Startuj z nami!

www.szkolnictwo.pl

praca, nauka, rozrywka....

mapa polskich szkół
Nauka Nauka
Uczelnie Uczelnie
Mój profil / Znajomi Mój profil/Znajomi
Poczta Poczta/Dokumenty
Przewodnik Przewodnik
Nauka Konkurs
uczelnie

zamów reklamę
zobacz szczegóły
uczelnie

Temperatura

Temperatura

Fig. 1 W przedstawionej animacji rozmiar atomów helu przedstawiony jest proporcjonalnie do odległości między cząsteczkami jakie są przy ciśnieniu 136 atmosfer. Prędkość ruchu, odpowiadająca temperaturze pokojowej, została spowolniona dwa biliony razy lub odpowiada temperaturze 0,0003 K.

Temperatura – jedna z podstawowych wielkości fizycznych ( parametrów stanu [1]) w termodynamice , będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej , bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej – aż do wyrównania się temperatury obu ciał.

Spis treści

Temperatura a energia kinetyczna

Złożony ruch cząsteczek gazu

Pod względem mikroskopowym, temperatura zależy od ruchu cząsteczek , z których złożone jest ciało . Temperatura rośnie, kiedy wzrasta energia tych ruchów. Ruch może być związany z przemieszczaniem się cząsteczki (np. w gazie ), z drganiami atomów , cząsteczek (np. w krysztale ), drganiami wewnętrznymi cząsteczki.

Prędkość atomów w ruchu termicznym (w temperaturze zbliżonej do pokojowej) jest duża. W temperaturze bliskiej zera bezwzględnego prędkość ta osiąga minimalne wartości. Na przykład w 1994 r. naukowcy z instytutu NIST otrzymali rekordowo niska temperaturę wynoszącą 700 nK (1 nK = 10−9 K). Dzięki użyciu laserowej techniki bezpośredniego pomiaru ruchu cząsteczek stwierdzono, że średnia prędkość atomów wynosiła wówczas 7 mm/s.

Cząsteczki, czyli obiekty złożone z dwóch, trzech i więcej atomów, takie jak np. O2, mają więcej stopni swobody ruchu niż pojedyncze atomy. Oprócz ruchu postępowego mogą również obracać się lub wykonywać drgania wewnętrzne (zmiana odległości między atomami w cząsteczce). Wzrost temperatury powoduje wzrost średniej energii kinetycznej każdego z rodzajów ruchu. Dlatego dwuatomowy gaz o cząsteczkach mających pięć stopni swobody wymagać będzie większego wkładu energii dla zmiany temperatury, co oznacza, że będzie miał większe ciepło właściwe niż gaz jednoatomowy, którego cząsteczki mają tylko trzy stopnie swobody.

Proces ochładzania związany jest z oddawaniem energii przez układ. Przy najniższej energii układ osiąga tzw. temperaturę zera bezwzględnego na termodynamicznej skali temperatury. W tej temperaturze cząsteczki mają najmniejszą możliwą energię kinetyczną. Według mechaniki klasycznej energia ta osiąga wartość zero (cząsteczki pozostają w spoczynku). Zgodnie z mechaniką kwantową najniższa energia jest zazwyczaj większa od 0 (cząsteczki wykonują tzw. drgania zerowe). Temperatura zera absolutnego wynosi 0  kelwinów (−273,15 °C lub –459,67 °F ).

Temperatura w kinetycznej teorii gazów

Temperatura bezwzględna T układu złożonego z atomów jak i kilkuatomowych cząsteczek jest w teorii kinetycznej gazów określona jako średnia energia kinetyczna <E> ruchu pojedynczej cząsteczki (mierzona względem środka masy układu), przypadająca na jeden stopień swobody ruchu:

T = \frac{\ 2 \langle E\rangle}{f  k_B}

gdzie: f – liczba stopni swobody cząstki, kB współczynnik proporcjonalności pomiędzy jednostkami temperatury i energii nazywany stałą Boltzmanna , jego wartość liczbowa wynosi k = 1,38·10−23  J / K .

Temperatura a równowaga termodynamiczna

Właściwości temperatury są przedmiotem analizy termodynamiki i mechaniki statystycznej . Temperatura układu w stanie równowagi termodynamicznej jest zdefiniowana przez zależność pomiędzy różniczką ciepła δQ wprowadzanego do systemu w czasie nieskończenie wolnej kwazistatycznej przemiany termodynamicznej , a różniczką δS jej entropii podczas tej przemiany.

dS = \frac{\delta Q}{T}

W odróżnieniu od entropii i ciepła, których mikroskopowe definicje obowiązują także w stanie nierównowagi termodynamicznej, temperatura może być zdefiniowana tylko w stanie równowagi lub lokalnej równowagi termodynamicznej.

Skale temperatury

Termodynamiczna definicja temperatury pozwala porównywać jej wartości, ale nie określa jej skali. Na przykład nie określa – kiedy temperatura jednego ciała jest dwa razy wyższa od temperatury drugiego. Dlatego fizycy konstruują skale temperatury . Skala temperatury zawiera charakterystyczne wartości temperatury i odpowiadające im zjawiska określające stan cieplny. Pierwotnie skale były konstruowane w oparciu o charakterystyczne wartości temperatury zmian stanów skupienia i przy założeniu, że rozszerzalność cieczy jest liniowa, później konstrukcje opierano na właściwościach gazów, współcześnie definiuje się temperaturę poprzez odwołanie do fizyki statystycznej.

Skale historyczne

Pierwsi konstruktorzy termometrów i skal temperatury opierali swe skale na znanych im zjawiskach, najczęściej przyjmowano, że zmiana temperatury jest proporcjonalna do zmiany objętości cieczy ( alkoholu , rtęci ). W skalach tych, jako punkty odniesienia, przyjmowano wartości temperatury dwóch zjawisk zachodzących w dobrze określonych warunkach. W skali Celsjusza przyjmuje się, że 0 °C odpowiada temperaturze zamarzania wody, a 100 °C, to temperatura wody wrzącej pod normalnym ciśnieniem (choć Celsjusz pierwotnie przyjmował odwrotnie). W tak skonstruowanych skalach mogą występować wartości ujemne temperatury.

Termodynamiczna skala temperatury

Fizycy badając własności gazów zauważyli, że we wszystkich wzorach do temperatury w skali Celsjusza trzeba zawsze dodawać stałą wartość 273,15 dlatego wprowadzono skalę temperatury, zwaną bezwzględną lub absolutną. Skalę tę określa na podstawie równania stanu gazu idealnego ( równania Clapeyrona ): pV = nRT. Temperaturę określa się na podstawie pomiaru ciśnienia i objętości gazu idealnego .

W skali bezwzględnej zero zdefiniowane jest jako temperatura gazu idealnego, w której będzie miał on zerową objętość przy dowolnym ciśnieniu. Z punktu widzenia mikroskopowego odpowiada to sytuacji, gdy wszelki ruch cząsteczek gazu ustaje. W rzeczywistości jednak objętości cząsteczek gazu są niezerowe, oznacza to, że rzeczywistym termometrem gazowym nie można mierzyć dowolnie niskiej temperatury.

Temperatura zera bezwzględnego jest najniższą temperaturą jaką mogą uzyskać ciała, w temperaturze tej wszystkie cząsteczki mają najmniejszą możliwą energię, według mechaniki klasycznej ruch cząsteczek całkowicie ustaje, a według mechaniki kwantowej wszystkie cząsteczki znajdują się w stanie podstawowym wykonując tzw. drgania zerowe (ang. zero-point energy). W temperaturze zera bezwzględnego wszystkie ciała są w stanie stałym, wyjątkiem jest hel , który w pewnym zakresie ciśnienia pozostaje cieczą w dowolnie niskiej temperaturze.

Dla pewnych układów można zdefiniować temperaturę, która według definicji opartej o zmianę entropii będzie ujemna. Układ w takim stanie ma energię większą niż dla dowolnej temperatury dodatniej. Stąd też wciąż temperatura zera bezwzględnego jest najniższą możliwą do uzyskania temperaturą.

Na podstawie stosowanych powszechnie skal temperatury, zdefiniowano nowe, tak by ich zero odpowiadało temperaturze zera bezwzględnego. Jest to odpowiednio skala Kelvina odpowiadająca skali Celsjusza oraz skala Rankine'a odpowiadająca skali Fahrenheita .

Kelwin jest główną jednostką temperatury przyjętą w układzie SI i uznawaną przez cały świat naukowo-techniczny.

Międzynarodowa Skala Temperatury (MST-90)

Międzynarodowa, ujednolicona skala temperatury jest oparta na wartościach temperatury w punktach charakterystycznych dla kilku związków chemicznych , np. punkcie potrójnym wody, tlenu , lub punkcie topnienia miedzi przy ciśnieniu 101325  Pa . W wersji obecnej obowiązuje od 1990 r. (ITS 90). Poprzednio obowiązywała skala ITS 68.

Jednostki temperatury

Najczęściej używaną w Polsce i wielu innych krajach jednostką temperatury są stopnie Celsjusza.

Wzór do przeliczania temperatury w stopniach Celsjusza na temperaturę w kelwinach jest następujący:

T=t+273,15\,\,\operatorname{K}\,

gdzie t jest w °C.

W USA , w dalszym ciągu używa się stopni Fahrenheita . W tej skali temperatura zamarzania wody jest równa 32 °F a wrzenia 212 °F.

Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Fahrenheita na temperaturę w stopniach Celsjusza:

t=\frac{5}{9}\cdot \left( t_{F}-32 \right){}^\circ \operatorname{C}

Wzór przeliczający temperaturę w stopniach Celsjusza na temperaturę w stopniach Fahrenheita:

t_{F}=\left( \frac{9}{5}\cdot t+32 \right){}^\circ \operatorname{F}
Porównanie temperatur w różnych skalach
Zjawisko Kelvin Celsjusz Fahrenheit Rankine Delisle Newton Réaumur Rømer
Zero bezwzględne 0–273,15–459,670559,725–90,14²–218,52–135,90
Zero Fahrenheita255,37–17,780459,67176,67–5,87–14,22–1,83
Zamarzanie wody273,15032491,67150007,5
Średnia temperatura ciała człowieka309,836,698,2557,994,512,2129,626,925
Wrzenie wody373,15100212671,670338060
Topnienie tytanu 1941166830343494–23525501334883
Temperatura efektywna powierzchni Słońca 58005526998010440–8140182344212909

Inne skale: barwa żaru, barwa nalotowa stali .

Bibliografia

  1. Praca zbiorowa, Słownik fizyczny, Warszawa, Państwowe Wydawnictwo "Wiedza Powszechna", s.403, 1984 , .

Zobacz też


Inne hasła zawierające informacje o "Temperatura":

Xiamen Xiamen i okolice: Han, She, Hui, Miao, Mandżurowie oraz Gaoshan.Klimat: subtropikalny monsunowy.Średnia Temperatura roczna 20,8 °C, najwyższa Temperatura 38,4 °C, najniższa 2 °C.Najsłynniejsze atrakcje: Wyspa Gulangyu, Jimei.Edukacja: ...

Brno (Židenice (część), Maloměřice (część))Žabovřesky (Žabovřesky)Žebětín (Žebětín)Židenice (Zábrdovice (część), Židenice (część)) Klimat[]Średnia roczna Temperatura: +9.4° C, bezwzględna maksymalna Temperatura: +36.2° C, absolutne minimum temperatury: -26,4° ...

Fosforan wapnia stan skupienia 3,14 g/cm3 ; ciało stałe Rozpuszczalność w wodzie 0,002 g / 100 g H2O Temperatura topnienia 1390 °C (pod wysokim ciśnieniem)Podobne związkiInne aniony fosforan sodu , fosforan tributylu Inne kationy siarczan ...

Kwas fosforowy bezwonne ciało stałeIdentyfikacja Numer CAS 7664-38-2 Właściwości Gęstość i stan skupienia 1,685 g/cm3 ; ciało stałe Rozpuszczalność w wodzie nieograniczona Temperatura topnienia 42,35 °C Temperatura wrzenia 158 °C Kwasowość (pKa)pKa1 = 2,12, pKa2 = 7,21,pKa3 = ...

Wittenberga krajobrazowym Dübener Heide na południu a powiatem Elbe-Elster na wschodzie. KlimatŚrednia roczna Temperatura powietrza w Wittenberdze wynosi 8,7˚C. Całkowita roczna suma opadów to ok. ...

Fruktoza sumarycznyC6H12O6 SMILES C(O)C1(C(O)C(O)C(O)(O1)CO) Masa molowa 180,16 g / mol Wygląddrobnokrystaliczne ciało stałeIdentyfikacja Numer CAS 57-48-7 Właściwości Gęstość i stan skupienia 1,59 g/cm3 ; ciało stałe Temperatura topnienia 199–122 °C Niebezpieczeństwa Zwroty ryzyka brak Zwroty bezpieczeństwa brak Numer RTECS LS7120000Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków standardowych ...

Stratyfikacja termiczna wody w jeziorze układ warstw wody w zbiorniku wodnym różniących się temperaturą. W warunkach naturalnych Temperatura wód stojących zależy głównie od głębokości zbiornika, ruchu i mieszania się ...

1977 m wynikiem 13:12,9 s. 10 lipca – w Atenach odnotowano temperaturę +48,0 °C (najwyższa Temperatura w Europie). 11 lipca – Martin Luther King został pośmiertnie odznaczony Medalem ...

Wodorotlenek wapnia i stan skupienia 2,24 g/cm3 (20 °C); ciało stałe Rozpuszczalność w wodzie 1,7 g/l (20 °C) Temperatura topnienia 600 °C (rozkład termiczny)Niebezpieczeństwa MSDS Zewnętrzne dane MSDS ZagrożeniaDrażniącyDrażniący(Xi)Podobne związkiInne kationy Mg(OH)2 , Ba(OH)2 Jeżeli nie podano ...

Jakuszyce sierpień 136 mm, najmniej: luty 100 mm i marzec 95 mm). Średnia Temperatura roczna, w latach 70. XX wieku, wynosiła +4,0 °C (najcieplejsze miesiące: lipiec ...


Inne lekcje zawierające informacje o "Temperatura":

Wielkości fizyczne i ich jednostki (plansza 3) fizyczna jest większa (mniejsza) od wielkości przyjętej za jednostkową. czas, masa, Temperatura, długość, pole powierzchni, objętość, siła, gęstość Do wielkości fizycznych należą między innymi: ...

Wady i choroby oczu i uszu (plansza 13) Wraz z rozwojem choroby ból staje się ciągły i bardzo dokuczliwy. Jednocześnie Temperatura ciała ulega podwyższeniu, u dzieci osiągając nawet 40°C. Zapalenie ucha środkowego ...

Uwarunkowania i charakterystyczne cechy klimatu w Polsce (plansza 24) e height=380 width=770 > Rekordy klimatyczne w Polsce Temperatura powietrza Opady Pokrywa śnieżna Ciśnienie atmosferyczne Wiatr Mgła ...





Zachodniopomorskie Pomorskie Warmińsko-Mazurskie Podlaskie Mazowieckie Lubelskie Kujawsko-Pomorskie Wielkopolskie Lubuskie Łódzkie Świętokrzyskie Podkarpackie Małopolskie Śląskie Opolskie Dolnośląskie