Температура физика определение

В молекулярно-кинетической теории температура определяется как величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Температу́ра (от лат.  — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура всех частей системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в равновесии, то между её частями, имеющими различную температуру, происходит теплопередача (переход энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым), приводящая к выравниванию температур в системе.

Температура относится к интенсивным величинам, не зависящим от массы системы.

Более строгие определения температуры, даваемые ей в различных разделах физики, смотри ниже.

Среднемесячные температуры поверхности с 1961 по 1990 годы

Среднегодовая температура по всему миру

Тепловое движение α-пептида. Сложное колебательное 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.

Существуют также шкала Фаренгейта и некоторые другие.

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 — 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.

Для измерения температуры какого-либо тела обычно измеряют какой-либо физический параметр, связанный с температурой, например, геометрические размеры (см. Дилатометр) для газов — объём или давление, скорость звука, электрическую проводимость, электромагнитные спектры поглощения или излучения (например, пирометры и измерение температуры фотосфер и атмосфер звёзд — в последнем случае по доплеровскому уширению спектральных линий поглощения или излучения).

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

На практике для измерения температуры также используют

История термодинамического подхода

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — 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 — 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.

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

Некоторые квантовомеханические системы (например, рабочее тело лазера, в котором присутствуют инверсно заселённые уровни) 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. Отрицательная абсолютная температура).

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

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

В
рамках применимости термодинамики абсолютный
нуль на практике недостижим. Его
существование и положение на температурной
шкале следует из экстраполяции наблюдаемых
физических явлений, при этом такая
экстраполяция показывает, что при
абсолютном нуле энергия теплового
движения молекул и атомов вещества
должна быть равна нулю, то
есть хаотическое движение
частиц прекращается, и они образуют
упорядоченную структуру, занимая чёткое
положение в узлах кристаллической
решётки (жидкий гелийсоставляет
исключение)

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ
ТЕМПЕРАТУРНАЯ шкала(Кельвина
шкала)
– абсолютная шкала температур,
не зависящая от свойств термометрического
вещества (началоотсчета
– абсолютный нуль температуры).
Построение термодинамической температурной
шкалы основано на втором начале
термодинамики и, в частности, на
независимости кпд Карно цикла от природы
рабочего тела.Единица термодинамической
температуры – кельвин (К)
– определяется как 1/273,16 часть термодинамической
температуры тройной точки воды.

По значению
удельного электрического
сопротивления полупроводникизанимают
промежуточное место между хорошими
проводниками и диэлектриками. К числу
полупроводников относятся многие
химические элементы (германий, кремний,
селен, теллур, мышьяк и др.), огромное
количество сплавов и химических
соединений. Почти все неорганические
вещества окружающего нас мира –
полупроводники. Самым распространенным
в природе полупроводником является
кремний, составляющий около 30 % земной
коры. Качественное отличие полупроводников
от металлов проявляется прежде всего
в зависимости удельного сопротивления
от температуры. С понижением температуры
сопротивление металлов падает
(см. рис. 4.12.4). У полупроводников,
напротив, с понижением температуры
сопротивление возрастает и вблизи
абсолютного нуля они практически
становятся изоляторами (рис. 4.13.1).

Уравнение
состояния идеального
газа (иногда уравнениеКлапейрона или уравнение Менделеева — Клапейрона) —
формула, устанавливающая зависимость
между давлением,молярным
объёмом и абсолютной
температурой идеального
газа.
Уравнение имеет вид:

Полупроводники
— это вещества,
удельное сопротивление которых убывает
с повышением температуры, наличием
примесей, изменением освещенности. По
этим свойствам они разительно отличаются
от металлов. Обычно к полупроводникам
относятся кристаллы, в которых
для освобождения электрона требуется
энергия не более 1,5—2 эВ. Типичными
полупроводниками являются кристаллы
германия и кремния, в которых
атомы объединены ковалентной связью.

При
температуре, близкой к абсолютному
нулю, полупроводник ведет себя как
абсолютный непроводник, потому что в
нем нет свободных электронов. Если
повышения температуры нет, связь
валентных электронов с атомными ядрами
ослабевает и некоторые из них вследствие
теплового движения могут покидать свои
атомы. Вырвавшийся из межатомной связи
электрон становится свободным (на
рис. 1, б – черная точка), а там, где он был
до этого, образуется пустое место. Это
пустое место в межатомной связи
полупроводника условно называют дыркой (на
рис. 1 ,б – разорвавшаяся линия электрона).
Чем выше температура полупроводника,
тем больше в нем появляется свободных
электронов и дырок. Таким образом,
образование в массе полупроводника
дырки связано с уходом из оболочки атома
валентного электрона, а возникновение
дырки соответствует появлению
положительного электрического заряда,
равного отрицательному заряду электрона.

Магнитное
поле может создаваться током
заряженных частиц и/или магнитными
моментами электронов в атомах (и
магнитными моментами других частиц,
хотя в заметно меньшей степени) (постоянные
магниты).

Магнитные
поля являются необходимым (в
контексте специальной
теории относительности)
следствием существования электрических
полей.

Вместе,
магнитное и электрическое поля
образуют электромагнитное
поле,
проявлениями которого являются, в
частности, свет и
все другие электромагнитные
волны.

ТЕМПЕРАТУРА
И ЕЁ ИЗМЕРЕНИЕ.

Температура
– это физическая величина, характеризующая
степень нагретости тела. Если два тела
разной температуры привести в
соприкосновение, то, как показывает
опыт, более нагретое тело будет
охлаждаться, а менее нагретое –
нагреваться, т.е. происходит теплообмен
– передача энергии от более нагретого
тела к менее нагретому без совершения
работы.

Энергия,
передаваемая при теплообмене, называется
количеством
теплоты.

Через
некоторое время после приведения тел
в соприкосновение они приобретают
одинаковую степень нагретости, т.е.
приходят в состояние теплового
равновесия.

Тепловое
равновесие
– это такое состояние системы тел,
находящихся в тепловом контакте, при
котором теплообмен не происходит и все
макропараметры тел остаются неизменными,
если внешние условия не меняются.

При
этом два параметра – объём и давление
– могут быть различными для разных тел
системы, а третий, температура, в случае
теплового равновесия одинаков для всех
тел системы. На этом основано определение
температуры.

Физический
параметр, одинаковый для всех тел
системы, находящихся в состоянии
теплового равновесия, называется
температурой
этой системы.

Например,
система состоит из двух сосудов с газом.
Приведём их в соприкосновение. Объём и
давление газа в них могут быть различными,
а температура в результате теплообмена
станет одинаковой.

Для
измерения температуры используют
физические приборы – термометры, в
которых о величине температуры судят
по изменению какого-либо параметра.

Для
создания термометра необходимо:

При
измерении температуры термометр приводят
в тепловой контакт с телом, температура
которого измеряется, и после того, как
установится тепловое равновесие
(показания термометра перестанут
меняться), считывается показание
термометра.

Параметры,
описывающие состояние системы,
взаимозависимы. Установить зависимость
друг от друга сразу трёх параметров
сложно, поэтому немного упростим задачу.
Рассмотрим процессы, при которых

а)
количество вещества (или масса) постоянно,
т.е. ν=const
(m=const);

б)
значение одного из параметров фиксировано,
т.е. постоянно либо давление, либо объём,
либо температура.

Такие
процессы называются изопроцессами.

1).Изотермический
процесс, т.е.
процесс, происходящий с одним и тем же
количеством вещества при постоянной
температуре.

Исследован
Бойлем (1662 г.) и Мариоттом (1676 г.).

Упрощённая
схема опытов такова. Рассмотрим сосуд
с газом, закрытый подвижным поршнем, на
который устанавливаются грузики,
уравновешивающие давление газа.

Опыт
показал, что произведение давления на
объём газа при постоянной температуре
есть величина постоянная. Это значит

Объём
V
данного количества газа ν при постоянной
температуре t0
обратно пропорционален его давлению,
т.е.
.

График
зависимости давления от объёма при
постоянной температуре называется
изотермой. Чем больше температура, тем
выше на графике располагается изотерма.

2).Изобарный
процесс, т.е.
процесс, происходящий с одним и тем же
количеством вещества при постоянном
давлении.

Исследован
Гей-Люссаком (1802 г.).

Упрощённая
схема такова. Сосуд с газом закрыт
подвижным поршнем, на котором установлен
грузик, уравновешивающий давление газа.
Сосуд с газом нагревается.

Опыт
показал, что при нагревании газа при
постоянном давлении его объём изменяется
по следующему закону:

где
V0
– объём газа при температуре t0
= 00C;
V
– объём газа при температуре t0,
αv
– температурный коэффициент объёмного
расширения,

Объём
данного количества газа при постоянном
давлении линейно зависит от температуры.

График
зависимости объёма газа от температуры
при постоянном давлении называется
изобарой.

Если
экстраполировать (продолжить) изобары
в область низких температур, то все они
сойдутся в точке, соответствующей
температуре t0=
– 2730С.

3).Изохорный
процесс,
т.е. процесс, происходящий с одним и тем
же количеством вещества при постоянном
объёме.

Исследован
Шарлем (1802 г.).

Упрощённая
схема такова. Сосуд с газом закрыт
подвижным поршнем, на который
устанавливаются грузики, уравновешивающие
давление газа. Сосуд нагревается.

Опыт
показал, что при нагревании газа при
постоянном объёме его давление изменяется
по следующему закону:

где
P0
– объём газа при температуре t0
= 00C;
P
– объём газа при температуре t0,
αp
– температурный коэффициент давления,

Давление
данного количества газа при постоянном
объёме линейно зависит от температуры.

График
зависимости давления газа от температуры
при постоянном объёме называется
изохорой.

Если
экстраполировать (продолжить) изохоры
в область низких температур, то все они
сойдутся в точке, соответствующей
температуре t0=
– 2730С.

Английский
учёный Кельвин предложил переместить
начало температурной шкалы влево на
2730
и назвать эту точку абсолютным нулём
температуры. Масштаб новой шкалы такой
же, как и у шкалы Цельсия. Новая шкала
называется шкалой Кельвина или абсолютной
термодинамической шкалой. Единица
измерения – кельвин.

Нулю
градусов Цельсия соответствует 273 К.
Температура по шкале Кельвина обозначается
буквой Т.

T
= t0C
+ 273

t0C
= T
– 273

Новая
шкала оказалась более удобной для записи
газовых законов.

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.

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 106 м/с.

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

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 — Больцмана

Понятие температуры

Температура
– физическая величина, характеризующая
состояние термодинамического равновесия
макроскопической системы. Температура
одинакова для всех частей изолированной
системы, находящейся в термодинамическом
равновесии. Если изолированная
термодинамическая система не находится
в равновесии, то с течением времени
переход энергии (теплопередача) от более
нагретых частей системы к менее нагретым
приводит к выравниванию температуры
во всей системе (нулевое начало
термодинамики). В равновесных условиях
температура пропорциональна средней
кинетической энергии частиц тела.

Температура
не может быть измерена непосредственно.
Об изменении температуры судят по
изменению других физических свойств
тел (объёма, давления, электрического
сопротивления, эдс, интенсивности
излучения и др.), однозначно с ней
связанных (так называемых термодинамических
свойств). Любой метод измерения температуры
связан с определением температурной
шкалы.

Методы
измерения температуры различны для
различных диапазонов измеряемых
температур, они зависят от условий
измерений и требуемой точности. Их можно
разделить на две основные группы:
контактные и безконтактные. Для контактных
методов характерно то, что прибор,
измеряющий температуру среды, должен
находиться в тепловом равновесии с ней,
т.е. иметь с ней одинаковую температуру.
Основными узлами всех приборов для
измерения температуры являются
чувствительный элемент, где реализуется
термометрическое свойство, и измерительный
прибор, связанный с элементом.

Согласно
молекулярно–кинетической теории
идеального газа температура есть
величина, характеризующая среднюю
кинетическую энергию поступательного
движения молекул идеального газа.
Учитывая термодинамический смысл
температуры, можно свести измерение
температуры любого тела к измерению
средней кинетической энергии молекул
идеального газа.

Однако
на практике измеряют не энергию молекул
по их скорости, а давление газа, которое
находится в прямопропорциональной
зависимости от энергии.

По
молекулярно–кинетической теории
идеального газа температура Т
является мерой средней кинетической
энергии поступательного движения
молекул:

Дж/К
– постоянная Больцмана;

Т
– абсолютная температура в кельвинах.

Основное
уравнение молекулярно–кинетической
теории идеального газа, устанавливающее
зависимость давления

– число молекул в единице объёма, т.е.
концентрация.

Используя
уравнение (1) и (2), получаем зависимость

между
давлением и температурой, которая
позволяет установить, что давление
идеального газа пропорционально его
абсолютной температуре и концентрации
молекул, где

Измерение
температуры основано на следующих двух
опытных фактах:

а)
если имеются два тела, каждое из которых
находится в тепловом равновесии с одним
и тем же третьем телом, то все три тела
имеют одну и ту же температуру;

б)
изменение температуры всегда сопровождается
непрерывным изменением по меньшей мере
одного из параметров, не считая самой
температуры, характеризующего состояния
тела, например: объём, давление,
электропроводность и др. Первое из этих
положений позволяет сравнивать
температуры различных тел, не приводя
их в соприкосновение между собой.

Второе
положение позволяет выбрать один из
параметров в качестве термометрического.

В
общем случае температура определяется
как производная от энергии в целом по
его энтропии. Так определяемая температура
всегда положительная (поскольку
кинетическая энергия всегда положительная),
её называют температурой или температурой
по термодинамической шкале температур
и обозначают Т.
За единицу абсолютной температуры в
системе СИ (Международная система
единиц) принят кельвин (К).
См. «Введение». Часто температуру
измеряют по шкале Цельсия (

– термический коэффициент объёмного
расширения газа.

Эмпирическая, абсолютная и термодинамическая температуры

Температура не может быть измерена непосредственно. Об изменении температуры судят по изменению других физических свойств тел (объёма, давления, электрического сопротивления, ЭДС, интенсивности излучения и др.), однозначно с ней связанных (так называемых термометрических свойств). Количественно же температура определяется указанием способа ее измерения с помощью того или иного термометра. Такое определение ещё не фиксирует ни начало отсчета, ни единицу измерения температуры, поэтому любой метод измерения температуры связан с выбором температурной шкалы. Эмпирическая температура — это температура, измеренная в выбранной температурной шкале.

На практике, если речь идёт о численном значении абсолютной термодинамической температуры, для краткости говорят просто об абсолютной температуре объекта.

Характеристика фазовых переходов

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

Единицы и шкала измерения температуры

Из того, что температура — 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 — градусах.

Абсолютная температура. 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 — кельвин (К).

Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры — 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 −273.15 °C.

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

Используемые в быту температурные шкалы — как Цельсия, так и Фаренгейта (используемая, в основном, в США), — 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 — 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.

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а 100 градусов Цельсия — 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 — 32), t °F = 9/5 t °С + 32. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724 году.

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

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

1 °Ré = 1,25 °C.

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

Определение температуры в статистической физике

В статистической физике температура определяется как производная от энергии системы по её энтропии:

где S — энтропия, E — 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.

Сравнение температурных шкал

² Некоторые значения в этой таблице являются округлёнными. Например, температура поверхности Солнца равняется 5800 градусам Кельвина очень приближённо. Однако для остальных температурных шкал уже дан точный результат перевода 5800 градусов Кельвина в данную шкалу.