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 następująca 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 między poszczególnymi skalami. Kliknij 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.

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

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 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