Ogni persona si confronta quotidianamente con il concetto di temperatura. Il termine è entrato saldamente nella nostra vita quotidiana: scaldiamo i cibi nel microonde o cuciniamo nel forno, ci interessa il clima esterno o scopriamo se l'acqua del fiume è fredda - tutto questo è strettamente correlato a questo concetto. E cos'è la temperatura, cosa significa questo parametro fisico, in che modo viene misurato? Risponderemo a queste e ad altre domande nell'articolo.
Quantità fisica
Consideriamo cos'è la temperatura dal punto di vista di un sistema isolato in equilibrio termodinamico. Il termine deriva dalla lingua latina e significa "corretta mescolanza", "stato normale", "proporzionalità". Questo valore caratterizza lo stato di equilibrio termodinamico di qualsiasi sistema macroscopico. Nel caso in cui un sistema isolato sia fuori equilibrio, nel tempo si ha una transizione di energia da oggetti più riscaldati a oggetti meno riscaldati. Il risultato è un'equalizzazione (cambiamento) della temperatura in tutto il sistema. Questo è il primo postulato (principio zero) della termodinamica.
La temperatura determinadistribuzione delle particelle costituenti il sistema per livelli e velocità di energia, il grado di ionizzazione delle sostanze, le proprietà della radiazione elettromagnetica di equilibrio dei corpi, la densità volumetrica totale della radiazione. Poiché per un sistema che è in equilibrio termodinamico, i parametri elencati sono uguali, di solito sono chiamati la temperatura del sistema.
Plasma
Oltre ai corpi di equilibrio, esistono sistemi in cui lo stato è caratterizzato da più valori di temperatura che non sono uguali tra loro. Il plasma è un buon esempio. È costituito da elettroni (particelle cariche leggere) e ioni (particelle cariche pesanti). Quando si scontrano, l'energia viene rapidamente trasferita da elettrone a elettrone e da ione a ione. Ma tra elementi eterogenei c'è una lenta transizione. Il plasma può trovarsi in uno stato in cui gli elettroni e gli ioni individualmente sono vicini all'equilibrio. In questo caso si possono prendere temperature separate per ogni tipo di particelle. Tuttavia, questi parametri differiranno l'uno dall' altro.
Magneti
Nei corpi in cui le particelle hanno un momento magnetico, il trasferimento di energia avviene solitamente lentamente: dai gradi di libertà traslazionali a quelli magnetici, che sono associati alla possibilità di cambiare le direzioni del momento. Si scopre che ci sono stati in cui il corpo è caratterizzato da una temperatura che non coincide con il parametro cinetico. Corrisponde al moto di traslazione delle particelle elementari. La temperatura magnetica determina parte dell'energia interna. Può essere positivo onegativo. Durante il processo di allineamento, l'energia sarà trasferita da particelle con un valore più alto a particelle con un valore di temperatura inferiore se sono entrambe positive o negative. Altrimenti, questo processo procederà nella direzione opposta: la temperatura negativa sarà "superiore" a quella positiva.
Perché è necessario?
Il paradosso sta nel fatto che la persona media, per svolgere il processo di misurazione sia nella vita di tutti i giorni che nell'industria, non ha nemmeno bisogno di sapere quale sia la temperatura. Gli basterà capire che questo è il grado di riscaldamento di un oggetto o di un ambiente, tanto più che conosciamo questi termini fin dall'infanzia. In effetti, la maggior parte dei dispositivi pratici progettati per misurare questo parametro misurano effettivamente altre proprietà di sostanze che cambiano con il livello di riscaldamento o raffreddamento. Ad esempio, pressione, resistenza elettrica, volume, ecc. Inoltre, tali letture vengono convertite manualmente o automaticamente nel valore desiderato.
Si scopre che per determinare la temperatura non è necessario studiare fisica. La maggior parte della popolazione del nostro pianeta vive secondo questo principio. Se la TV è accesa, non è necessario comprendere i processi transitori dei dispositivi a semiconduttore, studiare da dove proviene l'elettricità nella presa o come arriva il segnale alla parabola satellitare. Le persone sono abituate al fatto che in ogni campo ci sono specialisti in grado di riparare o eseguire il debug del sistema. Il profano non vuole sforzare il cervello, perché dove è meglio guardare una telenovela o un calcio sulla "scatola" sorseggiandobirra fredda.
Voglio sapere
Ma ci sono persone, il più delle volte studenti, che, per curiosità o per necessità, sono costrette a studiare fisica e determinare quale sia la temperatura. Di conseguenza, nella loro ricerca cadono nelle terre selvagge della termodinamica e ne studiano lo zero, il primo e il secondo principio. Inoltre, una mente curiosa dovrà comprendere i cicli di Carnot e l'entropia. E alla fine del suo percorso, ammetterà sicuramente che la definizione della temperatura come parametro di un sistema termico reversibile, che non dipende dal tipo di sostanza in lavorazione, non aggiungerà chiarezza alla sensazione di questo concetto. E lo stesso, la parte visibile saranno alcuni gradi accettati dal sistema internazionale di unità (SI).
La temperatura come energia cinetica
Più "tangibile" è l'approccio chiamato teoria cinetica molecolare. Si forma l'idea che il calore sia considerato una delle forme di energia. Ad esempio, l'energia cinetica di molecole e atomi, un parametro mediato su un numero enorme di particelle che si muovono casualmente, risulta essere una misura di quella che viene comunemente chiamata la temperatura di un corpo. Pertanto, le particelle di un sistema riscaldato si muovono più velocemente di uno freddo.
Poiché il termine in esame è strettamente correlato all'energia cinetica media di un gruppo di particelle, sarebbe del tutto naturale utilizzare il joule come unità di temperatura. Tuttavia, ciò non accade, il che è spiegato dal fatto che l'energia del movimento termico è elementareparticelle è molto piccolo rispetto al joule. Pertanto, il suo utilizzo è scomodo. Il moto termico è misurato in unità derivate da joule per mezzo di uno speciale fattore di conversione.
Unità di temperatura
Oggi vengono utilizzate tre unità di base per visualizzare questo parametro. Nel nostro paese, la temperatura viene solitamente misurata in gradi Celsius. Questa unità di misura si basa sul punto di congelamento dell'acqua, un valore assoluto. Lei è il punto di partenza. Cioè, la temperatura dell'acqua alla quale inizia a formarsi il ghiaccio è zero. In questo caso, l'acqua funge da misura esemplare. Questa convenzione è stata adottata per comodità. Il secondo valore assoluto è la temperatura del vapore, cioè il momento in cui l'acqua passa dallo stato liquido allo stato gassoso.
La prossima unità è Kelvin. Il punto di riferimento di questo sistema è considerato il punto di zero assoluto. Quindi, un grado Kelvin è uguale a un grado Celsius. La differenza è solo l'inizio del conto alla rovescia. Otteniamo che zero in Kelvin sarà uguale a meno 273,16 gradi Celsius. Nel 1954, alla Conferenza generale sui pesi e le misure, si decise di sostituire il termine "grado Kelvin" per l'unità di temperatura con "kelvin".
La terza unità di misura comune è Fahrenheit. Fino al 1960 erano ampiamente utilizzati in tutti i paesi di lingua inglese. Tuttavia, oggi nella vita di tutti i giorni negli Stati Uniti usa questa unità. Il sistema è fondamentalmente diverso da quelli sopra descritti. Preso come punto di partenzapunto di congelamento di una miscela di sale, ammoniaca e acqua in un rapporto di 1:1:1. Quindi, sulla scala Fahrenheit, il punto di congelamento dell'acqua è più 32 gradi e il punto di ebollizione è più 212 gradi. In questo sistema, un grado è pari a 1/180 della differenza tra queste temperature. Quindi, l'intervallo da 0 a +100 gradi Fahrenheit corrisponde all'intervallo da -18 a +38 Celsius.
Temperatura zero assoluta
Capiamo cosa significa questo parametro. Lo zero assoluto è la temperatura limite alla quale la pressione di un gas ideale scompare a un volume fisso. Questo è il valore più basso in natura. Come predetto da Mikhailo Lomonosov, "questo è il massimo o l'ultimo grado di freddo". Ne consegue la legge chimica di Avogadro: volumi uguali di gas alla stessa temperatura e pressione contengono lo stesso numero di molecole. Cosa ne consegue? C'è una temperatura minima di un gas alla quale la sua pressione o il suo volume svaniscono. Questo valore assoluto corrisponde a zero Kelvin, o 273 gradi Celsius.
Alcuni fatti interessanti sul sistema solare
La temperatura sulla superficie del Sole raggiunge i 5700 Kelvin e al centro del nucleo - 15 milioni di Kelvin. I pianeti del sistema solare sono molto diversi tra loro in termini di livello di riscaldamento. Quindi, la temperatura del nucleo della nostra Terra è più o meno la stessa della superficie del Sole. Giove è considerato il pianeta più caldo. La temperatura al centro del suo nucleo è cinque volte superiore a quella sulla superficie del Sole. Ed ecco il valore più basso del parametroregistrato sulla superficie della luna - erano solo 30 kelvin. Questo valore è persino inferiore a quello sulla superficie di Plutone.
Fatti sulla Terra
1. La temperatura più alta registrata da una persona è stata di 4 miliardi di gradi Celsius. Questo valore è 250 volte superiore alla temperatura del nucleo del Sole. Il record è stato stabilito dal New York Brookhaven Natural Laboratory nel collisore di ioni, lungo circa 4 chilometri.
2. Anche la temperatura sul nostro pianeta non è sempre ideale e confortevole. Ad esempio, nella città di Verkhnoyansk in Yakutia, la temperatura in inverno scende a meno 45 gradi Celsius. Ma nella città etiope di Dallol la situazione è rib altata. Lì, la temperatura media annuale è di più 34 gradi.
3. Le condizioni più estreme in cui le persone lavorano sono registrate nelle miniere d'oro in Sud Africa. I minatori lavorano a una profondità di tre chilometri a una temperatura di oltre 65 gradi Celsius.
