Iedereen wordt elke dag geconfronteerd met het begrip temperatuur. De term is stevig doorgedrongen in ons dagelijks leven: we verwarmen voedsel in de magnetron of koken voedsel in de oven, we zijn geïnteresseerd in het weer buiten of zoeken uit of het water in de rivier koud is - dit alles hangt nauw samen met dit concept. En wat is temperatuur, wat betekent deze fysieke parameter, op welke manier wordt deze gemeten? We zullen deze en andere vragen in het artikel beantwoorden.
Fysieke hoeveelheid
Laten we eens kijken wat temperatuur is vanuit het oogpunt van een geïsoleerd systeem in thermodynamisch evenwicht. De term komt uit het Latijn en betekent "juist mengen", "normale toestand", "evenredigheid". Deze waarde kenmerkt de toestand van thermodynamisch evenwicht van elk macroscopisch systeem. In het geval dat een geïsoleerd systeem uit evenwicht is, is er na verloop van tijd een overgang van energie van meer verwarmde naar minder verwarmde objecten. Het resultaat is een egalisatie (verandering) van temperatuur door het hele systeem. Dit is het eerste postulaat (nulprincipe) van de thermodynamica.
Temperatuur bepa altverdeling van de samenstellende deeltjes van het systeem door energieniveaus en snelheden, de mate van ionisatie van stoffen, de eigenschappen van de elektromagnetische evenwichtsstraling van lichamen, de totale volumetrische dichtheid van straling. Aangezien voor een systeem dat in thermodynamisch evenwicht is, de vermelde parameters gelijk zijn, worden ze gewoonlijk de temperatuur van het systeem genoemd.
Plasma
Naast evenwichtslichamen zijn er systemen waarin de toestand wordt gekenmerkt door verschillende temperatuurwaarden die niet aan elkaar gelijk zijn. Plasma is een goed voorbeeld. Het bestaat uit elektronen (licht geladen deeltjes) en ionen (zwaar geladen deeltjes). Wanneer ze botsen, wordt energie snel overgedragen van elektron naar elektron en van ion naar ion. Maar tussen heterogene elementen is er een langzame overgang. Het plasma kan zich in een toestand bevinden waarin de elektronen en ionen afzonderlijk dicht bij evenwicht zijn. In dit geval kunnen afzonderlijke temperaturen voor elk soort deeltjes worden genomen. Deze parameters zullen echter van elkaar verschillen.
Magneten
In lichamen waarin deeltjes een magnetisch moment hebben, vindt energieoverdracht meestal langzaam plaats: van translatie naar magnetische vrijheidsgraden, die gepaard gaan met de mogelijkheid om de richtingen van het moment te veranderen. Het blijkt dat er toestanden zijn waarin het lichaam wordt gekenmerkt door een temperatuur die niet samenv alt met de kinetische parameter. Het komt overeen met de translatiebeweging van elementaire deeltjes. Magnetische temperatuur bepa alt een deel van de interne energie. Het kan positief zijn ofnegatief. Tijdens het uitlijningsproces wordt energie overgedragen van deeltjes met een hogere waarde naar deeltjes met een lagere temperatuurwaarde als ze zowel positief als negatief zijn. Anders zal dit proces in de tegenovergestelde richting verlopen - de negatieve temperatuur zal "hoger" zijn dan de positieve.
Waarom is dit nodig?
De paradox ligt in het feit dat de gemiddelde persoon, om het meetproces zowel in het dagelijks leven als in de industrie uit te voeren, niet eens hoeft te weten wat temperatuur is. Het zal voor hem voldoende zijn om te begrijpen dat dit de mate van verwarming van een object of omgeving is, vooral omdat we deze termen al sinds onze kindertijd kennen. De meeste praktische apparaten die zijn ontworpen om deze parameter te meten, meten inderdaad andere eigenschappen van stoffen die veranderen met het niveau van verwarming of koeling. Bijvoorbeeld druk, elektrische weerstand, volume, etc. Verder worden dergelijke metingen handmatig of automatisch omgezet naar de gewenste waarde.
Het blijkt dat het niet nodig is om natuurkunde te studeren om de temperatuur te bepalen. Het grootste deel van de bevolking van onze planeet leeft volgens dit principe. Als de tv aan staat, is het niet nodig om de voorbijgaande processen van halfgeleiderapparaten te begrijpen, te bestuderen waar de elektriciteit vandaan komt in het stopcontact of hoe het signaal bij de satellietschotel aankomt. Men is eraan gewend dat er op elk gebied specialisten zijn die het systeem kunnen repareren of debuggen. De leek wil zijn hersens niet belasten, want waar is het beter om onder het genot van een slokje een soap of voetbal op de "box" te kijkenkoud bier.
Ik wil het weten
Maar er zijn mensen, meestal studenten, die, uit nieuwsgierigheid of uit noodzaak, gedwongen worden natuurkunde te studeren en te bepalen wat temperatuur werkelijk is. Als gevolg hiervan vallen ze tijdens hun zoektocht in de wildernis van de thermodynamica en bestuderen ze de nul-, eerste en tweede wetten. Bovendien zal een onderzoekende geest Carnot-cycli en entropie moeten begrijpen. En aan het einde van zijn reis zal hij zeker toegeven dat de definitie van temperatuur als parameter van een omkeerbaar thermisch systeem, dat niet afhankelijk is van het type werkende substantie, geen duidelijkheid zal toevoegen aan het gevoel van dit concept. En toch, het zichtbare deel zal enkele graden zijn die worden geaccepteerd door het internationale systeem van eenheden (SI).
Temperatuur als kinetische energie
Meer "tastbaar" is de benadering die moleculair-kinetische theorie wordt genoemd. Het vormt het idee dat warmte wordt beschouwd als een van de vormen van energie. Zo blijkt de kinetische energie van moleculen en atomen, een parameter gemiddeld over een groot aantal willekeurig bewegende deeltjes, een maat te zijn voor wat gewoonlijk de temperatuur van een lichaam wordt genoemd. De deeltjes van een verwarmd systeem bewegen dus sneller dan een koud systeem.
Aangezien de term in kwestie nauw verband houdt met de gemiddelde kinetische energie van een groep deeltjes, zou het heel natuurlijk zijn om de joule als temperatuureenheid te gebruiken. Dit gebeurt echter niet, wat wordt verklaard door het feit dat de energie van thermische beweging van elementairedeeltjes is erg klein ten opzichte van de joule. Daarom is het gebruik ervan onhandig. Thermische beweging wordt gemeten in eenheden afgeleid van joule door middel van een speciale conversiefactor.
Temperatuureenheden
Vandaag de dag worden er drie basiseenheden gebruikt om deze parameter weer te geven. In ons land wordt de temperatuur meestal gemeten in graden Celsius. Deze meeteenheid is gebaseerd op het vriespunt van water - een absolute waarde. Zij is het uitgangspunt. Dat wil zeggen, de temperatuur van het water waarbij ijs begint te vormen, is nul. In dit geval dient water als voorbeeldmaatregel. Deze conventie is gemakshalve aangenomen. De tweede absolute waarde is de stoomtemperatuur, dat wil zeggen het moment waarop water van vloeibare toestand in gasvormige toestand verandert.
De volgende eenheid is Kelvin. Het referentiepunt van dit systeem wordt beschouwd als het absolute nulpunt. Dus één graad Kelvin is gelijk aan één graad Celsius. Het verschil is slechts het begin van het aftellen. We krijgen dat nul in Kelvin gelijk zal zijn aan min 273,16 graden Celsius. In 1954 werd op de Algemene Conferentie over Maten en Gewichten besloten om de term "graden Kelvin" voor de eenheid van temperatuur te vervangen door "kelvin".
De derde gemeenschappelijke maateenheid is Fahrenheit. Tot 1960 werden ze veel gebruikt in alle Engelstalige landen. Tegenwoordig gebruikt u dit apparaat echter in het dagelijks leven in de Verenigde Staten. Het systeem is fundamenteel anders dan hierboven beschreven. Als uitgangspunt genomenvriespunt van een mengsel van zout, ammoniak en water in een verhouding van 1:1:1. Dus op de schaal van Fahrenheit is het vriespunt van water plus 32 graden en het kookpunt is plus 212 graden. In dit systeem is één graad gelijk aan 1/180 van het verschil tussen deze temperaturen. Het bereik van 0 tot +100 graden Fahrenheit komt dus overeen met het bereik van -18 tot +38 Celsius.
Temperatuur absoluut nul
Laten we begrijpen wat deze parameter betekent. Het absolute nulpunt is de grenstemperatuur waarbij de druk van een ideaal gas bij een vast volume verdwijnt. Dit is de laagste waarde in de natuur. Zoals Mikhailo Lomonosov voorspelde: "Dit is de grootste of laatste graad van kou." Hieruit volgt de chemische wet van Avogadro: gelijke volumes gassen bij dezelfde temperatuur en druk bevatten hetzelfde aantal moleculen. Wat volgt hieruit? Er is een minimumtemperatuur van een gas waarbij de druk of het volume ervan verdwijnt. Deze absolute waarde komt overeen met nul Kelvin of 273 graden Celsius.
Enkele interessante feiten over het zonnestelsel
De temperatuur op het oppervlak van de zon bereikt 5700 Kelvin en in het midden van de kern 15 miljoen Kelvin. De planeten van het zonnestelsel verschillen sterk van elkaar wat betreft het niveau van verwarming. De temperatuur van de kern van onze aarde is dus ongeveer hetzelfde als op het oppervlak van de zon. Jupiter wordt beschouwd als de heetste planeet. De temperatuur in het centrum van de kern is vijf keer hoger dan aan het oppervlak van de zon. En hier is de laagste waarde van de parameter:opgenomen op het oppervlak van de maan - het was slechts 30 kelvin. Deze waarde is zelfs lager dan op het oppervlak van Pluto.
Aarde Feiten
1. De hoogste temperatuur gemeten door een persoon was 4 miljard graden Celsius. Deze waarde is 250 keer hoger dan de temperatuur van de kern van de zon. Het record werd gevestigd door het Brookhaven Natural Laboratory in New York in de ionenversneller, die ongeveer 4 kilometer lang is.
2. De temperatuur op onze planeet is ook niet altijd ideaal en comfortabel. In de stad Verkhnoyansk in Jakoetië da alt de temperatuur bijvoorbeeld in de winter tot min 45 graden Celsius. Maar in de Ethiopische stad Dallol is de situatie omgekeerd. Daar is de gemiddelde jaartemperatuur plus 34 graden.
3. De meest extreme omstandigheden waaronder mensen werken zijn vastgelegd in goudmijnen in Zuid-Afrika. Mijnwerkers werken op een diepte van drie kilometer bij een temperatuur van plus 65 graden Celsius.
