Temperatura

Temperatura jest to jedna z podstawowych wielkości fizycznych, która jest określana dla stanów równowagi termodynamicznej. Ciała znajdują się w równowadze termodynamicznej jeżeli mają takie same temperatury.

Skale temperatur i jednostka temperatury

Powyższe oznacza, że temperaturę ciała można wyznaczyć poprzez obserwację zachowanie pewnego ciała (czyli termometru) gdy oba ciała znajdują się razem w równowadze termodynamicznej. W zależności od wyboru termometru i jego cech można określić różne skale temperatur.

Za termometr może posłużyć objętość słupa rtęci, opór elektryczny drutu, długość metalowego pręta, kolor rozżarzonego włókna, ciśnienie gazu w pojemniku.

Aby temperatura była wielkością fizyczną uniwersalną, wprowadza sie ją w oparciu o prawa gazu doskonałego lub cykl Carnota. Jest to tak zwana temperatura bezwzględna lub temperatura termodynamiczna.

W poniższej tabeli znajduje się opis skali temperatury bezwzględnej, Celsjusza i Fahrenheita wraz z oznaczeniem jednostek i wzorami na przeliczanie temperatur między poszczególnymi skalami.

System	Nazwa jednostki	Symbol	Przelicznik	Wzorzec	Zastosowanie
Skala bezwzględna	kelwin	K	T[K]=t[°C]+273,15=5/9t[°F]+255,37	Zero bezwzględne 0K, punkt potrójny wody=273,16 K	Nauka i technika
Skala Celsjusza	stopień Celsjusza	°C	t[°C]=T[K]-273,15=5/9t[°F]-17,78	Punkt zamarzania wody: 0°C, punkt wrzenia wody:100°C	W życiu codziennym w większości państw świata
Skala Fahrenheita	stopień Fahrenheita	°F	t[°F]=9/5T[K]-459,67=9/5t[°C]+32	Najniższa temperatura zimowa zmierzona przez Fahrenheita: 0°F, odstęp punktu zamarzania do punktu wrzenia wody podzielony na 180°.	W życiu codziennym w krajach anglosaskich.

Od 20 maja 2019 roku obowiązuje nastepująca definicja kelwina:

kelwin, oznaczenie K, jest to jednostka SI temperatury termodynamicznej. Jest ona zdefiniowana poprzez przyjęcie ustalonej wartości liczbowej stałej Boltzmanna k, wynoszącej 1,380 649×10^-23, wyrażonej w jednostce J/K, która jest równa kg·m2/(s²·K), gdzie kilogram, metr i sekunda zdefiniowane są za pomocą h, c i ∆ν_Cs.

Kalkulator jednostek temperatury ułatwia przeliczanie temperatury miedzy poszczególnymi skalami. Kliknij w poniższy link.

Kalkulator jednostek temperatury

Kinetyczna interpretacja temperatury

W artykule Ciśnienie gazu doskonałego wyprowadziliśmy następujący wzór:

$p=\frac{mN\overline{v}^2}{3V}$

Przekształćmy go nieco:

$p=\frac{mN\overline{v}^2}{3V}/\cdot {V}\\pV=\frac{mN\overline{v}^2}{3}\\pV=\frac{2N\cdot \frac{m\overline{v}^2}{2}}{3}\\pV=\frac{2}{3}N\overline{E}$ ,

gdzie w ostatnim kroku wprowadziliśmy symbol średniej energii kinetycznej ruchu postępowego cząstek.

Przypomnijmy sobie równanie stanu gazu:

pV=NkT, gdzie k - stała Boltzmanna.

Widać, że prawe strony obu równań są identyczne. Możemy więc zapisać po prostych przekształceniach, że:

$\overline{E}=\frac{3}{2}kT$

Dzięki tej zależności widzimy, że temperatura ciała jest związana z energią kinetyczną cząstek tego ciała. Równanie to podaje kinetyczną interpretację temperatury ciał.

Symulacja

Poniżej znajduje się symulacja cząsteczek gazu zamkniętego w sześciennym, szczelnym pojemniku. Cząstki zderzają się ze sobą i ściankami naczynia sprężyście. Zmieniaj różne parametry układu i sprawdź, jak zmienia się temperatura. Po zmianie parametrów odczekaj chwilę, aż układ ustabilizuje się.

Please note that your browser is not currently supported for this Unity WebGL content. Press OK if you wish to continue anyway.

Spróbuj na podstawie powyższej symulacji odpowiedzieć na następujące pytania:

Czy temperatura zależy od prędkości cząsteczek gazu?
Czy temperatura zależy od masy cząsteczek gazu?
Czy temperatura zależy od wielkości naczynia?
Czy temperatura zależy od ilości gazu w naczyniu?

Układ w równowadze termodynamicznej

Jak widać w badanym układzie gazu doskonałego mogą występować fluktuacje różnych parametrów, ale póki są one związane z bezładnym ruchem cząstek tego gazu, a nie są z wiązane z przepływem energii do i/lub z układu, a parametry tego gazu nie zmieniają się w sposób systematyczny, to mówimy, że układ pozostaje w równowadze.

Pytania

Czy istnieje w naturze zero absolutne w skali bezwzględnej?

Nie. Doświadczalne osiągnięcie zera bezwzględnego nie jest możliwe, choć można się do niego dowolnie zbliżać.

Czy w igloo jest ciepło?

Jaką temperaturę ma próżnia?

QUIZ

Temperatura — quiz