Абсолютная термодинамическая шкала температур

Экстремальные условия космоса

Итак, по словам ученых, в открытом космосе температура равна -273,15 градусам Цельсия. Но это совершенно не значит, что все попадающие в космос объекты мгновенно обретают ту же температуру. Как и на поверхности нашей планеты, космические корабли, спутники и другие объекты могут нагреваться и охлаждаться, причем до экстремальных уровней. Но передача тепла в космосе возможна только одним способом.

Вообще, существует три способа передачи тепла:

  • проводимость, которую можно наблюдать при нагревании металлического стержня — если нагреть один конец, со временем горячей станет и противоположная часть;
  • конвекция, которую можно наблюдать, когда теплый воздух перемещается из одной комнаты в другую;
  • излучение, когда испускаемые космическими объектами элементарные частицы вроде фотонов (частиц света), электронов и протонов объединяются, образуя движущиеся частицы.

Как вы уже догадались, в космосе объекты нагреваются под воздействием активности элементарных частиц — ведь мы уже выяснили, что температура является результатом движений молекул? Фотоны и другие элементарные частицы могут излучаться Солнцем и другими космическими объектами.

Насколько сильно и быстро будут нагреваться или охлаждаться попавшие в космос объекты, напрямую зависит от их местоположения относительно звезд и планет, размеров, формы и так далее. Например, летящий в космосе космический корабль будет буквально раскален со стороны Солнца, а его теневая сторона будет очень холодной. Чем дальше корабль находится от небесного светила — тем сильнее будет разница в степени нагрева.

При строительстве космических кораблей важно учитывать экстремальные изменения температур

Международная космическая станция постоянно находится под воздействием солнечного света. Сторона, которая обращена к Солнцу, нагревается до 260 градусов Цельсия. Теневая сторона, в свою очередь, охлаждена до 100 градусов Цельсия. Экипажу космической станции иногда приходится выходить на поверхность конструкции и подвергаться резким сменам температур. Поэтому их костюмы оснащены системой нагрева и охлаждения, благодаря которой исследователи космоса чувствуют себя относительно комфортно.

Чем дальше от Солнца расположены космические объекты, тем они холоднее. Например, температура на Плутоне, которая расположена очень далеко, равняется -240 градусам Цельсия. А самое холодное место во Вселенной расположено в туманности Бумеранг — температурный режим в этом регионе равен -272 градусам Цельсия.

В общем если вы когда-нибудь фантастическим образом окажетесь в открытом космосе, вам понадобится костюм, внутри которого температура будет регулироваться автоматически. Но резкие изменения температуры — не единственная проблема, которая будет вас поджидать. В космическом пространстве человеческое тело терпит много изменений, о которых можно почитать в этом материале.

Температура. Тепловое равновесие. Абсолютная шкала температур. Молекулярная физика

Подробности
Просмотров: 726

Температура — это просто!

Температура

Температура — это мера средней кинетической энергии молекул.
Температура характеризует степень нагретости тел.
Прибор для измерения температуры — термометр.Принцип действия термометра:
При измерении температуры используется зависимость изменения какого-либо макроскопического параметра (объема, давления, электрического сопротивления и т.д.) вещества от температуры.
В жидкостных термометрах — это изменение объема жидкости.
При контакте двух сред происходит передача энергии от более нагретой среды менее нагретой.
В процессе измерения температура тела и термометра приходят в состояние теплового равновесия.

Жидкостные термометры

На практике часто используются жидкостные термометры: ртутные (в диапазоне от -35oС до +750oС) и спиртовые (от -80oС до +70oС).
В них используется свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры.
Однако, у каждой жидкости существуют свои особенности изменения объема (расширения) при различных температурах.
В результате сравнения, например, показаний ртутного и спиртового термометров, точное совпадение будет только лишь в двух точках (при температурах 0oС и 100oС).
Этих недостатков лишены газовые термометры.

Газовые термометры

Первый газовый термометр был создан французским физиком Ж. Шарлем.

Преимущества газового термометра:
— используется линейная зависимость изменения объема или давления газа от температуры, которая справедлива для всех газов
— точность измерения от 0,003oС до 0,02oС
— интервал температур от -271oС до +1027oС.

Тепловое равновесие

При соприкосновении двух тел различной температуры происходит передача внутренней энергии от более нагретого тела менее нагретому, и температуры обоих тел выравниваются.
Наступает состояние теплового равновесия, при котором все макропараметры (объем, давление, температура) обоих тел остаются в дальнейшем неизменными при неизменных внешних условиях. Тепловым равновесием называется такое состояние, при котором все макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго.
Состояние теплового равновесия системы тел характеризуется температурой: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
Установлено, что при тепловом равновесии средние кинетические энергии поступательного движения молекул всех газов одинаковы, т.е.

Для разреженных (идеальных) газов величина

и зависит только от температуры, тогда

где k — постоянная Больцмана

Эта зависимость дает возможность ввести новую температурную шкалу абсолютную шкалу температур, не зависящую от вещества, используемого для измерения температуры.

Абсолютная шкала температур

— введена английским физиком У. Кельвином
— нет отрицательных температур
Единица абсолютной температуры в СИ: = 1K (Кельвин)
Нулевая температура абсолютной шкалы — это абсолютный ноль ( 0К = -273oС ), самая низкая температура в природе. В настоящее время достигнута самая низкая температура — 0,0001К.
По величине 1К равен 1oC.

Связь абсолютной шкалы со шкалой Цельсия

Запомни! В формулах абсолютная температура обозначается буквой «Т», а температура по шкале Цельсия буквой «t».

После введения абсолютной температуры получаем новые выражения для формул:

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул

Давление газа — основное уравнение МКТ

Средняя квадратичная скорость молекул

И как следствие, закон Авогадро:
В равных объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.Заметьте, здесь концентрация молекул также одинакова!

Следующая страница «Идеальный газ. Основное уравнение МКТ»

Назад в раздел «10-11 класс»

Молекулярная физика. Термодинамика — Класс!ная физика

Основные положения МКТ. Масса и размер молекул. Количество вещества. —
Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. —
Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. —
Температура. Тепловое равновесие. Абсолютная шкала температур. —
Уравнение состояния идеального газа. —
Изопроцессы. Газовые законы. —
Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность воздуха. —
Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела.

Важное недоразумение

Поскольку температура является мерой микроскопической энергии атомов (или молекул), она удваивается, если микроскопическая энергия удваивается. Тем не менее, переход от 10°C сегодня к 20°C завтра не удваивает температуру (хотя 20 дважды десять). Ученый сказал бы, что это 283 K, и вот где возникает проблема: удвоение 283 K составляет 566 K, что преобразуется в экстремальный 293°C. К счастью, 293°c при жизни людей не произойдет на Земле, но эта идея пропорционального изменения температуры привела к некоторой путанице с изменением климата.

Путаница в связи с изменением климата

Подавляющее большинство ученых согласны с тем, что изменение климата является одной из основных проблем, стоящих перед миром.

Большинство климатологов прогнозируют увеличение средней глобальной температуры на 1% к 2100 году. Это число звучит незначительно, если думать в градусах Цельсия, но изменение 1% означает, что должна использоваться шкала Кельвина. К сожалению, для того, чтобы сделать этот расчет, числа должны быть преобразованы в Кельвин и после выполнения надлежащих преобразований и расчетов увеличение на 1% по шкале Кельвина фактически приведет к средней глобальной температуре 17,4°C к 2100 году. Сейчас средняя нагретость Земли 14, 8 °C. Это может показаться не очень высоким, но увеличение 2.6°C довольно тревожно. При этом произойдет  повышение  уровня моря со всеми вытекающими последствиями для Земли.

Основные единицы

В таблице представлены все основные единицы СИ вместе с их определениями, российскими и международными обозначениями, физическими величинами, к которым они относятся, а также с кратким обоснованием их происхождения.

Основные единицы СИ
Единица Обозначение Величина Определение Историческое происхождение, обоснование
Секунда сs Время Величина секунды устанавливается фиксацией численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 К равным в точности 9 192 631 770, когда она выражена единицей СИ с−1, что эквивалентно Гц. Солнечные сутки разбиваются на 24 часа, каждый час разбивается на 60 минут, каждая минута разбивается на 60 секунд.Секунда — это 1(24 × 60 × 60) часть солнечных суток.Современное определение принято на XIII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) в 1967 году.
Метр мm Длина Величина метра устанавливается фиксацией численного значения скорости света в вакууме равным в точности 299 792 458, когда она выражена единицей СИ м·с−1. 110 000 000 расстояния от экватора Земли до северного полюса на меридиане Парижа.Современное определение установлено XVII ГКМВ в 1983 г.
Килограмм кгkg Масса Величина килограмма устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка h равным в точности 6,626 070 15 × 10−34, когда она выражена в Дж⋅с. Масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря. В течение более чем двухсот лет эталоном килограмма служили материальные образцы — Архивный килограмм, затем Международный прототип килограмма.
Ампер АA Сила электрического тока Величина ампера устанавливается фиксацией численного значения элементарного заряда e равным 1,602 176 634 × 10−19, когда он выражен в кулонах. Предыдущее определение, восходящее к изначальному: ампер есть сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2⋅10−7ньютонов.
Кельвин КK Термодинамическая температура Величина кельвина устанавливается фиксацией численного значения постоянной Больцмана k равным в точности 1,380 649 × 10−23, когда она выражена в Дж/К. В 1967—2019 годах определялся как 1/273,16 части тройной точки воды. Шкала Кельвина использует тот же шаг, что и шкала Цельсия, но 0 кельвинов — это температура абсолютного нуля, а не температура плавления льда. Согласно современному определению ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15: T  = T  − 273,15.
Моль мольmol Количество вещества Один моль содержит ровно 6,022 140 76 × 1023 элементов. Это число — фиксированное значение постоянной Авогадро NA, выраженной в единицах моль−1, и называется числом Авогадро. Атомный вес или молекулярный вес, деленный на постоянную молярной массы, 1 г/моль. В 1971—2019 годах определялся как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 12 г.
Кандела кдcd Сила света Величина канделы устанавливается фиксацией численного значения световой эффективности монохроматического излучения частотой 540·1012 Гц равным в точности 683, когда она выражена единицей СИ м−2·кг−1·с3·кд·ср или кд·ср·Вт−1, что эквивалентно лм·Вт−1. Сила света (англ. Candlepower, устар. Британская единица силы света), испускаемая горящей свечой.Современное определение установлено XVI ГКМВ в 1979 г.

Наименования и обозначения основных единиц, так же как и всех других единиц СИ, пишутся маленькими буквами (например, метр и его обозначение м). У этого правила есть исключение: обозначения единиц, названных фамилиями учёных, пишутся с заглавной буквы (например, ампер обозначается символом А).

Газовые законы. Графики изопроцессов.

  1. Изотермический
    процесс (Т = const) подчиняется закону
    Бойля – Мариотта: для данной массы газа
    при постоянной температуре произведение
    давления на объём есть величина
    постоянная.

,
или
,
или

P

0
V

Изотерма
идеального газа в координатных осях
P,V представлена на графике.

  1. Изобарный
    процесс (р = const) подчиняется закону
    Гей-Люссака: для данной массы газа при
    постоянном давлении отношение объема
    газа к абсолютной температуре есть
    величина постоянная.

,
или
,
или

V

0
T

Изобара
идеального газа в координатных осях
V, T представлена на графике.

  1. Изохорный
    процесс (V = const) подчиняется закону
    Шарля: для данной массы газа при
    постоянном объеме отношение давления
    газа к абсолютной
    температуре есть
    величина постоянная.

,
или
или

P

0
T

Изохора
идеального газа в координатных осях
P, T изображена на графике.

Внутренняя
энергия идеального газа. Способы
изменения внутренней энергии.

Количество
теплоты. Работа в термодинамике

Внутренней
энергией называют сумму кинетической
энергии хаотического движения молекул
и потенциальной энергии их взаимодействия.

Так
как молекулы идеального газа не
взаимодействуют друг с другом, то
внутренняя энергия U идеального газа
равна сумме кинетических энергий
хаотически движущихся молекул:

,
где
.

Таким
образом,

,

где
.

Для
одноатомного газа
i
= 3, для двухатомного i = 5, для трех (и
более)атомного i = 6.

Изменение
внутренней энергии идеального газа

Внутренняя
энергия идеального газа является
функцией его состояния. Внутреннюю
энергию можно изменить двумя способами:

  • путем
    теплообмена;

  • путем
    совершения работы.

Процесс
изменения внутренней энергии системы
без совершения механической работы
называют теплообменом
или
теплопередачей.
Существуют
три вида теплопередачи: теплопроводность,
конвекция и излучение.

Количеством
теплоты называют
величину, являющуюся количественной
мерой изменения внутренней энергии
тела в процессе теплопередачи.

Количество
теплоты, необходимое для нагревания
(или отдаваемое телом при охлаждении)
определяется по формуле:

где
с – удельная теплоемкость вещества

Работа
в термодинамике

Элементарная
работа d
A = p dV
.
При p
= const

Термометры

Для измерения температуры можно воспользоваться зависимостью любой макроскопической величины (объема, давления, электрического сопротивления и др.) от температуры.

На практике чаще всего используют жидкостные термометры, в которых учитывают изменение объёма жидкости (обычно это спирт или ртуть) при изменении температуры окружающей среды (рис. 2).

Такие термометры обладают существенными недостатками: 1) диапазон температур ограничен: при низких температурах жидкости затвердевают, при высоких испаряются; 2) показания различных термометров, например ртутного и спиртового, совпадая при 0 °С и 100 °С, не совпадают при других температурах в силу того, что температурные коэффициенты объемного расширения спирта и ртути по-разному зависят от температуры.

В механических термометрах в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла, которые раскручиваются и скручиваются при изменении температуры (рис. 3).

Принцип работы электрических термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды (рис. 4). Электрические термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электроотрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).

Газовые термометры (рис. 5) учитывается то, что давление газа пропорционально температуре при постоянном объеме (V = const). Соединив сосуд, в котором находится газ (чаще водород или гелий), с манометром и, проградуировав прибор, можно измерять температуру по показаниям манометра.

Рис. 5

Газовый термометр непригоден для определения температуры в области высоких температур, при которых происходит термическая диссоциация и ионизация, и очень низких температур, при которых все реальные газы конденсируются. Да и размеры не позволяют использовать его в быту.

См. также

  1. Бытовые термометры
  2. Промышленные термометры
  3. Wikipedia Термометр

Интересные факт

  1. Самая высокая температура созданная человеком ~ 4 трлн. К (что сравнимо с температурой Вселенной в первые секунды её жизни) была достигнута в 2010 году при столкновении золотых частиц, ускоренных до околосветовых скоростей. Эксперимент был проведён на установке RHIC, расположенной в Брукхейвенской национальной лаборатории, США.
  2. Самая высокая теоретически возможная температура — планковская температура. Более высокая температура не может существовать, так как всё превращается в энергию (все субатомные частицы разрушатся). Эта температура примерно равна 1.41679(11)⋅1032 °C (примерно 142 нониллиона градусов).
  3. Самая низкая температура, созданная человеком была получена в 1995 году Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из США при охлаждении атомов рубидия. Она была выше абсолютного нуля менее чем на 1/170 млрд долю градуса (5,9⋅10−12).
  4. Поверхность Солнца имеет температуры около 6000 °С.

См. также

  1. Аксенович Л.А. и др. Физика в средней школе // 6.12. Температура и тепловое равновесие системы. 6.13. Измерение температуры. 6.14. Абсолютная температурная шкала. Абсолютный нуль
  2. Кикоин А.К. Температура. Теплота. Теплоемкость (Из истории физики) //Квант. — 1983. — № 11. — С. 26-28
  3. Wikipedia Температура

Примечания

  1. ГОСТ 8.417-2002. ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИН — nolik.ru/systems/gost.htm
  2. Понятие температуры — temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
  3. И. П. Базаров. Термодинамика, М., Высшая школа, 1976, с. 13-14.
  4. Платиновый — temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 термометр сопротивления — основной прибор МТШ-90.
  5. Лазерная термометрия — temperatures.ru/newmet/newmet.php?page=0
  6. Реперные точки МТШ-90 — temperatures.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
  7. Разработка нового определения кельвина — temperatures.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
  8. Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря Критическая точка. Свойства вещества в критическом состоянии. Тройная точка. Фазовые переходы II рода. Методы получения низких температур. — edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf  . Статистическая термодинамика. Лекция 11. Санкт-Петербургский академический университет.
  9. О различных измерениях температуры тела — hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (англ.)
  10. BBC News — Large Hadron Collider (LHC) generates a ‘mini-Big Bang’ — www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
  11. Всё про всё. Рекорды температуры — tem-6.narod.ru/weather_record.html
  12. Чудеса науки — www.seti.ee/ff/34gin.swf

Пример задачи

Воздух, которым мы дышим, является смесью газов идеальных. Известно, что молярная масса воздуха составляет 29 г/моль. Необходимо определить температуру воздуха, если средняя скорость его молекул составляет 530 м/с.

Очевидно, что решение этой задачи можно получить, если воспользоваться следующим выражением:

Массу одной молекулы m воздуха можно получить, если поделить величину M на число Авогадро NA. Произведение же числа NA на константу Больцмана kB — это не что иное, как газовая постоянная R, которая равна 8,314 Дж/(К*моль). Учитывая эти рассуждения, получаем рабочую формулу:

В градусах Цельсия найденной температуре соответствует значение 53,45 oC. На нашей планете такие температуры характерны для жарких песчаных пустынь в полдень.

Единицы и шкала измерения температуры

Шкала температур Кельвина

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.

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 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.

Изменение температуры

Явление термодинамического равновесия тел, составляющих систему, говорит о наличии одинаковой температуры этих тел. Произвести замер температуры можно лишь косвенно, взяв за основу зависимость от температуры таких физических свойств тел, которые можно измерить непосредственно.

Определение 2

Вещества или тела, применяемые для получения значения температуры, называют термометрическими.

Допустим, два теплоизолированных тела приведены в тепловой контакт. Одно тело передаст другому поток энергии: запустится процесс теплопередачи. При этом тело, отдающее тепло, обладает соответственно большей температурой, чем тело, «принимающее» поток тепла. Очевидно, что через некоторое время процесс теплопередачи остановится и наступит тепловое равновесие: предполагается, что температуры тел выравниваются относительно друга, их значения будут находиться где-то в интервале между исходными значениями температур. Таким образом, температура служит некоторой меткой теплового равновесия. Получается, что любая величина t, удовлетворяющая требованиям:

  1. t1>t2, когда происходит теплопередача от первого тела ко второму;
  2. t1’=t2’=t, t1>t>t2, при установлении теплового равновесия может приниматься за температуру.

Также отметим, что тепловое равновесие тел подчинено закону транзитивности.

Определение 3

Закон транзитивности: когда два тела находятся в равновесии с третьим, то и между собой они пребывают в тепловом равновесии.

Важной чертой указанного определения температуры является его неоднозначность. Выбрав по-разному величины, отвечающие установленным требованиям (что отразится на способах измерения температуры), возможно получить несовпадающие шкалы температур

Определение 4

Температурная шкала – это способ деления на части интервала температуры.

Разберем пример.

Пример 1

Общеизвестным устройством для измерения температуры является термометр. Для рассмотрения возьмем термометры различного устройства. Первый представлен ртутным столбиком в капилляре термометра, и значение температуры здесь определяется длиной этого столбика, отвечающей условиям 1 и 2, указанным выше.

И еще один способ измерить температуру: используя термопару – электрическую цепь с гальванометром и двумя спаями разнородных металлов (рисунок 1).

Рисунок 1

Один спай находится в среде с фиксированной температурой (в нашем примере это тающий лед), другой – в среде, температуру которой необходимо определить. Здесь признаком температуры является ЭДС термопары.

Указанные способы измерения температуры не дадут одинаковых результатов. И для перехода одной температуры к другой следует построить градуировочную кривую, которая установит зависимость ЭДС термопары от длины ртутного столбика. В этом случае равномерная шкала ртутного термометра преобразуется в неравномерную шкалу термопары (или наоборот). Равномерные шкалы измерения температур ртутного термометра и термопары создают две абсолютно различные температурные шкалы, на которых тело в одном и том же состоянии будет иметь различные температуры. Также возможно рассмотреть одинаковые по устройству термометры, но имеющие разные «термические тела» (к примеру, ртуть и спирт): мы не будем наблюдать совпадения температурных шкал и в этом случае. График зависимости длины ртутного столбика от длины спиртового столбика не будет линейным.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что понятие температуры, базирующееся на законах теплового равновесия, неоднозначно. Подобная температура является эмпирической, зависит от способа измерения. За «нуль» шкалы эмпирической температуры принимается произвольная точка. Согласно определению эмпирической температуры, физический смысл несет лишь разность температур или ее изменение. Любая эмпирическая температурная шкала приводится в вид термодинамической температурной шкалы при использовании поправок, которые учтут характер связи термометрического свойства с термодинамической температурой.

Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Температурные шкалы

Для того, чтобы построить температурную шкалу для измерения, двум числовым значениям температуры присваивают две фиксированные реперные точки. После этого разность числовых значений, присвоенных реперным точкам, делится на выбранное произвольным образом необходимое количество частей, получая в результате единицу измерения температуры.

За исходные значения, используемые в качестве начала отсчета и единицы измерения, принимают температуры перехода химически чистых веществ из одного агрегатного состояния в другое, к примеру, температуру плавления льда t и кипения воды tk при нормальном атмосферном давлении (Па≈105 Па). Величины t и tk имеют разные значения в различных видах шкал измерения температуры:

Согласно шкале Цельсия (стоградусная шкала): температура кипения воды tk=100 °C, температура плавления льда t0 =0 °С. В шкале Цельсия температура тройной точки воды равна 0,01 °С при давлении 0,06 атм.

Определение 5

Тройная точка воды — такие температура и давление, при которых могут существовать в равновесии одновременно все три агрегатных состояния воды: жидкое, твердое (лед) и пар.

Согласно шкале Фаренгейта: температура кипения воды tk=212 °F; температура плавления льда t0 =32 °С.

Разница температур, выраженных в градусах по шкале Цельсия и шкале Фаренгейта, нивелируется согласно следующему выражению:

t °C100=t °F-32180 или t °F=1,8 °C+32.

Ноль на этой шкале определен как температура замерзания смеси воды, нашатыря и соли, взятых в пропорции 111.

Согласно шкале Кельвина: температура кипения воды tk=373 К; температура плавления льда t0=273 К. Здесь температура отсчитывается от абсолютного нуля (t=273,15 °С) и ее называют термодинамической или абсолютной температурой. Т=0 К – такому значению температурысоответствует абсолютное отсутствие тепловых колебаний.

Значения температур по шкале Цельсия и по шкале Кельвина связаны между собой согласно следующему выражению:

T (K)=t °C+273,15 °C.

Согласно шкале Реомюра: температура кипения воды tk=80 °R; температура плавления льда t0=0 °R. В термометре Реомюра использовался спирт; на данный момент шкала почти не используется.

Температуры, выраженные в градусах Цельсия и градусах по Реомюру, связаны так:

1 °C=,8 °R.

Согласно шкале Ранкина: температура кипения воды tk=671, 67 °Ra; температура плавления льда t0 =491,67 °Ra. Начало шкалы соответствует абсолютному нулю. Количество градусов между реперными точками замерзания и кипения воды в шкале Ранкина идентично шкале Фаренгейта и равно 180.

Температуры по Кельвину и Ранкину связаны выражением:

°Ra=°F+459,67.

Градусы по Фаренгейту возможно перевести в градусы по Ранкину согласно формуле:

°Ra=°F+459,67.

Наиболее применима в быту и технических устройствах шкала Цельсия (единица шкалы – градус Цельсия, обозначаемый как °C).

В физике же используют термодинамическую температуру, которая не просто удобна, но и несет глубокую физическую смысловую нагрузку, поскольку определена как средняя кинетическая энергия молекулы. Единица термодинамической температуры — градус Кельвина (до 1968 г.) или сейчас просто Кельвин (К), являющийся одной из основных единиц в СИ. Температура T= К называется абсолютным нулем температуры, как уже упоминалось выше.

Вообще современная термометрия опирается на шкалу идеального газа: за термометрическую величину принимают давление. Шкала газового термометра абсолютна (T=, p=). При решении практических задач чаще всего приходится применять именно эту шкалу температур.

Пример 2

Принято, что комфортная для человека температура в помещении находится в интервале от +18 °С до +22 °С. Необходимо рассчитать границы интервала температуры комфорта согласно термодинамической шкале.

Решение

Возьмем за основу соотношение T (K)=t °C+273,15 °C.

Произведем расчет нижней и верхней границ температуры комфорта по термодинамической шкале:

T=18+273≈291 (K);T=22+273≈295 (K).

Ответ: границы интервала температуры комфорта по термодинамической шкале находятся в интервале от 291 К до 295 К.

Пример 3

Необходимо определить, при какой температуре показания термометров по шкале Цельсия и по шкале Фаренгейта будут одинаковы.

Решение

Рисунок 2

Возьмем за основу соотношение t°F=1,8t °C+32.

По условию задачи температур равны, тогда возможно составить следующее выражение:

x=1,8x+32.

Определим из полученной записи переменную x:

x=-32,8=-40 °C.

Ответ: при температуре -40 °С (или -40 °F) показания термометров по шкалам Цельсия и Фаренгейта будут одинаковы.

Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться

Все услуги

Решение задач

от 1 дня / от 150 р.

Курсовая работа

от 5 дней / от 1800 р.

Реферат

от 1 дня / от 700 р.

Основные формулы термодинамики и молекулярной физики, которые Вам пригодятся

Основные формулы термодинамики и молекулярной физики, которые Вам пригодятся.
Вот он, еще один отличный день для практических занятий по физике. Сегодня, дорогие друзья, мы соберем вместе формулы, которые чаще всего используются при решении задач в термодинамике и молекулярной физике.

Итак, поехали. Попытаемся изложить законы и формулы термодинамики кратко.

Идеальный газ

Идеальный газ – это идеализация, как и материальная точка. Молекулы такого газа являются материальными точками, а соударения молекул – абсолютно упругие. Взаимодействием же молекул на расстоянии пренебрегаем. В задачах по термодинамике реальные газы часто принимаются за идеальные. Так гораздо легче жить, и не нужно иметь дела с массой новых членов в уравнениях.

Итак, что происходит с молекулами идеального газа? Да, они движутся! И резонно спросить, с какой скоростью? Конечно, помимо скорости молекул нас интересует еще и общее состояние нашего газа. Какое давление P он оказывает на стенки сосуда, какой объем V занимает, какая у него температура T.

Для того, чтобы узнать все это, есть уравнение состояния идеального газа, или уравнение Клапейрона-Менделеева

Здесь m – масса газа, M – его молекулярная масса (находим по таблице Менделеева), R – универсальная газовая постоянная, равная 8,3144598(48) Дж/(моль*кг).

Универсальная газовая потоянная может быть выражена через другие константы (постоянная Больцмана и число Авогадро)

Массу, в свою очередь, можно вычислить, как произведение плотности и объема.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ)

Как мы уже говорили, молекулы газа движутся, причем, чем выше температура – тем быстрее. Существует связь между давлением газа и средней кинетической энергией E его частиц. Эта связь называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории и имеет вид:

Здесь n – концентрация молекул (отношение их количества к объему), E – средняя кинетическая энергия. Найти их, а также среднюю квадратичную скорость молекул можно, соответственно, по формулам:

Подставим энергию в первое уравнение, и получим еще один вид основного уравнения МКТ

Первое начало термодинамики. Формулы для изопроцессов

Напомним Вам, что первый закон термодинамики гласит: количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение внутренней энергии газа U и на совершение газом работы A. Формула первого закона термодинамики записывается так:

Как известно, с газом что-то происходит, мы можем сжать его, можем нагреть. В данном случае нас интересуют такие процессы, которые протекают при одном постоянном параметре. Рассмотрим, как выглядит первое начало термодинамики в каждом из них

Изотермический – протекает при постоянной температуре. Тут работает закон Бойля-Мариотта: в изотермическом процессе давление газа обратно пропорционально его объёму. В изотермическом процессе:

Изохорный – протекает при поcтоянном объеме. Для этого процесса характерен закон Шарля: При постоянном объеме давление прямо пропорционально температуре. В изохорном процессе все тепло, подведенное к газу, идет на изменение его внутренней энергии.

Изобарный – идет при постоянном давлении. Закон Гей-Люссака гласит, что при постоянном давлении газа его объём прямо пропорционален температуре. При изобарном процессе тепло идет как на изменение внутренней энергии, так и на совершение газом работы.

Адиабатный процесс. Адиабатный процесс – это такой процесс, который проходит без теплообмена с окружающей средой. Это значит, что формула первого закона термодинамики для адиабатного процесса выглядит так:

Теплоемкость

Удельная теплоемкость равна количеству теплоты, которое необходимо для нагревания одного килограмма вещества на один градус Цельсия.

Помимо удельной теплоемкости, есть молярная теплоемкость (количество теплоты, необходимое для нагревания одного моля вещества на один градус) при постоянном объеме, и молярная теплоемкость при постоянном давлении. В формулах ниже, i – число степеней свободы молекул газа. Для одноатомного газа i=3, для двухатомного – 5.

Тепловые машины. Формула КПД в термодинамике

Тепловая машина, в простейшем случае, состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела. Нагреватель сообщает тепло рабочему телу, оно совершает работу, затем охлаждается холодильником, и все повторяется вновь. Типичным примером тепловой машины является двигатель внутреннего сгорания.

Коэффициент полезного действия тепловой машины вычисляется по формуле

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.