Температура
Температура | ||||
Теплова вібрація сегмента альфа-спіраль білка. Амплітуда коливань збільшується із зростанням температури | ||||
Символи: | ||||
---|---|---|---|---|
Одиниці вимірювання | ||||
SI | кельвін (К) | |||
Розмірність: | Θ | |||
Інші величини: | °C, °F, °R, °Rø, °Ré, °N, °D, °W | |||
Температура у Вікісховищі | ||||
Температу́ра (від лат. temperatura — належне співвідношення, нормальний стан) — фізична величина, яка описує стан термодинамічної системи. Вона є найважливішим параметром стану із застосовуваних у термодинаміці і однією із семи фізичних величин, на яких базується Міжнародна система одиниць (SI)[1].
Існує декілька визначень температури.
- На побутовому рівні температура пов'язана із суб'єктивним сприйняттям «тепла» і «холоду». Наші відчуття дозволяють розрізняти якісні градації нагріву тіл: теплий, холодний, гарячий. Але придатна для науки кількісна міра ступеня нагріву не може бути виміряна за допомогою відчуттів. Простий експеримент підтверджує це. Якщо потримати одну руку у холодній воді, а другу — у гарячій, а потім обидві помістити у теплу воду, то рука, яка була у холодній воді буде відчувати тепло, а рука, що була у гарячій — холод. Крім того, за допомогою відчуттів ми можемо оцінювати ступінь нагріву чи охолодження у дуже вузькому діапазоні. Таким чином, необхідним є пов'язати кількісне вимірювання температури і побудову температурної шкали з об'єктивними фізичними явищами.
- У класичній термодинаміці поняття емпіричної температури тісно пов'язане з рівновагою ізольованих систем, а саме — з тепловою рівновагою. Якщо дві ізольовані від навколишнього середовища рівноважні системи ; і ; ввести у тепловий контакт, який забезпечує особливий вид передачі енергії — прямий теплообмін між двома системами, то стан цих систем почне змінюватись до тих пір, поки між ними не настане стан рівноваги. Цей вид рівноваги, що не пов'язаний з масообміном, зміною тиску, концентрації або з хімічними перетвореннями, називається тепловою або термічною рівновагою. Теплова рівновага — це такий стан, який допускає можливість здійснення оборотного теплообміну між системами необмежено довго без зміни їх стану.
Вихідне визначення температури формулюється так:
Температура є єдиною функцією стану термодинамічної системи, яка вказує на напрям самовільного теплообміну між системами.
Звідси випливає, по-перше, що вищезгадані системи ; і , які перебувають між собою у стані теплової рівноваги мають однакову температуру у будь-якій температурній шкалі, а, по друге, — дві системи, які не знаходяться одна з одною у тепловому контакті, але кожна з них нарізно знаходиться у тепловій рівновазі з третьою системою (вимірювальний прилад) мають однакову температуру[2][3]. Останнє твердження має назву властивість транзитивності термодинамічної рівноваги[4]. Деякі автори (Р. Фаулер і Е. Гуггенгейм[5]) вважають цю властивість, яка почерпнута з загальнолюдського досвіду, нульовим законом термодинаміки.
Безпосереднє вимірювання температури є неможливим. У приладах для вимірювання температури (термометрах) використовують термометричне тіло, яке вводять у тепловий контакт з тілом, температуру якого потрібно виміряти. Фізична величина, яка знаходиться у функціональній залежності від температури і є її індикатором, має назву — термометрична величина. Наприклад, у рідинних термометрах термометричним тілом є рідина у резервуарі термометра, а термометричною величиною — об'єм рідини. У термометрах опору термометричним тілом є металеві дроти або напівпровідники, а термометричною величиною — їх електричні опори. Докладніше: Термометрія
Температура, що вимірюється термометрами називається емпіричною температурою. Строго кажучи, покази термометрів з різними термометричними тілами різняться між собою і збігаються лише в реперних точках. Наступним недоліком емпіричної температури є відсутність безперервної термометричної шкали, тому що жодне термометричне тіло неспроможне виконувати своє призначення у всьому діапазоні можливих температур.
Другий закон термодинаміки, а саме його частина — принцип існування абсолютної температури і ентропії (), усуває цей недолік і дозволяє встановити термодинамічну шкалу, незалежну від термометричного тіла. Температура, виміряна за цією шкалою, є абсолютною або термодинамічною температурою.
3. Поряд з термодинамічним, в інших розділах фізики можуть вводитись й інші визначення температури. На мікроскопічному рівні температура пов'язана з тепловим рухом атомів та молекул, із яких складаються фізичні тіла, а саме — з їх середньою кінетичною енергією. Тому у молекулярно-кінетичній теорії справедливим буде таке визначення:
Температу́ра — скалярна фізична величина, яка характеризує середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи, що припадає на один ступінь вільності.
За словами П. Л. Капиці:
…мірилом температури є не сам рух, а хаотичність цього руху. Хаотичність стану тіла визначає його температурний стан, і ця ідея (яку вперше розробив Людвіг Больцман), що певний температурний стан тіла зовсім не визначається енергією руху, але є хаотичністю цього руху, і це те нове поняття в описі температурних явищ, яким ми повинні користуватися… | ||
— Капица П. Л. Свойства жидкого гелия // Природа. — 1997. — № 12. |
За ДСТУ 3518-97[6]: Температура — фізична величина, що є мірою інтенсивності теплового руху атомів і молекул.
Температуру, що входить як параметр у розподіл Больцмана, часто називають температурою збудження, у розподіл Максвелла — кінетичною температурою, у формулу Саха — іонізаційною температурою, у закон Стефана — Больцмана — радіаційною температурою. Для системи, що перебуває у термодинамічній рівновазі, усі ці параметри рівні між собою, і їх називають просто температурою системи[7].
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 за певних температур.
У Міжнародній системі одиниць (SI) одиниця вимірювання термодинамічної температури належить до семи основних одиниць і виражається у кельвінах. До одиниць SI, які мають спеціальну назву, належить градус Цельсія[8] для вимірювання температури за шкалою 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[9].
У Міжнародній системі одиниць (SI) для вимірювання температури застосовується шкала Кельвіна і символ (за цієї умови знак градуса ° відсутній). Широкий вжиток також мають системи Цельсія і Фаренгейта.
- 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, problems точка води на відміну від температури замерзання, не залежить від тиску.
- 0 °C відповідає температура замерзання води, 100 °C — температура кипіння води (під дією тиску в 1 атмосферу). Здебільшого температура за шкалою Цельсія позначається маленькою латинською літерою t.
Шкала Фаренгейта
[ред. | ред. код]- Замерзания і кипіння води розділяють 180 °F. Один градус за Фаренгейтом дорівнює 5/9 кельвіна або градуса Цельсія. Вода замерзає за 32 °F, а кипить за 212 °F.
Існували також інші системи вимірювання температури, які тепер вийшли з ужитку:
Формули для визначення відповідності між основними шкалами:
За Цельсіємза Кельвіном за Фаренгейтом:
За Цельсіємза Реомюромза Ранкіном:
За Кельвіномза Цельсієм:
За Цельсіємза Фаренгейтом:
Явище | за Кельвіном | за Цельсієм | за Фаренгейтом | за Ранкіном | за Делілем | за Ньютоном | за Реомюром | за Ромером |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Абсолютний нуль | 0 | −273,15 | −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 | 36,85 | 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.
² Деякі значення були заокруглені.
Слово «температура» виникло в часи, коли люди вважали, що у 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 вимірювання міцності спиртних напоїв та температури називаються однаково — градусами.
- Найвища температура, досягнута за участі людини, ~ 10 трлн К (що є порівнянним з температурою Всесвіту у перші секунди його існування) була досягнута у 2010 році під час зіткнення іонів свинцю, прискорених до світлових швидкостей. Експеримент було проведено на Великому адронному колайдері[10].
- Найвища теоретично можлива температура — планківська температура. Вища температура за сучасними фізичними уявленнями не може існувати, оскільки надання додаткової енергії системі, нагрітої до такої температури, не збільшує швидкості частинок, а лише породжує у зіткненнях нові частки, за цієї обставини кількість частинок у системі зростає й зростає маса системи. Вище за планківську температуру гравітаційні сили між частинками стають порівняними із силами решти фундаментальних взаємодій. Можна вважати, що це температура «кипіння» фізичного вакууму. Вона приблизно дорівнює 1,41679(11)× 1032 K (~ 142 нонільйони K).
- Поверхня Сонця має температуру близько 6000 K, а сонячне ядро — близько 15 000 000 K.
- Найнижча температура, яка досягнута людиною, була отримана у 1995 році Еріком Корнеллом та Карлом Віманом із США під час охолодження атомів рубідію[11][12]. Вона перевищувала абсолютний нуль менше ніж на 1/170 мільярдну частку кельвіна (5,9× 10−12 K).
- Рекордно низьку температуру на поверхні Землі −89,2 °С було зареєстровано на радянській внутрішньоконтинентальній науковій станції «Восток», Антарктида (висота розташування 3488 м над рівнем моря) 21 червня 1983 року[13][14].
- 9 грудня 2013 року на конференції Американського геофізичного союзу група американських дослідників повідомила про те, що 10 серпня 2010 року температура повітря в одній з точок Антарктиди опускалась до −135,8 °F (−93,2° С). Цю інформацію було отримано за результатами аналізу супутникових даних НАСА[15]. На думку автора повідомлення Т. Скамбоса (англ. Ted Scambos) отримане значення не підлягає реєстрації як рекордне, оскільки визначене у результаті супутникових вимірювань, а не за допомогою термометра[16].
- Рекордно високу температуру повітря поблизу земної поверхні +56,7 °C було зареєстровано 10 липня 1913 року на ранчо Грінленд у долині Смерті (штат Каліфорнія, США). За іншими даними рекорд максимальної температури повітря на Землі в тіні досягнув позначки +72 °С в Іранській пустелі Деште-Лут в 2005 році[17][18].
- Насіння наземних рослин зберігають здатність проростати навіть після охолодження до −269 °C (наприклад мохи, папоротеподібні).
Суміжні поняття у фізиці
- Термодинамічна температура
- Абсолютна від'ємна температура
- Ефективна температура
- Колірна температура
- Спектрофотометрична температура
- Температуропровідність
Температури фазових переходів тощо
- Критична температура
- Температура кипіння
- Температура плавлення
- Температура склування
- Температура розм'якшення
Стосовно магнітних явищ
У фізиці твердого тіла
У біології
У астрономії
У хімії
- Температура самозаймання
- Температура займання
- Температура спалаху
- Температура вибуху
- Температура тління
У геології
Інше
- ↑ Температура // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
- ↑ Н. И. Белоконь, Основные принципы термодинамики, 1968, с. 10.
- ↑ В. А. Кириллин, Техническая термодинамика, 1983, с. 5.
- ↑ Базаров, Термодинамика, 1991, с. 18.
- ↑ Фаулер Р., Гуггенгейм Э. Статистическая термодинамика. Перевод с английского И. И. Рогачева, Т. С. Рубинштейн / Под редакцией В. Г. Левича. — М.: Издательство иностранной литературы, 1949. — 614 с.
- ↑ ДСТУ 3518-97 Термометрія. Терміни та визначення.
- ↑ Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М. : Большая российская энциклопедия, 1998. — С. 741.
- ↑ ГОСТ 8.417-2002. ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИН. Архів оригіналу за 28 жовтня 2011. Процитовано 9 листопада 2011. [Архівовано 2011-10-28 у Wayback Machine.]
- ↑ поняття температури
- ↑ BBC News — Large Hadron Collider (LHC) generates a 'mini-Big Bang'
- ↑ Всё про всё. Рекорды температуры
- ↑ Чудеса науки. Архів оригіналу за 1 грудня 2012. Процитовано 30 червня 2016. [Архівовано 2012-12-01 у Wayback Machine.]
- ↑ Самая низкая температура на поверхности Земли. National Geographic Росиия. Архів оригіналу за 13 грудня 2013. Процитовано 9 грудня 2013. [Архівовано 2013-12-13 у Wayback Machine.]
- ↑ World: Lowest Temperature (англ.). Arizona State University. Архів оригіналу за 16 червня 2010. Процитовано 9 грудня 2013. [Архівовано 2016-08-19 у Wayback Machine.]
- ↑ NASA-USGS Landsat 8 Satellite Pinpoints Coldest Spots on Earth (англ.). NASA.
- ↑ Antarctica sets low temperature record of -135.8 degrees (англ.). FoxNews.
- ↑ Старый температурный рекорд оспорен. Компьюлента. Архів оригіналу за 3 грудня 2013. Процитовано 30 листопада 2013.
- ↑ Press Release No. 956 (англ.). World Meteorological Organizayion. Архів оригіналу за 6 квітня 2016. Процитовано 30 листопада 2013.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1 // Теоретическая физика. — М. : Физматлит, 2005. — Т. 5. — 616 с. — ISBN 5-9221-0054-8.
- Вукалович М. П., Новиков И. И. Техническая термодинамика. — М. : Энергия, 1968. — 497 с.
- Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механик / Отв. ред. Д. Н. Зубарев. — М. : Наука, 1982. — 584 с. — (Классики науки)
- Гухман А. А. Об основаниях термодинамики. — М. : Энергоатомиздат, 1986. — 384 с.
- Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. — М. : Мир, 1974. — 304 с.
- Залевски К. Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова. — М. : Мир, 1973. — 168 с.
- Зоммерфельд А. Термодинамика и статистическая физика / Пер. с нем. — М. : Изд-во иностр. лит-ры, 1955. — 480 с.
- Клаузиус Р. Механическая теория тепла // Второе начало термодинамики. — М.—Л.: Гостехиздат, 1934, с. 70—158.
- Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М. : Большая Российская энциклопедия, 1998. — 741 с..
- Белоконь Н. И. Термодинамика. — М. : Госэнергоиздат, 1954.
- Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — М. : Недра, 1968.
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — М. : ФИЗМАТЛИТ, 2005. — ISBN 5-9221-0601-5.
- Базаров И. П. Термодинамика. — М. : Высшая школа, 1991. — ISBN 5-06-000626-3.
- Температура; Температурні шкали // Універсальний словник-енциклопедія. — 4-те вид. — К. : Тека, 2006.