Температура

	Температура
	,
Размерность	Θ
Единицы измерения
СИ	К
СГС	К

Среднемесячные температуры поверхности с 1961 по 1990 годы

Среднегодовая температура по всему миру

Тепловое движение α-пептида. Сложное дрожащее движение атомов, составляющих пептид, случайно, и энергия отдельного атома флуктуирует в широких пределах, но с помощью закона равнораспределения вычисляют как среднюю кинетическую энергию каждого атома так и среднюю потенциальную энергию многих колебаний. Серые, красные и синие шары обозначают атомы углерода, кислорода и азота, соответственно; маленькие белые шарики представляют атомы водорода.

Температу́ра (от лат. temperatura в надлежащее смешение, нормальное состояние) в скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

... мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться ...

П. Л. Капица

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура входит в состав семи основных единиц и выражается в кельвинах. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия^[1]. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды в температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно изменению температуры на один Кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения Кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99,975 °C^[2].

Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие.

Содержание

1 Термодинамическое определение
- 1.1 История термодинамического подхода
2 Определение температуры в статистической физике
3 Измерение температуры
4 Единицы и шкала измерения температуры
5 Энергия теплового движения при абсолютном нуле
- 5.1 Температура и излучение
- 5.2 Шкала Реомюра
6 Переходы из разных шкал
7 Сравнение температурных шкал
8 Характеристика фазовых переходов
9 Интересные факты
10 Примечания
11 Литература
12 См. также

[править] Термодинамическое определение

Существование равновесного состояния называют первым исходным положением термодинамики. Вторым исходным положением термодинамики называют утверждение о том, что равновесное состояние характеризуется некоторой величиной, которая при тепловом контакте двух равновесных систем становится для них одинаковой в результате обмена энергией. Эта величина называется температурой.^[3]

[править] История термодинамического подхода

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества в теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково в градусами.

В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, потому что суммарная энтропия при этом возрастает.

Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдаёт ли живая ткань тепло или получает его.

Некоторые квантовомеханические системы могут находиться в состоянии, при котором энтропия не возрастает, а убывает при добавлении энергии, что формально соответствует отрицательной абсолютной температуре. Однако такие состояния находятся не «ниже абсолютного нуля», а «выше бесконечности», поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим положительной температурой, энергия передаётся от системы к телу, а не наоборот (подробнее см. Квантовая термодинамика).

Свойства температуры изучает раздел физики в термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.

[править] Определение температуры в статистической физике

В статистической физике температура определяется по формуле

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

где S в энтропия, E в энергия термодинамической системы. Введённая таким образом величина T является одинаковой для различных тел при термодинамическом равновесии. При контакте двух тел тело с большим значением T будет отдавать энергию другому.

[править] Измерение температуры

Основная статья: Термометр

Типичный термометр со шкалой по Цельсию, показывающий -17 градусов

Для измерения термодинамической температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объёма. Известны также термометры абсолютные радиационные, шумовые, акустические.

Термодинамические термометры в это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. Для получения функции интерполяции они должны быть отградуированы в реперных точках международной температурной шкалы.

Чтобы измерить температуру какого-либо тела, его необходимо привести в тепловой контакт с «пробным» телом в термометром. Термометр не должен иметь большую массу, в противном случае, массивный термометр изменит температуру того тела, с которым он приведён в тепловой контакт. Термометр фиксирует свою собственную температуру, равную температуре тела, с которым он находится в термодинамическом равновесии^[4].

Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам в Цельсия или Фаренгейта.

На практике для измерения температуры также используют

Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления^[5]. Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения^[6].

[править] Единицы и шкала измерения температуры

Из того, что температура в это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах в градусах.

[править] Шкала температур Кельвина

Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры в кельвин (К).

Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры в абсолютный ноль, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.

Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно в273.15 °C (точно).

Шкала температур Кельвина в это шкала, в которой начало отсчёта ведётся от абсолютного нуля.

Важное значение имеет разработка на основе термодинамической шкалы Кельвина Международных практических шкал, основанных на реперных точках в фазовых переходах чистых веществ, определенных методами первичной термометрии. Первой международной температурной шкалой являлась принятая в 1927 г. МТШ-27. С 1927 г. шкала несколько раз переопределялась (МТШ-48, МПТШ-68, МТШ-90): менялись реперные температуры, методы интерполяции, но принцип остался тот же в основой шкалы является набор фазовых переходов чистых веществ с определенными значениями термодинамических температур и интерполяционные приборы, градуированные в этих точках. В настоящее время действует шкала МТШ-90. Основной документ (Положение о шкале) устанавливает определение Кельвина, значения температур фазовых переходов (реперных точек)^[7] и методы интерполяции.

Используемые в быту температурные шкалы в как Цельсия, так и Фаренгейта (используемая, в основном, в США), в не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур.

Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая в абсолютной термодинамической шкалой (шкалой Кельвина); температуры по ним измеряются, соответственно, в градусах Ранкина (°Ra) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля. Различаются они тем, что цена одного деления по шкале Кельвина равна цене деления шкалы Цельсия, а цена деления шкалы Ранкина эквивалентна цене деления термометров со шкалой Фаренгейта. Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Масштаб шкалы Кельвина привязан к тройной точке воды (273,16 К), при этом от неё зависит постоянная Больцмана. Это создаёт проблемы с точностью интерпретации измерений высоких температур. Сейчас МБМВ рассматривает возможность перехода к новому определению кельвина и фиксированию постоянной Больцмана, вместо привязки к температуре тройной точки.^[8].

[править] Шкала Цельсия

В технике, медицине, метеорологии и в быту используется шкала Цельсия, в которой температура тройной точки воды равна 0,008 °C,^[9] и, следовательно, точка замерзания воды при давлении в 1 атм равна 0 °C. В настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: цена одного деления в шкале Цельсия равна цене деления шкалы Кельвина, t(°С) = Т(К) в 273,15. Таким образом, точка кипения воды, изначально выбранная Цельсием, как реперная точка, равная 100 °C, утратила свое значение, и по современным оценкам температура кипения воды при нормальном атмосферном давлении составляет около 99,975 °C.Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия в особая точка для метеорологии, поскольку связана с замерзанием атмосферной воды. Шкала предложена Андерсом Цельсием в 1742 г.

[править] Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия в это 32 градуса Фаренгейта, а 100 градусов Цельсия в 212 градуса Фаренгейта.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F в 32), t °F = 9/5 t °С + 32. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724 году.

[править] Энергия теплового движения при абсолютном нуле

Когда материя охлаждается, многие формы тепловой энергии и связанные с ней эффекты одновременно уменьшаются по величине. Вещество переходит от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному.

в современное понятие абсолютного нуля не есть понятие абсолютного покоя, наоборот, при абсолютном нуле может быть движение в и оно есть, но это есть состояние полного порядка в

П. Л. Капица (Свойства жидкого гелия)

Газ превращается в жидкость и затем кристаллизуется в твёрдое тело (гелий и при абсолютном нуле остаётся в жидком состоянии при атмосферном давлении). Движение атомов и молекул замедляется, их кинетическая энергия уменьшается. Сопротивление большинства металлов падает из-за уменьшения рассеяния электронов на колеблющихся с меньшей амплитудой атомах кристаллической решётки. Таким образом даже при абсолютном нуле электроны проводимости движутся между атомами со скоростью Ферми порядка 1·10⁶м/с.

Температура, при которой частицы вещества имеют минимальное количество движения, сохраняющееся только благодаря квантовомеханическому движению, в это температура абсолютного нуля (Т = 0К).

Температуры абсолютного нуля достичь невозможно. Наиболее низкая температура (450±80)·10^в12К конденсата Бозе-Эйнштейна атомов натрия была получена в 2003 г. исследователями из МТИ^{[источник не указан 761 день]}. При этом пик теплового излучения находится в области длин волн порядка 6400 км, то есть примерно радиуса Земли.

[править] Температура и излучение

Излучаемая телом энергия пропорциональна четвёртой степени его температуры. Так, при 300 К с квадратного метра поверхности излучается до 450 ватт. Этим объясняется, например, ночное охлаждение земной поверхности ниже температуры окружающего воздуха. Энергия излучения абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана в Больцмана

[править] Шкала Реомюра

Предложена в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица в градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками в температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

[править] Переходы из разных шкал

Пересчёт температуры между основными шкалами
	из Цельсия (° C)	в Цельсий
Фаренгейт (°F)	[°F] = [°C] × 9вЃ„5 + 32	[°C] = ([°F] в 32) × 5вЃ„9
Кельвин (K)	[K] = [°C] + 273.15	[°C] = [K] в 273.15
Rankine	[°R] = ([°C] + 273.15) × 9вЃ„5	[°C] = ([°R] в 491.67) × 5вЃ„9
Delisle	[°De] = (100 в [°C]) × 3вЃ„2	[°C] = 100 в [°De] × 2вЃ„3
Newton	[°N] = [°C] × 33вЃ„100	[°C] = [°N] × 100вЃ„33
Réaumur	[°Ré] = [°C] × 4вЃ„5	[°C] = [°Ré] × 5вЃ„4
Rømer	[°Rø] = [°C] × 21вЃ„40 + 7.5	[°C] = ([°Rø] в 7.5) × 40вЃ„21

[править] Сравнение температурных шкал

Сравнение температурных шкал
Описание	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт	Ранкин	Делиль	Ньютон	Реомюр	Рёмер
Абсолютный ноль	0	в273,15	в459,67	0	559,725	в90,14	в218,52	в135,90
Температура таяния смеси Фаренгейта (соль и лёд в равных количествах)	255,37	в17,78	0	459,67	176,67	в5,87	в14,22	в1,83
Температура замерзания воды (Нормальные условия)	273,15	0	32	491,67	150	0	0	7,5
Средняя температура человеческого тела ¹	310,0	36,6	98,2	557,9	94,5	12,21	29,6	26,925
Температура кипения воды (Нормальные условия)	373,15	100	212	671,67	0	33	80	60
Плавление титана	1941	1668	3034	3494	в2352	550	1334	883
Поверхность Солнца	5800	5526	9980	10440	в8140	1823	4421	2909

¹ Нормальная средняя температура человеческого тела в 36,6 °C ±0,7 °C, или 98,2 °F ±1,3 °F. Приводимое обычно значение 98,6 °F в это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C. Однако это значение не входит в диапазон нормальной средней температуры тела человека, поскольку температура разных частей тела разная^[10].

Некоторые значения в этой таблице являются округлёнными.

[править] Характеристика фазовых переходов

Для описания точек фазовых переходов различных веществ используют следующие значения температуры:

Температура плавления
Температура кипения
Температура отжига
Температура спекания
Температура синтеза
Температура воздушных масс
Температура почвы
Гомологическая температура
Тройная точка
Температура Дебая (Характеристическая температура)
Температура Кюри

[править] Интересные факты

Самая низкая температура на Земле до 1910 в68, Верхоянск

Самая высокая температура, созданная человеком, ~ 10 трлн. К (что сравнимо с температурой Вселенной в первые секунды её жизни) была достигнута в 2010 году при столкновении ионов свинца, ускоренных до околосветовых скоростей. Эксперимент был проведён на Большом Адронном Коллайдере^[11]
Самая высокая теоретически возможная температура в планковская температура. Более высокая температура не может существовать, так как всё превращается в энергию (все субатомные частицы разрушатся). Эта температура примерно равна 1.41679(11)·10³² K (примерно 142 нониллиона K).
Поверхность Солнца имеет температуры около 6000 K.
Самая низкая температура, созданная человеком, была получена в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из США при охлаждении атомов рубидия.^[12]^[13]. Она была выше абсолютного нуля менее чем на 1/170 млрд долю K (5,9·10^в12 K).
Рекордная низкая температура на поверхности земли в89.2° С была зарегистрирована на советской внутриконтинентальной научной станции Восток, Антарктида (высота 3488 м над уровнем моря) 21 июля 1983 года^[14].
Семена высших растений сохраняют всхожесть после охлаждения до в269 °C.

[править] Примечания

в‘ ГОСТ 8.417-2002. Единицы величин
в‘ Понятие температуры
в‘ И. П. Базаров. Термодинамика, М., Высшая школа, 1976, с. 13-14.
в‘ Шахмаев Н. М. и др. Физика: Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. в М.: Просвещение, 1996. в С. 21. в 240 с. в ISBN 5090067937
в‘ Платиновый термометр сопротивления в основной прибор МТШ-90.
в‘ Лазерная термометрия
в‘ Реперные точки МТШ-90
в‘ Разработка нового определения кельвина
в‘ Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря Критическая точка. Свойства вещества в критическом состоянии. Тройная точка. Фазовые переходы II рода. Методы получения низких температур. (рус.). Статистическая термодинамика. Лекция 11. Санкт-Петербургский академический университет.(недоступная ссылка) Проверено 2 июня 2011.
в‘ О различных измерениях температуры тела (англ.)
в‘ BBC News в Large Hadron Collider (LHC) generates a 'mini-Big Bang'
в‘ Всё про всё. Рекорды температуры
в‘ Чудеса науки
в‘ Кравчук П. А.[1] Рекорды природы. в Любешов: Эрудит, 1993. в 216 с.

[править] Литература

Спасский Б. И. История физики Ч.I. в Москва: «Высшая школа», 1977.
Сивухин Д. В. Термодинамика и молекулярная физика. в Москва: «Наука», 1990.

[править] См. также

[0] в‘ ГОСТ 8.417-2002. Единицы величин

[1] в‘ Понятие температуры

[2] в‘ И. П. Базаров. Термодинамика, М., Высшая школа, 1976, с. 13-14.

[3] в‘ Шахмаев Н. М. и др. Физика: Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. в М.: Просвещение, 1996. в С. 21. в 240 с. в ISBN 5090067937

[4] в‘ Платиновый термометр сопротивления в основной прибор МТШ-90.

[5] в‘ Лазерная термометрия

[6] в‘ Реперные точки МТШ-90

[7] в‘ Разработка нового определения кельвина

[.D0.A1.D0.9F.D0.90.D0.A3_.D0.BB11-8] в‘ Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря Критическая точка. Свойства вещества в критическом состоянии. Тройная точка. Фазовые переходы II рода. Методы получения низких температур. (рус.). Статистическая термодинамика. Лекция 11. Санкт-Петербургский академический университет.(недоступная ссылка) Проверено 2 июня 2011.

[9] в‘ О различных измерениях температуры тела (англ.)

[10] в‘ BBC News в Large Hadron Collider (LHC) generates a 'mini-Big Bang'

[11] в‘ Всё про всё. Рекорды температуры

[12] в‘ Чудеса науки

[13] в‘ Кравчук П. А.[1] Рекорды природы. в Любешов: Эрудит, 1993. в 216 с.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

Температура

Содержание

[править] Термодинамическое определение

[править] История термодинамического подхода

[править] Определение температуры в статистической физике

[править] Измерение температуры

[править] Единицы и шкала измерения температуры

[править] Шкала температур Кельвина

[править] Шкала Цельсия

[править] Шкала Фаренгейта

[править] Энергия теплового движения при абсолютном нуле

[править] Температура и излучение

[править] Шкала Реомюра

[править] Переходы из разных шкал

[править] Сравнение температурных шкал

[править] Характеристика фазовых переходов

[править] Интересные факты

[править] Примечания

[править] Литература

[править] См. также

Личные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

Навигация

Участие

Печать/экспорт

Инструменты

На других языках

Единицы измерения
Температура
$\ T$ , $\ \Theta$
Размерность	Θ
СИ	К
СГС	К

Шкалы измерения температуры
Gas Mark · Делиля · Кельвина · Лейденская · Ньютона · Планковская · Ранкина · Реомюра · Рёмера · Уэджвуда · Фаренгейта · Цельсия
Формулы преобразования