Температура

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

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

Позначається літерою або [1].

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[ред.ред. код]

Середньорічна температура по всьому світу

У стані теплової рівноваги температура має однакове значення для всіх макроскопічних частин системи. Якщо в системі два тіла мають однакову температуру, то між ними не відбувається передавання тепла. Якщо існує різниця температур, то тепло переходить від тіла з вищою температурою до тіла з нижчою, у цьому випадку говорять про розподіл температури у системі або скалярне поле температур. У термодинаміці температура — це інтенсивна термодинамічна величина.

Поряд з термодинамічним, в інших розділах фізики можуть вводитись й інші визначення температури. На мікроскопічному рівні температура пов'язана із 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 вченого:

« …мірилом температури є не сам рух, а хаотичність цього руху. Хаотичність стану тіла визначає його температурний стан, і ця ідея (яка вперше була розроблена Больцманом), що певний температурний стан тіла зовсім не визначається енергією руху, але хаотичністю цього руху, і є тим новим поняттям в описі температурних явищ, яким ми повинні користуватися…  »

Капица П. Л. Свойства жидкого гелия // Природа. — 1997. — № 12.

За ДСТУ 3518-97[2]: 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[3].

Вимірювання температури[ред.ред. код]

Хоча поняття температури інтуїтивно зрозуміле, як стан тепла й холоду, її вимірювання, тобто зіставлення 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[4]. Вибране для вимірювання температури тіло називають термометричним, а прилад для вимірювання температури — термометром.

Докладніше: Термометрія

Температурні шкали[ред.ред. код]

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[5]. 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[6].

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

Формули для визначення відповідності між основними шкалами:

За Цельсіємза Кельвіном за Фаренгейтом:

За Цельсіємза Реомюромза Ранкіном:

За Кельвіномза Цельсієм:

За Кельвіномза Фаренгейтом:

За Цельсіємза Фаренгейтом:

Зіставлення температурних шкал[ред.ред. код]

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. Деякі значення були округлені.

Визначення температури в статистичній фізиці[ред.ред. код]

В статистичній фізиці температура визначається за формулою

,

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[ред.ред. код]

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[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. ДСТУ 3651.0-97 Основні одиниці фізичних величин міжнародної системи одиниць. Основні положення, назви та позначення.
  2. ДСТУ 3518-97 Термометрія. Терміни та визначення.
  3. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М. : Большая Российская энциклопедия, 1998. — С. 741.
  4. Яворский Б. М., Селезнев Ю. А. Справочное реководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования. — 4-е изд., испр. — М.: Наука. — Гл. ред. физ-мат. лит., 1989—576 с. — ISBN 5-02-014031-7
  5. ГОСТ 8.417-2002. ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИН
  6. поняття температури

Джерела[ред.ред. код]

  • 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. Термодинамика. — М. : Машиностроение, 1972. — 671 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.