Minden ember minden nap szembesül a hőmérséklet fogalmával. A kifejezés szilárdan beépült mindennapi életünkbe: mikrohullámú sütőben melegítünk, vagy sütőben főzünk, érdeklődünk a kinti időjárás iránt, vagy megtudjuk, hogy hideg-e a folyó vize – mindez szorosan kapcsolódik ehhez a fogalomhoz. És mi a hőmérséklet, mit jelent ez a fizikai paraméter, milyen módon mérik? Ezekre és más kérdésekre válaszolunk a cikkben.
Fizikai mennyiség
Nézzük meg, mi a hőmérséklet egy termodinamikai egyensúlyban lévő elszigetelt rendszer szempontjából. A kifejezés a latin nyelvből származik, és "megfelelő keveredést", "normál állapotot", "arányosságot" jelent. Ez az érték bármely makroszkopikus rendszer termodinamikai egyensúlyi állapotát jellemzi. Abban az esetben, ha egy elszigetelt rendszer nincs egyensúlyban, idővel energiaátmenet megy végbe a jobban fűtött tárgyakról a kevésbé fűtött tárgyakra. Az eredmény a hőmérséklet kiegyenlítődése (változása) az egész rendszerben. Ez a termodinamika első posztulátuma (nulla elv).
A hőmérséklet határozza mega rendszert alkotó részecskék energiaszintek és sebességek szerinti megoszlása, az anyagok ionizációs foka, a testek egyensúlyi elektromágneses sugárzásának tulajdonságai, a sugárzás teljes térfogatsűrűsége. Mivel egy termodinamikai egyensúlyban lévő rendszernél a felsorolt paraméterek egyenlőek, ezeket általában a rendszer hőmérsékletének nevezik.
Plazma
Az egyensúlyi testek mellett vannak olyan rendszerek, amelyekben az állapotot több, egymással nem egyenlő hőmérsékleti érték jellemzi. A plazma jó példa. Elektronokból (könnyű töltésű részecskék) és ionokból (nehéz töltésű részecskék) áll. Amikor összeütköznek, az energia gyorsan átkerül elektronról elektronra és ionról ionra. De a heterogén elemek között lassú az átmenet. A plazma lehet olyan állapot, amelyben az elektronok és az ionok külön-külön közel állnak az egyensúlyhoz. Ebben az esetben minden részecskefajtához külön hőmérsékletet lehet venni. Ezek a paraméterek azonban különböznek egymástól.
Mágnesek
Azokban a testekben, amelyekben a részecskék mágneses nyomatékkal rendelkeznek, az energiaátadás általában lassan megy végbe: a transzlációs szabadsági fokokról a mágneses szabadsági fokokra, amelyek a pillanat irányának megváltoztatásának lehetőségével járnak. Kiderült, hogy vannak olyan állapotok, amelyekben a testet olyan hőmérséklet jellemzi, amely nem esik egybe a kinetikai paraméterrel. Az elemi részecskék transzlációs mozgásának felel meg. A mágneses hőmérséklet meghatározza a belső energia egy részét. Lehet pozitív vagynegatív. Az igazítási folyamat során az energia a magasabb értékű részecskékről az alacsonyabb hőmérsékletű részecskékre kerül át, ha azok pozitívak vagy negatívak. Ellenkező esetben ez a folyamat az ellenkező irányba megy végbe - a negatív hőmérséklet "magasabb" lesz, mint a pozitív.
Miért van erre szükség?
A paradoxon abban rejlik, hogy az átlagembernek ahhoz, hogy mind a mindennapi életben, mind az iparban elvégezhesse a mérési folyamatot, nem is kell tudnia, mi az a hőmérséklet. Elég lesz, ha megérti, hogy ez egy tárgy vagy környezet felmelegedésének mértéke, különösen, mivel gyermekkorunk óta ismerjük ezeket a kifejezéseket. Valójában a legtöbb gyakorlati eszköz, amelyet ennek a paraméternek a mérésére terveztek, valójában az anyagok egyéb tulajdonságait mérik, amelyek a fűtés vagy hűtés szintjével változnak. Például nyomás, elektromos ellenállás, térfogat stb. Ezen túlmenően az ilyen értékeket manuálisan vagy automatikusan konvertálják a kívánt értékre.
Kiderült, hogy a hőmérséklet meghatározásához nem kell fizikát tanulni. Bolygónk lakosságának nagy része ezen elv szerint él. Ha a TV be van kapcsolva, akkor nem kell megérteni a félvezető eszközök tranziens folyamatait, tanulmányozni, honnan jön az áram a konnektorba, vagy hogyan érkezik a jel a parabolaantennára. Az emberek megszokták, hogy minden területen vannak szakemberek, akik meg tudják javítani vagy hibakeresni a rendszert. A laikus nem akarja megerőltetni az agyát, mert hol jobb szürcsölve nézni egy szappanoperát vagy focit a "dobozon"hideg sör.
Tudni akarom
De vannak emberek, leggyakrabban diákok, akik akár kíváncsiságuk erejéig, akár kényszerűségből kénytelenek fizikát tanulni és meghatározni, hogy valójában milyen hőmérséklet is van. Ennek eredményeként keresésük során a termodinamika vadvilágába esnek, és tanulmányozzák annak nulla, első és második törvényét. Ezenkívül a kíváncsi elmének meg kell értenie a Carnot-ciklusokat és az entrópiát. Útja végén pedig minden bizonnyal be fogja ismerni, hogy a hőmérséklet, mint egy reverzibilis termikus rendszer paraméterének meghatározása, amely nem függ a működő anyag típusától, nem teszi egyértelművé ennek a fogalomnak az érzését. És mindazonáltal a látható rész néhány, a nemzetközi mértékegységrendszer (SI) által elfogadott fok lesz.
A hőmérséklet mint kinetikus energia
Megfoghatóbb az a megközelítés, amelyet molekuláris-kinetikai elméletnek neveznek. Ez azt az elképzelést alkotja, hogy a hőt az energia egyik formájának tekintik. Például a molekulák és atomok kinetikus energiája, egy nagyszámú véletlenszerűen mozgó részecskére átlagolt paraméter, kiderül, hogy a test hőmérsékletének nevezett mértéke. Így a fűtött rendszer részecskéi gyorsabban mozognak, mint a hidegben.
Mivel a szóban forgó kifejezés szorosan összefügg egy részecskecsoport átlagos kinetikus energiájával, teljesen természetes lenne a joule-t a hőmérséklet egységeként használni. Ez azonban nem történik meg, ami azzal magyarázható, hogy az elemi hőmozgás energiájaA részecskék a joule-hoz képest nagyon kicsik. Ezért használata kényelmetlen. A hőmozgás mérése joule-ból származtatott egységekben történik egy speciális konverziós tényező segítségével.
Hőmérséklet mértékegységei
Ma három alapegységet használnak ennek a paraméternek a megjelenítésére. Hazánkban általában Celsius-fokban mérik a hőmérsékletet. Ez a mértékegység a víz fagyáspontján alapul – ez egy abszolút érték. Ő a kiindulópont. Vagyis a víz hőmérséklete, amelyen a jég kialakulása megkezdődik, nulla. Ebben az esetben a víz példaértékű intézkedésként szolgál. Ezt az egyezményt a kényelem érdekében fogadták el. A második abszolút érték a gőz hőmérséklete, vagyis az a pillanat, amikor a víz folyékony halmazállapotból gáz halmazállapotúvá változik.
A következő mértékegység a Kelvin. Ennek a rendszernek a referenciapontja az abszolút nulla pont. Tehát egy Kelvin-fok egyenlő egy Celsius-fokkal. A különbség csak a visszaszámlálás kezdete. Azt kapjuk, hogy a nulla Kelvinben mínusz 273,16 Celsius-fokkal lesz egyenlő. 1954-ben az Általános Súly- és Mértékkonferencián úgy döntöttek, hogy a hőmérséklet mértékegységére vonatkozó „kelvin-fok” kifejezést „kelvinre” cserélik.
A harmadik közös mértékegység a Fahrenheit. 1960-ig minden angol nyelvű országban széles körben használták őket. Ma azonban az Egyesült Államokban a mindennapi életben használja ezt az egységet. A rendszer alapvetően különbözik a fent leírtaktól. Kiindulópontnak tekintvesó, ammónia és víz 1:1:1 arányú keverékének fagyáspontja. Tehát a Fahrenheit-skálán a víz fagyáspontja plusz 32 fok, a forráspontja pedig plusz 212 fok. Ebben a rendszerben egy fok egyenlő e hőmérsékletek közötti különbség 1/180-ával. Tehát a 0 és +100 Fahrenheit fok közötti tartomány a -18 és +38 Celsius fok közötti tartománynak felel meg.
Abszolút nulla hőmérséklet
Megértjük, mit jelent ez a paraméter. Az abszolút nulla az a határhőmérséklet, amelyen az ideális gáz nyomása meghatározott térfogaton eltűnik. Ez a legalacsonyabb érték a természetben. Ahogy Mihailo Lomonoszov megjósolta, "ez a hideg legnagyobb vagy utolsó foka". Ebből következik Avogadro kémiai törvénye: azonos térfogatú gázok azonos hőmérsékleten és nyomáson ugyanannyi molekulát tartalmaznak. Mi következik ebből? A gáznak van egy minimális hőmérséklete, amelynél a nyomása vagy térfogata eltűnik. Ez az abszolút érték nulla Kelvinnek vagy 273 Celsius-foknak felel meg.
Néhány érdekes tény a Naprendszerről
A Nap felszínén a hőmérséklet eléri az 5700 Kelvint, a mag közepén pedig a 15 millió Kelvint. A Naprendszer bolygói a fűtési szint tekintetében nagyon különböznek egymástól. Tehát Földünk magjának hőmérséklete körülbelül ugyanaz, mint a Nap felszínén. A Jupitert a legforróbb bolygónak tartják. A mag közepén a hőmérséklet ötször magasabb, mint a Nap felszínén. És itt van a paraméter legalacsonyabb értékea Hold felszínén rögzítették – mindössze 30 kelvin volt. Ez az érték még alacsonyabb, mint a Plútó felszínén.
Tények a Földről
1. Az ember által mért legmagasabb hőmérséklet 4 milliárd Celsius fok volt. Ez az érték 250-szer magasabb, mint a Nap magjának hőmérséklete. A rekordot a New York-i Brookhaven Natural Laboratory állította fel az ionütköztetőben, amely körülbelül 4 kilométer hosszú.
2. Bolygónk hőmérséklete sem mindig ideális és kényelmes. Például a jakutföldi Verkhnoyansk városában a hőmérséklet télen mínusz 45 Celsius-fokra csökken. De az etióp Dallol városában a helyzet fordított. Ott az éves átlaghőmérséklet plusz 34 fok.
3. A legszélsőségesebb munkakörülményeket a dél-afrikai aranybányákban tartják nyilván. A bányászok három kilométeres mélységben, plusz 65 Celsius fokos hőmérsékleten dolgoznak.
