Температурна скала. Температурни скали

Молекулярно кинетично определяне

Измерване на температурата

За измерване на температурата се избира определен термодинамичен параметър на термометричното вещество. Промяната в този параметър е ясно свързана с промяна в температурата.

На практика температурата се измерва с помощта на

Температурни единици и скала

Тъй като температурата е кинетичната енергия на молекулите, ясно е, че е най-естествено да се измерва в енергийни единици (т.е. в системата SI в джаули). Измерването на температурата обаче започва много преди създаването на молекулярно-кинетичната теория, така че практическите везни измерват температурата в конвенционални единици - градуси.

Температурна скала на Келвин

Концепцията за абсолютна температура е въведена от У. Томсън (Келвин) и затова абсолютната температурна скала се нарича скала на Келвин или термодинамична температурна скала. Единицата за абсолютна температура е келвин (K).

Абсолютната температурна скала се нарича така, защото мярката за основното състояние на долната граница на температурата е абсолютната нула, тоест най-ниската възможна температура, при която по принцип е невъзможно да се извлече топлинна енергия от дадено вещество.

Абсолютната нула се определя като 0 K, което е приблизително −273,15 °C.

Температурната скала на Келвин е температурна скала, в която началната точка е от абсолютната нула.

Температурните скали, използвани в ежедневието - както по Целзий, така и по Фаренхайт (използвани главно в САЩ) - не са абсолютни и следователно неудобни при провеждане на експерименти в условия, при които температурата пада под точката на замръзване на водата, поради което температурата трябва да бъде изразена отрицателно число. За такива случаи бяха въведени абсолютни температурни скали.

Едната се нарича скала на Ранкин, а другата се нарича абсолютна термодинамична скала (скала на Келвин); техните температури се измерват съответно в градуси Ранкин (°Ra) и келвини (K). И двете скали започват при абсолютна нула температура. Те се различават по това, че Келвин е равен на градус по Целзий, а градусът на Ранкин е равен на градус по Фаренхайт.

Точката на замръзване на водата при стандартно атмосферно налягане съответства на 273,15 K. Броят градуси по Целзий и келвини между точките на замръзване и точката на кипене на водата е еднакъв и е равен на 100. Следователно градусите по Целзий се превръщат в келвини по формулата K = °С + 273.15.

Целзий

Фаренхайт

В Англия и особено в САЩ се използва скалата на Фаренхайт. Нула градуса по Целзий е 32 градуса по Фаренхайт, а градус по Фаренхайт е равен на 5/9 градуса по Целзий.

Текущата дефиниция на скалата на Фаренхайт е следната: това е температурна скала, в която 1 градус (1 °F) е равен на 1/180 от разликата между точката на кипене на водата и температурата на топене на леда при атмосферно налягане, и точката на топене на леда е +32 °F. Температурата по скалата на Фаренхайт е свързана с температурата по скалата на Целзий (t °C) чрез съотношението t °C = 5/9 (t °F - 32), 1 °F = 9/5 °C + 32. Предложено от Г. Фаренхайт през 1724 г.

Енергия на топлинно движение при абсолютна нула

Когато материята се охлади, много форми на топлинна енергия и свързаните с тях ефекти едновременно намаляват по величина. Материята преминава от по-малко подредено състояние в по-подредено. Газът се превръща в течност и след това кристализира в твърдо вещество (хелият остава в течно състояние при атмосферно налягане дори при абсолютна нула). Движението на атомите и молекулите се забавя, кинетичната им енергия намалява. Съпротивлението на повечето метали намалява поради намаляване на разсейването на електрони върху атоми на кристалната решетка, вибриращи с по-ниска амплитуда. Така, дори при абсолютна нула, електроните на проводимостта се движат между атомите със скорост на Ферми от порядъка на 1x10 6 m/s.

Температурата, при която частиците на материята имат минимално количество движение, запазено само поради квантово механично движение, е температурата на абсолютната нула (T = 0K).

Не може да се достигне абсолютна нулева температура. Най-ниската температура (450±80)x10 -12 K на кондензата на Бозе-Айнщайн от натриеви атоми е получена през 2003 г. от изследователи от MIT. В този случай пикът на топлинното излъчване се намира в областта на дължината на вълната от порядъка на 6400 km, тоест приблизително радиуса на Земята.

Температура от термодинамична гледна точка

Има много различни температурни скали. Някога температурата се определяше много произволно. Температурата се измерва чрез маркировки, поставени на еднакво разстояние по стените на тръбата, в която водата се разширява при нагряване. Тогава решили да измерят температурата и открили, че разстоянията в градусите не са еднакви. Термодинамиката дава дефиниция на температурата, която не зависи от някакви специфични свойства на веществото.

Нека представим функцията f(T), което не зависи от свойствата на веществото. От термодинамиката следва, че ако някакъв топлинен двигател, поглъщащ количество топлина Q 1 при T 1 произвежда топлина Q спри температура един градус, а другата кола, поела топлината Q 2 при T 2, произвежда същата топлина Q спри температура от един градус, след което машината абсорбира Q 1 при T 1 трябва при температура T 2 генерира топлина Q 2 .

Разбира се, между топлината Qи температура Tима зависимост и топлина Q 1 трябва да е пропорционална Q с. По този начин всяко количество топлина Q с, отделена при температура от един градус, съответства на количеството топлина, погълната от машината при температура T, равен Q с, умножено по някаква нарастваща функция fтемператури:

Тъй като намерената функция нараства с температурата, можем да считаме, че самата тя измерва температурата, започвайки от стандартна температура от един градус. Това означава, че можете да намерите телесната температура, като определите количеството топлина, което се абсорбира от топлинна машина, работеща в интервала между телесната температура и температурата от един градус. Получената по този начин температура се нарича абсолютна термодинамична температура и не зависи от свойствата на веществото. По този начин за обратим топлинен двигател е в сила следното равенство:

За система, в която ентропията Сможе да бъде функция С(д) неговата енергия д, термодинамичната температура се определя като:

Температура и радиация

С повишаване на температурата енергията, излъчвана от нагрятото тяло, се увеличава. Енергията на излъчване на абсолютно черно тяло се описва от закона на Стефан-Болцман

Скала на Реомюр

Предложено през годината от R. A. Reaumur, който описва изобретения от него алкохолен термометър.

Единицата е градус на Реомюр (°R), 1 °R е равен на 1/80 от температурния интервал между референтните точки - температурата на топене на леда (0 °R) и точката на кипене на водата (80 °R)

1°R = 1,25°C.

Сега мащабът е излязъл от употреба; най-дълго е оцелял във Франция, родината на автора.

Преходи от различни гами

Сравнение на температурни скали

¹ Нормалната средна температура на човешкото тяло е 36,6 °C ±0,7 °C или 98,2 °F ±1,3 °F. Обикновено даваната стойност от 98,6 °F е точното преобразуване във Фаренхайт на немската стойност от 19-ти век от 37 °C. Тази стойност обаче не е в обхвата на нормалната средна човешка телесна температура, тъй като температурата на различните части на тялото варира

ТЕМПЕРАТУРНА СКАЛА

ТЕМПЕРАТУРНА СКАЛА, градуирана скала за измерване на температура. За да се създаде каквато и да е температурна скала, е необходим избор на термометричен параметър, който варира линейно с температурата (например обем на газ при постоянно налягане или разширяване на течност в тръба), две или повече фиксирани, лесно възпроизводими точки (за например точките на кипене и замръзване на водата) и дефинирайте произволни деления (наречени градуси) между фиксираните точки. Разширяването на газ, алкохол, живак, електрическо съпротивление и дължина на вълната на светлината обикновено се използват като термометрични параметри. Най-често срещаните температурни скали са ФАРЕНХАЙТ, ЦЕЛЗИЙ (по Целзий) и КЕЛВИН (или абсолютен); те са съкратени като °F, °C и K. Скалата на Фаренхайт първоначално използва точката на замръзване на водата (считана за 32 °F) и температурата на човешкото тяло (96 °F, по-късно 98,6 °F) като фиксирани точки. Интервалът между тях беше разделен на 64 градуса; Точката на кипене на водата се определя чрез екстраполация на 212°F. Скалата по Целзий използва точките на замръзване и кипене на водата съответно като 0°C и 100°C; интервалът е разделен на 100 градуса. Нула по Келвиновата или термодинамичната скала (-273,15 °C, -459,67 °F)

Научно-технически енциклопедичен речник.

Вижте какво е "ТЕМПЕРАТУРНА СКАЛА" в други речници:

ТЕМПЕРАТУРНА СКАЛА- поредица от цифрови точки на скалата на термометъра, разпределени в рамките на температурен интервал, ограничен от две точки с постоянна температура, взети като основни основни референтни точки (обикновено за едни и същи физични състояния, например температура... ... Голяма политехническа енциклопедия

температурна скала- - [A.S. Goldberg. Англо-руски енергиен речник. 2006] Теми: енергия като цяло EN температурна скала ...

температурна скала- temperatūros skalė statusas T sritis Energetika apibrėžtis Verčių, nurodančių atitinkamų temperatūros matavimo vienetų seką, visuma. атитикменис: англ. температурна скала vok. Температурскала, ф рус. температурна скала, f пранц. Ешел де…… Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

температурна скала- температурна скала... Речник на химичните синоними I

Сега за измерване на температурата на въздуха, водата, тялото и т.н. Ние използваме скалата на ЦЕЛЗИЙ, в която един градус е равен на 1/100 от разликата между температурите на вряща вода и топящ се лед. Има и скала REOMUR, в която градусът е равен на 1/80... ... Енциклопедия на руския живот от 19 век

Температурна скала на Келвин- Термодинамична температурна скала (TC), в която 0°K=–273.16°C (1K=1°C). Син.: абсолютна температурна скала; Скала на Келвин... Речник по география

Температурна скала по Фаренхайт- Температурна скала с точка на замръзване на водата 32°F и точка на кипене 212°F [преобразуването в температурната скала по Целзий (C) се извършва по формулата: C=(F 32)5/9] ... Речник по география

Температурна скала по Целзий- Температурна скала (t°C), предложена от шведския астроном А. Целзий, която разделя интервала между точката на замръзване и точката на кипене на водата на 100 части, така че точката на замръзване на водата при стандартно атмосферно налягане е 0° C и ...... Речник по география

Температурна скала на Реомюр- Термометър на Реомюр - Теми нефтена и газова промишленост Синоними Термометър на Реомюр EN Скала на Реомюр ... Ръководство за технически преводач

Температурна скала на Ранкин- - [A.S. Goldberg. Англо-руски енергиен речник. 2006] Енергийни теми като цяло EN Rankine скала ... Ръководство за технически преводач

Историята на изобретяването на термометъра, благодарение на преводите на наследството на древните учени, е добре запазена.

Описано е, че гръцкият учен и лекар Гален е направил първия опит да измери температурата през 170 г. сл. Хр. Той документира стандартната температура на вряща вода и лед.

Топломери

Концепцията за измерване на температурата е доста нова. Термоскопът, по същество топломер без скала, е предшественик на съвременния термометър. Има няколко изобретатели, работещи върху термоскопа през 1593 г., но най-известният е Галилео Галилей, италиански изобретател, който също подобрява (но не изобретява) термоскопа.

Термоскопът може да покаже разликите в топлината, позволявайки на наблюдателите да знаят дали нещо е станало по-топло или по-студено. Термоскопът обаче не може да даде точна температура в градуси. През 1612 г. италианският изобретател Санторио добавя своята цифрова скала към термоскопа и тя се използва за измерване на температурата на човек. Но все още липсваше стандартизиран мащаб и прецизност.

Изобретението на термометъра принадлежи на немския физик Габриел Фаренхайт, който заедно с датския астроном Олаф Кристенсен Рьомер разработи измервателен уред, базиран и използващ алкохол.

През 1724 г. те въвеждат стандартната температурна скала, която носи неговото име, Фаренхайт, скала, която се използва за записване на промените в топлината в точна форма. Скалата му е разделена на 180 градуса между точките на замръзване и точката на кипене на водата. Точката на замръзване 32°F за водата и точката на кипене 212°F за водата, 0°F се базира на топлината на равна смес от вода, лед и сол. Освен това температурата на човешкото тяло е взета като основа за тази символна система. Първоначално нормалната температура на човешкото тяло е била 100°F, но оттогава е коригирана до 98,6°F. Използва се равна смес от вода, лед и амониев хлорид, за да се настрои на 0°F.

Фаренхайт демонстрира термометър на алкохолна основа през 1709 г. преди откриването на живачен аналог, който се оказа по-точен.

През 1714 г. Фаренхайт разработва първия модерен термометър, живачен термометър с по-точни измервания. Известно е, че живакът се разширява или свива, когато физическата стойност на топлината се увеличава или намалява. Това може да се счита за първия модерен живачен термометър със стандартизирана скала.

Историята на изобретението на термометъра отбелязва, че Габриел Фаренхайт, немски физик, е изобретил алкохолния термометър през 1709 г. и живачния термометър през 1714 г.

Видове температурни скали

В съвременния свят се използват определени видове температурни скали:

1. Скалата на Фаренхайт е една от трите основни системи за температурни символи, използвани днес, като другите две са Целзий и Келвин. Фаренхайт е стандартът, използван за измерване на температурата в Съединените щати, но по-голямата част от останалия свят използва Целзий.

2. Малко след откриването на Фаренхайт, шведският астроном Андерс Целзий обяви своята скала, която се нарича Целзий. Разделя се на 100 градуса, разделяйки точката на кипене и точката на замръзване. Първоначалната скала, установена от Целзий като 0 като точка на кипене на водата и 100 като точка на замръзване, беше променена малко след изобретяването на скалата и стана: 0° C – точка на замръзване, 100° C – точка на кипене.

Терминът Целзий е приет през 1948 г. от Международната конференция по мерки и теглилки и везната е предпочитаният температурен сензор за научни приложения, както и в повечето страни по света, с изключение на Съединените щати.

3. Следващата скала е изобретена от лорд Келвин от Шотландия с неговия габарит през 1848 г., сега известна като скала на Келвин. Тя се основава на идеята за абсолютно теоретично нагряване, при което всички вещества нямат топлинна енергия. Няма отрицателни числа по скалата на Келвин, 0 K е най-ниската възможна температура в природата.

Абсолютната нула по Келвин означава минус 273,15 °C и минус 459,67 F. Скалата на Келвин се използва широко в научни приложения. Единиците по скалата на Келвин са със същия размер като тези по скалата на Целзий, с изключение на това, че скалата на Келвин задава най-много.

Коефициенти на преобразуване за видовете температура

Фаренхайт до Целзий: извадете 32, след това умножете по 5, след това разделете на 9;

Целзий до Фаренхайт: умножете по 9, разделете на 5, след това добавете 32;

Фаренхайт към Келвин: извадете 32, умножете по 5, разделете на 9, след това добавете 273,15;

Келвин към Фаренхайт: извадете 273,15, умножете по 1,8, след това добавете 32;

Келвин към Целзий: добавете 273;

Целзий към Келвин: извадете 273.

Термометрите използват материали, които се променят по някакъв начин, когато се нагряват или охлаждат. Най-често срещаните са живак или алкохол, където течността се разширява при нагряване и се свива при охлаждане, така че дължината на колоната на течността е по-дълга или по-къса в зависимост от нагряването. Съвременните термометри са калибрирани за температури като Фаренхайт (използвани в САЩ), Целзий (в световен мащаб) и Келвин (използвани главно от учените).

Температурата се нарича още физическо количество, което характеризира степента на нагряване на тялото, но това не е достатъчно, за да разберем смисъла и значението на понятието температура. В тази фраза има само замяна на един термин с друг и няма по-разбираем. Обикновено физическите понятия се свързват с някакви фундаментални закони и придобиват смисъл само във връзка с тези закони. Концепцията за температура се свързва с концепцията за топлинно равновесие и следователно със закона за макроскопичната необратимост.

Промяна на температурата

В състояние на термодинамично равновесие всички тела, образуващи системата, имат еднаква температура. Температурата може да се измерва само индиректно, въз основа на температурната зависимост на такива физични свойства на телата, които могат да бъдат измерени директно. Използваните за това вещества (тела) се наричат ​​термометрични.

Нека две топлоизолирани тела бъдат поставени в топлинен контакт. Поток от енергия ще се втурне от едно тяло към друго и ще настъпи процесът на пренос на топлина. В този случай се смята, че тялото, което отделя топлина, има по-висока температура от тялото, към което се втурва топлинният поток. Естествено, след известно време потокът от енергия спира и настъпва топлинно равновесие. Предполага се, че телесните температури се изравняват и установяват някъде в интервала между първоначалните температурни стойности. И така, оказва се, че температурата е определен маркер за топлинно равновесие. Оказва се, че всяка стойност t, която отговаря на изискванията:

1. $t_1>t_2$, ако топлинният поток преминава от първото тяло към второто;
2. $t"_1=t"_2=t,\ t_1 > t > t_2$, може да се приеме като температура, когато се установи топлинно равновесие.

Предполага се, че топлинното равновесие на телата се подчинява на закона за преходност: ако две тела са в равновесие с трето, то те са в топлинно равновесие едно с друго.

Най-важната характеристика на горната дефиниция на температурата е нейната неяснота. Можем да изберем количествата, които отговарят на изискванията по различни начини (което ще бъде отразено в начините, по които измерваме температурата) и в крайна сметка да получим различни температурни скали. Температурните скали са начини за разделяне на температурните интервали на части.

Да дадем примери. Както знаете, уредът за измерване на температурата е термометър. Нека разгледаме два вида термометри на различни устройства. В единия ролята на телесна температура играе дължината на живачния стълб в капилярката на термометъра, в случай че термометърът е в топлинно равновесие с тялото, чиято температура измерваме. Дължината на живачния стълб отговаря на условия 1 и 2, които са дадени по-горе и се отнасят за температурата.

Има и друг начин за измерване на температурата: с помощта на термодвойка. Термодвойка е електрическа верига с галванометър и две връзки от разнородни метали (фиг. 1). Едното съединение се поставя в среда с фиксирана температура, например топящ се лед, а другото в среда, чиято температура трябва да се определи. В този случай температурният индикатор се счита за ЕДС на термодвойката. Тези два метода за измерване на температурата няма да дадат еднакви резултати. И за да се премине от една температура към друга, е необходимо да се построи калибровъчна крива, която установява зависимостта на ЕДС на термодвойката от дължината на живачната колона. След това единната скала на живачния термометър се преобразува в неравномерна скала на термодвойката (или обратното). Еднаквите скали на живачен термометър и термодвойка образуват две напълно различни температурни скали, на които тяло в едно и също състояние ще има различни температури. Можете да вземете термометри със същия дизайн, но с различни „термични тела“ (например живак и алкохол). Техните температурни скали също няма да съвпадат. Графиката на дължината на живачната колона спрямо дължината на алкохолната колона няма да бъде линейна.

От това следва, че концепцията за температура, основана на законите на топлинното равновесие, не е уникална. Тази температура се нарича емпирична, зависи от метода на измерване на температурата. Нулата на емпиричната температурна скала винаги се задава произволно. Според дефиницията на емпиричната температура само температурната разлика, тоест нейното изменение, има физически смисъл. Всяка емпирична температурна скала се свежда до термодинамична температурна скала чрез въвеждане на корекции, които отчитат естеството на връзката между термометричното свойство и термодинамичната температура.

Температурни скали

За да се изгради температурна скала, числените температурни стойности се присвояват на две фиксирани референтни точки. След това разделете температурната разлика между референтните точки на произволно избран брой части, получавайки единица за измерване на температурата. Като начални стойности, които служат при конструирането на температурна скала за установяване на произхода и нейната единица - градуси, се използват температурите на преход на химически чисти вещества от едно състояние на агрегиране в друго, например температурата на топене на лед $t_0 $ и точката на кипене на водата $t_k$ при нормално атмосферно налягане ($\приблизително 10^5Pa).$ Количествата $t_0\ и\ t_k$ имат различни значения:

• по скалата на Целзий (градусна скала): точка на кипене на водата $t_k=100^0C$, точка на топене на лед $t_0=0^0C$. Скалата по Целзий е скала, при която температурата на тройната точка на водата е 0,010C при налягане 0,06 atm. (Тройната точка на водата е определена температура и налягане, при които водата, нейната пара и лед могат едновременно да съществуват в равновесие.);
• по скалата на Фаренхайт, точката на кипене на водата $t_k=212^0F;$ $t_0$=3$2^0F$ -- точката на топене на леда;

Връзката между температурите, изразени в градуси по Целзий и Фаренхайт, е:

\[\frac(t^0C)(100)=\frac(t^0F-32)(180)\ \ или\ t^0F=1.8t^0C+32\ \left(1\right);\ ]

Нулата в тази скала се определя от точката на замръзване на смес от вода, сол и амоняк в съотношение 1:1:1.

• по скалата на Келвин: температурата се измерва от абсолютната нула (t=-273,50C) и се нарича термодинамична или абсолютна температура. T=0K е състояние, съответстващо на пълната липса на топлинни флуктуации. Точката на кипене на водата в тази скала е $t_k=373K$, точката на топене на леда е $t_0=273K$. Връзка между температурата на Келвин и температурата на Целзий:
\
• според скалата на Reaumur точката на кипене на водата е $t_k=80^0R$, точката на топене на леда е $t_0=0^0R.$ Скалата практически не се използва. Връзката между температурите, изразени в градуси Целзий и градуси Реомюр:
\

Термометърът на Reaumur използва алкохол.

• според скалата на Ранкин точката на кипене на водата е $t_k=671.67^(0\ )Ra$, точката на топене на леда е $t_0=(491.67)^0Ra.$ Скалата започва от абсолютната нула. Броят градуси между точките на замръзване и точката на кипене на водата по скалите на Фаренхайт и Ранкин е еднакъв и равен на 180.

Връзката между келвин и градус на Ранкин: 1K=1.$8^(0\ )Ra$, градусите по Фаренхайт се преобразуват в градуси на Ранкин по формулата:

\[^0Ra=^0F+459.67\left(4\right);\]

В технологиите и в ежедневието температурите се използват по скалата на Целзий. Единицата на тази скала се нарича градус Целзий ($^0C).\ $ Във физиката те използват термодинамична температура, която е не само по-удобна, но има и дълбоко физическо значение, тъй като се определя от средната кинетична енергия на молекулата. Единицата за термодинамична температура, градусът келвин (до 1968 г.), или сега просто келвин (K), е една от основните единици в SI. Температурата T=0K се нарича абсолютна нулева температура. Съвременната термометрия се основава на скалата на идеалния газ, където налягането се използва като термометрична величина. Скалата на газовия термометър е абсолютна (T=0, p=0). Когато решавате задачи, най-често ще трябва да използвате тази температурна скала.

Избрахме тази тема, защото постоянно се сблъскваме с понятията „температура“, „измерване на температурата“, „термометър“ както когато разглеждаме физични или химични процеси в науката и производството, така и в ежедневието, когато поставяме термометър на пациент или погледнете алкохолния термометър извън прозореца, за да разберете дали да носите топло палто. Въпреки това, обикновено под температура ние просто разбираме степента на нагряване на тялото и не мислим каква е температурата от физическа гледна точка. Температурата е една от най-често измерваните физически величини, тъй като практически няма област на дейност, където да не е необходимо да се измерва и регулира температурата, а също така е един от най-важните фактори на околната среда, на които оцеляването на планетата, неговите форми и видове зависи. Човешкият живот също зависи пряко от температурата на околната среда.

Международната система от единици (SI) използва термодинамичната температура като една от седемте основни физични величини, включени в Международната система от единици, и нейната единица е келвин, който е една от седемте основни единици в SI.

Цел на работата: Запознаване с понятието температура.

Цели: Преглед на температурните скали, получаване на представа за някои видове термометри, техните принципи на работа, работа с проблеми, провеждане на експерименти.

1. температура,T.

температура(от латински. температура— правилно смесване, нормално състояние) — скаларна* физична величина, характеризираща състоянието на термодинамично равновесие** на макроскопична система***. Температурата на всички части на системата в равновесие е една и съща. Ако системата не е в равновесие, тогава между нейните части, които имат различни температури, се осъществява топлообмен (пренос на енергия от по-нагрети части на системата към по-малко нагрети), което води до изравняване на температурите в системата.

Температурата се отнася до интензивни величини, които не зависят от масата на системата.

Интуитивна концепция температурасе появи като мярка за градацията на нашите усещания за топлина и студ; на ежедневно ниво температурата се възприема като параметър, който служи за количествено описание на степента на нагряване на материалния обект.

Думата „температура“ възниква в онези дни, когато хората вярват, че по-нагретите тела съдържат по-голямо количество специално вещество - калорично - от по-малко нагретите. Следователно температурата се възприема като силата на смес от телесна материя и калории. Поради тази причина мерните единици за силата на алкохолните напитки и температурата се наричат ​​еднакви - градуси.

Тъй като температурата е кинетичната енергия на молекулите, ясно е, че е най-естествено да се измерва в енергийни единици (т.е. в системата SI в джаули). Измерването на температурата обаче започва много преди създаването на молекулярно-кинетичната теория, така че практическите везни измерват температурата в конвенционални единици - градуси.

Средната кинетична енергия на хаотичното транслационно движение на молекулите на тялото е пропорционална на термодинамичната (абсолютна) температура:

(k=1,38*10^-23J/k-константа на Болцман (е коефициент, който преобразува температурата от степенна мярка (K) в енергийна мярка (J), коефициентът 3/2 е въведен за удобство, поради което факторите в др. формулите изчезват.)

Средна скорост на термично движение.

Както следва от формулата

студен газ се различава от газ, нагрят до висока температура от енергията на хаотичното движение на молекулите, следователно хаотичното движение на молекулите се нарича термично.

Средната (по-точно, средноквадратична) скорост на топлинно движение на молекулите може да се изрази като температура на газа с помощта на формулата

Последната формула може да бъде намалена до по-удобна форма, като се изрази масата на молекулата и се обозначи ( R ~ 8,31 J/(K. mol) се нарича универсална газова константа)

* Скаларна величина е величина, чиято всяка стойност може да бъде изразена с едно реално число. Тоест скаларното количество се определя само от стойността му, за разлика от вектора, който има посока в допълнение към стойността си. Скаларните величини включват дължина, площ, време, температура и др.

**Термодинамичното равновесие е състояние на система, при което макроскопичните величини на тази система (температура, налягане, обем) остават непроменени във времето при условия на изолация от околната среда.

*** Макроскопичната система е система, състояща се от голям брой частици и не изисква използването на микроскопични характеристики на отделните частици за нейното описание.

****Изолирана система (затворена система) е термодинамична система, която не обменя нито материя, нито енергия с околната среда.

2. Температурни скали.

Температурни скали, методи за разделяне на части температурни интервали, измерени с термометри чрез промени във всяко физическо свойство на обект, удобно за измервания, при равни други условия, уникално зависими от температурата (обем, налягане, електрическо съпротивление, интензитет на излъчване, индекс на пречупване, скорост на звук и т.н.) и извик термометрично свойство. За да изградите температурна скала, задайте нейните числени стойности на две фиксирани точки ( опорни точкитемпература), като например точката на топене на леда и точката на кипене на водата. Разделяне на температурната разлика между референтните точки ( основен температурен диапазон) за произволно избран брой части, те получават единица за измерване на температурата и чрез указване, отново произволно, на функционална връзка между избраното термометрично свойство и температурата, те са в състояние да изчислят температурата по дадена температурна скала.

Ясно е, че построен по този начин емпирична температурна скалае произволно и условно. Следователно е възможно да се създадат произволен брой температурни скали, различаващи се по избраните термометрични свойства, приетите функционални зависимости на температурата от тях (в най-простия случай връзката между термометричното свойство и температурата се приема за линейна) и температури на референтните точки.

Примери за температурни скали са скалите на Целзий, Реомюр, Фаренхайт, Ранкин и Келвин.

Преобразуването на температурата от една температурна скала в друга, различаваща се по термометрични свойства, е невъзможно без допълнителни експериментални данни.

Основният недостатък на емпиричните температурни скали - тяхната зависимост от избраното термометрично свойство - липсва в абсолютната (термодинамична) температурна скала.

2.1. Скала на Келвин.

Келвин (символ: K) е единица за термодинамична температура в Международната система единици (SI), една от седемте основни единици SI. Предложен през 1848 г. Един келвин е равен на 1/273,16 от термодинамичната температура на тройната точка на водата*. Началото на скалата (0 K) съвпада с абсолютната нула**.

Преобразуване в градуси по Целзий: °C = K−273,15 (температурата на тройната точка на водата е 0,01 °C).

Единицата е кръстена на английския физик Уилям Томсън, който е получил титлата Лорд Келвин от Ларг от Ейршир. От своя страна тази титла идва от река Келвин, която тече през територията на университета в Глазгоу.

До 1968 г. келвинът официално се нарича градус Келвин.

* Тройната точка на водата е строго определени стойности на температурата и налягането, при които водата може да съществува едновременно и в равновесие под формата на три фази - в твърдо, течно и газообразно състояние. Тройната точка на водата е температура от 273,16 K и налягане от 611,657 Pa.

** Абсолютната нулева температура (по-рядко абсолютната нулева температура) е минималната граница на температурата, която физическото тяло във Вселената може да има. Абсолютната нула служи като източник на абсолютна температурна скала, като скалата на Келвин. През 1954 г. X Генерална конференция по мерки и теглилки установи термодинамичната температурна скала с една отправна точка - тройната точка на водата, чиято температура беше приета за 273,16 K (точно), което съответства на 0,01 °C, така че по скалата на Целзий температурата съответства на абсолютната нула −273,15 °C.

2.2. Скала на Реомюр.

Степен Reaumur (°R)- единица за температура, в която точките на замръзване и кипене на водата се приемат съответно за 0 и 80 градуса. Предложен през 1730 г. от R. A. Reaumur. Скалата на Реомюр практически е излязла от употреба.

Réaumur очаква алкохолът да се разшири с приблизително 8% (8,4% чрез изчисление: коефициент на разширение на алкохола 0,00108 K-), когато се нагрява от температурата на топене на леда до точката на кипене (≈78 градуса по Целзий). Следователно Reaumur определя тази температура като 80 градуса по своята скала, на която един градус съответства на разширяването на алкохола с 1 хилядна, а нулата на скалата е избрана като температура на замръзване на водата. Въпреки това, поради факта, че не само алкохолът, но и различни негови водни разтвори са били използвани като течност в онези дни, много производители и потребители на термометри погрешно са смятали, че 80 градуса по Реомюр е точката на кипене на водата. И след широкото въвеждане на живака като течност за термометри, както и появата и разпространението на скалата на Целзий, до края на 18-ти век скалата на Реомюр беше окончателно предефинирана. От равенството 100 градуса по Целзий = 80 градуса по Реомюр, получаваме 1 °C = 0,8 °R (съответно 1 °R = 1,25 °C). Въпреки че всъщност по оригиналната скала на Reaumur трябва да е 1 °R = 0,925 °C. Дори по време на живота на Реомюр са правени измервания на точката на кипене на водата в градуси по неговата скала (но не с алкохолен термометър - това е невъзможно). Жан Тилет, в присъствието на Жан-Антоан Ноле, получи стойност 85. Но всички последващи измервания дадоха стойности от 100 до 110 градуса. Използвайки гореспоменатите съвременни данни, точката на кипене на водата в градуси Реомюр е 108. (През 1772 г. Франция приема стандартна точка на кипене от 110 градуса Реомюр).

2.3. Целзий.

Градус по Целзии(обозначаване: °C) е широко използвана единица за температура, използвана в Международната система от единици (SI) заедно с келвин.

Градусът по Целзий е кръстен на шведския учен Андерс Целзий, който през 1742 г. предлага нова скала за измерване на температурата.

Първоначалното определение за градуси по Целзий зависеше от определението за стандартно атмосферно налягане, тъй като както точката на кипене на водата, така и точката на топене на леда зависят от налягането. Това не е много удобно за стандартизиране на мерната единица. Следователно, след приемането на Келвин K като основна единица за температура, дефиницията на градуса по Целзий беше преразгледана.

Според съвременната дефиниция градус по Целзий е равен на един келвин К, а нулата на скалата по Целзий е настроена така, че температурата на тройната точка на водата да е 0,01 °C. В резултат на това скалите на Целзий и Келвин се изместват с 273,15:

История:

През 1665 г. холандският физик Кристиан Хюйгенс, заедно с английския физик Робърт Хук, за първи път предлагат да се използват точките на топене на леда и врящата вода като референтни точки на температурната скала.

През 1742 г. шведският астроном, геолог и метеоролог Андерс Целзий (1701–1744) разработва нова температурна скала въз основа на тази идея. Първоначално 0° (нула) беше точката на кипене на водата, а 100° беше точката на замръзване на водата (точката на топене на леда). По-късно, след смъртта на Целзий, неговите съвременници и сънародници, ботаникът Карл Линей и астрономът Мортен Стремер, използваха тази обърната скала (започнаха да приемат температурата на топене на леда като 0°, а на кипящата вода като 100°). Това е формата, в която скалата се използва и до днес.

2.4. Фаренхайт.

градус по Фаренхайт(обозначаване: °F) е единица за измерване на температурата. Наречен на немския учен Габриел Фаренхайт, който предложи скала за измерване на температура през 1724 г.

По скалата на Фаренхайт точката на топене на леда е +32 °F, а точката на кипене на водата е +212 °F(при нормално атмосферно налягане). Освен това един градус по Фаренхайт е равен на 1/180 от разликата между тези температури. Диапазон 0...+100 °Fпо скалата на Фаренхайт приблизително съответства на диапазона от −18…+38 °Cпо скалата на Целзий. Нулата в тази скала се определя от точката на замръзване на смес от вода, сол и амоняк (1:1:1) и над 96 °Fприема се нормална човешка телесна температура.

Преобразуване от Фаренхайт в Целзий:

Фаренхайт беше широко използван във всички англоезични страни до 60-те години на миналия век, когато повечето преминаха към метричната система с Целзий, въпреки че Фаренхайт понякога все още се използва в тези страни.

В момента градуса по Фаренхайт се използва в ежедневието като основна единица за измерване на температурата в следните страни: САЩ и зависимите територии (Гуам, Вирджински острови, Палау, Пуерто Рико и др.), Белиз, Бермудите, Ямайка.

2.5.Скала на Ранкин.

Скала на Ранкин(измерена в градуси Ранкин - °Ra) - абсолютна температурна скала, кръстена на шотландския физик Уилям Ранкин (1820-1872). Използва се в англоговорящите страни за инженерни термодинамични изчисления.

Скалата на Ранкин започва от абсолютната нула, точката на замръзване на водата е 491,67°Ra, точката на кипене на водата е 671,67°Ra. Броят градуси между точките на замръзване и точката на кипене на водата по скалите на Фаренхайт и Ранкин е еднакъв и равен на 180.

Връзката между Келвин и Ранкин е 1 K = 1,8 °Ra, Фаренхайт се преобразува в Ранкин по формулата °Ra = °F + 459,67. Броят градуси между точките на замръзване и точката на кипене на водата по скалите на Фаренхайт и Ранкин е еднакъв и е равен на 180. Това се различава от абсолютната скала на Келвин, където 1 келвин съответства на 1°C.

Диаграма за преобразуване на температурата:

3.Термометри.

Термометър(от гръцки terme - топлина, metreo - мярка) - уред за измерване на температурата: въздух, вода, почва, човешко тяло и други физически тела. Термометрите се използват в метеорологията, хидрологията, медицината и други науки и индустрии.

История на изобретението:

Смята се, че изобретателят на първия термометър-термоскоп е известният италиански учен Галилео Галилей (1597 г.). Термоскопът на Галилей беше стъклена топка със запоена към нея стъклена тръба. Топката беше леко нагрята и краят на тръбата беше спуснат в съд с вода. След известно време въздухът в топката се охлади, налягането му намаля и водата под въздействието на атмосферното налягане се издигна по тръбата до определена височина. Впоследствие със затопляне налягането на въздуха в топката се увеличава и нивото на водата в тръбата намалява, а при охлаждане се увеличава.

С помощта на термоскоп беше възможно да се прецени само промяната в степента на нагряване на телата: той не показваше числови температурни стойности, тъй като нямаше скала. На термометъра е дадена съвременната му форма (чрез запечатване на тръбата и обръщане с главата надолу) от Габриел Даниел Фаренхайт, холандски физик и духач на стъкло. А постоянните (референтни) точки - вряща вода и топящ се лед - са поставени върху скалата на термометъра от шведския астроном и физик Андерс Целзий през 1742 г.

В момента има много видове термометри: цифрови, електронни, инфрачервени, пирометри, биметални, дистанционни, електрически контактни, течни, термоелектрически, газови, съпротивителни термометри и др. Всеки термометър има свой собствен принцип на действие и собствен обхват на приложение. Нека разгледаме някои от тях.

3.1 Течни термометри.

Течните термометри използват топлинното разширение на течностите. В зависимост от температурния диапазон, в който ще се използва термометърът, той се пълни с живак, етилов алкохол или други течности.

Течните термометри, пълни с живак, се използват за прецизни измервания на температурата (до една десета от градуса) в лабораториите. Термометри, пълни със спирт, се използват в метеорологията за измерване на температури под -38° (тъй като живакът се втвърдява при по-ниски температури).

Термометър за алкохол.

3.2.Газови термометри.

Газов термометър- устройство за измерване на температура, основано на закона на Чарлз*.

Принцип на работа:В началото на 18в. През 1703 г. Чарлз установява, че същото нагряване на който и да е газ води до същото увеличение на налягането, ако обемът остава постоянен. При промяна на температурата по скалата на Целзий зависимостта на налягането на газа при постоянен обем се изразява по линеен закон. И от това следва, че налягането на газа (при V = const) може да се приеме като количествена мярка за температурата. Като свържете съда, съдържащ газа, към манометър и калибрирате устройството, можете да измерите температурата, като използвате показанията на манометъра**.

В широк диапазон от промени в газовите концентрации и температури и ниски налягания температурният коефициент на налягане на различните газове е приблизително еднакъв, следователно методът за измерване на температурата с помощта на газов термометър се оказва слабо зависим от свойствата на специфичния вещество, използвано в термометъра като работна течност. Най-точни резултати се получават, ако като работна течност се използва водород или хелий.

*Законът на Чарлзили вторият закон на Гей-Люсак е един от основните газови закони, който описва връзката между налягане и температура за идеален газ. Формулировката на закона на Чарлз е следната: за дадена маса газ съотношението на налягането на газа към неговата температура е постоянно, ако обемът на газа не се променя. Тази връзка се записва математически, както следва: P/T=const, ако V=const и m=const.

**Манометър(гръцки manos - рядък, насипен, разреден + др. гръцки μέτρον - мярка, метър) - уред, който измерва налягането на течност или газ.

3.3. Механични термометри.

Механичните термометри работят на същия принцип като течните термометри, но сензорът обикновено е спирала от метал или биметал - две метални ленти с различна способност да се удължават при температурни промени, закрепени с нитове. Механичните термометри се използват за измерване на температурата на течности и газове в отоплителни и санитарни инсталации, в климатични и вентилационни системи, както и за измерване на температурата на насипни и вискозни среди (например тесто или глазура) в хранително-вкусовата промишленост.

3.4.Оптични термометри.

Оптичните термометри (пирометри) позволяват записването на температурата поради промени в светимостта или спектъра на излъчване на телата. Оптичните термометри се използват за измерване на повърхностната температура на обекти на труднодостъпни (и горещи) места.

3.5 Електрически термометри.

Принципът на действие на електрическите термометри се основава на промяната на съпротивлението* на проводника при промяна на температурата на околната среда.

Електрическите термометри от по-широк диапазон се основават на термодвойки** (контактът между метали с различна електроотрицателност създава контактна потенциална разлика в зависимост от температурата).

Най-точни и стабилни във времето са съпротивителните термометри на основата на платинена тел или платинено покритие върху керамика. Най-широко използваните са PT100 (съпротивление при 0 °C - 100Ω) PT1000 (съпротивление при 0 °C - 1000Ω) (IEC751). Зависимостта от температурата е почти линейна и се подчинява на квадратичен закон при положителни температури и уравнение от четвърта степен при отрицателни температури (съответните константи са много малки и при първо приближение тази зависимост може да се счита за линейна). Температурен диапазон −200 - +850 °C

* Електрическо съпротивление- физическо количество, което характеризира свойствата на проводника да предотвратява преминаването на електрически ток и е равно на съотношението на напрежението в краищата на проводника към силата на тока, протичащ през него.

**Термодвойка(термоелектрически преобразувател) е устройство, използвано за измерване на температура в промишлеността, научните изследвания, медицината и в системите за автоматизация.

4.Задачи.

1. Определете средната квадратична скорост на молекулите на кислорода и аргона във въздуха при температура 20°C.

2. При каква температура топлинната скорост на азотните молекули е равна на 90 km/h?

Опит Галилея.

Заключение.

В заключение разгледахме понятието температура от физическа гледна точка, но тя може да се разглежда и като жизненоважен фактор за човек.

Например: за човек, несвързан с физиката, температурата е мярка за градацията на нашите усещания за топлина и студ; на ежедневно ниво температурата се възприема като параметър, който служи за количествено описание на степента на нагряване на материалния обект.

Този проект изследва няколко типа температура

скали: Келвин, Реомюр, Целзий, Фаренхайт, Ранкин. Всяка скала има свои собствени характеристики и недостатъци.

Проектът засегна и някои видове термометри: течни,

газови, механични, оптични, електрически. Всеки термометър има свой собствен принцип на действие и собствен обхват на приложение.

Решени задачи с помощта на формулата за средна квадратична скорост.

Провежда експеримента на Галилей, включващ температурни промени.Създаден от Макаров и Степанов