У чомусь вимірюються градуси температури. Молекулярна фізика

Процеси, які пов'язані зі світлом, є важливою складовою фізики і оточують нас у нашій повсякденному життіповсюдно. Найважливіші в цій ситуації є закони відображення та заломлення світла, на яких ґрунтується сучасна оптика. Заломлення світла є важливим складником сучасної науки.

Ефект спотворення

Ця стаття розповість вам, що є явищем заломлення світла, а також як виглядає закон заломлення і що з нього випливає.

Основи фізичного явища

При падінні променя на поверхню, яка поділяється двома прозорими речовинами, що мають різну оптичну щільність (наприклад, різні стеклаабо у воді), частина променів буде відображена, а частина – проникне у другу структуру (наприклад, піде поширюватися у воді чи склі). При переході з одного середовища до іншого для променя характерна зміна свого напряму. Це і є явище заломлення світла.
Особливо добре відображення та заломлення світла видно у воді.

Ефект спотворення у воді

Дивлячись на речі, що у воді, вони здаються спотвореними. Особливо це дуже помітно на межі між повітрям та водою. Візуально здається, що підводні предмети трохи відхилені. У фізичному явищі, що описується, якраз і криється причина того, що у воді всі об'єкти здаються спотвореними. При попаданні променів на скло цей ефект менш помітний.
Заломлення світла є фізичним явищем, яке характеризується зміною напрямку руху сонячного променяу момент переміщення з одного середовища (структури) до іншого.
Для покращення розуміння даного процесуРозглянемо приклад попадання променя з повітря у воду (аналогічно для скла). При проведенні перпендикуляра вздовж межі розділу можна виміряти кут заломлення та повернення світлового променя. Цей показник (кут заломлення) змінюватиметься при проникненні потоку у воду (всередину скла).
Зверніть увагу! Під даним параметром розуміється кут, який утворює перпендикуляр, проведений до розділу двох речовин при проникненні променя першої структури в другу.

Проходження променя

Цей показник характерний й інших середовищ. Встановлено, що цей показник залежить від густини речовини. Якщо падіння променя відбувається з менш щільною в щільнішу структуру, то кут створюваного спотворення буде більшим. А якщо навпаки – то менше.
При цьому зміна нахилу падіння також позначиться на даному показнику. Але відношення між ними не залишається незмінним. Водночас ставлення їхніх синусів залишиться. постійною величиною, Яку відображає наступна формула: sinα / sinγ = n, де:

• n – стала величина, яка описана для кожної конкретної речовини (повітря, скла, води і т.д.). Тому, яка буде дана величинаможна визначити за спеціальними таблицями;
• α – кут падіння;
• γ – кут заломлення.

Для визначення цього фізичного явищаі було створено закон заломлення.

Фізичний закон

Закон заломлення світлових потоків дає змогу визначити характеристики прозорих речовин. Сам закон складається з двох положень:

• перша частина. Промінь (падаючий, змінений) та перпендикуляр, який був відновлений у точці падіння на кордоні, наприклад, повітря та води (скла тощо), будуть розташовуватися в одній площині;
• друга частина. Показник співвідношення синуса кута падіння до синуса цього ж кута, що утворився під час переходу кордону, буде величиною постійної.

Опис закону

При цьому в момент виходу променя з другої структури до першої (наприклад, при проходженні світлового потокуз повітря, через скло і назад у повітря), також виникатиме ефект спотворення.

Важливий параметр для різних об'єктів

Основний показник у цій ситуації — це співвідношення синуса кута падіння до аналогічного параметра, але спотворення. Як випливає із закону, описаного вище, цей показник являє собою постійну величину.
При цьому при зміні значення нахилу падіння така ж ситуація буде характерна і для аналогічного показника. Цей параметр має велике значенняоскільки є невід'ємною характеристикою прозорих речовин.

Показники для різних об'єктів

Завдяки цьому параметру можна досить ефективно розрізняти види скла, а також різноманітні дорогоцінне каміння. Також він важливий визначення швидкості переміщення світла у різних середовищах.

Зверніть увагу! Найвища швидкість світлового потоку – у вакуумі.

При переході з однієї речовини в інші його швидкість буде зменшуватися. Наприклад, у алмазу, який має найбільше великим показникомзаломлюваності, швидкість поширення фотонів буде в 2,42 рази вищою, ніж у повітря. У воді вони поширюватимуться повільніше в 1,33 рази. Для різних видівскла цей параметр коливається в діапазоні від 1,4 до 2,2.

Зверніть увагу! Деякі скла мають показник заломлення 2,2, що дуже близько до алмазу (2,4). Тому не завжди вдасться відрізнити скло від реального алмазу.

Оптична густина речовин

Світло може проникати через різні речовини, які характеризуються різними показниками оптичної щільності. Як ми вже говорили раніше, використовуючи даний законможна визначити характеристику густини середовища (структури). Чим щільнішою вона буде, тим з меншою швидкістю в ній поширюватиметься світло. Наприклад, скло або вода будуть більш оптично щільними, ніж повітря.
Крім того, що цей параметр є постійною величиною, він ще й відображає відношення швидкості світла у двох речовинах. Фізичний змістможна відобразити у вигляді наступної формули:

Цей показник каже, як змінюється швидкість поширення фотонів під час переходу з однієї речовини до іншого.

Ще один важливий показник

При переміщенні світлового потоку через прозорі об'єкти можлива його поляризація. Вона спостерігається під час проходження світлового потоку від діелектричних ізотропних середовищ. Поляризація виникає під час проходження фотонів через скло.

Ефект поляризації

Часткова поляризація спостерігається, коли кут падіння світлового потоку на межі двох діелектриків відрізнятиметься від нуля. Ступінь поляризації залежить від того, якими були кути падіння (закон Брюстера).

Повноцінне внутрішнє відображення

Завершуючи наш невеликий екскурсще необхідно розглянути такий ефект, як повноцінне внутрішнє відображення.

Явище повноцінного відображення

Для появи даного ефекту необхідно збільшення кута падіння світлового потоку в момент його переходу з більш щільного менш щільне середовище в межі розділу між речовинами. У ситуації, коли цей параметр перевищуватиме певне граничне значення, тоді фотони, що падають на межу цього розділу, будуть повністю відображатися. Власне, це і буде наше шукане явище. Без нього було неможливо зробити волоконну оптику.

Висновок

Практичне застосування особливостей поведінки світлового потоку дали дуже багато, створивши різноманітні технічні пристрої для покращення нашого життя. При цьому світло відкрило перед людством далеко не всі свої можливості та його практичний потенціалще повністю не реалізовано.

Як зробити паперовий світильник своїми руками
Як перевірити працездатність світлодіодної стрічки

Історія

Слово "температура" виникло в ті часи, коли люди вважали, що в більш нагрітих тілах міститься Велика кількістьособливої ​​речовини - теплороду, ніж менш нагрітих. Тому температура сприймалася як міцність суміші речовини тіла та теплороду. З цієї причини одиниці виміру міцності спиртних напоїв та температури називаються однаково – градусами.

З того, що температура – ​​це кінетична енергіямолекул, зрозуміло, що найбільше природно вимірювати її в енергетичних одиницях (тобто в системі СІ в джоулях). Однак вимірювання температури почалося задовго до створення молекулярно-кінетичної теорії, тому практичні шкали вимірюють температуру в умовних одиницях – градусах.

Шкала Кельвіна

У термодинаміці використовується шкала Кельвіна, у якій температура відраховується від абсолютного нуля(стан, що відповідає мінімальній теоретично можливій внутрішньої енергіїтіла), а один кельвін дорівнює 1/273.16 відстані від абсолютного нуля до потрійної точки води (стану, при якому лід, вода та водяна пара знаходяться в рівновазі). Для перерахунку кельвінів у енергетичні одиниці служить постійна Больцмана. Використовуються також похідні одиниці: кілокельвін, мегакельвін, мілікельвін і т.д.

Шкала Цельсія

У побуті використовується шкала Цельсія, в якій за 0 приймають точку замерзання води, а за 100 ° точку кипіння води при атмосферному тиску. Оскільки температура замерзання та кипіння води недостатньо добре визначена, нині шкалу Цельсія визначають через шкалу Кельвіна: градус Цельсія дорівнює кельвіну, абсолютний нульприймається за -273,15 °C. Шкала Цельсія практично дуже зручна, оскільки вода є дуже поширеною на нашій планеті і на ній засноване наше життя. Нуль Цельсія - особлива точкадля метеорології, оскільки замерзання атмосферної води суттєво все змінює.

Шкала Фаренгейта

В Англії і, особливо, США використовується шкала Фаренгейта. У цій шкалі на 100 градусів розділений інтервал від температури найхолоднішої зими у місті, де жив Фаренгейт, до температури людського тіла. Нуль градусів Цельсія - це 32 градуси Фаренгейта, а градус Фаренгейта дорівнює 5/9 градусів Цельсія.

В даний час прийнято наступне визначенняшкали Фаренгейта: це температурна шкала, 1 градус якої (1 °F) дорівнює 1/180 різниці температур кипіння води та танення льоду при атмосферному тиску, а точка танення льоду має температуру +32 °F. Температура за шкалою Фаренгейта пов'язана з температурою за шкалою Цельсія (t °C) співвідношенням t °C = 5/9 (t °F - 32), тобто зміна температури на 1 °F відповідає зміні на 5/9 °C. Запропонована Г. Фаренгейтом у 1724 році.

Шкала Реомюра

Запропонована в 1730 Р. А. Реомюром, який описав винайдений ним спиртовий термометр.

Одиниця - градус Реомюра (°R), 1 °R дорівнює 1/80 частини температурного інтервалу між опорними точками- температурою танення льоду (0°R) та кипіння води (80°R)

1°R = 1,25°C.

В даний час шкала вийшла з вживання, найдовше вона зберігалася у Франції, на батьківщині автора.

Порівняння температурних шкал

¹ Нормальна температура людського тіла - 36.6 °C ±0.7 °C, або 98.2 °F ±1.3 °F. Значення, що наводиться зазвичай 98.6 °F - це точне перетворення в шкалу Фаренгейта прийнятого в Німеччині в XIX столітті значення 37 °C. Оскільки це значення не входить у діапазон нормальної температурипо сучасним уявленням, Можна говорити, що воно містить надмірну (невірну) точність. Деякі значення у цій таблиці були округлені.

Зіставлення шкал Фаренгейта та Цельсія

(o F- шкала Фаренгейта, o C- шкала Цельсія)

Для переведення градусів цельсію в кельвіни необхідно скористатися формулою T=t+T 0де T температура в кельвінах, t температура в градусах цельсія, T 0 = 273.15 кельвіна. За розміром градус Цельсія дорівнює Кельвіну.

З рівняння (2.4)

слід, що тиск ідеального газу пропорційно його щільності (щільність газу визначається числом молекул в одиниці об'єму) та середньої кінетичної енергії поступального руху молекул. При постійному отже, при постійному обсязі V газу де число молекул у посудині) тиск газу залежить тільки від середньої кінетичної енергії молекул.

Тим часом з досвіду відомо, що при постійному обсязітиск газу можна змінювати лише одним способом: його нагріванням або охолодженням; при нагріванні газу його тиск зростає, при охолодженні зменшується. Нагрітий і охолоджений газ, як і всяке тіло, характеризується своєю температурою - особливою величиною, якою здавна користуються у науці, техніці й у побуті. Отже, між температурою та середньою кінетичною енергією молекул має існувати зв'язок.

Перш ніж ми з'ясуємо цей зв'язок, подивимося, що є температура як фізична величина.

У повсякденному життітемпература для нас – величина, яка відрізняє «гаряче» від «холодного». І перші уявлення про температуру виникли з відчуттів тепла та холоду. Ми можемо використати ці знайомі нам відчуття, щоб з'ясувати головну особливістьтемператури як фізичної величини.

Візьмемо три судини. В один з них наллємо гарячу воду, в інший - холодну, а в третій - суміш гарячої та холодної води. Опустимо одну руку, наприклад праву, в посудину з гарячою водою, а ліву - у посудину з холодною. Потримавши руки деякий час у цих судинах, перенесемо їх у третю посудину. Що скажуть нам наші відчуття про воду у цій посудині? Права рука здасться, що вода

у ньому холодна, а лівою – що вона тепла. Але це «суперечність» зникне, якщо потримати обидві руки в третій посудині довше. Через деякий час обидві руки будуть відчувати однакові відчуття, що відповідають температурі води в третій посудині.

Вся справа в тому, що руки, які побували спочатку в судинах з гарячою та холодною водою, мали різні температури, відмінні і одна від одної, і від температури в третій посудині. І потрібен деякий час, щоб температура кожної з рук стала рівною температурі води, в яку вони занурені. Тоді й температури рук стануть однакові. Однакові будуть і відчуття. Необхідно, як кажуть, щоб у системі тіл права рука - ліва рука- вода» встановилася теплова рівновага.

Цей простий досвід показує, що температура - це величина, що характеризує стан теплової рівноваги: ​​у тіл, що перебувають у стані теплової рівноваги, однакові температури. І навпаки, тіла з однаковою температурою перебувають у тепловій рівновазі одне з одним. А якщо два тіла знаходяться в тепловій рівновазі з якимось третім тілом, то обидва тіла знаходяться в тепловій рівновазі і між собою. Це важливе твердження є одним із основних законів природи. І на ньому заснована сама можливість вимірювання температури. В описаному досвіді, наприклад, йшлося про теплову рівновагу обох рук, після того, як кожна з них опинилася в тепловій рівновазі з водою.

Якщо тіло або система тіл не знаходиться в стані теплової рівноваги і якщо система ізольована (не взаємодіє з іншими тілами), через деякий час стан теплової рівноваги встановлюється само собою. Стан теплової рівноваги - це і є стан, який переходить будь-яка ізольована система. Після того, як такий стан досягнуто, він уже більше не змінюється і ніяких макроскопічних змін у системі не відбувається. Однією з ознак стану теплової рівноваги є рівність температур всіх частин тіла або всіх тіл системи. Відомо, що в процесі встановлення теплової рівноваги, тобто при вирівнюванні температури двох тіл відбувається передача теплоти від одного тіла іншому. Отже, з експериментальної точки зору температура тіла - це величина, яка визначає, чи воно іншому тілу з іншою температурою передаватиме теплоту або отримувати від нього теплоту.

Температура займає декілька особливе місцеу ряді фізичних величин. Це не дивно, якщо врахувати, що в ту епоху, коли ця величина з'явилася в науці, не було відомо, які саме внутрішні процесиу речовині викликають відчуття тепла та холоду.

Своєрідність температури як фізичної величини полягає насамперед у тому, що вона, на відміну багатьох інших величин,

не адитивна. Це означає, якщо подумки розділити тіло на частини, то температура всього тіла не дорівнює сумі температур його частин. Цим температура відрізняється від таких, наприклад, величин, як довжина, об'єм, маса, значення яких для тіла складаються зі значень відповідних величин для його частин.

Внаслідок цього температуру тіла не можна вимірювати безпосередньо, як вимірюють довжину чи масу, т. е. шляхом порівняння з зразком. Якщо про один стрижень можна сказати, що його довжина в стільки разів більше довжиниіншого стрижня, то питання про те, скільки разів одна температура міститься в іншій, не має сенсу.

Для вимірювання температури здавна користуються тим, що за зміни температури тіла змінюються та її властивості. Змінюються, отже, величини, що характеризують ці властивості. Тому для створення приладу, що вимірює температуру, тобто термометра, вибирають будь-яку речовину (термометричну речовину) та певну величину, що характеризує властивість речовини (термометричну величину). Вибір того й іншого цілком довільний. У побутових термометрах, наприклад, термометричною речовиною є ртуть, а термометричною величиною – довжина ртутного стовпчика.

Для того щоб величині температури можна було зіставити певні числові значення, потрібно ще поставити ту чи іншу залежність термометричної величини від температури. Вибір цієї залежності теж довільний: адже поки що немає термометра, не можна досвідченим шляхом встановити цю залежність! У разі ртутного термометра, наприклад, обирається лінійна залежністьдовжини ртутного стовпчика (об'єму ртуті) від температури.

Залишається встановити одиницю температури - градус (хоча в принципі її можна було б виражати в тих же одиницях, в яких вимірюється термометрична величина, наприклад по ртутному термометру - в сантиметрах!). Величина градуса обирається теж довільно (як і термометрична речовина, термометрична величина та вид функції, що зв'язує термометричну величину з температурою). Розмір градуса встановлюється в такий спосіб. Вибирають, знову-таки довільно, дві температури (їх називають реперними точками) - зазвичай це температури танення льоду та кипіння води при атмосферному тиску - і ділять цей температурний інтервал на деяке (теж довільне) число рівних частин- градусів, а одній із цих двох температур приписують певне числове значення. Тим самим визначається значення другої температури та будь-якої проміжної. Таким чином одержують температурну шкалу. Зрозуміло, що за допомогою описаної процедури можна отримати безліч різних термометрів і температурних шкал,

Сучасна термометрія заснована на шкалі ідеального газу, яка встановлюється за допомогою газового термометра. У принципі газовий термометр - це закритий посуд, наповнений ідеальним газом і з манометром для вимірювання тиску газу. Значить термометричним речовиною у такому термометрі служить ідеальний газ, а термометричною величиною - тиск газу за постійному обсязі. Залежність тиску від температури приймається (саме приймається!) Лінійною. Таке припущення призводить до того, що відношення тисків при температурах кипіння води та танення льоду дорівнює відношенню самих цих температур:

Ставлення легко визначити із досвіду. Численні виміри показали, що

Отже, отже, і значення відношення температур:

Розмір градуса вибирається розподілом різниці на сто частин:

З останніх двох рівнів випливає, що температура танення льоду за обраною нами шкалою дорівнює 273,15 градусів, а температура кипіння води Тк дорівнює 373,15 градусів. Для того щоб за допомогою газового термометра виміряти температуру якогось тіла, треба привести тіло в контакт з газовим термометром і, дочекавшись рівноваги, виміряти тиск газу в термометрі. Тоді температура тіла визначається за формулою

де тиск газу в термометрі, поміщеному в лід, що тане.

У практиці газовим термометром користуються дуже рідко. На нього покладено найбільш відповідальну роль - по ньому градуюються всі вживані термометри.

Температура, що дорівнює нулю в нашій шкалі, - це, очевидно, температура, при якій тиск ідеального газу дорівнював би нулю. (Це не означає, що ідеальний газ насправді можна настільки охолодити, що його тиск стане рівним нулю.) Якщо при нулі температурної шкали термометрична величина перетворюється на нуль, то така шкала називається абсолютною шкалою, а температура, відрахована за такою шкалою, називається абсолютною температурою. Описана тут шкала газового термометра є абсолютною. Її часто називають також шкалою Кельвіна,

а одиницю температури в цій шкалі – градусом Кельвіна або просто кельвіном (позначення: К).

У техніці та побуті часто використовується температурна шкала, що відрізняється від описаної тим, що температурі танення льоду приписується значення нуль (при тому розмірі градуса). Ця шкала називається шкалою Цельсія. Температура, що відраховується за цією шкалою, пов'язана з абсолютною температурою очевидним співвідношенням:

Ми будемо надалі користуватися шкалою Кельвіна.

З того, що тут було сказано, випливає, що температура характеризує теплову рівновагу тіл: при переході до стану рівноваги температури тіл вирівнюються, а в стані рівноваги температура всіх частин тіла або системи тіл одна і та ж, З цим пов'язана сама процедура вимірювання температури. Адже для того, щоб виміряти значення термометричної величини при температурах танення льоду і кипіння води, термометр необхідно привести в стан рівноваги з льодом, що тане, і з киплячою водою, а щоб виміряти температуру якогось тіла, необхідно забезпечити можливість встановлення теплової рівноваги між термометром і тілом . І лише тоді, коли така рівновага досягнута, можна вважати, що температура тіла дорівнює температурі, відрахованої за термометром.

Отже, температура - те, що вирівнюється у процесі встановлення рівноваги у системі. Але саме поняття вирівнювання означає, що з однієї частини системи щось передається в іншу. Отримане нами рівняння (2.4) для тиску ідеального газу дозволить нам зрозуміти, що це «щось».

Уявімо ізольований циліндр з ідеальним газом, в якому вже встановилася теплова рівновага, так що температура у всіх частинах об'єму газу однакова. Припустимо, що, без порушення рівноваги, в циліндр поміщений рухомий поршень, що поділяє об'єм газу на дві частини (рис. 3, а). В умовах рівноваги поршень перебуватиме у спокої. Це означає, що з рівновазі як температури, а й тиску з обох боків поршня однакові. Відповідно до рівняння (2.4) однакові та величини

Порушимо тепер тимчасово ізоляцію нашого циліндра з газом і нагріємо одну з його частин, наприклад ту, що по лівий біквід поршня, після чого знову відновимо ізоляцію. Тепер газ у циліндрі не знаходиться в рівновазі – температура у лівому відділенні вища, ніж у правому (рис. 3, б). Але газ ізольований, і сам собою розпочнеться перехід до стану рівноваги. Ми побачимо, що поршень почне рухатися зліва направо. А це означає, що відбувається робота і, отже, від газу у лівому відділенні газу в правому через поршень передається енергія. Отже, те, що передається у процесі встановлення теплової рівноваги, – це енергія. Через деякий час рух поршня припиниться. Але зупиниться поршень після низки вагань. І зупиниться він у тому самому місці, де він знаходився до того, як ліве відділення циліндра зазнало нагрівання. У циліндрі із газом знову встановився стан рівноваги. Але тепер температура газу та його тиск, звичайно, вища, ніж до нагрівання.

Оскільки поршень зупинився на колишньому місці, то концентрація молекул (тобто число молекул в одиниці об'єму) залишилася незмінною. Це означає, що внаслідок нагрівання газу змінилася лише середня кінетична енергія його молекул. Вирівнювання температури, отже, означає вирівнювання значень середньої кінетичної енергії молекул з обох боків поршня. При переході до рівноваги від однієї частини газу в іншу передається енергія, але вирівнюється не енергія всього газу як цілого, а середня кінетична енергія, віднесена до однієї молекули. Саме середня кінетична енергія молекули поводиться як температура.

Ці дві величини подібні ще й до того, що середня кінетична енергія, як і температура, - величина не адитивна, вона однакова для всього газу і для будь-якої його частини (що містить достатньо велике числомолекул). Енергія всього газу - величина, звичайно, адитивна, - вона складається з енергій його частин.

Не слід думати, що наші міркування стосуються лише випадку, коли газ у циліндрі розділений на дві частини поршнем. І без поршня молекули при зіткненнях між собою обмінювалися б енергією і вона передавалася від більш нагрітої частини до менш нагрітої, у результаті вирівнялися б середні кінетичні енергії молекул. Поршень лише робить передачу енергії хіба що видимої, оскільки його рух пов'язані з скоєнням роботи.

Наведені прості, хоча й дуже строгі міркування показують, що величина, давно відома під назвою температури, насправді є середню кінетичну енергію поступального руху молекул. Те, що ми отримали цей результат для ідеального газу, не змінює

У застосуванні до ідеальному газузручніше вважати, що температура дорівнює двом третинам середньої кінетичної енергії молекул, оскільки це спростить вид формули (2.4) для тиску газу. Позначивши певну таким чином температуру буквою, ми можемо написати:

Тоді рівняння (2.4) набуде простого вигляду:

При такому визначенні температури вона, очевидно, має вимірюватися в одиницях енергії (у системі СІ – у джоулях, у системі одиниць СГС – в ергах). Однак практично користуватися такою одиницею температури незручно. Навіть така мала одиниця енергії, як занадто велика, щоб бути одиницею вимірювання температури. При користуванні нею зазвичай зустрічаються температури виражалися б мізерно малими числами. Наприклад, температура танення льоду дорівнювала б . До того ж і вимірювання температури, що виражається в ергах, було б дуже важко.

З цієї причини, а також тому, що величиною температури користувалися ще задовго до того, як були розвинені молекулярно-кінетичні уявлення, що роз'яснили справжній сенс температури, її таки вимірюють у старих одиницях - градусах, незважаючи на умовність цієї одиниці.

Але якщо вимірювати температуру в градусах, необхідно ввести відповідний коефіцієнт, що переводить одиниці енергії і градуси. Його прийнято позначати буквою Тоді зв'язок між температурою вимірюваної в градусах і середньою кінетичною енергією виражається рівністю:

Нагадаємо, що формула (3.1) відноситься до молекули, яку ми домовилися вважати подібною точкою. Її кінетична енергія – це кінетична енергія поступального руху, швидкість якого може бути розкладена на три складові. Внаслідок хаотичності молекулярних рухів можна прийняти, що енергія

молекули рівномірно розподіляється за всіма трьома складовими швидкості, так що на кожну з них припадає енергія

Множник, що виражає співвідношення між одиницею енергії і одиницею температури - кельвіном, називається постійної Больцмана. Зрозуміло, що його числове значення має бути встановлене експериментально. З огляду на особливу важливість цієї постійної вона була визначена багатьма методами. Наводимо найточніше до теперішнього часу значення цієї постійної. У системі одиниць СІ

У системі одиниць СГС

З формули (3.1) слід, що нулем температури є температура, коли середня кінетична енергія безладних рухів молекул дорівнює нулю, т. е. температура, коли він хаотичні руху молекул припиняються. Це і є абсолютний нуль, початок відліку абсолютної температури, Про яке згадувалося вище.

З формули (3,1) випливає також, що негативних температур не може бути, оскільки кінетична енергія - істотно позитивна величина. Втім, нижче, в гол. VI, буде показано, що для певних системможна формально запровадити поняття про негативні температури. Про них, щоправда, не можна буде сказати, що це температури нижче за абсолютного нуля і що вони відносяться до рівноважного стану системи.

Оскільки температура визначається середньою енергією руху молекул, вона, як і тиск, є статистичною величиною. Не можна говорити про «температуру» однієї чи небагатьох молекул, про «гарячі» чи «холодні» молекули. Не має сенсу, наприклад, говорити про температуру газу в космічному просторі, Де число молекул в одиниці об'єму настільки мало, що вони не утворюють газу в звичайному значенні слова і не можна говорити про середню енергію руху молекул.

Енергії, пов'язані з хаотичними рухами частинок газу, дуже малі. З формули (3.1) і з наведеного значення постійної Больцмана видно, що температурі в 1 К відповідає енергія, рівна При найнижчій досягнутій до теперішнього часу температурі (порядку 10 6 К) середня енергіямолекул дорівнює приблизно 109 джоулів. Навіть найвищою штучно отриманою температурою - близько 100 мільйонів градусів, що розвивається під час вибуху ядерної бомби- відповідає нікчемна енергія частинок джоуля.

Зважаючи на те, що температура грає дуже важливу рольу фізиці та техніці, вона входить поряд з довжиною, масою та часом до числа основних величин системи одиниць СІ, а одиниця температури, кельвін, входить до числа основних одиниць цієї системи (розмірність температури позначається буквою в).

У СІ одиниця температури (кельвін) встановлюється не на основі температурного інтервалу «температура льоду, що тане, - температура киплячої води», а на основі інтервалу «абсолютний нуль - температура потрійної точки води». Потрійна точка води - це температура, за якої вода, водяна пара і лід перебувають у рівновазі (див. § 130). Температурі потрійної точки води приписується значення 273,16 К (точно).

Таким чином, 1 кельвін дорівнює частині температурного інтервалу від абсолютного нуля до температури потрійної точки води.

Так як температура потрійної точки води дорівнює 0,01 ° С, то розміри градусу в шкалах Цельсія і Кельвіна однакові і будь-яка температура може виражатися або в градусах Цельсія або в кельвінах

Конвертер довжини та відстані Конвертер маси Конвертер мір об'єму сипучих продуктів та продуктів харчування Конвертер площі Конвертер об'єму та одиниць вимірювання кулінарних рецептахКонвертер температури Конвертер тиску, механічної напруги, модуля Юнга Конвертер енергії та роботи Конвертер потужності Конвертер сили Конвертер часу Конвертер лінійної швидкості Плоский кутКонвертер теплової ефективності та паливної економічності Конвертер чисел в різних системахобчислення Конвертер одиниць вимірювання кількості інформації Курси валют Розміри жіночого одягу та взуття Розміри чоловічий одягта взуття Конвертер кутовий швидкостіта частоти обертання Конвертер прискорення Конвертер кутового прискоренняКонвертер щільності Конвертер питомого об'єму Конвертер моменту інерції Конвертер моменту сили Конвертер крутного моменту Конвертер питомої теплотизгоряння (за масою) Конвертер щільності енергії та питомої теплоти згоряння палива (за об'ємом) Конвертер різниці температур Конвертер коефіцієнта теплового розширенняКонвертер термічного опору Конвертер питомої теплопровідності Конвертер питомої теплоємностіКонвертер енергетичної експозиції та потужності теплового випромінюванняКонвертер щільності теплового потоку Конвертер коефіцієнта тепловіддачі Конвертер об'ємної витрати Конвертер масової витрати Конвертер молярної витрати Конвертер щільності потоку маси Конвертер молярної концентраціїКонвертер масової концентрації в розчині Конвертер динамічної (абсолютної) в'язкості Конвертер кінематичної в'язкості Конвертер поверхневого натягу Конвертер паропроникності Конвертер паропроникності та швидкості переносу пари Конвертер рівня звуку Конвертер чутливості мікрофонів Конвертер рівня звукового тиску Конвертер рівня звукового тиску (SPL) Конвертер рівня звукового тиску (SPL) сили світла Конвертер освітленості Конвертер дозволу в комп'ютерної графікиКонвертер частоти та довжини хвилі Оптична силау діоптріях та фокусна відстань Оптична сила у діоптріях та збільшення лінзи (×) Конвертер електричного зарядуКонвертер лінійної щільності заряду Конвертер поверхневої щільностізаряду Конвертер об'ємної щільностізаряду Конвертер електричного струмуКонвертер лінійної щільності струму Конвертер поверхневої щільності струму Конвертер напруженості електричного поляКонвертер електростатичного потенціалута напруги Конвертер електричного опоруКонвертер питомого електричного опору Конвертер електричної провідностіКонвертер питомої електричної провідності Електрична ємність Конвертер індуктивності Конвертер Американського калібру проводів Рівні в dBm (дБм або дБмВт), dBV (дБВ), ватах та ін одиницях Конвертер магніторушійної сили магнітного поляКонвертер магнітного потокуКонвертер магнітної індукції Радіація. Конвертер потужності поглиненої дози іонізуючого випромінюванняРадіоактивність. Конвертер радіоактивного розпадуРадіація. Конвертер експозиційної дози. Конвертер поглиненої дози Конвертер десяткових приставок Передача даних Конвертер одиниць типографіки та обробки зображень Конвертер одиниць вимірювання об'єму лісоматеріалів Обчислення молярної маси Періодична система хімічних елементівД. І. Менделєєва

Вихідна величина

Перетворена величина

кельвін градус Цельсія градус Фаренгейта градус Ранкіна градус Реомюра

Детальніше про температуру

Загальні відомості

Ви вагаєтесь у перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові допомогти вам. Опублікуйте питання у TCTermsі протягом кількох хвилин ви отримаєте відповідь.

Термодинамічний визначення

Історія термодинамічного підходу

Слово "температура" виникло в ті часи, коли люди вважали, що в більш нагрітих тілах міститься більша кількість особливої ​​речовини - теплороду, ніж менш нагрітих. Тому температура сприймалася як міцність суміші речовини тіла та теплороду. З цієї причини одиниці виміру міцності спиртних напоїв та температури називаються однаково – градусами.

Визначення температури у статистичній фізиці

Засоби вимірювання температури часто проградуйовані за відносним шкалам- Цельсія чи Фаренгейта.

На практиці для вимірювання температури також використовують

Найточнішим практичним термометром є платиновий термометр опору. Розроблено нові методивимірювання температури, засновані на вимірюванні параметрів лазерного випромінювання.

Одиниці та шкала вимірювання температури

З того, що температура - це кінетична енергія молекул, ясно, що найбільше природно вимірювати її в енергетичних одиницях (тобто в системі СІ в джоулях). Однак вимірювання температури почалося задовго до створення молекулярно-кінетичної теорії, тому практичні шкали вимірюють температуру в умовних одиницях – градусах.

Абсолютна температура. Шкала температур Кельвіна

Поняття абсолютної температури було запроваджено У. Томсоном (Кельвіном), у зв'язку з чим шкалу абсолютної температури називають шкалою Кельвіна чи термодинамічної температурної шкалою. Одиниця абсолютної температури – кельвін (К).

Абсолютна шкала температури називається так, тому що міра основного стану нижньої межі температури - абсолютний нуль, тобто найнижча можлива температура, за якої в принципі неможливо витягти з речовини теплову енергію.

Абсолютний нуль визначений як 0 K, що дорівнює –273.15 °C.

Шкала температур Кельвіна - це шкала, в якій початок відліку ведеться від абсолютного нуля.

Важливе значеннямає розробку на основі термодинамічної шкали Кельвіна Міжнародних практичних шкал, заснованих на реперних точках - фазових переходах чистих речовин, визначених методами первинної термометрії Першою міжнародною температурною шкалою була прийнята 1927 р. МТШ-27. З 1927 р. шкала кілька разів перевизначалася (МТШ-48, МПТШ-68, МТШ-90): змінювалися реперні температури, методи інтерполяції, але принцип залишився той самий - основою шкали є набір фазових переходівчистих речовин з певними значеннямитермодинамічних температур та інтерполяційні прилади, градуйовані у цих точках. Нині діє шкала МТШ-90. Основний документ (Положення про шкалу) встановлює визначення Кельвіна, значення температур фазових переходів (реперних точок) та методи інтерполяції.

Використовувані у побуті температурні шкали - як Цельсія , і Фаренгейта (що використовується, переважно, США), - є абсолютними і тому незручні під час проведення експериментів за умов, коли температура опускається нижче точки замерзання води, через що температуру доводиться висловлювати негативним числом. Для таких випадків було введено абсолютні шкалитемператур.

Одна з них називається шкалою Ранкіна, а інша - абсолютною термодинамічною шкалою (шкалою Кельвіна); температури за ними вимірюються відповідно в градусах Ранкіна (° Ra) і кельвінах (К). Обидві шкали починаються за нормальної температури абсолютного нуля. Розрізняються вони тим, що ціна одного поділу за шкалою Кельвіна дорівнює ціні поділу шкали Цельсія, а ціна поділу шкали Ранкіна еквівалентна ціні поділу термометрів зі шкалою Фаренгейта. Температурі замерзання води за стандартного атмосферного тиску відповідають 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Масштаб шкали Кельвіна прив'язаний до потрійної точки води (273,16 К), причому від неї залежить постійна Больцмана. Це створює проблеми з точністю інтерпретації вимірів високих температур. Зараз МБМВ розглядає можливість переходу до нового визначення кельвіна та фіксування постійної Больцмана замість прив'язки до температури потрійної точки. .

Шкала Цельсія

У техніці, медицині, метеорології та побуті використовується шкала Цельсія , у якій температура потрійної точки води дорівнює 0,008 °C, і, отже, точка замерзання води при тиску 1 атм дорівнює 0 °C. В даний час шкалу Цельсія визначають через шкалу Кельвіна: ціна одного розподілу в шкалі Цельсія дорівнює ціні розподілу шкали Кельвіна, t ( ° С) = Т (К) - 273,15. Таким чином, точка кипіння води, спочатку обрана Цельсієм, як реперна точка, що дорівнює 100 °C, втратила своє значення, і по сучасним оцінкамтемпература кипіння води при нормальному атмосферному тиску становить близько 99,975 ° C.Шкала Цельсія практично дуже зручна, оскільки вода дуже поширена на нашій планеті і на ній засноване наше життя. Нуль Цельсія – особлива точка для метеорології, оскільки пов'язана із замерзанням атмосферної води. Шкала запропонована Андерсом Цельсієм у 1742 р.

Шкала Фаренгейта

В Англії і, особливо, США використовується шкала Фаренгейта. Нуль градусів Цельсія – це 32 градуси Фаренгейта, а 100 градусів Цельсія – 212 градуси Фаренгейта.

В даний час прийнято наступне визначення шкали Фаренгейта: це температурна шкала, 1 градус якої (1 °F) дорівнює 1/180 різниці температур кипіння води та танення льоду при атмосферному тиску, а точка танення льоду має температуру +32 °F. Температура за шкалою Фаренгейта пов'язана з температурою за шкалою Цельсія (t °С) співвідношенням t °С = 5/9 (t °F - 32), t °F = 9/5 t °С + 32. Запропонована Г. Фаренгейтом у 1724 р. року.

Шкала Реомюра

Переходи з різних шкал

Порівняння температурних шкал

¹ Нормальна середня температура людського тіла - 36,6 °C ±0,7 °C, або 98,2 °F ±1,3 °F. Значення, що наводиться зазвичай 98,6 °F - це точне перетворення в шкалу Фаренгейта прийнятого в Німеччині в XIX столітті значення 37 °C. Однак це значення не входить у діапазон нормальної середньої температуритіла людини, оскільки температура різних частинтіла різна.

Деякі значення в цій таблиці округлені.

Характеристика фазових переходів

Для опису точок фазових переходів різних речовинвикористовують наступні значеннятемператури:

• Температура відпалу
• Температура спікання
• Температура синтезу
• Температура повітряних мас
• Температура ґрунту
• Гомологічна температура
• Температура Дебая (Характеристична температура)

Див. також

Примітки

Література