Термодинамическая шкала. Термодинамическая шкала температур. Абсолютный нуль. Температура с термодинамической точки зрения

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.

Важное значение имеет разработка на основе термодинамической шкалы Кельвина Международных практических шкал, основанных на реперных точках - фазовых переходах чистых веществ, определенных методами первичной термометрии. Первой международной температурной шкалой являлась принятая в 1927 г. МТШ-27. С 1927 г. шкала несколько раз переопределялась (МТШ-48, МПТШ-68, МТШ-90): менялись реперные температуры, методы интерполяции, но принцип остался тот же - основой шкалы является набор фазовых переходов чистых веществ с определенными значениями термодинамических температур и интерполяционные приборы, градуированные в этих точках. В настоящее время действует шкала МТШ-90. Основной документ (Положение о шкале) устанавливает определение Кельвина, значения температур фазовых переходов (реперных точек) и методы интерполяции.

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.

Масштаб шкалы Кельвина привязан к тройной точке воды (273,16 К), при этом от неё зависит постоянная Больцмана. Это создаёт проблемы с точностью интерпретации измерений высоких температур. Сейчас Международное бюро мер и весов рассматривает возможность перехода к новому определению кельвина и фиксированию постоянной Больцмана, вместо привязки к температуре тройной точки. .

Абсолютный нуль. Термодинамическая шкала

температур. Абсолютная температура.

Основное уравнение кинетической теории газов

Мы знаем, что давление газа пропорционально концентрации молекул р~n. Зависит от кинетической энергии:

ν- это средняя скорость молекул. Объединим полученные соотношенияр~n*(mν 2 /2). Переходя к равенству, необходимо ввести коэффициент пропорциональности с

Р=сn(mν 2 /2)

Применив строгий вывод, можно доказать, что с= 2/3

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории: р=(2/3)n(mν 2 /2)

Р=(2/3)nЕ пос

Е пос - кинетическая энергия поступательного движения. Температура, при которой должно прекратиться поступательное движение молекул, называется абсолютным нулём.

Абсолютный нуль -t=-273,15 0 С. В международной системе единиц принято термодинамическая шкала температур. За начало отсчёта – абсолютный нуль. Это самое возможное из низких температур, поэтому на термодинамической шкале нет отрицательных температур. Эту шкалу называют шкалой Кельвина. В повседневной жизни мы используем шкалу Цельсия. За нулевую точку принята температура таяния льда. За вторую опорную точку термодинамической шкалы принята температура, при которой вода находится одновременно в трёх состояниях (твёрдом, жидком, газообразном). Это состояние получило название тройной точкой: по Цельсию это 0,01 0 С, а по термодинамической шкале 273,16 единиц (1единица называется кельвином). Такой выбор сделан, чтобы

Температуру, отсчитываемую по термодинамической шкале называют абсолютной температурой.

Т=(273,15+t)К t=(Т-273,15) 0 С
Уравнение кинетической энергии газов.

Связь температуры тела со скоростью движения его

частиц. р~n р~Т

Объединим обе эти экспериментально обнаруженные закономерности

р=knТ - Это соотношение является математическим выражением

результатов исследований. С другой стороны мы знаем: р=(2/3)×n×(m 0 ν 2)/2

knТ=(2/3)×n×(m 0 ν 2 /2),

Т=(1/k)×(2/3)×(m 0 ν 2 /2),

Т=(2/3)×(Е/k).

Температурой называют скалярную физическую величину, характеризующую интенсивность теплового движения молекул изолированной системы в условиях термодинамического равновесия, пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул.

Т=(1/k)(2/3)(m 0 ν 2 /2)

k в формуле называется постоянной Больцмана (в честь австрийского ученого М.Больцмана)

k=(2/3)(m 0 ×v 2)/T

Числитель – энергетическая температура в Джоулях;

Знаменатель – соответствующая температура в Кельвинах.

Следовательно: постоянная Больцмана равна отношению температуры в единицах энергии к той же температуре, выраженной в Кельвинах. k=1,380662×10 -23 Дж×К -1 .

ЧО 2 Уравнение Менделеева - Клапейрона

Частные случаи

В физике, как и в других науках, происходит со временем удивительный процесс. Многое из того, что сейчас можно уловить кратко и ясно, несколько десятилетий (веков) назад появились как новые истины, с большим трудом воспринимавшихся современниками. Со временем опыт человека заставляет принять новые идеи и привыкнуть к ним, а, привыкнув, человек начинает использовать их в практической деятельности как понятия и порой даже тривиальные. Примерно так же дело обстояло и с изучением газа. Древние учения считали газ неуловимой формой тела, представляющей собой нечто среднее между веществом и духом. Но такой взгляд существовал до тех пор, пока не потребовалось описание явления. Количественные характеристики и постановка эксперимента в XVII веке Торричелли и Паскаля показали, что воздух имеет вес. С этих пор физики начали изучать свойства газов. Новые взгляды потрясли физиков не меньше, чем открытия XX века.

Термодинамические параметры газа : Макроскопические параметры газа (давление, объем, температура и т.д.) называются термодинамическими параметрами газа. Если взять определенную массу m, то при постоянных P, V и T газ будет находиться в равновесном состоянии. Когда происходит изменение этих параметров, то в газе происходит тот или иной процесс, который называется термодинамическим. Соотношение между значениями тех или иных параметров в начале и конце процесса называется газовым законом. Газовый закон выражающий связь между всеми тремя параметрами газа, называется объединенным газовым законом.

См. в ст. Температурная шкала.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА" в других словарях:

- (Кельвина шкала) абсолютная шкала температур, не зависящая от свойств термометрического вещества (начало отсчета абсолютный нуль температуры). Построение термодинамической температурной шкалы основано на втором начале термодинамики и, в частности … Большой Энциклопедический словарь

- (см. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия

- (Кельвина шкала), абсолютная шкала температур, не зависящая от свойств термометрического вещества (начало отсчёта абсолютный нуль температуры). Построение термодинамической температурной шкалы основано на втором начале термодинамики и, в… … Энциклопедический словарь

термодинамическая температурная шкала - termodinaminė temperatūros skalė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Temperatūros skalė, pagrįsta absoliučiuoju nuliu, t. y. žemiausia temperatūra, kurią teoriškai galima būtų pasiekti ir kuri yra 273,16 °C žemiau ledo… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

термодинамическая температурная шкала - termodinaminė temperatūros skalė statusas T sritis Energetika apibrėžtis Nepriklauso nuo termometrinės medžiagos ir turi vieną atskaitos tašką – vandens trigubąjį tašką, kuriam suteikta T = 273,16 K vertė. Termodinaminė temperatūros skalė… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

- (Кельвина шкала), абс. шкала темп р, не зависящая от свойств термометрич. в ва (начало отсчёта абс. нуль темп ры). Построение Т. т. ш. основано на втором начале термодинамики и, в частности, на независимости кпд Карно цикла от природы рабочего… … Естествознание. Энциклопедический словарь

См. Температурные шкалы … Большая советская энциклопедия

температурная шкала Кельвина - Термодинамическая шкала температуры (ТК), в которой 0°K=–273.16°C (1K=1°C). Syn.: абсолютная температурная шкала; шкала Келвина … Словарь по географии

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ШКАЛА - ряд числовых точек на шкале термометра, распределённых внутри температурного интервала, ограниченного двумя точками постоянной температуры, принимаемыми за основные главные опорные точки (обычно для одинаковых физ. состояний, напр. температуры… … Большая политехническая энциклопедия

Хаотическое тепловое движение на плоскости частиц газа таких как атомы и молекулы Существует два определения температуры. Одно с молекулярно кинетической точки зрения, другое с термодинамической. Температура (от лат. temperatura надлежащее… … Википедия

Молекулярно-кинетическое определение

Измерение температуры

Для измерения температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры.

На практике для измерения температуры используют

Единицы и шкала измерения температуры

Из того, что температура - это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах - градусах.

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 приблизительно равно −273.15 °C.

Шкала температур Кельвина - температурная 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 кельвин равен градусу Цельсия, а градус Ранкина - градусу Фаренгейта.

Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K. Число градусов Цельсия и кельвинов между точками замерзания и кипения воды одинаково и равно 100. Поэтому градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,15.

Шкала Цельсия

Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия - это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

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), 1 °F = 9/5 °С + 32. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

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 остается 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 1x10 6 м/с.

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

Температуры абсолютного нуля достичь невозможно. Наиболее низкая температура (450±80)x10 -12 К конденсата Бозе-Эйнштейна атомов натрия была получена в 2003 г. исследователями из МТИ . При этом пик теплового излучения находится в области длин волн порядка 6400 км, то есть примерно радиуса Земли.

Температура с термодинамической точки зрения

Существует множество различных шкал температур. Когда-то температура определялась очень произвольно. Мерой температуры служили метки, нанесённые на равных расстояниях на стенах трубочки, в которой при нагревании расширялась вода. Потом решили измерить температуру и обнаружили, что градусные расстояния не одинаковы. В термодинамике дается определение температуры, не зависящее от каких-либо частных свойств вещества.

Введем функцию f (T ) , которая не зависит от свойств вещества. Из термодинамики следует, что если какая-то тепловая машина, поглощая количество теплоты Q 1 при T 1 выделяет тепло Q s при температуре в один градус , а другая машина, поглотив тепло Q 2 при T 2 , выделяет то же самое тепло Q s при температуре в один градус, то машина, поглощающая Q 1 при T 1 должна при температуре T 2 выделять тепло Q 2 .

Конечно, между теплом Q и температурой T существует зависимость и тепло Q 1 должно быть пропорционально Q s . Таким образом, каждому количеству тепла Q s , выделенного при температуре в один градус, соответствует количество тепла, поглощённого машиной при температуре T , равное Q s , умноженному на некоторую возрастающую функцию f температуры:

Q = Q s f (T )

Поскольку найденная функция возрастает с температурой, то можно считать, что она сама по себе измеряет температуру, начиная со стандартной температуры в один градус. Это означает, что можно найти температуру тела, определив количество тепла, которое поглощается тепловой машиной, работающей в интервале между температурой тела и температурой в один градус. Полученная таким образом температура называется абсолютной термодинамической температурой и не зависит от свойств вещества. Таким образом, для обратимой тепловой машины выполняется равенство:

Для системы, в которой энтропия S может быть функцией S (E ) её энергии E , термодинамическая температура определяется как:

Температура и излучение

При повышении температуры растёт энергия, излучаемая нагретым телом. Энергия излучения абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана - Больцмана

Шкала Реомюра

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

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

1 °R = 1,25° C.

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

Переходы из разных шкал

Сравнение температурных шкал

Сравнение температурных шкал

Описание	Кельвин	Цельсий	Фаренгейт	Ранкин	Делиль	Ньютон	Реомюр	Рёмер
Абсолютный ноль	0	−273.15	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
Температура таяния смеси Фаренгейта (соль и лёд в равных количествах)	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
Температура замерзания воды (Нормальные условия)	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Средняя температура человеческого тела ¹	310.0	36.6	98.2	557.9	94.5	12.21	29.6	26.925
Температура кипения воды (Нормальные условия)	373.15	100	212	671.67	0	33	80	60
Плавление титана	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Поверхность Солнца	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

¹ Нормальная средняя температура человеческого тела - 36.6 ° C ±0.7 ° C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F - это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 ° C. Однако это значение не входит в диапазон нормальной средней температуры тела человека, поскольку температура разных частей тела разная

Температура Т была введена вначале эмпирическим путем с помощью газового термометра исходя из зависимости между давлением и температурой идеального газа. Но уравнение для идеального газа справедливо в ограниченном интервале значений давлений и температур.

Из выражения для КПД машины, работающей по циклу Карно, следует, что

Вообще говоря, это соотношение позволяет опытным путём ввести новую абсолютную шкалу температур, которая не зависит от свойств рабочего тела и такую, что КПД для цикла Карно будет зависеть только от новых температур, и будет выполняться равенство

Ф (Т Х, Т Н ).

Рассмотрим цикл Карно 1-2-5-6-1 с температурами нагревателя Т 1 и холодильника Т 3 , состоящий из двух «подциклов» 1-2-3-4-1 и 4-3-5-6-4 с промежуточной температурой Т 2 . Цикл 1-2-5-6-1 можно интерпретировать как термодинамический цикл объединённой тепловой машины, состоящей из двух тепловых машин, работающих по круговым процессам 1-2-3-4-1 и 4-3-5-6-4.

Для всех трех циклов можно записать

, Q¢ 3 /Q¢ 2 = Ф (Т 3 ,Т 2 ), .

Следует заметить, что в круговом процессе 1-2-3-4-1 теплота Q¢ 2 , отводимая холодильником первой тепловой машины, равна теплоте, подводимой к рабочему телу второй машины, которой соответствует круговой процесс 4-3-5-6-4, т.е. холодильник первой машины выступает в качестве нагревателя второй. А суммарная работа двух тепловых машин равна работе объединённой тепловой машины, которой соответствует круговой процесс 1-2-5-6-1.

Так как Q¢ 3 /Q 1 = (Q¢ 3 /Q¢ 2) × (Q¢ 2 /Q 1) , то при этом должно выполняться равенство

Но левая часть не зависит от Т 2 . Это возможно в случае, когда , и .

Величина представляет собой термодинамическую температуру и при сопоставлении её с идеально-газовой шкалой может быть записана в виде = Т, где Т – температура, заданная шкалой Кельвина. Следовательно, шкала температур, построенная с использованием идеально-газового термометра, и термодинамическая шкала температур совпадают.

Таким образом, цикл Карно позволяет построить термодинамическую шкалу температур и предложить термодинамический термометр . Принцип действия такого термометра заключается в организации цикла Карно между телом с неизвестной температурой Т X и телом с известной температурой Т (например, с тающим льдом или кипящей водой) и измерении соответствующего количества теплоты Q X и Q. Применение формулы