Termodynamická teplota

Termodynamická teplota ( anglicky thermodynamic temperature , německy thermodynamische Temperatur ), neboli absolutní teplota ( anglicky absolute temperature , německy absolute Temperatur ) je jedinou funkcí stavu termodynamického systému , která charakterizuje směr samovolné výměny tepla mezi tělesy (systémy) [1 ] [2] .

Termodynamická teplota se označuje písmenem , měří se v kelvinech (označuje se K) a měří se na absolutní termodynamické stupnici (Kelvinova stupnice). Absolutní termodynamická stupnice je hlavní stupnicí ve fyzice a v rovnicích termodynamiky. $T$

Molekulární kinetická teorie spojuje absolutní teplotu s průměrnou kinetickou energií translačního pohybu molekul ideálního plynu v termodynamické rovnováze:

{\frac {1}{2}}m{\bar {v}}^{2}={\frac {3}{2}}kT,

kde je hmotnost molekuly, je střední kvadratická rychlost translačního pohybu molekul , je absolutní teplota, je Boltzmannova konstanta . $m$ ${\bar {v))$ $T$ $k$

Historie

Měření teploty prošlo ve svém vývoji dlouhou a obtížnou cestou. Protože teplotu nelze měřit přímo, byly k jejímu měření využity vlastnosti termometrických těles , které byly funkčně závislé na teplotě. Na tomto základě byly vyvinuty různé teplotní stupnice, které se nazývaly empirické a teplota naměřená s jejich pomocí se nazývá empirická. Významnými nevýhodami empirických škál je nedostatek jejich kontinuity a nesoulad mezi hodnotami teploty pro různá termometrická tělesa: jak mezi referenčními body, tak za nimi. Nedostatek návaznosti empirických měřítek je spojen s absencí v přírodě látky, která je schopna zachovat své vlastnosti v celém rozsahu možných teplot. V roce 1848 Thomson (Lord Kelvin) navrhl zvolit stupeň teplotní stupnice takovým způsobem, aby v jeho mezích byla účinnost ideálního tepelného motoru stejná. Později, v roce 1854, navrhl použít inverzní Carnotovu funkci ke konstrukci termodynamické stupnice, která nezávisí na vlastnostech termometrických těles. Praktická realizace této myšlenky se však ukázala jako nemožná. století se při hledání „absolutního“ nástroje pro měření teploty opět vrátili k myšlence ideálního plynového teploměru, založeného na zákonech Gay-Lussaca a Charlese. Plynový teploměr byl dlouhou dobu jediným způsobem, jak reprodukovat absolutní teplotu. Nové směry v reprodukci absolutní teplotní stupnice jsou založeny na použití Stefan-Boltzmannovy rovnice v bezkontaktní termometrii a Harry (Harry) Nyquistovy rovnice v kontaktní termometrii. [3]

Fyzikální základy pro konstrukci termodynamické teplotní stupnice

1. Termodynamickou teplotní stupnici lze v zásadě postavit na základě Carnotovy věty , která říká, že účinnost ideálního tepelného motoru nezávisí na povaze pracovní kapaliny a konstrukci motoru, ale závisí pouze na teplotách topení a lednice.

\eta ={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}}={\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{1}}},

kde je množství tepla přijatého pracovní tekutinou (ideální plyn) z ohřívače, je množství tepla, které pracovní tekutina odevzdává do chladničky, jsou teploty ohřívače a chladničky. $Q_1$ $Q_{2}$ $T_{1},T_{2}$

Z výše uvedené rovnice vyplývá vztah:

{\frac {Q_{1}}{Q_{2}}}={\frac {T_{1}}{T_{2}}}.

Tento vztah lze použít ke konstrukci absolutní termodynamické teploty . Pokud se některý z izotermických procesů Carnotova cyklu provádí při libovolně nastavené teplotě trojného bodu vody (referenčního bodu), jakákoliv jiná teplota bude určena vzorcem . [4] Takto stanovená teplotní stupnice se nazývá Kelvinova termodynamická stupnice . Přesnost měření množství tepla bohužel není vysoká, což neumožňuje výše uvedenou metodu realizovat v praxi. $Q_{3}$ $T_{3}=273{,}16\,K,$ ${\displaystyle T=273{,}16{\frac {Q}{Q_{3))))$

2. Absolutní teplotní stupnici lze sestavit, pokud je jako termometrické těleso použit ideální plyn. Tento vztah skutečně vyplývá z Clapeyronovy rovnice

T={\frac {pV}{R}}.

Pokud měříte tlak plynu, který se svými vlastnostmi blíží ideálnímu, umístěnému v utěsněné nádobě konstantního objemu, pak tímto způsobem můžete nastavit teplotní stupnici, která se nazývá stupnice ideálního plynu. Výhodou této stupnice je, že tlak ideálního plynu se mění lineárně s teplotou. Protože i vysoce zředěné plyny se svými vlastnostmi poněkud liší od ideálního plynu, je implementace stupnice ideálního plynu spojena s určitými obtížemi. $V=konst$

3. Různé učebnice termodynamiky poskytují důkaz, že teplota naměřená na stupnici ideálního plynu se shoduje s termodynamickou teplotou. Je však třeba poznamenat, že i přes to, že číselně jsou termodynamická a ideální stupnice plynu naprosto totožné, z kvalitativního hlediska je mezi nimi zásadní rozdíl. Pouze termodynamická stupnice je absolutně nezávislá na vlastnostech termometrické látky.

4. Jak již bylo řečeno, přesná reprodukce termodynamické stupnice, stejně jako stupnice ideálního plynu, je spojena s vážnými obtížemi. V prvním případě je nutné pečlivě změřit množství tepla, které je přiváděno a odváděno v izotermických procesech ideálního tepelného motoru. Tyto druhy měření jsou nepřesné. Reprodukce termodynamické (ideální-plyn) teplotní stupnice v rozsahu od 10 do 1337 K je možná pomocí plynového teploměru. Při vyšších teplotách je patrná difúze skutečného plynu stěnami nádrže a při teplotách několika tisíc stupňů se víceatomové plyny rozkládají na atomy. Při ještě vyšších teplotách se skutečné plyny ionizují a mění v plazmu, která se neřídí Clapeyronovou rovnicí. Nejnižší teplota, kterou lze naměřit plynovým teploměrem naplněným heliem při nízkém tlaku, je 1 K. Pro měření teplot přesahujících možnosti plynových teploměrů se používají speciální metody měření. Podrobnosti viz termometrie .

Poznámky

↑ Belokon N. I. Základní principy termodynamiky, 1968 , s. 10.55.
↑ Kirillin V. A. Technical thermodynamics, 1983 , s. 5.
↑ Rizak V., Rizak I., Rudavsky E. Kryogenní fyzika a technologie, 2006 , s. 174-175.
↑ Rizak V., Rizak I., Rudavsky E. Kryogenní fyzika a technologie, 2006 , s. 17-18.

Literatura

Ukrajinská sovětská encyklopedie : ve 12 svazcích = Ukrainian Radian Encyclopedia (ukrajinsky) / Ed. M. Bazhan . - 2. pohled. - K .: Gól. vydání URE, 1974-1985.
Malá horská encyklopedie . Ve 3 svazcích = Malá ruční encyklopedie / (V ukrajinštině). Ed. V. S. Beletsky . - Doněck: Donbass, 2004. - ISBN 966-7804-14-3 .
Belokon N. I. Termodynamika. - M. : Gosenergoizdat, 1954. - 417 s.
Belokon NI Základní principy termodynamiky. - M. : Nedra, 1968. - 112 s.
Kirillin V. A. Technická termodynamika. — M. : Energoatomizdat, 1983. — 414 s.
Vukalovič MP, Novikov II Technická termodynamika. - M .: Energie, 1968. - 497 s.
Sivukhin DV Obecný kurz fyziky. T. II. Termodynamika a molekulární fyzika. - M. : Fizmatlit, 2005. - 544 s. - ISBN 5-9221-0601-5 .
Bazarov I.P. Termodynamika. - M . : Vyšší škola, 1991. - 376 s. - ISBN 5-06-000626-3 .
Rizák V., Rizák I., Rudavský E. Kryogenní fyzika a technologie. - K . : Naukova Dumka, 2006. - 512 s. — ISBN 966-00-480-X.

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Skvělý norský Velký Rus
V bibliografických katalozích	GND : 4141118-3