley ( Kalifornie , USA) [64] [65] .
• Semena vyšších rostlin zůstávají životaschopná i po ochlazení na -269 °C.

Viz také

• Záporná absolutní teplota
• Barevná teplota
• Teplota jasu
• Teplota antény
• Tepelné čerpadlo
• Virtuální teplota
• Teplota vzduchu
• Tělesná teplota

Poznámky

1. ↑ 10. Generální konference o vahách a mírách v roce 1954 přijala trojitý bod vody jako referenční bod a podle definice mu přisoudila přesnou hodnotu teploty 273,16 K.
2. ↑ Fyzika. Velký encyklopedický slovník / Ch. vyd. A. M. Prochorov. - M . : Velká ruská encyklopedie, 1998. - S. 741. - 944 s.
3. ↑ Brožura SI Archivována 26. dubna 2006 na Wayback Machine Popis SI na webových stránkách International Bureau of Weights and Measures
4. ↑ 1 2 GOST 8.417-2002. Státní systém pro zajištění jednotnosti měření. Jednotky množství. . Staženo 3. prosince 2018. Archivováno z originálu dne 20. září 2018. (neurčitý)
5. ↑ Zhilin P. A., Racionální mechanika kontinua, 2012 , s. 84.
6. ↑ Pole teploty . TSB, 3. vydání, 1976, v. 25 . Získáno 27. března 2015. Archivováno z originálu dne 2. dubna 2015. (Ruština)
7. ↑ Taťána Danina. Mechanika těla . — Litry, 2017-09-05. — 163 str. — ISBN 9785457547490 . Archivováno 26. dubna 2018 na Wayback Machine
8. ↑ K. Truesdell, Termodynamika pro začátečníky, 1970 , s. 117.
9. ↑ Zhilin P. A., Racionální mechanika kontinua, 2012 , s. 48.
10. ↑ Fyzika. Velký encyklopedický slovník, 1998 , str. 751.
11. ↑ Zalewski, K., Fenomenologická a statistická termodynamika, 1973 , s. 11–12.
12. ↑ Vukalovich M.P., Novikov I.I., Termodynamika, 1972 , s. jedenáct.
13. ↑ A. Sommerfeld, Termodynamika a statistická fyzika, 1955 , str. jedenáct.
14. ↑ Clausius R., Mechanická teorie tepla, 1934 .
15. ↑ Carathéodory K., O základech termodynamiky, 1964 .
16. ↑ Born, M., Kritika tradiční prezentace termodynamiky, 1964 .
17. ↑ Bazarov I.P., Termodynamika, 2010 , s. 57.
18. ↑ Gukhman A. A., On the foundations of thermodynamics, 1986 .
19. ↑ Leonova V.F., Termodynamika, 1968 .
20. ↑ Bazarov I.P., Termodynamika, 2010 , s. 29, 58, 127, 171.
21. ↑ Kubo R., Termodynamika, 1970 , str. 20–21.
22. ↑ Gibbs, J.W., Termodynamika. Statistická mechanika, 1982 , str. 93.
23. ↑ Guggenheim E.A., Termodynamika, 1986 , s. patnáct.
24. ↑ Callen H. B., Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics, 1986 , str. 35.
25. ↑ Falk G., Jung H., Axiomatik der Thermodynamik, 1959 , s. 156.
26. ↑ Gyarmati, I., Nerovnovážná termodynamika, 1974 , s. 26.
27. ↑ 1 2 Jou D. ea, Rozšířená nevratná termodynamika, 2010 , str. 48.
28. ↑ Belokon N.I., Základní principy termodynamiky, 1968 , s. deset.
29. ↑ Bazarov I.P., Termodynamika, 2010 , s. 62.
30. ↑ Absolutní teplota . TSB, 3. vydání, 1969, v. 1 . Datum přístupu: 27. března 2015. Archivováno z originálu 21. února 2015. (Ruština)
31. ↑ I. Prigozhin, D. Kondepudi, Moderní termodynamika, 2002 , str. 23, 83, 86.
32. ↑ Sorokin V.S., Makroskopická nevratnost a entropie. Úvod do termodynamiky, 2004 , str. 60.
33. ↑ Záporná teplota . TSB, 3. vydání, 1975, v. 19 . Získáno 27. března 2015. Archivováno z originálu 2. dubna 2015. (Ruština)
34. ↑ Landau L. D., Lifshits E. M., Statistická fyzika. Část 1, 2002 , str. 262.
35. ↑ 1 2 3 4 Powles, D., Negativní absolutní teploty, 1964 .
36. ↑ Bazarov I.P., Termodynamika, 2010 , s. 136–148.
37. ↑ Tisza L., Generalized Thermodynamics, 1966 , s. 125.
38. ↑ Landau L. D., Lifshits E. M., Statistická fyzika. Část 1, 2002 , str. 261.
39. ↑ Bazarov I.P., Termodynamika, 2010 , s. 137–138.
40. ↑ 1 2 Kapitsa P.L. Vlastnosti kapalného helia  // Příroda . - Věda , 1997. - č. 12 . Archivováno z originálu 21. února 2016. (Ruština)
41. ↑ Shakhmaev N.M. a další.Fyzika : Učebnice pro 10. ročník vzdělávacích institucí. - M . : Vzdělávání , 1996. - S. 21. - 240 s. — ISBN 5090067937 .
42. ↑ Platinum [[odporový teploměr]] - hlavní zařízení ITSh-90. . Získáno 5. května 2010. Archivováno z originálu 8. června 2010. (neurčitý)
43. ↑ Laserová termometrie . Získáno 5. května 2010. Archivováno z originálu 8. června 2010. (neurčitý)
44. ↑ Teplota // Velká ruská encyklopedie  : [ve 35 svazcích]  / kap. vyd. Yu. S. Osipov . - M  .: Velká ruská encyklopedie, 2004-2017.
45. ↑ Elektronvolt // Fyzikální encyklopedie / Kap. vyd. A. M. Prochorov . - M . : Velká ruská encyklopedie , 1998. - T. 5. Stroboskopické přístroje - Jas. - S. 545. - 760 s. — ISBN 5-85270-101-7 .
46. ↑ http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Archivováno 8. prosince 2013 na Wayback Machine Fundamental Physical Constants – Complete Listing
47. ↑ Konverzní faktory pro energetické ekvivalenty . Získáno 17. února 2021. Archivováno z originálu dne 26. ledna 2021. (neurčitý)
48. ↑ Referenční body ITS-90 . Získáno 5. května 2010. Archivováno z originálu 17. září 2011. (neurčitý)
49. ↑ Vývoj nové definice kelvinu . Získáno 5. května 2010. Archivováno z originálu 8. června 2010. (neurčitý)
50. ↑ D. A. Parshin, G. G. Zegrya. Kritický bod. Vlastnosti látky v kritickém stavu. Trojitý bod. Fázové přechody druhého druhu. Metody pro získání nízkých teplot. (nedostupný odkaz) . Statistická termodynamika. Přednáška 11 . Petrohradská akademická univerzita. Získáno 2. června 2011. Archivováno z originálu 3. prosince 2012. (Ruština) 
51. ↑ Belle Dume. Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty překonávají teplotní rekord  ( 12. září 2003). Získáno 24. července 2013. Archivováno z originálu dne 25. července 2013.
52. ↑ Fahrenheitova stupnice  // Velká ruská encyklopedie  : [ve 35 svazcích]  / kap. vyd. Yu. S. Osipov . - M  .: Velká ruská encyklopedie, 2004-2017.
53. ↑ O různých měřeních tělesné teploty Archivováno 26. září 2010 na Wayback Machine 
54. ↑ Talma Lobel, 2014 , str. 24.
55. ↑ Zprávy BBC – Velký hadronový urychlovač (LHC) generuje „mini-velký třesk“ . Získáno 15. listopadu 2010. Archivováno z originálu 15. listopadu 2010. (neurčitý)
56. ↑ Vše o všem. Teplotní rekordy . Datum přístupu: 16. prosince 2009. Archivováno z originálu 25. září 2013. (neurčitý)
57. ↑ Zázraky vědy (nepřístupný odkaz) . Získáno 16. prosince 2009. Archivováno z originálu 1. prosince 2012. (neurčitý) 
58. ↑ Kde je nejchladnější experiment na Zemi?  (anglicky) . Staženo 23. února 2020. Archivováno z originálu 23. února 2020.
59. ↑ Nejnižší teplota na povrchu Země (nedostupný odkaz) . National Geographic Rusko. Získáno 9. prosince 2013. Archivováno z originálu 13. prosince 2013. (neurčitý) 
60. ↑ World: Lowest Temperature  (anglicky)  (odkaz není k dispozici) . Arizona State University. Získáno 9. prosince 2013. Archivováno z originálu 16. června 2010.
61. ↑ Vědci zaznamenali nejnižší teplotu na planetě v Antarktidě . Získáno 27. června 2018. Archivováno z originálu 27. června 2018. (neurčitý)
62. ↑ Satelit NASA-USGS Landsat 8 přesně určil nejchladnější místa na  Zemi . NASA . Získáno 10. prosince 2013. Archivováno z originálu 12. prosince 2013.
63. ↑ Antarktida vytvořila rekord nízké teploty -135,8 stupňů  . foxnews . Získáno 10. prosince 2013. Archivováno z originálu 11. prosince 2013.
64. ↑ Starý teplotní záznam napaden (nepřístupný odkaz) . Kompulentní. Získáno 30. listopadu 2013. Archivováno z originálu 3. prosince 2013. (neurčitý) 
65. ↑ Tisková zpráva č. 956  (anglicky)  (odkaz není k dispozici) . Světová meteorologická organizace. Získáno 30. listopadu 2013. Archivováno z originálu 6. dubna 2016.

Literatura

• Callen H. B. Termodynamika a úvod do termostatu  . — 2. vyd. — N. Y. e. a.: John Wiley, 1986. - XVI. + 493 s. - ISBN 0471862568 , 9780471862567.
• Falk G., Jung H. Axiomatik der Thermodynamik  (německy)  // Flügge S. (ed.). Encyklopedie fyziky / Flügge S. (Hrsg.). Handbuch der Physik. - Springer-Verlag, 1959. - Sv. III/2. Základy termodynamiky a statistiky / Pásmo III/2. Prinzipien der Thermodynamik und Statistik, S. 119–175.
• Guggenheim E. A. Termodynamika: Pokročilá léčba pro chemiky a fyziky. — 8. vyd. - Amsterdam: North-Holland, 1986. - XXIV + 390 s. — ISBN 0444869514 , 9780444869517.
• Jou D., Casas-Vázquez J., Lebon G. Rozšířená nevratná termodynamika  . — 4. vyd. — NY—Dordrecht—Heidelberg—Londýn: Springer, 2010. — XVIII + 483 s. — ISBN 978-90-481-3073-3 . - doi : 10.1007/978-90-481-3074-0 .
• Tisza Laszlo. Zobecněná termodynamika. - Cambridge (Massachusetts) - Londýn (Anglie): The MIT Press, 1966. - XI + 384 s.
• Bazarov I.P. Termodynamika. - 5. vyd. - SPb.-M.-Krasnodar: Lan, 2010. - 384 s. - (Učebnice pro vysoké školy. Odborná literatura). - ISBN 978-5-8114-1003-3 .
• Belokon NI Základní principy termodynamiky. - M. : Nedra, 1968. - 112 s.
• Born M. Kritické poznámky k tradiční prezentaci termodynamiky  // Vývoj moderní fyziky. - M.: Nauka, 1964. - S. 223-256 . (Ruština)
• Vukalovič M. P., Novikov I. I. Termodynamika. - M .: Mashinostroenie, 1972. - 671 s.
• Gibbs J. W. Termodynamika. Statistická mechanika / Ed. vyd. D. N. Zubarev. - M. : Nauka, 1982. - 584 s. - (Klasika vědy).
• Gukhman A. A. O základech termodynamiky. - Alma-Ata: Nakladatelství Akademie věd Kazašské SSR, 1947. - 106 s.
• Gukhman A. A. O základech termodynamiky. — M .: Energoatomizdat, 1986. — 384 s.
• Gyarmati I. Nerovnovážná termodynamika. Teorie pole a variační principy. — M .: Mir, 1974. — 304 s.
• Zhilin P.A. Racionální mechanika kontinua. - 2. vyd. - Petrohrad. : Polytechnické nakladatelství. un-ta, 2012. - 584 s. - ISBN 978-5-7422-3248-3 .
• Zalewski K. Fenomenologická a statistická termodynamika: Krátký kurz přednášek / Per. z polštiny. pod. vyd. L. A. Serafimová. - M .: Mir, 1973. - 168 s.
• Sommerfeld A. Termodynamika a statistická fyzika / Per. s ním .. - M . : Izd-vo inostr. literatura, 1955. - 480 s.
• Carathéodory K. K základům termodynamiky  // Vývoj moderní fyziky. - M.: Nauka, 1964. - S. 3-22 . (Ruština)
• Clausius R. Mechanická teorie tepla  // Druhý zákon termodynamiky. - M.-L.: Gostekhizdat, 1934. - S. 70-158 . (Ruština)
• Kubo R. Termodynamika. - M .: Mir, 1970. - 304 s.
• Landau L. D., Lifshitz E. M. Statistická fyzika. Část 1. - 5. vyd. — M. : Fizmatlit, 2002. — 616 s. - (Teoretická fyzika v 10 svazcích. Svazek 5). — ISBN 5-9221-0054-8 .
• Leonova VF termodynamika. - M . : Vyšší škola, 1968. - 159 s.
• Poulz D. Záporné absolutní teploty a teploty v rotačních souřadnicových systémech  Uspekhi fizicheskikh nauk . - Ruská akademie věd , 1964. - Sv. 84, č. 4 . - S. 693-713 . (Ruština)
• Prigogine I., Kondepudi D. Moderní termodynamika. Od tepelných motorů k disipativním strukturám / Per. z angličtiny. - M. : Mir, 2002. - 462 s.
• Rudoy Yu.G. Matematická struktura rovnovážné termodynamiky a statistické mechaniky. - M. - Iževsk: Ústav počítačového výzkumu, 2013. - 368 s. - ISBN 978-5-4344-0159-3 .
• Sivukhin DV Termodynamika a molekulární fyzika. - Moskva: "Nauka", 1990.
• Sorokin VS Makroskopická ireverzibilita a entropie. Úvod do termodynamiky. - M. : FIZMATLIT, 2004. - 174 s. — ISBN 5-9221-0507-8 .
• Spassky B. I. Dějiny fyziky I. část. - Moskva: "Vysoká škola", 1977.
• Talma Lobel. Teplý šálek v chladném dni: Jak fyzické pocity ovlivňují naše rozhodnutí = Sensation Nová věda o fyzické inteligenci. — M .: Alpina Publisher , 2014. — 259 s. - ISBN 978-5-9614-4698-2 .
• Truesdell K. Termodynamika pro začátečníky  // Mechanika. Periodický sborník překladů zahraničních článků. - M .: Mir, 1970. - č. 3 (121), s. 116-128 . (Ruština)
• Fyzika. Velký encyklopedický slovník / Ch. vyd. A. M. Prochorov . — M .: Velká ruská encyklopedie , 1998. — 944 s. — ISBN 5-85270-306-0 .

Odkazy

• Aktuální mapa globálních povrchových  teplot
• Miller, J. Chlazení molekul optoelektrickou cestou  // Physics Today  : magazine  . - 2013. - Sv. 66 , č. 1 . - S. 12-14 . - doi : 10.1063/pt.3.1840 . — . Archivováno z originálu 15. května 2016.

Slovníky a encyklopedie	Velká Katalánština Skvělý norský Britannica (online)
V bibliografických katalozích BNE : XX527040 BNF : 119763028 GND : 4059427-0 J9U : 987007529672705171 LCCN : sh85133712 NDL : 00568820 NKC : ph249455