Температура

Температу́ра (від лат. temperatura — належне змішування, нормальний стан) — фізична величина, яка описує здатність макроскопічної системи (тіла) до самовільної передачі тепла іншим тілам.

Позначається літерою T або t.

На побутовому рівні температура пов'язана із суб'єктивним сприйняттям «тепла» і «холоду». Теплі тіла мають більшу температуру, холодні — меншу. В розумінні сучасної фізики температура пов'язана з тепловим рухом атомів та молекул.

Температура відіграє важливу роль у багатьох галузях науки, включаючи фізику, хімію і біологію.

Властивості

Середньорічна температура по всьому світу

В стані рівноваги температура має однакове значення для всіх макроскопічних частин системи. Якщо в системі два тіла мають однакову температуру, то між ними не відбувається передачі тепла. Якщо існує різниця температур, то тепло переходить від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою.

На мікроскопічному рівні температура пов'язана із тепловим рухом атомів та молекул, із яких складаються фізичні тіла, а саме — з їх кінетичною енергією.

Температу́ра (від лат. temperatura — належне змішування, нормальний стан) — скалярна фізична величина, яка характеризує середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи, що припадає на один ступінь вільності.

Вимірювання температури

Хоча поняття температури інтуїтивно зрозуміле, як стан тепла й холоду, її вимірювання, тобто співставлення з певною одиницею температури й кількісне вираження у вигляді числа, є методологічно складною проблемою. Температуру неможливо виміряти безпосередньо. Проте, при нагріванні або охолодженні тіла змінюються його фізичні властивості: довжина і об'єм, густина, пружні властивості, електропровідність тощо. Основою для вимірювання температури може бути зміна будь-якої властивості будь-якого тіла, якщо для нього відома залежність даної властивості від температури. Вибране для вимірювання температури тіло називають термометричним, а прилад для вимірювання температури - термометром.

Температурні шкали

Для однозначного визначення температури різними методами й на основі зміни різних властивостей термометричних тіл, термометри необхідно градуювати. Для цього використовуються температурні шкали. В основі температурних шкал — особливі реперні точки, яким присвоюється певне значення температури. Історично склалися різні температурні шкали, що використовують різні реперні точки, які пов'язані з певними фізичними явищами, що відбуваються при певній температурі.

В Міжнародній системі одиниць (СІ) термодинамічна температура належить до семи основних одиниць і виражається у кельвінах. До похідних величин СІ, які мають спеціальну назву, належить температура Цельсія, яка вимірюється у градусах Цельсія. На практиці часто застосовують градуси Цельсія через історичну прив'язку до важливих характеристик води - температури танення льоду (0 °C) і температури кипіння (100 °C). Це зручно, оскільки більшість кліматичних процесів, процесів у живій природі, тощо пов'язані з цим діапазоном. Зміна температури на один градус Цельсія тотожна зміні температури на один Кельвін. Тому після введення в 1967 році нового визначення Кельвіна, температура кипіння води перестала грати роль незмінної реперної точки і, як показують точні вимірювання, вона вже не дорівнює 100 °C, а близька до 99,975 °C.

Особливі точки температурних шкал

Шкали Точки замерзання води Точки кипіння води Інтервал Реомюра (R) 0 80 80 Фаренгейта (F) 32 212 180 Цельсія (C) 0 100 100

У Міжнародній системі одиниць (СІ) для вимірювання температури застосовується шкала Кельвіна і символ K (при цьому знак градусу ° відсутній). Широкий вжиток також мають системи Цельсія і Фаренгейта.

За шкалою Кельвіна

0 градусів відповідають абсолютному нулю, тобто повній відсутності руху молекул. Інша реперна точка - потрійна точка води. Її температура 273,16 К вибрана так, щоб один кельвін відповідав одному градусу за шкалою Цельсія. Температура за шкалою Кельвіна називається абсолютною температурою. Вона позначається великою латинською літерою T. Шкала Кельвіна використовується у фізиці. Її називають термодинамічною шкалою, оскільки вона найкраще визначена. Наприклад, потрійна точка води на відміну від температури замерзання, не залежить від тиску.

За шкалою Цельсія

0 °C відповідає температура замерзання води, 100 °C — температура кипіння води (при тиску в 1 атмосферу). Здебільшого температура за шкалою Цельсія позначається маленькою латинською літерою t.

За шкалою Фаренгейта

замерзання і кипіння води розділяють 180 °F. Один градус за Фаренгейтом дорівнює 5/9 кельвіна або градуса Цельсія. Вода замерзає при 32 °F, а кипить при 212 °F.

Існували також інші системи вимірювання температури, які тепер вийшли з ужитку, такі як

• шкала Ранкіна
• шкала Деліля
• шкала Ньютона
• шкала Реомюра
• шкала Ромера

Формули для визначення відповідності між основними шкалами:

За Цельсієм$\Longleftrightarrow$за Кельвіном$\Longleftrightarrow$ за Фаренгейтом:

$\frac{T_{Celsius} - 0}{100} = \frac{T_{Kelvin} - 273,15}{100} = \frac{T_{Fahrenheit} - 32}{180} \,$

За Цельсієм$\Longleftrightarrow$за Реомюром$\Longleftrightarrow$за Ранкіном:

$\frac{T_{Celsius} - 0}{100} = \frac{T_{Reaumur} - 0}{80} = \frac{T_{Rankine} - 32 - 459,67}{180} \,$

За Кельвіном$\Longleftrightarrow$за Цельсієм:

$T_{Celsius} = T_{Kelvin} - 273,15 \,$

$T_{Kelvin} = T_{Celsius} + 273,15 \,$

За Кельвіном$\Longleftrightarrow$за Фаренгейтом:

$T_{Fahrenheit} = \frac{9}{5} \cdot T_{Kelvin} - 459,67$

$T_{Kelvin} = \frac{5}{9} \cdot (T_{Fahrenheit} + 459,67)$

За Цельсієм$\Longleftrightarrow$за Фаренгейтом:

$T_{Fahrenheit} = 32 + \frac{9}{5} \cdot T_{Celsius}$

$T_{Celsius} = \frac{5}{9} \cdot (T_{Fahrenheit} - 32)$

Зіставлення температурних шкал

Явище	за Кельвіном	за Цельсієм	за Фаренгейтом	за Ранкіном	за Делілем	за Ньютоном	за Реомюром	за Ромером
Абсолютний нуль	0	−273.0	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
Суміш льоду і солі (за Фаренгейтом)	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
Замерзання води (за нормальних умов)	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Середня температура людського тіла	310.0	36.8	98.2 ¹	557.9	94.5	12.21	29.6	26.925
Кипіння води (за нормальних умов)	373.15	100	212	671.67	0	33	80	60
Плавлення титану	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Поверхня Сонця	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

¹ За шкалою Фаренгейта традиційно нормальною температурою людського тіла вважається 98,6 °F а отже термометри враховують цю неточність. Деякі значення були округлені.

Визначення температури в статистичній фізиці

В статистичній фізиці температура визначається за формулою

$T = \frac{dE}{dS}$,

де S - ентропія, E - енергія термодинамічної системи. Введена таким чином величина T є однаковою для різних тіл при термодинамічній рівновазі. При контакті двох тіл тіло з більшим значенням T віддаватиме енергію іншому.

Історія

Слово «температура» виникло в часи, коли люди вважали, що в більш нагрітих тілах міститься більша кількість особливої речовини — теплецю, ніж в менш нагрітих. Тому температура сприймалась як міцність суміші тіла і теплецю. Внаслідок цього одиниці виміру міцності спиртних напоїв та температури називаються однаково — градусами.

Див. також

• Кріотехніка
• Техніка високих температур
• Шкали температур
• Оптимальний розподіл температури

Джерела

Справочник гальваностега. М., 1948. /Бахвалов Г. Т., Биркгин Л. Н, Лабутін В. П.