Что такое абсолютная температура в физике
Абсолютная температура
Абсолютная температура — это безусловная мера температуры и одна из главных характеристик термодинамики.
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 — наиболее низкая возможная температура, при которой ничего не может быть холоднее и теоретически невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.
Абсолютный ноль определен как 0 K. Что приблизительно равно −273.15 °C. Один Кельвин эквивалентен одному градусу Цельсия (Кельвин не равен одному градусу цельсия)
Содержание
Абсолютная температура с молекулярно-кинетической точки зрения
Мгновенное состояние системы частиц, участвующих в хаотическом тепловом движении.
Термодинамическая температура с молекулярно-кинетической точки зрения — физическая величина, характеризующая интенсивность хаотического, теплового движения всей совокупности частиц системы и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения одной частицы.
Связь между кинетической энергией, массой и скоростью выражается следующей формулой:
Ek = 1 /2m • v 2
Таким образом частицы одинаковой массы и имеющие одинаковую скорость имеют и одинаковую температуру.
Средняя кинетическая энергия частицы связана с термодинамической температурой постоянной Больцмана:
Eср = 3/2kBT
где:
kB = 1.380 6505(24) × 10 −23 Дж/K — постоянная Больцмана T — термодинамическая температура, К
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 твердое 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 решетки. Таким образом даже при абсолютном нуле электроны проводимости движутся между атомами со скоростью Ферми порядка 1×10 6 м/с.
Температура с термодинамической точки зрения
Существует множество различных шкал температур. Когда-то температура определялась очень произвольно. Мерой температуры служили метки, нанесенные на равных расстояниях на стенах трубочки, в которой при нагревании расширялась вода. Потом решили измерить температуру ртутным термометром и обнаружили, что градусные расстояния не одинаковы. В термодинамике дается определение температуры, не зависящее от каких-либо частных свойств вещества.
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) ее энергии Е, термодинамическая температура определяется как:
Абсолютная температура
Абсолютная температура — это безусловная мера температуры и одна из главных характеристик термодинамики.
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 — наиболее низкая возможная температура, при которой ничего не может быть холоднее и теоретически невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.
Абсолютный ноль определен как 0 K. Что приблизительно равно −273.15 °C. Один Кельвин эквивалентен одному градусу Цельсия (Кельвин не равен одному градусу цельсия)
Содержание
Абсолютная температура с молекулярно-кинетической точки зрения
Мгновенное состояние системы частиц, участвующих в хаотическом тепловом движении.
Термодинамическая температура с молекулярно-кинетической точки зрения — физическая величина, характеризующая интенсивность хаотического, теплового движения всей совокупности частиц системы и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения одной частицы.
Связь между кинетической энергией, массой и скоростью выражается следующей формулой:
Ek = 1 /2m • v 2
Таким образом частицы одинаковой массы и имеющие одинаковую скорость имеют и одинаковую температуру.
Средняя кинетическая энергия частицы связана с термодинамической температурой постоянной Больцмана:
Eср = 3/2kBT
где:
kB = 1.380 6505(24) × 10 −23 Дж/K — постоянная Больцмана T — термодинамическая температура, К
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 твердое 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 решетки. Таким образом даже при абсолютном нуле электроны проводимости движутся между атомами со скоростью Ферми порядка 1×10 6 м/с.
Температура с термодинамической точки зрения
Существует множество различных шкал температур. Когда-то температура определялась очень произвольно. Мерой температуры служили метки, нанесенные на равных расстояниях на стенах трубочки, в которой при нагревании расширялась вода. Потом решили измерить температуру ртутным термометром и обнаружили, что градусные расстояния не одинаковы. В термодинамике дается определение температуры, не зависящее от каких-либо частных свойств вещества.
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) ее энергии Е, термодинамическая температура определяется как:
Абсолютная температура
Температу́ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.
В системе СИ температура измеряется в кельвинах. Но на практике часто применяют градусы Цельсия из-за привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0° C) и температуре кипения (100° C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном.
Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие.
Содержание
Молекулярно-кинетическое определение
Температура с молекулярно-кинетической точки зрения — физическая величина, характеризующая интенсивность хаотического, теплового движения всей совокупности частиц системы и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения одной частицы.
Связь между кинетической энергией, массой и скоростью выражается следующей формулой:
Ek = 1 /2m • v 2
Таким образом частицы одинаковой массы и имеющие одинаковую скорость имеют и одинаковую температуру.
Средняя кинетическая энергия частицы связана с термодинамической температурой постоянной Больцмана:
Eср = i/2kBT
где:
i — число степеней свободы kB = 1.380 6505(24) × 10 −23 Дж/K — постоянная Больцмана T — температура;
Термодинамическое определение
Температура — величина, обратная изменению энтропии (степени беспорядка) системы при добавлении в систему единичного количества теплоты: 1/T = ΔS/ΔQ.
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, потому что суммарная энтропия при этом возрастает.
Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдает ли живая ткань тепло или получает его.
Некоторые квантовомеханические системы могут находится 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 передается от системы к телу, а не наоборот (подробнее см. Квантовая термодинамика).
Свойства температуры изучает раздел физики — термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.
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
В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15° C. Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку связана с замерзанием атмосферной воды. Шкала предложена Андерсом Цельсием в 1742 г.
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.
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 1×10 6 м/с.
Температура, при которой частицы вещества имеют минимальное количество движения, сохраняющееся только благодаря квантовомеханическому движению, — это температура абсолютного нуля (Т = 0К).
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 ртутным термометром и обнаружили, что градусные расстояния не одинаковы. В термодинамике дается определение температуры, не зависящее от каких-либо частных свойств вещества.
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:
Температура и излучение
При повышении температуры растёт энергия, излучаемая нагретым телом. Энергия излучения абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана — Больцмана
Шкала Реомюра
Предложена в 1730 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)
В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.
Переходы из разных шкал
| в\из | Кельвин | Цельсий | Фаренгейт |
|---|---|---|---|
| Кельвин (K) | = K | = С + 273,15 | = (F + 459,67) / 1,8 |
| Цельсий (° C) | = K − 273,15 | = C | = (F − 32) / 1,8 |
| Фаренгейт (°F) | = K · 1,8 − 459,67 | = C · 1,8 + 32 | = F |
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 |
Некоторые значения в этой таблице были округлены.
Характеристика фазовых переходов
Для описания точек фазовых переходов различных веществ используют следующие значения температуры:
Что такое абсолютная температура в физике
Температура
Жидкостные термометры
Газовые термометры
Первый газовый термометр был создан французским физиком Ж. Шарлем.
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
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
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
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!
Определение температуры. Абсолютная температура
Урок 45. Физика 10 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Определение температуры. Абсолютная температура»
На протяжении школьного курса физики, вы уже много раз слышали о том, что температура является мерой средней кинетической энергии молекул. Но, как сказал Лев Ландау, «верховным судьёй всякой физической теории является опыт». Поэтому, на сегодняшнем уроке мы рассмотрим опыты, позволяющие нам дать определение температуре. Возьмем сосуд с перегородкой и поместим в половинки сосуда два различных газа разной температуры. Если перегородка сосуда проводит тепло, то через некоторое время оба газа будут иметь одинаковую температуру.
Основываясь на нашем начальном предположении о том, что температура является мерой средней кинетической энергии молекул, мы попытаемся доказать, что средняя кинетическая энергия молекул обладает таким же свойством, как и температура.
Как и было сказано в предыдущих уроках, измерить кинетическую энергию отдельной молекулы крайне сложно. Однако, мы можем выразить среднюю кинетическую энергию молекул газа через макроскопические параметры. Воспользуемся основным уравнением молекулярно-кинетической теории:
Заметим, что концентрация молекул равна отношению числа молекул газа к его объёму:
Итак, мы выразили среднюю кинетическую энергию молекул через три величины, которые легко измеряются. Объём можно задать, поместив газ в герметичный баллон, а давление измерим с помощью манометра. Чтобы найти количество молекул, как вы знаете, нужно количество вещества умножить на число Авогадро:
Вспомним теперь, что количество вещества равно отношению массы к молярной массе:
Молярную массу, как вы знаете, можно подсчитать, используя таблицу Менделеева.
Для проведения опыта мы можем использовать баллоны с водородом и кислородом, давление, объёмы и количество молекул которых, различны.
Чтобы уравнять температуру газов их необходимо привести в тепловое равновесие с одним и тем же телом (как правило, используется тающий лед). Через некоторое время установится тепловое равновесие, то есть температуры кислорода и водорода будут равны 0 о С. Наша цель проверить — уравнялись ли при этом средние кинетические энергии молекул газов, и если это так, то наше начальное предположение верно. Опыты и сопутствующие расчеты говорят о том, что отношение произведения давления и объёма к количеству молекул газа остается постоянным при постоянной температуре, независимо от природы самого газа:
Это говорит нам о том, что средняя кинетическая энергия молекул — это и есть температура.
Необходимо отметить, что данное соотношение все же начинает зависеть от рода газа при очень большом давлении, таком как несколько сотен атмосфер. Однако, мы с уверенностью можем сказать, что до тех пор, пока газ может считаться идеальным, данное соотношение строго определено.
Поскольку температура фактически является мерой энергии, её иногда измеряют в энергетических единицах. Но, дело в том, что в повседневной жизни подобные единицы измерения неудобны. Например, если в баллоне объёмом 10 л находится 1 моль водорода при нормальном давлении, то средняя кинетическая энергия его молекул будет равна 1,68 х 10 −21 Дж. В связи с этим возникает вопрос: как перевести температуру из энергетических единиц измерения в градусы, используемые в повседневной жизни? Ведь, люди могут выбирать какую угодно температурную шкалу, но этот выбор не может повлиять на кинетическую энергию молекул. Поэтому, вводится понятие абсолютной температуры. Будем считать эту температуру прямо пропорциональной температуре, выраженной в энергетических единицах:
В этой формуле мы обозначили коэффициент пропорциональности буквой k.
Учитывая тот факт, что такие величины, как объём, давление и число молекул, не могут быть отрицательными, делаем вывод, что абсолютная температура тоже не может быть отрицательной.
Как видно из формулы, абсолютный ноль температуры — это такая температура, при которой давление газа равно нулю, при постоянном объёме. Такое возможно только в случае, если молекулы газа попросту остановились (это следует из основного уравнения молекулярно-кинетической теории).
Абсолютную шкалу температур предложил лорд Кельвин, в честь которого и названа единица измерения температуры по абсолютной шкале. 1 К равен 1 о С, поэтому перевести градусы Цельсия в кельвины довольно просто: нужно к температуре в градусах Цельсия прибавить 273 градуса:
Таким образом, абсолютный ноль температуры по шкале Цельсия равен −273 градуса. Необходимо отметить, что абсолютный ноль недостижим.
Вернемся теперь к уравнению, которое мы использовали в начале урока:
Также, мы выяснили, что отношение произведения давления и объёма к числу молекул должно быть пропорционально температуре:
Мы получили два уравнения, левые части которых равны. Значит, должны быть равны и правые части:
Итак, мы вплотную подошли к связи между средней кинетической энергией и температурой. Остается только разобраться с коэффициентом пропорциональности.
Этот коэффициент получил название постоянной Больцмана, в честь Людвига Больцмана.
Больцман был первым, кто нашел соотношение между кинетической энергией и температурой. Постоянная Больцмана определяет связь между температурой в энергетических единицах измерения и температурой в кельвинах. Итак, средняя кинетическая энергия молекул равна
Сегодня мы можем повторить эксперимент, с помощью которого можно вычислить постоянную Больцмана. Возьмем газ, который можно считать идеальным, и измерим среднюю кинетическую энергию его молекул тем же способом, который мы использовали в начале урока — то есть, выразив её через макроскопические параметры:
Проведем измерения для двух случаев: в одном случае поместим сосуд в тающий лед, а во втором случае — в кипящую воду.
Тогда, разность между температурами в энергетических единицах измерения должна быть равна произведению разности температуры в кельвинах и постоянной Больцмана:
Отсюда выразим постоянную Больцмана:
Расчеты показывают, что эта величина остается постоянной для любого газа, который можно считать идеальным:
Несмотря на то, что соотношение между температурой и кинетической энергией установлено для газов, оно также выполняется для жидкостей и для твердых тел:
Данное соотношение не выполняется только в том случае, если движение частиц не подчиняется законам механики Ньютона. Это происходит при экстремальных условиях, например при колоссальном давлении, огромной температуре или сильнейших электромагнитных полях.
Пример решения задачи.
Задача. При температуре 200 К средняя скорость молекул одного моля неизвестного газа равна 500 м/с. Считая этот газ идеальным, определите его молярную массу.