Температура

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Температура
\ T, \ \Theta
Размерность

Θ

Единицы измерения
СИ

К

СГС

К

Температу́ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура всех частей системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между её частями, имеющими различную температуру, происходит теплопередача (переход энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым), приводящая к выравниванию температур в системе.

Температура определяет: распределение образующих систему частиц по уровням энергии (см. Статистика Максвелла — Больцмана) и распределение частиц по скоростям (см. Распределение Максвелла); степень ионизации вещества (см. Уравнение Саха); спектральную плотность излучения (см. Формула Планка); полную объёмную плотность излучения (см. Закон Стефана — Больцмана) и т. д. Температуру, входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют температурой возбуждения, в распределение Максвелла — кинетической температурой, в формулу Саха — ионизационной температурой, в закон Стефана — Больцмана — радиационной температурой. Поскольку для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, их называют просто температурой системы[1].

Температура относится к интенсивным величинам, не зависящим от массы системы.

Более строгие определения температуры, даваемые ей в различных разделах физики, смотри ниже.

Интуитивно понятие температура появилось как мера градации наших ощущений тепла и холода; на бытовом уровне температура воспринимается как параметр, служащий для количественного описания степени нагретости материального объекта[2].

Среднемесячные температуры поверхности с 1961 по 1990 годы
Среднегодовая температура по всему миру
Тепловое движение α-пептида. Сложное колебательное движение атомов, составляющих пептид, случайно, и энергия отдельного атома флуктуирует в широких пределах, но с помощью закона равнораспределения вычисляют как среднюю кинетическую энергию каждого атома, так и среднюю потенциальную энергию многих колебаний. Серые, красные и синие шары обозначают атомы углерода, кислорода и азота, соответственно; маленькие белые шарики представляют атомы водорода.

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура используется в качестве одной из семи основных физических величин, входящих в Международную систему величин (англ. International System of Quantities, ISQ), а её единицей является кельвин, представляющий собой, соответственно, одну из семи основных единиц СИ[3]. Кроме термодинамической температуры в СИ используется температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия, входящий в состав производных единиц СИ, имеющих специальные наименования и обозначения, и по размеру равный кельвину[4]. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно изменению температуры на один кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99,975 °C[2].

Существуют также шкала Фаренгейта и некоторые другие.

Эмпирическая, абсолютная и термодинамическая температуры[править | править вики-текст]

Температура не может быть измерена непосредственно. Об изменении температуры судят по изменению других физических свойств тел (объёма, давления, электрического сопротивления, ЭДС, интенсивности излучения и др.), однозначно с ней связанных (так называемых термометрических свойств). Количественно же температура определяется указанием способа ее измерения с помощью того или иного термометра. Такое определение ещё не фиксирует ни начало отсчета, ни единицу измерения температуры, поэтому любой метод измерения температуры связан с выбором температурной шкалы. Эмпирическая температура — это температура, измеренная в выбранной температурной шкале.

В термодинамике даётся определение температуры (см. ниже), которое не зависит от выбора термометрического свойства, использованного для её измерения (абсолютная температура)[5].

Абсолютную температуру, измеренную в температурной шкале Кельвина (см. ниже) называют абсолютной термодинамической температурой, или просто термодинамической температурой[6][7].

На практике, если речь идёт о численном значении абсолютной термодинамической температуры, для краткости говорят просто об абсолютной температуре объекта.

Термодинамическое определение[править | править вики-текст]

Существование равновесного состояния называют первым исходным положением термодинамики. Вторым исходным положением термодинамики называют утверждение о том, что равновесное состояние характеризуется некоторой величиной, которая при тепловом контакте двух равновесных систем становится для них одинаковой в результате обмена энергией. Эта величина называется температурой.[8]

История термодинамического подхода[править | править вики-текст]

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых[источник не указан 243 дня]. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами[источник не указан 243 дня].

В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой.

Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдаёт ли живая ткань тепло или получает его.

Некоторые квантовомеханические системы (например, рабочее тело лазера, в котором присутствуют инверсно заселённые уровни) могут находиться в состоянии, при котором энтропия не возрастает, а убывает при добавлении энергии, что формально соответствует отрицательной абсолютной температуре. Однако такие состояния находятся не «ниже абсолютного нуля», а «выше бесконечности», поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим положительной температурой, энергия передаётся от системы к телу, а не наоборот (подробнее см. Отрицательная абсолютная температура).

Свойства температуры изучает раздел физики — термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.

Молекулярно-кинетическое определение[править | править вики-текст]

В молекулярно-кинетической теории температура определяется как величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

« ... мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться…
»

Определение температуры в статистической физике[править | править вики-текст]

В статистической физике температура определяется как производная от энергии системы по её энтропии:

 T = \frac{dE}{dS} ,

где S — энтропия, E — энергия термодинамической системы. Введённая таким образом величина T является одинаковой для различных тел при термодинамическом равновесии. При контакте двух тел тело с большим значением T будет отдавать энергию другому.

Измерение температуры[править | править вики-текст]

Типичный термометр со шкалой по Цельсию, показывающий −17 градусов

Для измерения термодинамической температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объёма. Известны также термометры абсолютные радиационные, шумовые, акустические.

Термодинамические термометры — это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. Для получения функции интерполяции они должны быть отградуированы в реперных точках международной температурной шкалы.

Для измерения температуры какого-либо тела обычно измеряют какой-либо физический параметр, связанный с температурой, например, геометрические размеры (см. Дилатометр) для газов — объём или давление, скорость звука, электрическую проводимость, электромагнитные спектры поглощения или излучения (например, пирометры и измерение температуры фотосфер и атмосфер звёзд — в последнем случае по доплеровскому уширению спектральных линий поглощения или излучения).

В повседневной практике температуру обычно измеряют с помощью специальных приборов — контактных термометров. При этом термометр приводят в тепловой контакт с исследуемым телом, и, после установления термодинамического равновесия тела и термометра, — выравнивания их температур, по изменениям некоторого измеримого физического параметра термометра судят о температуре тела. Тепловой контакт между термометром и телом должен быть достаточным, чтобы выравнивание температур происходило быстрее, также, ускорение выравнивания температур достигается снижением теплоёмкости термометра по сравнению с исследуемым телом, обычно, уменьшением размеров термометра. Снижение теплоёмкости термометра также меньше искажает результаты измерения, так как меньшая часть теплоты исследуемого тела отбирается или передаётся термометру. Идеальный термометр имеет нулевую теплоёмкость[10].

Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам — Цельсия или Фаренгейта.

На практике для измерения температуры также используют

Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления[11]. Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения[12].

Единицы и шкала измерения температуры[править | править вики-текст]

Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.

Абсолютная температура. Шкала температур Кельвина[править | править вики-текст]

Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры — кельвин (К).

Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры — абсолютный ноль, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.

Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно −273.15 °C.

Шкала температур Кельвина — это шкала, в которой начало отсчёта ведётся от абсолютного нуля.

Важное значение имеет разработка на основе термодинамической шкалы Кельвина Международных практических шкал, основанных на реперных точках — фазовых переходах чистых веществ, определенных методами первичной термометрии. Первой международной температурной шкалой являлась принятая в 1927 г. МТШ-27. С 1927 г. шкала несколько раз переопределялась (МТШ-48, МПТШ-68, МТШ-90): менялись реперные температуры, методы интерполяции, но принцип остался тот же — основой шкалы является набор фазовых переходов чистых веществ с определенными значениями термодинамических температур и интерполяционные приборы, градуированные в этих точках. В настоящее время действует шкала МТШ-90. Основной документ (Положение о шкале) устанавливает определение Кельвина, значения температур фазовых переходов (реперных точек)[13] и методы интерполяции.

Используемые в быту температурные шкалы — как Цельсия, так и Фаренгейта (используемая, в основном, в США), — не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур.

Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая — абсолютной термодинамической шкалой (шкалой Кельвина); температуры по ним измеряются, соответственно, в градусах Ранкина (°Ra) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля. Различаются они тем, что цена одного деления по шкале Кельвина равна цене деления шкалы Цельсия, а цена деления шкалы Ранкина эквивалентна цене деления термометров со шкалой Фаренгейта. Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Масштаб шкалы Кельвина привязан к тройной точке воды (273,16 К), при этом от неё зависит постоянная Больцмана. Это создаёт проблемы с точностью интерпретации измерений высоких температур. Сейчас Международное бюро мер и весов рассматривает возможность перехода к новому определению кельвина и фиксированию постоянной Больцмана, вместо привязки к температуре тройной точки.[14].

Шкала Цельсия[править | править вики-текст]

В технике, медицине, метеорологии и в быту в качестве единицы измерения температуры используется шкала Цельсия. В настоящее время в системе СИ термодинамическую шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: t(°С) = Т(К) — 273,15 (точно), т. е. цена одного деления в шкале Цельсия равна цене деления шкалы Кельвина. По шкале Цельсия температура тройной точки воды равна приблизительно 0,008 °C,[15] и, следовательно, точка замерзания воды при давлении в 1 атм очень близка к 0 °C. Точка кипения воды, изначально выбранная Цельсием в качестве второй реперной точки со значением, по определению равным 100 °C, утратила свой статус одного из реперов. По современным оценкам температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении в термодинамической шкале Цельсия составляет около 99,975 °C. Шкала Цельсия очень удобна с практической точки зрения, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку связана с замерзанием атмосферной воды. Шкала предложена Андерсом Цельсием в 1742 г.

Шкала Фаренгейта[править | править вики-текст]

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а 100 градусов Цельсия — 212 градуса Фаренгейта.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F — 32), t °F = 9/5 t °С + 32. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724 году.

Шкала Реомюра[править | править вики-текст]

Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица — градус Реомюра (°Ré), 1 °Ré равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °Ré) и кипения воды (80 °Ré)

1 °Ré = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Энергия теплового движения при абсолютном нуле[править | править вики-текст]

Когда материя охлаждается, многие формы тепловой энергии и связанные с ней эффекты одновременно уменьшаются по величине. Вещество переходит от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному.

… современное понятие абсолютного нуля не есть понятие абсолютного покоя, наоборот, при абсолютном нуле может быть движение — и оно есть, но это есть состояние полного порядка …

П. Л. Капица[9]

Газ превращается в жидкость и затем кристаллизуется в твёрдое тело (гелий и при абсолютном нуле остаётся в жидком состоянии при атмосферном давлении). Движение атомов и молекул замедляется, их кинетическая энергия уменьшается. Сопротивление большинства металлов падает из-за уменьшения рассеяния электронов на колеблющихся с меньшей амплитудой атомах кристаллической решётки. Таким образом даже при абсолютном нуле электроны проводимости движутся между атомами со скоростью Ферми порядка 106 м/с.

Температура, при которой частицы вещества имеют минимальное количество движения, сохраняющееся только благодаря квантовомеханическому движению, — это температура абсолютного нуля (Т = 0К).

Температуры абсолютного нуля достичь невозможно. Наиболее низкая температура (450±80)·10−12К конденсата Бозе-Эйнштейна атомов натрия была получена в 2003 г. исследователями из МТИ[16]. При этом пик теплового излучения находится в области длин волн порядка 6400 км, то есть примерно радиуса Земли.

Температура и излучение[править | править вики-текст]

Излучаемая телом энергия пропорциональна четвёртой степени его температуры. Так, при 300 К с квадратного метра поверхности излучается до 450 ватт. Этим объясняется, например, ночное охлаждение земной поверхности ниже температуры окружающего воздуха. Энергия излучения абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана — Больцмана

Переходы из разных шкал[править | править вики-текст]

Пересчёт температуры между основными шкалами
из Цельсия (°C) в Цельсий
Фаренгейт (°F) [°F] = [°C] × 9⁄5 + 32 [°C] = ([°F] − 32) × 5⁄9
Кельвин (K) [K] = [°C] + 273.15 [°C] = [K] − 273.15
Rankine [°R] = ([°C] + 273.15) × 9⁄5 [°C] = ([°R] − 491.67) × 5⁄9
Delisle [°De] = (100 − [°C]) × 3⁄2 [°C] = 100 − [°De] × 2⁄3
Newton [°N] = [°C] × 33⁄100 [°C] = [°N] × 100⁄33
Réaumur [°Ré] = [°C] × 4⁄5 [°C] = [°Ré] × 5⁄4
Rømer [°Rø] = [°C] × 21⁄40 + 7.5 [°C] = ([°Rø] − 7.5) × 40⁄21

Сравнение температурных шкал[править | править вики-текст]

Сравнение температурных шкал
Описание Кельвин Цельсий Фаренгейт Ранкин Делиль Ньютон Реомюр Рёмер
Абсолютный ноль 0 −273,15 −459,67 0 559,725 −90,14 −218,52 −135,90
Температура таяния смеси Фаренгейта (соль и лёд в равных количествах) 255,37 −17,78 0 459,67 176,67 −5,87 −14,22 −1,83
Температура замерзания воды (Нормальные условия) 273,15 0 32 491,67 150 0 0 7,5
Средняя температура человеческого тела¹ 310,0 36,6 98,2 557,9 94,5 12,21 29,6 26,925
Температура кипения воды (Нормальные условия) 373,15 100 212 671,67 0 33 80 60
Плавление титана 1941 1668 3034 3494 −2352 550 1334 883
Поверхность Солнца² 5800 5526 9980 10440 −8140 1823 4421 2909

¹ Нормальная средняя температура человеческого тела — +36,6 °C ±0,7 °C, или +98,2 °F ±1,3 °F. Приводимое обычно значение +98,6 °F — это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения +37 °C. Однако это значение не входит в диапазон нормальной средней температуры тела человека, поскольку температура разных частей тела разная.[17]

² Некоторые значения в этой таблице являются округлёнными. Например, температура поверхности Солнца равняется 5800 градусам Кельвина очень приближённо. Однако для остальных температурных шкал уже дан точный результат перевода 5800 градусов Кельвина в данную шкалу.

Характеристика фазовых переходов[править | править вики-текст]

Для описания точек фазовых переходов различных веществ используют следующие значения температуры:

Интересные факты[править | править вики-текст]

Самая низкая температура на Земле до 1910 −68 °С, Верхоянск
  • Самая высокая температура, созданная человеком, ~ 10 трлн К (что сравнимо с температурой Вселенной в первые секунды её жизни) была достигнута в 2010 году при столкновении ионов свинца, ускоренных до околосветовых скоростей. Эксперимент был проведён на Большом Адронном Коллайдере[18]
  • Самая высокая теоретически возможная температура — планковская температура. Более высокая температура по современным физическим представлениям не может существовать, так как придание дополнительной энергии системе, нагретой до такой температуры, не увеличивает скорости частиц, а только порождает в столкновениях новые частицы, при этом число частиц в системе растёт и растёт масса системы. Можно считать, что это температура "кипения" физического вакуума. Она примерно равна 1.41679(11)·1032 K (примерно 142 нониллиона K).
  • Поверхность Солнца имеет температуры около 6000 K.
  • Самая низкая температура, достигнутая человеком, была получена в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из США при охлаждении атомов рубидия.[19][20]. Она была выше абсолютного нуля менее чем на 1/170 миллиардную долю кельвина (5,9·10−12  K).
  • Рекордно низкая температура на поверхности земли −89.2 °С была зарегистрирована на советской внутриконтинентальной научной станции Восток, Антарктида (высота 3488 м над уровнем моря) 21 июля 1983 года[21][22].
  • 9 декабря 2013 года на конференции Американского геофизического союза группа американских исследователей сообщила о том, что 10 августа 2010 года температура воздуха в одной из точек Антарктиды опускалась до -135,8 F (-93,2 °С). Данная информация была выявлена в результате анализа спутниковых данных НАСА[23]. По мнению выступавшего с сообщением Т. Скамбоса (англ. Ted Scambos) полученное значение не будет зарегистрировано в качестве рекордного, поскольку определено в результате спутниковых измерений, а не с помощью термометра[24].
  • Рекордно высокая температура воздуха вблизи поверхности земли + 56,7 ˚C была зарегистрирована 10 июля 1913 года на ранчо Гринленд в долине Смерти (штат Калифорния, США)[25][26].
  • Семена высших растений сохраняют всхожесть после охлаждения до −269 °C.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — С. 741. — 944 с.
  2. 1 2 Понятие температуры
  3. The SI brochure Описание СИ на сайте Международного бюро мер и весов
  4. ГОСТ 8.417-2002. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин.
  5. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / Пер. с англ. Ю. А. Данилова и В. В. Белого. — М.: Мир, 2002. — С. 23, 83, 86. — 462 с.
  6. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Части 3–4 / 3-е изд. Пер. с англ. Под ред. Я. А. Смородинского. — М.: Мир, 1976. — С. 349–350. — 496 с.
  7. Калинин М.И., Кононогов C.А. Постоянная Больцмана, энергетический смысл температуры и термодинамическая необратимость / Измерительная техника. — 2005. — Т. 7. — С. 5–8.
  8. И. П. Базаров. Термодинамика, М., Высшая школа, 1976, с. 13-14.
  9. 1 2 Капица П. Л. Свойства жидкого гелия // Природа. — 1997. — № 12.
  10. Шахмаев Н. М. и др. Физика: Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. — М.: Просвещение, 1996. — С. 21. — 240 с. — ISBN 5090067937
  11. Платиновый термометр сопротивления — основной прибор МТШ-90.
  12. Лазерная термометрия
  13. Реперные точки МТШ-90
  14. Разработка нового определения кельвина
  15. Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря. Критическая точка. Свойства вещества в критическом состоянии. Тройная точка. Фазовые переходы II рода. Методы получения низких температур. (рус.). Статистическая термодинамика. Лекция 11(недоступная ссылка — история). Санкт-Петербургский академический университет. Проверено 2 июня 2011. Архивировано из первоисточника 3 декабря 2012.
  16. Belle Dumé. Bose-Einstein condensates break temperature record (англ.) (12 September 2003). Архивировано из первоисточника 25 июля 2013.
  17. О различных измерениях температуры тела (англ.)
  18. BBC News — Large Hadron Collider (LHC) generates a 'mini-Big Bang'
  19. Всё про всё. Рекорды температуры
  20. Чудеса науки
  21. Самая низкая температура на поверхности Земли. National Geographic Росиия. Проверено 9 декабря 2013.
  22. World: Lowest Temperature (англ.). Arizona State University. Проверено 9 декабря 2013.
  23. NASA-USGS Landsat 8 Satellite Pinpoints Coldest Spots on Earth (англ.). NASA.
  24. Antarctica sets low temperature record of -135.8 degrees (англ.). FoxNews.
  25. Старый температурный рекорд оспорен. Компьюлента. Проверено 30 ноября 2013.
  26. Press Release No. 956 (англ.). World Meteorological Organizayion. Проверено 30 ноября 2013.

Литература[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «температура»
  • Спасский Б. И. История физики Ч.I. — Москва: «Высшая школа», 1977.
  • Сивухин Д. В. Термодинамика и молекулярная физика. — Москва: «Наука», 1990.