teplotná stupnica. Teplotné stupnice

Molekulárna kinetická definícia

Meranie teploty

Na meranie teploty sa vyberie niektorý termodynamický parameter termometrickej látky. Zmena tohto parametra je jednoznačne spojená so zmenou teploty.

V praxi sa teplota meria pomocou

Jednotky teploty a stupnica

Z toho, že teplota je kinetická energia molekúl, je zrejmé, že najprirodzenejšie je ju merať v energetických jednotkách (t. j. v sústave SI v jouloch). Meranie teploty však začalo dávno pred vytvorením molekulárnej kinetickej teórie, takže praktické váhy merajú teplotu v konvenčných jednotkách – stupňoch.

Kelvinova teplotná stupnica

Pojem absolútnej teploty zaviedol W. Thomson (Kelvin), v súvislosti s ktorým sa absolútna teplotná stupnica nazýva Kelvinova stupnica alebo termodynamická teplotná stupnica. Jednotkou absolútnej teploty je kelvin (K).

Absolútna teplotná stupnica sa tak nazýva, pretože mierou základného stavu spodnej teplotnej hranice je absolútna nula, teda najnižšia možná teplota, pri ktorej v zásade nie je možné odobrať tepelnú energiu z látky.

Absolútna nula je definovaná ako 0 K, čo je približne -273,15 °C.

Kelvinova teplotná stupnica je teplotná stupnica, ktorá sa meria od absolútnej nuly.

Teplotné stupnice používané v bežnom živote - Celzia aj Fahrenheita (používané hlavne v USA) - nie sú absolútne, a preto nepohodlné pri vykonávaní experimentov v podmienkach, keď teplota klesá pod bod mrazu vody, kvôli čomu musí byť teplota vyjadril záporné číslo. Pre takéto prípady boli zavedené absolútne teplotné stupnice.

Jedna z nich sa nazýva Rankinova stupnica a druhá absolútna termodynamická stupnica (Kelvinova stupnica); teploty sa merajú v stupňoch Rankina (°Ra) a kelvinoch (K). Obe stupnice začínajú na absolútnej nule. Líšia sa tým, že kelvin sa rovná stupňom Celzia a stupeň Rankine sa rovná stupňom Fahrenheita.

Bod tuhnutia vody pri štandardnom atmosférickom tlaku zodpovedá 273,15 K. Počet stupňov Celzia a kelvinov medzi bodmi tuhnutia a varu vody je rovnaký a rovný 100. Preto sa stupne Celzia prepočítajú na kelviny pomocou vzorca K \ u003d °C + 273,15.

Celzia

Fahrenheita

V Anglicku a najmä v USA sa používa stupnica Fahrenheit. Nula stupňov Celzia je 32 stupňov Fahrenheita a stupeň Fahrenheita je 5/9 stupňov Celzia.

Súčasná definícia stupnice Fahrenheit je nasledovná: je to teplotná stupnica, ktorej 1 stupeň (1 °F) sa rovná 1/180 rozdielu medzi bodom varu vody a topením ľadu pri atmosférickom tlaku, a bod topenia ľadu je +32 °F. Teplota na Fahrenheitovej stupnici súvisí s teplotou na Celziovej stupnici (t ° C) v pomere t ° C = 5/9 (t ° F - 32), 1 ° F = 9/5 ° C + 32. Navrhol G. Fahrenheit v roku 1724.

Energia tepelného pohybu pri absolútnej nule

Ako sa hmota ochladzuje, množstvo foriem tepelnej energie a s nimi spojené účinky súčasne klesajú. Hmota sa presúva z menej usporiadaného stavu do viac usporiadaného stavu. Plyn sa mení na kvapalinu a následne kryštalizuje na pevné teleso (aj pri absolútnej nule zostáva hélium pri atmosférickom tlaku v kvapalnom stave). Pohyb atómov a molekúl sa spomaľuje, ich kinetická energia klesá. Odolnosť väčšiny kovov klesá v dôsledku zníženia rozptylu elektrónov atómami kryštálovej mriežky vibrujúcimi s menšou amplitúdou. Teda aj pri absolútnej nule sa vodivé elektróny pohybujú medzi atómami Fermiho rýchlosťou rádovo 1x106 m/s.

Teplota, pri ktorej častice hmoty majú minimálny pohyb, ktorý sa zachováva len vďaka kvantovo mechanickému pohybu, je teplota absolútnej nuly (T = 0K).

Teploty absolútnej nuly nie je možné dosiahnuť. Najnižšiu teplotu (450±80)x10 -12 K Bose-Einsteinovho kondenzátu atómov sodíka dosiahli v roku 2003 výskumníci z MIT. V tomto prípade je vrchol tepelného žiarenia v oblasti vlnových dĺžok rádovo 6400 km, čo je približne polomer Zeme.

Teplota z termodynamického hľadiska

Existuje mnoho rôznych teplotných škál. Raz bola teplota určená veľmi ľubovoľne. Teplota sa merala značkami nanesenými v rovnakých vzdialenostiach na stenách trubice, v ktorej voda expandovala pri zahrievaní. Potom sa rozhodli zmerať teplotu a zistili, že stupňové vzdialenosti nie sú rovnaké. V termodynamike je daná definícia teploty, ktorá nezávisí od žiadnych konkrétnych vlastností látky.

Predstavujeme funkciu f(T), ktorý nezávisí od vlastností látky. Z termodynamiky vyplýva, že ak nejaký tepelný motor, absorbuje množstvo tepla Q 1 at T 1 vydáva teplo Q s pri teplote jedného stupňa a druhý stroj, ktorý absorboval teplo Q 2 at T 2, vydáva rovnaké teplo Q s pri teplote jeden stupeň, potom stroj, ktorý absorbuje Q 1 at T 1 by mala mať teplotu T 2 vydávať teplo Q 2 .

Samozrejme, medzi teplom Q a teplotu T existuje závislosť a teplo Q 1 by mala byť proporcionálna Q s. Teda pre každé množstvo tepla Q s, uvoľnené pri teplote jedného stupňa, zodpovedá množstvu tepla absorbovaného strojom pri teplote T rovná Q s vynásobený nejakou zvyšujúcou sa funkciou f teplota:

Keďže nájdená funkcia rastie s teplotou, môžeme predpokladať, že sama meria teplotu, počnúc štandardnou teplotou jedného stupňa. To znamená, že teplotu telesa zistíte určením množstva tepla, ktoré absorbuje tepelný motor pracujúci v intervale medzi teplotou telesa a teplotou jedného stupňa. Takto získaná teplota sa nazýva absolútna termodynamická teplota a nezávisí od vlastností látky. Pre reverzibilný tepelný motor teda platí nasledujúca rovnosť:

Pre systém, v ktorom je entropia S môže byť funkciou S(E) svoju energiu E termodynamická teplota je definovaná ako:

Teplota a žiarenie

So stúpajúcou teplotou sa zvyšuje energia vyžarovaná zohriatym telesom. Energiu žiarenia čierneho telesa popisuje Stefan-Boltzmannov zákon

Reaumurova stupnica

Navrhol ho v roku R. A. Reaumur, ktorý opísal liehový teplomer, ktorý vynašiel.

Jednotka - stupeň Réaumur (°R), 1°R sa rovná 1/80 teplotného intervalu medzi referenčnými bodmi - teplota topiaceho sa ľadu (0°R) a vriacej vody (80°R)

1 °R = 1,25 °C.

V súčasnosti mierka zanikla, najdlhšie sa zachovala vo Francúzsku, v domovine autora.

Prechody z rôznych mierok

Porovnanie teplotných stupníc

¹ Normálna priemerná teplota ľudského tela je 36,6 °C ± 0,7 °C alebo 98,2 °F ± 1,3 °F. Bežne udávaná hodnota 98,6 °F je presným Fahrenheitovým prevodom nemeckej hodnoty z 19. storočia 37 °C. Táto hodnota však nie je v rozmedzí normálnej priemernej teploty ľudského tela, pretože teplota rôznych častí tela je rôzne

TEPLOTA STUPNICE

TEPLOTA STUPNICE, odstupňovaná stupnica na meranie teploty. Na vytvorenie ľubovoľnej teplotnej stupnice je potrebné zvoliť termometrický parameter, ktorý sa mení lineárne s teplotou (napríklad objem plynu pri konštantnom tlaku alebo expanzia kvapaliny v trubici), dva alebo viac pevných, ľahko reprodukovateľných bodov, (napríklad body varu a tuhnutia vody) a nastavte ľubovoľné delenia (nazývané stupne) medzi pevnými bodmi. Ako termometrické parametre sa zvyčajne používa expanzia plynu, alkoholu, ortuti, elektrický odpor a vlnová dĺžka svetla. Najbežnejšie teplotné stupnice sú FAHRENHEIT, CELSIUS (stupeň Celzia) a KELVIN (alebo absolútny); sú označované skratkami °F, °C a K. Stupnica Fahrenheita pôvodne používala ako pevne stanovený bod mrazu vody (predpokladá sa 32 °F) a teplotu ľudského tela (96 °F, neskôr 98,6 °F). bodov. Interval medzi nimi bol rozdelený o 64 stupňov; Bod varu vody je extrapolovaný na 212 °F. Celziova stupnica používa body tuhnutia a varu vody ako 0 °C a 100 °C; interval delený 100 stupňami. Nula na Kelvinovej alebo termodynamickej stupnici (-273,15 °C, -459,67 °F)

Vedecko-technický encyklopedický slovník.

Pozrite si, čo je „TEMPERATURE SCALE“ v iných slovníkoch:

TEPLOTA STUPNICE- séria číselných bodov na stupnici teplomera, rozdelených v teplotnom intervale obmedzenom dvoma bodmi konštantnej teploty, ktoré sa považujú za hlavné referenčné body (zvyčajne pre rovnaké fyzikálne stavy, napríklad teploty ... ... Veľká polytechnická encyklopédia

teplotná stupnica-- [A.S. Goldberg. Anglický ruský energetický slovník. 2006] Témy energie vo všeobecnej EN teplotnej škále …

teplotná stupnica- temperatūros skalė statusas T sritis Energetika apibrėžtis Verčių, nurodančių atitinkamų temperatūros matavimo vienetų seką, visuma. atitikmenys: angl. teplotná stupnica vok. Temperaturskala, f rus. teplotná stupnica, f pranc. echelle de.... Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

teplotná stupnica- teplotná stupnica... Slovník chemických synoným I

Teraz zmerajte teplotu vzduchu, vody, tela atď. Používame stupnicu Celzia, kde jeden stupeň sa rovná 1/100 rozdielu medzi teplotami varu vody a topenia ľadu. Existuje aj stupnica REAUMURE, v ktorej je stupeň 1/80 ... ... Encyklopédia ruského života XIX storočia

Kelvinova teplotná stupnica- Termodynamická teplotná stupnica (TC), v ktorej 0°K=–273,16°C (1K=1°C). Syn.: stupnica absolútnej teploty; Kelvinova stupnica... Geografický slovník

Teplotná stupnica Fahrenheita- Teplotná stupnica s bodom tuhnutia vody pri 32°F a bodom varu 212°F [prepočet na teplotnú stupnicu Celzia (C) sa vykonáva podľa vzorca: C=(F 32)5/9] ... Geografický slovník

Celzia teplotná stupnica- Teplotná stupnica (t ° C) navrhnutá švédskym astronómom A. Celsiom, ktorá rozdeľuje interval medzi bodom mrazu a bodom varu vody na 100 častí, takže bod tuhnutia vody pri štandardnom atmosférickom tlaku je 0 ° C a ... ... Geografický slovník

Réaumurova teplotná stupnica- Réaumurov teplomer — Témy ropný a plynárenský priemysel Synonymá Réaumurov teplomer EN Reaumurova stupnica … Technická príručka prekladateľa

Rankinova teplotná stupnica-- [A.S. Goldberg. Anglický ruský energetický slovník. 2006] Energetické témy vo všeobecnosti EN Rankinova stupnica … Technická príručka prekladateľa

História vynálezu teplomera sa vďaka prekladom dedičstva starovekých vedcov dobre zachovala.

Hovorí sa, že grécky vedec a lekár Galén urobil prvý pokus o meranie teploty v roku 170 nášho letopočtu. Zdokumentoval štandardnú teplotu vriacej vody a ľadu.

Merače tepla

Koncept merania teploty je pomerne nový. Termoskop, v podstate merač tepla bez stupnice, bol predchodcom moderného teplomera. Na termoskope pracovalo v roku 1593 niekoľko vynálezcov, ale najznámejší je Galileo Galilei, taliansky vynálezca, ktorý tiež vylepšil (ale nevynašiel) termoskop.

Termoskop môže ukázať rozdiely v teple, čo umožňuje pozorovateľom vedieť, či sa niečo otepľuje alebo ochladzuje. Termoskop však nedokáže poskytnúť presnú teplotu v stupňoch. V roku 1612 taliansky vynálezca Santorio pridal k termoskopu vlastnú číselnú stupnicu a tá slúžila na meranie teploty človeka. Stále mu však chýbala štandardizovaná mierka a presnosť.

Vynález teplomeru patrí nemeckému fyzikovi Gabrielovi Fahrenheitovi, ktorý spolu s dánskym astronómom Olafom Christensenom Römerom vyvinul merač na báze a s použitím alkoholu.

V roku 1724 zaviedli štandardnú teplotnú stupnicu, ktorá nesie jeho meno, Fahrenheit, stupnicu, ktorá sa používala na zaznamenávanie zmien horkosti v presnej forme. Jeho stupnica je rozdelená na 180 stupňov medzi bodom tuhnutia a varu vody. 32 °F mrazivá voda a 212 °F vriaca voda, 0 °F bola založená na zahrievaní rovnakej zmesi vody, ľadu a soli. Za základ tohto znakového systému sa považuje aj teplota ľudského tela. Pôvodne bola normálna teplota ľudského tela 100 °F, ale odvtedy sa upravila na 98,6 °F. Na nastavenie na 0 °F sa používa rovnaká zmes vody, ľadu a chloridu amónneho.

Fahrenheit demonštroval teplomer na báze alkoholu v roku 1709 pred objavením náprotivku na báze ortuti, ktorý sa ukázal byť presnejší.

V roku 1714 Fahrenheit vyvinul prvý moderný teplomer, ortuťový teplomer s presnejšími meraniami. Je známe, že ortuť sa rozpína ​​alebo zmršťuje so zvyšujúcou sa fyzikálnou hodnotou tepla alebo klesá. Toto možno považovať za prvý moderný ortuťový teplomer so štandardizovanou stupnicou.

História vynálezu teplomera uvádza, že Gabriel Fahrenheit, nemecký fyzik, vynašiel alkoholový teplomer v roku 1709 a ortuťový teplomer v roku 1714.

Typy teplotných stupníc

V modernom svete sa používajú určité typy teplotných stupníc.:

1. Stupnica Fahrenheita je jedným z troch hlavných systémov teplotných znakov, ktoré sa dnes používajú, pričom ďalšie dva sú Celzia a Kelvina. Fahrenheit je štandard používaný na meranie teploty v Spojených štátoch, ale väčšina zvyšku sveta používa stupne Celzia.

2. Krátko po objavení Fahrenheita oznámil švédsky astronóm Anders Celsius svoju vlastnú stupnicu, ktorá sa označuje ako Celsius. Delí sa na 100 stupňov oddeľujúcich bod varu a bod mrazu. Pôvodná stupnica, ktorú Celzius nastavil ako 0 ako bod varu vody a 100 ako bod tuhnutia, sa krátko po vynájdení stupnice zmenila na 0°C mrazenie, 100°C bod varu.

Termín Celsius bol prijatý v roku 1948 na Medzinárodnej konferencii pre váhy a miery a stupnica je preferovaným meradlom teploty pre vedecké aplikácie a vo väčšine krajín sveta okrem Spojených štátov amerických.

3. Nasledujúcu stupnicu vynašiel lord Kelvin zo Škótska so svojím meradlom v roku 1848, teraz známy ako Kelvinova stupnica. Bol založený na myšlienke absolútneho teoretického ohrevu, v ktorom všetky látky nemajú tepelnú energiu. Na Kelvinovej stupnici nie sú žiadne záporné čísla, 0 K je najnižšia možná teplota v prírode.

Absolútna nula Kelvina znamená mínus 273,15 °C a mínus 459,67 F. Kelvinová stupnica sa vo vedeckých aplikáciách široko používa. Jednotky Kelvina majú rovnakú veľkosť ako stupnica Celzia, okrem toho, že stupnica Kelvin nastavuje najviac.

Konverzné faktory pre teplotné typy

Fahrenheita na stupne Celzia: Odčítajte 32, potom vynásobte 5, potom vydeľte 9;

Celzia až Fahrenheita: vynásobte 9, vydeľte 5, potom pridajte 32;

Fahrenheita na Kelvina: odčítajte 32, vynásobte 5, vydeľte 9, potom pridajte 273,15;

Kelvin na Fahrenheit: odčítajte 273,15, vynásobte 1,8, potom pridajte 32;

Kelvin k stupňom Celzia: pridajte 273;

Celzia na Kelvin: Odčítajte 273.

Teplomery používajú materiály, ktoré sa nejakým spôsobom menia, keď sa zahrievajú alebo ochladzujú. Najbežnejšie sú ortuť alebo alkohol, kde sa kvapalina pri zahrievaní rozťahuje a pri ochladzovaní sťahuje, takže dĺžka stĺpca kvapaliny je dlhšia alebo kratšia v závislosti od tepla. Moderné teplomery sú kalibrované na teploty v stupňoch Fahrenheita (používajú sa v USA), Celzia (celosvetovo) a Kelvinov (používajú väčšinou vedci).

Teplota sa nazýva aj fyzikálna veličina charakterizujúca stupeň zahriatia telesa, no na pochopenie významu a významu pojmu teplota to nestačí. V tomto slovnom spojení je len nahradenie jedného výrazu iným a nie viac zrozumiteľné. Fyzikálne pojmy sú zvyčajne spojené s niektorými základnými zákonmi a nadobúdajú význam iba v spojení s týmito zákonmi. Pojem teplota súvisí s pojmom tepelnej rovnováhy a následne aj so zákonom makroskopickej ireverzibilnosti.

Zmena teploty

V stave termodynamickej rovnováhy majú všetky telesá, ktoré tvoria systém, rovnakú teplotu. Teplotu možno merať len nepriamo, na základe teplotnej závislosti takých fyzikálnych vlastností telies, ktoré je možné merať priamo. Látky (telesá), ktoré sa na to používajú, sa nazývajú termometrické.

Dve tepelne izolované telesá nech sa dostanú do tepelného kontaktu. Tok energie sa bude ponáhľať z jedného tela do druhého, dôjde k procesu prenosu tepla. V tomto prípade sa má za to, že teleso, ktoré teplo vydáva, má vyššiu teplotu ako teleso, ku ktorému sa tok tepla ponáhľal. Prirodzene, po určitom čase sa tok energie zastaví a nastane tepelná rovnováha. Predpokladá sa, že teploty telies sú vyrovnané a sú nastavené niekde v intervale medzi počiatočnými hodnotami teploty. Ukazuje sa teda, že teplota je určitým znakom tepelnej rovnováhy. Ukazuje sa, že akákoľvek hodnota t, ktorá spĺňa požiadavky:

1. $t_1>t_2$, ak tepelný tok prechádza z prvého telesa do druhého;
2. $t"_1=t"_2=t,\ t_1 > t > t_2$, sa môže brať ako teplota, keď sa vytvorí tepelná rovnováha.

Predpokladá sa, že tepelná rovnováha telies sa riadi zákonom prechodu: ak sú dve telesá v rovnováhe s tretím, potom sú v tepelnej rovnováhe navzájom.

Najdôležitejšou črtou vyššie uvedenej definície teploty je jej nejednoznačnosť. Môžeme si vybrať veličiny, ktoré spĺňajú požiadavky rôznymi spôsobmi (čo sa prejaví v metódach merania teploty) a získať nezhodné teplotné stupnice. Teplotné stupnice sú spôsoby delenia na časti teplotných intervalov.

Uveďme si príklady. Ako viete, zariadením na meranie teploty je teplomer. Zvážte dva typy teplomerov rôznych zariadení. V jednom prípade zohráva úlohu telesnej teploty dĺžka ortuťového stĺpca v kapiláre teplomera, a to v prípade, keď je teplomer v tepelnej rovnováhe s telesom, ktorého teplotu meriame. Dĺžka ortuťového stĺpca spĺňa podmienky 1 a 2, ktoré sú uvedené vyššie a vzťahujú sa na teplotu.

Existuje ďalší spôsob merania teploty: pomocou termočlánku. Termočlánok je elektrický obvod s galvanometrom a dvoma spojmi rôznych kovov (obr. 1). Jeden spoj je umiestnený v médiu s pevnou teplotou, ako je topiaci sa ľad, druhý v médiu, ktorého teplotu je potrebné určiť. V tomto prípade sa EMF termočlánku považuje za teplotný znak. Tieto dva spôsoby merania teploty neposkytnú rovnaké výsledky. A aby bolo možné prejsť z jednej teploty na druhú, je potrebné zostaviť kalibračnú krivku, ktorá stanovuje závislosť EMF termočlánku od dĺžky ortuťového stĺpca. Potom sa jednotná stupnica ortuťového teplomera prevedie na nejednotnú stupnicu termočlánku (alebo naopak). Jednotné stupnice ortuťového teplomera a termočlánku tvoria dve úplne odlišné teplotné stupnice, na ktorých bude mať teleso v rovnakom stave rozdielne teploty. Môžete si vziať teplomery, ktoré sú dizajnovo identické, ale s rôznymi „tepelnými telesami“ (napríklad ortuť a alkohol). Ich teplotné stupnice sa tiež nezhodujú. Graf dĺžky stĺpca ortuti z dĺžky stĺpca alkoholu nebude lineárny.

Z toho vyplýva, že pojem teplota, založený na zákonoch tepelnej rovnováhy, nie je jednoznačný. Táto teplota sa nazýva empirická, závisí od spôsobu merania teploty. Nula empirickej teplotnej stupnice je vždy nastavená ľubovoľne. Podľa definície empirickej teploty má fyzikálny význam iba teplotný rozdiel, teda jeho zmena. Akákoľvek empirická teplotná stupnica sa redukuje na termodynamickú teplotnú stupnicu zavedením korekcií, ktoré berú do úvahy povahu vzťahu medzi termometrickou vlastnosťou a termodynamickou teplotou.

Teplotné stupnice

Na zostavenie teplotnej stupnice sú číselné hodnoty teploty priradené dvom pevným referenčným bodom. Potom sa teplotný rozdiel referenčných bodov vydelí ľubovoľne zvoleným počtom častí, čím sa získa jednotka teploty. Ako počiatočné hodnoty, ktoré slúžia pri konštrukcii teplotnej stupnice na stanovenie referenčného bodu a jeho jednotky - stupňov, sa používajú teploty prechodu chemicky čistých látok z jedného stavu agregácie do druhého, napríklad teplota topenia ľadu $t_0$ a bod varu vody $t_k$ pri normálnom atmosférickom tlaku ($\cca 10^5Pa).$ Množstvo $t_0\ a\ t_k$ má rôzne hodnoty:

• na Celziovej stupnici (stupnica Celzia): teplota varu vody je $t_k=100^0C$, teplota topenia ľadu je $t_0=0^0C$. Celziova stupnica je taká stupnica, v ktorej je teplota trojného bodu vody 0,010C pri tlaku 0,06 atm. (Trojný bod vody je určitá teplota a tlak, pri ktorých voda, jej para a ľad môžu súčasne existovať v rovnováhe.);
• na Fahrenheitovej stupnici je bod varu vody $t_k=212^0F;$ $t_0$=3$2^0F$ je bod topenia ľadu;

Vzťah medzi teplotami vyjadrenými v stupňoch Celzia a Fahrenheita je:

\[\frac(t^0C)(100)=\frac(t^0F-32)(180)\ \ alebo\ t^0F=1,8t^0C+32\ \left(1\right);\ ]

Nula na tejto stupnici je určená bodom tuhnutia zmesi vody, soli a amoniaku v pomere 1:1:1.

• na Kelvinovej stupnici: teplota sa počíta od absolútnej nuly (t \u003d -273,50 C) a nazýva sa termodynamická alebo absolútna teplota. T=0K je stav zodpovedajúci úplnej absencii tepelných výkyvov. Teplota varu vody na tejto stupnici je $t_k=373K$, teplota topenia ľadu je $t_0=273K$. Vzťah medzi teplotou v Kelvinoch a teplotou v stupňoch Celzia:
\
• na Réaumurovej stupnici je bod varu vody $t_k=80^0R$, bod topenia ľadu $t_0=0^0R.$ Stupnica sa prakticky prestala používať. Vzťah medzi teplotami vyjadrenými v stupňoch Celzia a stupňoch Réaumur:
\

Réaumurov teplomer používal alkohol.

• na Rankinovej stupnici je bod varu vody $t_k=671,67^(0\ )Ra$, bod topenia ľadu $t_0=(491,67)^0Ra.$ Stupnica začína od absolútnej nuly. Počet stupňov medzi bodmi tuhnutia a varu vody na stupnici Fahrenheita a Rankina je rovnaký a rovná sa 180.

Vzťah medzi Kelvinom a stupňami Rankina: 1K=1,$8^(0\)Ra$, stupne Fahrenheita sa prevedú na stupne Rankina pomocou vzorca:

\[^0Ra=^0F+459,67\left(4\right);\]

V technike a v každodennom živote sa používa teplota na stupnici Celzia. Jednotka tejto stupnice sa nazýva stupeň Celzia ($^0C).\ $ Vo fyzike sa používa termodynamická teplota, ktorá je nielen výhodnejšia, ale má aj hlboký fyzikálny význam, pretože je určená priemernou kinetickou energiou molekuly. Jednotka termodynamickej teploty, stupeň kelvin (pred rokom 1968), alebo teraz jednoducho kelvin (K), je jednou zo základných jednotiek v SI. Teplota T=0K sa nazýva teplota absolútnej nuly. Moderná termometria je založená na stupnici ideálneho plynu, kde sa ako teplomerná veličina používa tlak. Stupnica plynového teplomera je absolútna (T=0, p=0). Pri riešení problémov budete musieť najčastejšie použiť túto konkrétnu teplotnú stupnicu.

Túto tému sme si vybrali preto, lebo s pojmami „teplota“, „meranie teploty“, „teplomer“ sa neustále stretávame tak pri zvažovaní fyzikálnych či chemických procesov vo vede a výrobe, ako aj v bežnom živote, keď na pacienta nasadíme teplomer alebo sa pozrieme na alkoholovom teplomere za oknom, aby ste zistili, či si obliecť teplý kabát. Zvyčajne však v tomto prípade teplotou jednoducho rozumieme stupňu zahriatia tela a nezamýšľame sa nad tým, aká je teplota z fyzikálneho hľadiska. Teplota je jednou z najčastejšie meraných fyzikálnych veličín, keďže prakticky neexistuje oblasť činnosti, kde by nebolo potrebné merať a regulovať teplotu, je tiež jedným z najdôležitejších environmentálnych faktorov, na ktorých závisí prežitie na planéte. závisí od jeho foriem a typov. Ľudský život priamo závisí aj od teploty okolia.

V Medzinárodnej sústave jednotiek (SI) sa termodynamická teplota používa ako jedna zo siedmich základných fyzikálnych veličín zahrnutých do Medzinárodnej sústavy jednotiek a jej jednotkou je kelvin, čo je jedna zo siedmich základných jednotiek SI.

Cieľ práce: Oboznámiť sa s pojmom teplota.

Úlohy: Prezrite si teplotné stupnice, získajte predstavu o niektorých typoch teplomerov, princípoch ich činnosti, vypracujte úlohy, urobte experiment.

1. Teplota,T.

Teplota(z latinčiny. teplota— správne premiešanie, normálny stav) — skalárna* fyzikálna veličina charakterizujúca stav termodynamickej rovnováhy** makroskopického systému***. Teplota všetkých častí systému v rovnováhe je rovnaká. Ak systém nie je v rovnováhe, dochádza k prenosu tepla medzi jeho časťami, ktoré majú rozdielne teploty (prenos energie z viac vyhrievaných častí systému do menej vyhrievaných častí), čo vedie k vyrovnaniu teplôt v systéme.

Teplota sa vzťahuje na intenzívne množstvá, ktoré nezávisia od hmotnosti systému.

Intuitívny koncept teplota sa objavil ako miera stupňovania našich pocitov tepla a chladu; na úrovni domácnosti je teplota vnímaná ako parameter, ktorý slúži na kvantitatívne opísanie stupňa ohrevu hmotného objektu.

Slovo „teplota“ vzniklo v čase, keď ľudia verili, že horúcejšie telá obsahujú väčšie množstvo špeciálnej látky – kalorickej, ako menej zahrievané. Preto bola teplota vnímaná ako sila zmesi telesných látok a kalórií. Z tohto dôvodu sa merné jednotky pre silu alkoholických nápojov a teplotu nazývajú rovnaké - stupne.

Z toho, že teplota je kinetická energia molekúl, je zrejmé, že najprirodzenejšie je ju merať v energetických jednotkách (t. j. v sústave SI v jouloch). Meranie teploty však začalo dávno pred vytvorením molekulárnej kinetickej teórie, takže praktické váhy merajú teplotu v konvenčných jednotkách – stupňoch.

Priemerná kinetická energia chaotického translačného pohybu molekúl tela je úmerná termodynamickej (absolútnej) teplote:

(k=1,38*10^-23J/k-Boltzmannova konštanta (je koeficient, ktorý prevádza teplotu z miery (K) na mieru energie(J), faktor 3/2 bol zavedený pre pohodlie, vďaka čomu faktory miznú v iné vzorce.)

Priemerná rýchlosť tepelného pohybu.

Ako vyplýva zo vzorca

studený plyn sa líši od plynu zohriateho na vysokú teplotu energiou chaotického pohybu molekúl, preto sa chaotický pohyb molekúl nazýva tepelný.

Priemerná (presnejšie odmocnina) rýchlosť tepelného pohybu molekúl možno vyjadriť pomocou teploty plynu pomocou vzorca

Posledný vzorec možno zredukovať na vhodnejší tvar, ak vyjadríme hmotnosť molekuly a označíme ( R ~ 8, 31 J / (K. mol) sa nazýva univerzálna plynová konštanta)

* Skalárna veličina je veličina, ktorej každá hodnota môže byť vyjadrená jedným reálnym číslom. To znamená, že skalárna veličina je určená iba svojou hodnotou, na rozdiel od vektora, ktorý má okrem svojej hodnoty aj smer. Skalárne veličiny zahŕňajú dĺžku, plochu, čas, teplotu atď.

**Termodynamická rovnováha je stav systému, v ktorom makroskopické veličiny tohto systému (teplota, tlak, objem) zostávajú v čase nezmenené v podmienkach izolácie od okolia.

*** Makroskopický systém je systém pozostávajúci z veľkého počtu častíc a pre svoj popis nevyžaduje zapojenie mikroskopických charakteristík jednotlivých častíc.

****Izolovaný systém (uzavretý systém) je termodynamický systém, ktorý si s okolím nevymieňa hmotu ani energiu.

2. Teplotné stupnice.

Teplotné stupnice, metódy delenia na časti teplotných intervalov meraných teplomermi podľa zmeny niektorej fyzikálnej vlastnosti objektu, ktorá je vhodná na meranie, ceteris paribus, jednoznačne závislá od teploty (objem, tlak, elektrický odpor, intenzita žiarenia, index lomu, rýchlosť zvuku a pod.) a tzv termometrická vlastnosť. Na zostavenie teplotnej stupnice sú jej číselné hodnoty priradené dvom pevným bodom ( pevné body teplota), ako je teplota topenia ľadu a teplota varu vody. Rozdelenie teplotného rozdielu referenčných bodov ( hlavný teplotný rozsah) pre ľubovoľne zvolený počet dielov sa získa jednotka teploty a opäť ľubovoľným nastavením funkčného vzťahu medzi zvolenou termometrickou vlastnosťou a teplotou je možné vypočítať teplotu podľa danej teplotnej stupnice.

Je jasné, že konštruované týmto spôsobom empirická teplotná stupnica je voliteľná a podmienená. Preto je možné vytvoriť ľubovoľný počet teplotných stupníc, ktoré sa líšia zvolenými termometrickými vlastnosťami, akceptovanými funkčnými závislosťami teploty od nich (v najjednoduchšom prípade sa predpokladá, že vzťah medzi termometrickou vlastnosťou a teplotou je lineárny) a teploty referenčných bodov.

Príkladmi teplotných stupníc sú stupne Celzia, Réaumur, Fahrenheit, Rankine a Kelvin.

Prevod teploty z jednej teplotnej stupnice na inú, ktorá sa líši v termometrických vlastnostiach, nie je možný bez dodatočných experimentálnych údajov.

V absolútnej (termodynamickej) teplotnej škále chýba zásadná nevýhoda empirických teplotných stupníc - ich závislosť od zvolenej termometrickej vlastnosti.

2.1. Kelvinova stupnica.

Kelvin (symbol: K) je jednotka termodynamickej teploty v medzinárodnom systéme jednotiek (SI), jedna zo siedmich základných jednotiek SI. Navrhnuté v roku 1848. Jeden kelvin sa rovná 1/273,16 termodynamickej teploty trojného bodu vody*. Začiatok stupnice (0 K) sa zhoduje s absolútnou nulou**.

Prepočet na stupne Celzia: ° С \u003d K-273,15 (teplota trojitého bodu vody je 0,01 ° C).

Jednotka je pomenovaná po anglickom fyzikovi Williamovi Thomsonovi, ktorý získal titul Lord Kelvin Larg z Ayrshire. Tento titul zasa pochádza z rieky Kelvin, ktorá preteká územím univerzity v Glasgowe.

Do roku 1968 sa kelvin oficiálne nazýval stupeň Kelvin.

* Trojitý bod vody sú presne definované hodnoty teploty a tlaku, pri ktorých môže voda existovať súčasne a v rovnováhe vo forme troch fáz - v pevnom, kvapalnom a plynnom skupenstve. Trojitý bod vody je teplota 273,16 K a tlak 611,657 Pa.

** Teplota absolútnej nuly (zriedkavejšie - teplota absolútnej nuly) - minimálny teplotný limit, ktorý môže mať fyzické telo vo vesmíre. Absolútna nula slúži ako referenčný bod pre absolútnu teplotnú stupnicu, ako je Kelvinova stupnica. V roku 1954 X. generálna konferencia pre váhy a miery stanovila termodynamickú teplotnú stupnicu z jedného referenčného bodu - trojitého bodu vody, ktorej teplota sa berie na 273,16 K (presne), čo zodpovedá 0,01 °C, takže na Celziovej stupnici absolútna nula zodpovedá teplote -273,15°C.

2.2. Reaumurova stupnica.

Stupeň Réaumur (°R)- jednotka teploty, pri ktorej sa body tuhnutia a varu vody považujú za 0 a 80 stupňov. Navrhol v roku 1730 R. A. Réaumur. Réaumurova stupnica sa prakticky prestala používať.

Podľa Réaumurových očakávaní sa alkohol pri zahriatí z teploty topenia ľadu na bod varu (≈78 stupňov Celzia) zväčší približne o 8 % (podľa výpočtu o 8,4 %: koeficient rozťažnosti alkoholu je 0,00108 K-). Preto Réaumur na svojej stupnici nastavil túto teplotu na 80 stupňov, na ktorých jeden stupeň zodpovedal expanzii alkoholu o 1 tisícinu a nula stupnice bola zvolená ako bod tuhnutia vody. Avšak vzhľadom na to, že v tých časoch sa ako kvapalina používal nielen alkohol, ale aj jeho rôzne vodné roztoky, mnohí výrobcovia a používatelia teplomerov sa mylne domnievali, že 80 stupňov Réaumur je bod varu vody. A po rozšírenom zavedení ortuti ako kvapaliny pre teplomery, ako aj po vzniku a rozšírení Celziovej stupnice do konca 18. storočia bola Réaumurova stupnica konečne takto predefinovaná. Z rovnice 100 stupňov Celzia = 80 stupňov Réaumur dostaneme 1 °C = 0,8 °R (zodpovedajúce 1 °R = 1,25 °C). Aj keď v skutočnosti by pôvodná Réaumurova stupnica mala byť 1 °R = 0,925 °C. Ešte za života Réaumura sa bod varu vody meral v stupňoch jeho stupnice (nie však liehovým teplomerom – to nebolo možné). Jean Tillet v prítomnosti Jeana-Antoina Nolleta získal hodnotu 85. Ale všetky následné merania poskytli hodnoty od 100 do 110 stupňov. Ak použijeme vyššie uvedené moderné údaje, potom bod varu vody v stupňoch Réaumur je 108. (V roku 1772 vo Francúzsku bol za štandard prijatý bod varu vody rovnajúci sa 110 stupňom Réaumur).

2.3. Celzia.

Stupeň Celzia(symbol: °C) je bežná jednotka teploty používaná v medzinárodnom systéme jednotiek (SI) spolu s kelvinmi.

Stupeň Celzia je pomenovaný po švédskom vedcovi Andersovi Celsiusovi, ktorý v roku 1742 navrhol novú stupnicu na meranie teploty.

Pôvodná definícia stupňa Celzia závisela od definície štandardného atmosférického tlaku, pretože od tlaku závisí aj teplota varu vody aj teplota topenia ľadu. To nie je príliš vhodné na štandardizáciu mernej jednotky. Preto po prijatí kelvinov K ako základnej jednotky teploty došlo k revízii definície stupňa Celzia.

Podľa modernej definície sa stupeň Celzia rovná jednému kelvinu K a nula Celziovej stupnice je nastavená tak, aby teplota trojného bodu vody bola 0,01 °C. V dôsledku toho sú stupnice Celzia a Kelvina posunuté o 273,15:

príbeh:

V roku 1665 holandský fyzik Christian Huygens spolu s anglickým fyzikom Robertom Hookom prvýkrát navrhli použiť teploty topenia ľadu a teploty varu vody ako referenčné body pre teplotnú stupnicu.

V roku 1742 švédsky astronóm, geológ a meteorológ Anders Celsius (1701–1744) vyvinul na základe tejto myšlienky novú teplotnú stupnicu. Spočiatku 0° (nula) bol bod varu vody a 100° bol bod tuhnutia vody (teplota topenia ľadu). Neskôr, po smrti Celzia, jeho súčasníci a krajania, botanik Carl Linnaeus a astronóm Morten Strömer, použili túto stupnicu hore nohami (pre 0 ° začali merať teplotu topiaceho sa ľadu a pre 100 ° - vriacu vodu) . V tejto podobe sa stupnica používa dodnes.

2.4. Fahrenheita.

stupňa Fahrenheita(symbol: °F) je jednotka teploty. Je pomenovaný po nemeckom vedcovi Gabrielovi Fahrenheitovi, ktorý v roku 1724 navrhol stupnicu na meranie teploty.

Na stupnici Fahrenheita je bod topenia ľadu +32 °F a bod varu vody je +212 °F(pri normálnom atmosférickom tlaku). V tomto prípade sa jeden stupeň Fahrenheita rovná 1/180 rozdielu medzi týmito teplotami. Rozsah 0…+100 °F na stupnici Fahrenheita približne zodpovedá rozsahu -18 ... +38 °C na stupnici Celzia. Nula na tejto stupnici je určená bodom tuhnutia zmesi vody, soli a amoniaku (1:1:1) a pre 96 °F normálna teplota ľudského tela.

Prevod z Fahrenheita na stupne Celzia:

Fahrenheit bol široko používaný vo všetkých anglicky hovoriacich krajinách až do 60. rokov 20. storočia, kedy väčšina z nich prešla na metrický systém so stupňami Celzia, avšak Fahrenheit sa v týchto krajinách stále niekedy používa.

V súčasnosti sa stupeň Fahrenheita používa v každodennom živote ako hlavná jednotka teploty v týchto krajinách: USA a závislé územia (Guam, Panenské ostrovy, Palau, Portoriko atď.), Belize, Bermudy, Jamajka.

2.5 Rankinova stupnica.

Rankinova stupnica(merané v stupňoch Rankin - °Ra) - absolútna teplotná stupnica, pomenovaná po škótskom fyzikovi Williamovi Rankinovi (1820-1872). Používa sa v anglicky hovoriacich krajinách na inžinierske termodynamické výpočty.

Rankinova stupnica začína na absolútnej nule, bod tuhnutia vody je 491,67°Ra a bod varu vody je 671,67°Ra. Počet stupňov medzi bodmi tuhnutia a varu vody na stupnici Fahrenheita a Rankina je rovnaký a rovná sa 180.

Vzťah medzi Kelvinom a stupňami Rankina: 1 K = 1,8 °Ra, stupne Fahrenheita sa prevedú na stupne Rankina pomocou vzorca °Ra = °F + 459,67. Počet stupňov medzi bodmi tuhnutia a varu vody na Fahrenheitovej a Rankinovej stupnici je rovnaký a rovná sa 180. To sa líši od absolútnej Kelvinovej stupnice, kde 1 kelvin zodpovedá 1 °C.

Graf prevodu teploty:

3. Teplomery.

Teplomer(z gréckeho terme - teplo, metero - meriam) - prístroj na meranie teploty: vzduchu, vody, pôdy, ľudského tela a iných fyzických tiel. Teplomery sa používajú v meteorológii, hydrológii, medicíne a iných vedách a priemysle.

História vynálezu:

Predpokladá sa, že slávny taliansky vedec Galileo Galilei (1597) bol vynálezcom prvého teplomera-termoskopu. Galileov termoskop bola sklenená guľa s priletovanou sklenenou trubicou. Guľa sa mierne zahriala a koniec skúmavky sa spustil do nádoby s vodou. Po určitom čase sa vzduch v guli ochladil, jeho tlak sa znížil a voda pod vplyvom atmosférického tlaku vystúpila do trubice do určitej výšky. Následne s otepľovaním sa zvýšil tlak vzduchu v guli a hladina vody v trubici klesla a pri ochladzovaní sa zvýšila.

Pomocou termoskopu bolo možné posúdiť iba zmenu stupňa zahrievania telies: neukazoval číselné hodnoty teploty, pretože nemal stupnicu. Modernú podobu (utesnením trubice a jej otočením hore dnom) dal teplomeru Gabriel Daniel Fahrenheit, holandský fyzik a fúkač skla. A konštantné (referenčné) body - vriaca voda a topiaci sa ľad - umiestnil na stupnici teplomera švédsky astronóm a fyzik Anders Celsius v roku 1742.

V súčasnosti existuje veľa druhov teplomerov: digitálne, elektronické, infračervené, pyrometre, bimetalové, diaľkové, elektrokontaktné, kvapalinové, termoelektrické, plynové, odporové teplomery atď. Každý teplomer má svoj vlastný princíp činnosti a svoj vlastný rozsah. Uvažujme o niektorých z nich.

3.1 Teplomery na kvapaliny.

Kvapalinové teplomery využívajú tepelnú rozťažnosť kvapalín. V závislosti od rozsahu teplôt, v ktorom má teplomer slúžiť, sa plní ortuťou, etylalkoholom alebo inými kvapalinami.

Kvapalné teplomery plnené ortuťou sa používajú na presné meranie teploty (až na desatinu stupňa) v laboratóriách. Teplomery plnené alkoholom sa v meteorológii používajú na meranie teplôt pod -38° (pretože ortuť pri nižších teplotách tuhne).

Alkoholový teplomer.

3.2 Plynové teplomery.

plynový teplomer- prístroj na meranie teploty na základe Charlesovho zákona *.

Princíp činnosti: Na začiatku XVIII storočia. V roku 1703 Charles zistil, že rovnaké zahrievanie akéhokoľvek plynu vedie k rovnakému zvýšeniu tlaku, ak objem zostáva konštantný. Pri zmene teploty na Celziovej stupnici je závislosť tlaku plynu pri konštantnom objeme vyjadrená lineárnym zákonom. A z toho vyplýva, že tlak plynu (pri V = const) možno brať ako kvantitatívnu mieru teploty. Pripojením nádoby obsahujúcej plyn k manometru a kalibráciou prístroja je možné merať teplotu podľa hodnôt manometra**.

V rámci širokého rozsahu zmien koncentrácií a teplôt plynu a nízkych tlakov je teplotný koeficient tlaku rôznych plynov približne rovnaký, takže spôsob merania teploty plynovým teplomerom sa ukazuje ako málo závislý od vlastností konkrétneho látka používaná v teplomere ako pracovná tekutina. Najpresnejšie výsledky sa dosiahnu, ak sa ako pracovná kvapalina použije vodík alebo hélium.

*Charlesov zákon alebo Gay-Lussacov druhý zákon – jeden zo základných plynových zákonov, ktorý popisuje vzťah medzi tlakom a teplotou pre ideálny plyn. Formulácia Charlesovho zákona je nasledovná: pre danú hmotnosť plynu je pomer tlaku plynu k jeho teplote konštantný, ak sa objem plynu nemení. Táto závislosť je matematicky zapísaná takto: P/T=konšt. ak V=konšt. a m=konšt.

**Manometer(grécky manos - vzácny, sypký, riedky + iné grécky μέτρον - miera, meter) - prístroj, ktorý meria tlak kvapaliny alebo plynu.

3.3. Mechanické teplomery.

Mechanické teplomery fungujú na rovnakom princípe ako kvapalinové teplomery, ale ako snímač sa zvyčajne používa špirála vyrobená z kovu alebo bimetalu - dva kovové pásiky s rôznymi schopnosťami predlžovania pri zmenách teploty, pripevnené nitmi. Mechanické teplomery sa používajú na meranie teploty kvapalín a plynov vo vykurovacích a sanitárnych zariadeniach, v klimatizačných a ventilačných systémoch, ako aj na meranie teploty sypkých a viskóznych médií (napríklad cesta alebo glazúry) v potravinárskom priemysle.

3.4 Optické teplomery.

Optické teplomery (pyrometre) umožňujú registrovať teplotu v dôsledku zmeny svietivosti alebo emisného spektra telies. Optické teplomery slúžia na meranie povrchovej teploty predmetov na ťažko dostupných (a horúcich) miestach.

3.5 Elektrické teplomery.

Princíp činnosti elektrických teplomerov je založený na zmene odporu * vodiča pri zmene teploty okolia.

Elektrické teplomery širšieho rozsahu sú založené na termočlánkoch** (kontakt medzi kovmi s rôznou elektronegativitou vytvára rozdiel kontaktného potenciálu, ktorý závisí od teploty).

Najpresnejšie a časovo najstabilnejšie sú odporové teplomery na báze platinového drôtu alebo platinového naprašovania na keramiku. Najbežnejšie sú PT100 (odpor pri 0 °C - 100Ω) PT1000 (odpor pri 0 °C - 1000Ω) (IEC751). Závislosť od teploty je takmer lineárna a riadi sa kvadratickým zákonom pri kladných teplotách a rovnicou 4. stupňa pri záporných (zodpovedajúce konštanty sú veľmi malé a v prvej aproximácii možno túto závislosť považovať za lineárnu). Teplotný rozsah -200 - +850 °C

*Elektrický odpor- fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje vlastnosti vodiča na zabránenie prechodu elektrického prúdu a rovná sa pomeru napätia na koncoch vodiča k sile prúdu, ktorý ním prechádza.

**Termočlánok(termoelektrický konvertor) - zariadenie používané na meranie teploty v priemysle, vedeckom výskume, medicíne, v automatizačných systémoch.

4. Úlohy.

1. Určte strednú kvadratickú rýchlosť molekúl kyslíka a argónu vo vzduchu pri 20 °C.

2. Pri akej teplote sa tepelná rýchlosť molekúl dusíka rovná 90 km/h?

Skúsenosť Galileo.

Záver.

Na záver sme pojem teplota skúmali z fyzikálneho hľadiska, no možno ju považovať aj za životne dôležitý faktor pre človeka.

Napríklad: pre človeka, ktorý nie je spojený s fyzikou, je teplota mierou stupňovania našich pocitov tepla a chladu; na úrovni domácnosti je teplota vnímaná ako parameter, ktorý slúži na kvantitatívne opísanie stupňa ohrevu hmotného objektu.

V tomto projekte je niekoľko typov teploty

stupnice: Kelvin, Réaumur, Celsius, Fahrenheit, Rankine. Každá stupnica má svoje vlastné charakteristiky a nedostatky.

V projekte boli ovplyvnené aj niektoré typy teplomerov: kvapalinové,

plynové, mechanické, optické, elektrické. Každý teplomer má svoj vlastný princíp činnosti a svoj vlastný rozsah.

Úlohy sme riešili pomocou vzorca strednej štvorcovej rýchlosti.

Uskutočnil experiment Galileo spojený so zmenou teploty. Vytvorili Makarov a Stepanov