Kiekvienas žmogus kasdien susiduria su temperatūros samprata. Terminas tvirtai įsiliejo į mūsų kasdienybę: šildome maistą mikrobangų krosnelėje arba gaminame maistą orkaitėje, domimės oru lauke ar sužinome, ar vanduo upėje š altas – visa tai glaudžiai susiję su šia sąvoka. O kas yra temperatūra, ką reiškia šis fizikinis parametras, kokiu būdu jis matuojamas? Į šiuos ir kitus klausimus atsakysime straipsnyje.
Fizikinis kiekis
Panagrinėkime, kokia temperatūra yra izoliuotos sistemos termodinaminėje pusiausvyroje požiūriu. Terminas kilęs iš lotynų kalbos ir reiškia „tinkamas maišymas“, „normali būsena“, „proporcingumas“. Ši reikšmė apibūdina bet kurios makroskopinės sistemos termodinaminės pusiausvyros būseną. Tuo atveju, kai izoliuota sistema yra išbalansuota, laikui bėgant energija pereina iš labiau šildomų objektų į mažiau šildomus. Rezultatas yra temperatūros išlyginimas (pokytis) visoje sistemoje. Tai pirmasis termodinamikos postulatas (nulinis principas).
Temperatūra lemiasistemą sudarančių dalelių pasiskirstymas pagal energijos lygius ir greičius, medžiagų jonizacijos laipsnis, pusiausvyrinės kūnų elektromagnetinės spinduliuotės savybės, bendras spinduliuotės tūrinis tankis. Kadangi sistemos, kuri yra termodinaminėje pusiausvyroje, išvardyti parametrai yra lygūs, jie paprastai vadinami sistemos temperatūra.
Plazma
Be pusiausvyros kūnų, yra sistemų, kuriose būseną apibūdina kelios temperatūros vertės, kurios nėra lygios viena kitai. Plazma yra geras pavyzdys. Jį sudaro elektronai (lengvo krūvio dalelės) ir jonai (sunkiai įkrautos dalelės). Kai jie susiduria, energija greitai perduodama iš elektrono į elektroną ir iš jono į joną. Tačiau tarp nevienalyčių elementų vyksta lėtas perėjimas. Plazma gali būti tokioje būsenoje, kurioje elektronai ir jonai atskirai yra artimi pusiausvyrai. Šiuo atveju kiekvienai dalelių rūšiai galima paimti atskiras temperatūras. Tačiau šie parametrai skirsis vienas nuo kito.
Magnetai
Kūnuose, kuriuose dalelės turi magnetinį momentą, energijos perdavimas dažniausiai vyksta lėtai: nuo transliacijos iki magnetinių laisvės laipsnių, kurie yra susiję su momento krypčių keitimo galimybe. Pasirodo, yra būsenų, kai organizmui būdinga temperatūra, nesutampanti su kinetiniu parametru. Tai atitinka elementariųjų dalelių transliacinį judėjimą. Magnetinė temperatūra lemia dalį vidinės energijos. Jis gali būti teigiamas arbaneigiamas. Lygiavimo proceso metu energija bus perduota iš didesnės vertės dalelių į daleles, kurių temperatūra yra mažesnė, jei jos yra teigiamos arba neigiamos. Priešingu atveju šis procesas vyks priešinga kryptimi – neigiama temperatūra bus „aukštesnė“nei teigiama.
Kodėl to reikia?
Paradoksas slypi tame, kad paprastas žmogus, norėdamas atlikti matavimo procesą tiek kasdieniame gyvenime, tiek pramonėje, net neturi žinoti, kas yra temperatūra. Jam pakaks suprasti, kad tai daikto ar aplinkos įkaitimo laipsnis, juolab kad su šiais terminais esame pažįstami nuo vaikystės. Iš tiesų, dauguma praktinių prietaisų, skirtų šiam parametrui matuoti, iš tikrųjų matuoja kitas medžiagų savybes, kurios keičiasi kaitinant ar vėsinant. Pavyzdžiui, slėgis, elektrinė varža, tūris ir kt. Be to, tokie rodmenys rankiniu būdu arba automatiškai konvertuojami į norimą reikšmę.
Pasirodo, kad norint nustatyti temperatūrą, nereikia mokytis fizikos. Dauguma mūsų planetos gyventojų gyvena pagal šį principą. Jei televizorius įjungtas, tada nereikia suprasti puslaidininkinių įrenginių pereinamųjų procesų, tyrinėti, iš kur į lizdą ateina elektra ar kaip signalas patenka į palydovinę anteną. Žmonės įpratę, kad kiekvienoje srityje yra specialistai, galintys sutvarkyti ar derinti sistemą. Pasaulietis nenori įtempti smegenų, nes kur geriau gurkšnojant žiūrėti muilo operą ar futbolą ant „dėžutės“š altas alus.
Noriu žinoti
Tačiau yra žmonių, dažniausiai studentų, kurie dėl savo smalsumo arba iš reikalo yra priversti studijuoti fiziką ir nustatyti, kokia iš tikrųjų yra temperatūra. Dėl to ieškodami jie patenka į termodinamikos lauką ir tyrinėja jos nulinius, pirmąjį ir antrąjį dėsnius. Be to, smalsus protas turės suprasti Carnot ciklus ir entropiją. O kelionės pabaigoje jis tikrai pripažins, kad temperatūros apibrėžimas kaip grįžtamosios šiluminės sistemos parametras, kuris nepriklauso nuo darbinės medžiagos rūšies, aiškumo šios sąvokos jausmui nepridės. Vis dėlto matoma dalis bus tam tikri laipsniai, priimti tarptautinei vienetų sistemai (SI).
Temperatūra kaip kinetinė energija
„Apčiuopiamesnis“yra metodas, vadinamas molekuline-kinetine teorija. Tai formuoja idėją, kad šiluma laikoma viena iš energijos formų. Pavyzdžiui, molekulių ir atomų kinetinė energija, parametras, apskaičiuojamas iš daugybės atsitiktinai judančių dalelių, yra matas to, kas paprastai vadinama kūno temperatūra. Taigi šildomos sistemos dalelės juda greičiau nei š altos.
Kadangi nagrinėjamas terminas yra glaudžiai susijęs su vidutine dalelių grupės kinetine energija, būtų visiškai natūralu naudoti džaulį kaip temperatūros vienetą. Tačiau tai neįvyksta, o tai paaiškinama tuo, kad elementario šiluminio judėjimo energijadalelės yra labai mažos, palyginti su džauliu. Todėl jo naudojimas yra nepatogus. Šiluminis judėjimas matuojamas vienetais, gautais iš džaulių, naudojant specialų perskaičiavimo koeficientą.
Temperatūros vienetai
Šiandien šiam parametrui rodyti naudojami trys pagrindiniai vienetai. Pas mus temperatūra dažniausiai matuojama Celsijaus laipsniais. Šis matavimo vienetas pagrįstas vandens užšalimo tašku – absoliučia verte. Ji yra išeities taškas. Tai yra, vandens temperatūra, kurioje pradeda formuotis ledas, yra lygi nuliui. Šiuo atveju vanduo yra pavyzdinė priemonė. Ši konvencija priimta dėl patogumo. Antroji absoliuti reikšmė yra garo temperatūra, ty momentas, kai vanduo iš skystos būsenos pereina į dujinę būseną.
Kitas vienetas yra kelvinas. Šios sistemos atskaitos tašku laikomas absoliutaus nulio taškas. Taigi, vienas Kelvino laipsnis yra lygus vienam Celsijaus laipsniui. Skirtumas yra tik atgalinio skaičiavimo pradžia. Mes gauname, kad nulis kelvinais bus lygus minus 273,16 laipsnių Celsijaus. 1954 m. Generalinėje svorių ir matų konferencijoje buvo nuspręsta terminą „kelvino laipsnis“, reiškiantį temperatūros vienetą, pakeisti „kelvinu“.
Trečias bendras matavimo vienetas yra Farenheito laipsnis. Iki 1960 metų jie buvo plačiai naudojami visose angliškai kalbančiose šalyse. Tačiau šiandien JAV kasdieniniame gyvenime naudokite šį įrenginį. Sistema iš esmės skiriasi nuo aukščiau aprašytų. Priimta kaip atskaitos taškasdruskos, amoniako ir vandens mišinio užšalimo temperatūra santykiu 1:1:1. Taigi pagal Farenheito skalę vandens užšalimo temperatūra yra plius 32 laipsniai, o virimo temperatūra – plius 212 laipsnių. Šioje sistemoje vienas laipsnis yra lygus 1/180 skirtumo tarp šių temperatūrų. Taigi diapazonas nuo 0 iki +100 laipsnių pagal Farenheitą atitinka diapazoną nuo -18 iki +38 Celsijaus.
Absoliuti nulinė temperatūra
Supraskime, ką reiškia šis parametras. Absoliutus nulis yra ribinė temperatūra, kuriai esant idealių dujų slėgis išnyksta esant nustatytam tūriui. Tai mažiausia vertė gamtoje. Kaip prognozavo Michailas Lomonosovas, „tai didžiausias arba paskutinis šalčio laipsnis“. Iš to išplaukia Avogadro cheminis dėsnis: vienoduose tos pačios temperatūros ir slėgio dujų tūriuose yra tiek pat molekulių. Kas iš to seka? Yra minimali dujų temperatūra, kuriai esant jų slėgis arba tūris išnyksta. Ši absoliuti vertė atitinka nulį kelvinų arba 273 laipsnių Celsijaus.
Keli įdomūs faktai apie saulės sistemą
Temperatūra Saulės paviršiuje siekia 5700 kelvinų, o branduolio centre – 15 milijonų kelvinų. Saulės sistemos planetos viena nuo kitos labai skiriasi šildymo lygiu. Taigi, mūsų Žemės šerdies temperatūra yra maždaug tokia pati kaip ir Saulės paviršiuje. Jupiteris laikomas karščiausia planeta. Temperatūra jo šerdies centre yra penkis kartus aukštesnė nei Saulės paviršiaus. Ir čia yra mažiausia parametro reikšmėužfiksuotas mėnulio paviršiuje – tebuvo 30 kelvinų. Ši vertė dar mažesnė nei Plutono paviršiuje.
Žemės faktai
1. Aukščiausia žmogaus užfiksuota temperatūra buvo 4 milijardai laipsnių Celsijaus. Ši vertė yra 250 kartų didesnė už Saulės šerdies temperatūrą. Rekordą pasiekė Niujorko Brukhaveno gamtos laboratorija jonų greitintuve, kurio ilgis yra apie 4 kilometrai.
2. Temperatūra mūsų planetoje taip pat ne visada ideali ir patogi. Pavyzdžiui, Jakutijos Verchnojansko mieste temperatūra žiemą nukrenta iki minus 45 laipsnių Celsijaus. Tačiau Etiopijos mieste Dallol padėtis yra priešinga. Ten vidutinė metinė temperatūra plius 34 laipsniai.
3. Ekstremaliausios sąlygos, kuriomis žmonės dirba, užfiksuotos aukso kasyklose Pietų Afrikoje. Kalnakasiai dirba trijų kilometrų gylyje plius 65 laipsnių Celsijaus temperatūroje.
