Temperatura

Temperatura jest parametrem fizycznym zmierzono stosując termometr i badane pirometrycznych . W codziennym życiu jest związany z wrażeń z zimno i na gorąco , w wyniku czego z przeniesieniem cieplną pomiędzy ciałem człowieka i środowiska. W fizyce definiuje się go na kilka sposobów: jako rosnącą funkcję stopnia termicznego pobudzenia cząstek (w kinetycznej teorii gazów ), przez równowagę wymiany ciepła między kilkoma układami lub z entropii (w termodynamice i w fizyce statystycznej ) . Temperatura jest ważną zmienną w innych dyscyplinach: meteorologii i klimatologii , medycynie i chemii .

Najpopularniejszą skalą temperatur są stopnie Celsjusza , w których lód (powstały z wody) topi się w temperaturze 0 ° C, a woda wrze w temperaturze około 100 ° C w standardowych warunkach ciśnienia. W krajach stosujących jednostki systemu imperialnego (imperialne) używamy stopni Fahrenheita, gdy lód topi się w temperaturze 32 ° F, a woda wrze w temperaturze 212 ° F . Jednostką Międzynarodowego Układu Jednostek (SI), używaną naukowo i definiowaną od zera bezwzględnego , jest kelwin , którego podziałka jest prawie identyczna jak stopnie Celsjusza .

Porównanie skali temperatur Celsjusza, Fahrenheita i Kelvina:
zero bezwzględne , temperatury topnienia lodu i wrzenia wody
w standardowych warunkach ciśnienia

Drabina	° C	° F	K
Zero absolutne	-273,15	-459,67	0
Połączenie	0	+32	+273,15
Wrzenie	+99,9839	+212	+373.1339

Wprowadzenie

Pochodzenie fizyczne

Cząsteczki tworzące materię ( cząsteczki lub atomy ) nigdy nie pozostają w spoczynku. Znajdują się w ciągłej wibracji i dlatego mają pewną energię kinetyczną . Temperatura jest pośrednią miarą stopnia mikroskopijnego poruszenia cząstek. Ponadto przestrzeń pozbawiona materii, ale w której rozchodzi się światło, zawiera również energię. W dobrych warunkach z promieniowaniem tym może być powiązana temperatura, która mierzy średnią energię cząstek, które je tworzą. Ważnym przykładem promieniowania cieplnego jest ciało doskonale czarne , czego przykładem są gwiazdy, których promieniowanie ujawnia temperaturę atomów znajdujących się na jego powierzchni.

Kiedy dwa ciała wchodzą w kontakt, spontanicznie wymieniają energię cieplną : jedno z dwóch ciał ma cząstki o większej energii kinetycznej. Po zetknięciu się z nimi wstrząsy między cząstkami powodują, że ta mikroskopijna energia kinetyczna jest przekazywana z jednego ciała do drugiego. Jest to transfer energii, który w naukach fizycznych nazywa się ciepłem .

W przypadku gazów teoria kinetyczna definiuje temperaturę w następujący sposób:

T=13kb∫rev→p(v→)(v→-U→)2{\ displaystyle T = {\ frac {1} {3k_ {B}}} \ int d {\ overrightarrow {v}} \, p ({\ overrightarrow {v}}) \, ({\ overrightarrow {v}} - {\ overrightarrow {U}}) ^ {2}} ${\ displaystyle T = {\ frac {1} {3k_ {B}}} \ int d {\ overrightarrow {v}} \, p ({\ overrightarrow {v}}) \, ({\ overrightarrow {v}} - {\ overrightarrow {U}}) ^ {2}}$ lub :

k B jest stałą Boltzmanna ;
${\ displaystyle p ({\ overrightarrow {v}}, t)}$ jest rozkład prawdopodobieństwa prędkości,
$\ overrightarrow {czas.}$ prędkość cząstek;
${\ styl wyświetlania {\ overrightarrow {U}}}$ pole prędkości (prędkość średnia);
i nieskończenie mała objętość w okolicach ${\ displaystyle d {\ overrightarrow {czas.}}}$ $\ overrightarrow {czas.}$

Te transfery energii spontanicznie prowadzą do stanu równowagi termicznej, w którym dwa obecne ciała mają tę samą temperaturę.

Słownictwo

W dziedzinie fizyki i chemii powszechnie mówi się o zwykłej temperaturze dla aktualnej, średniej temperatury. Na przykład mówimy „woda jest płynna w temperaturze pokojowej” . Ale ta nazwa jest mało sformalizowana, a wartość zwykłej temperatury jest rzadko określana (najczęściej łącznie oceniana od 18 do 25 °C ).

Normalna temperatura oznacza zwykle 0 obecnego skali: jest to zwykle 0 ° C .

Kilka rzędów wielkości

Parowanie po typowej w Europie godzinnej letniej ulewie obniża temperaturę o około dwa stopnie.

Definicja termodynamiki

W termodynamice temperaturę definiuje się z całkowitej energii układu (zwanej w tym kontekście energią wewnętrzną ) oraz liczby stanów, jakie może on mieć dla stałej wartości tej energii, którą określa pojęcie entropii . Mówimy wtedy o temperaturze termodynamicznej , mierzonej w stopniach Kelvina, której minimum to zero absolutne , w praktyce niedostępnej ze względu na właściwości kwantowe . 450 p K ( tj. 0,45 n K lub 0.000 000 000 45 K ), tj. −273.149 999 999 55 °C , to rekord osiągnięty w 2003 roku w laboratorium badawczym Massachusetts Institute of Technology (MIT) przez zespół współkierowany laureata Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Wolfganga Ketterle'a .

W niektórych eksperymentach fizycznych obliczenie temperatury za pomocą jej termodynamicznej definicji może wyjątkowo prowadzić do wartości ujemnych. Te ujemne wartości są niezwykle niskie (rzędu kilku pikokelwinów do kilku nanokelwinów). Pojawiają się one w pomiarach pewnych bardzo szczególnych układów kwantowych, których entropia po osiągnięciu maksimum zaczyna się zmniejszać w miarę dodawania do nich większej ilości energii. Znak minus pojawia się zatem tylko dlatego, że kierunek wariacji użyty we wzorze został odwrócony. Próbki, dla których mierzone są takie ujemne temperatury bezwzględne, nie są „zimniejsze” niż zero bezwzględne, ponieważ dostarczałyby ciepło do każdego innego układu, który miałby z nimi kontakt. Ujemne temperatury bezwzględne również nie oznaczają, że temperatura w pewnym momencie przekroczyła zero absolutne, „to drugie pozostaje niemożliwe do osiągnięcia”.

Pomiar i kontrola temperatury

Wymierzony

Techniki pomiarowe

Kontrola

Termostat
Klimatyzator
Chłodnictwo , Lodówka , Chłodnictwo , Produkcja chłodnicza
Temperatura kąpieli , suszenie laboratorium piec , piec , etc.
Kriogenika , Kriostat

Skale temperatury

Historia

Źródło.

Aby stworzyć skalę temperatury, starożytni naukowcy szukali dwóch przeciwstawnych przypadków: „zimnego” i „gorącego”.

Skala Fahrenheita: W 1720 r. niemiecki naukowiec Gabriel Fahrenheit wynalazł termometr rtęciowy i użył go do zdefiniowania skali Fahrenheita, w której 32 ° F to minimalna temperatura, a 212 ° F to maksymalna.
Skala Celsjusza: W 1741 szwedzki fizyk Anders Celsius wynalazł zakres Celsjusza, który obejmuje sto przedziałów określanych jako „stopnie Celsjusza” (°C). W tej skali 0 °C jest najniższą temperaturą, która odpowiada temperaturze zamarzania wody, a 100 °C jest najwyższą i odpowiada temperaturze wrzenia wody.
Skala Kelvina: pod koniec XIX th wieku , brytyjski naukowiec, Lord Kelvin , sugeruje ideę tworzenia skali, gdzie zero to najniższy punkt, w którym temperatura nie spadnie dalej: zero absolutne . Fizycy wiedzieli, że ta temperatura istnieje przy -273,15 ° C , która po osiągnięciu nie pozwalała na ruch atomów . Tak więc „zero” zostało przeniesione do -273,15 ° C . Ta nowa konwencja została sformalizowana w 1960 roku .

Gabriela Fahrenheita.
Andersa Celsjusza.
Lorda Kelvina.

Różne skale

Prawną jednostką temperatury w systemie międzynarodowym jest kelwin z symbolem K (zwróć uwagę na brak symbolu °, ponieważ nie jest to skala pomiaru). Istnieją inne wcześniejsze i nadal używane systemy pomiarowe: skale Celsjusza, Celsjusza, Fahrenheita i Rankine'a.

Kelvin definiuje się go z punktu potrójnego wody: jeden kelwin jest równy 1 ⁄ 273,16 razy temperatura punktu potrójnego wody. Zera absolutnego , by odpowiadać na granicy z całkowitym brakiem mikroskopowej mieszaniu i w temperaturze -273.15 ° C ; ale nigdy nie możemy tego osiągnąć (pomyśl, że byt fizyczny to raczej 1 / T i nigdy nie możemy osiągnąć nieskończoności). Ta jednostka jest używana do określenia bezwzględnej skali temperatur. Stopni Celsjusza jest kelwinem, który jest usuwany 273,15 K . Jego jednostką jest ° C . Jest to proste tłumaczenie skali bezwzględnej (patrz niżej). Temperatura punktu potrójnego wody jest więc ustawiona na 0,01 °C . Skale Celsjusza skala pomiaru jest taka, że 0 i 100 są ustalone. Nazywa się to stopniem Celsjusza, ponieważ dwa punkty odniesienia są oddalone od siebie o 100 °. Pomiędzy nimi to ekspansja rtęci określa skalę. Na przykład w skali Celsjusza zero odpowiada temperaturze topnienia lodu, a 100 stopni Celsjusza odpowiada temperaturze wrzenia wody pod ciśnieniem 1 atmosfery. Skala Fahrenheita jego symbolem jest ° F. Przypisuje zakres 180 ° F między temperaturą krzepnięcia wody a jej temperaturą wrzenia. Jest wyprowadzany ze skali Celsjusza przez funkcję afiniczną (patrz poniżej). Ustawia temperaturę zamarzania wody na 32 ° F i temperaturę wrzenia na 212 ° F . Skala Rankina jest to prosta jednorodność skali bezwzględnej ze współczynnikiem 9/5 (patrz poniżej). Konwersja

Poniższa tabela podsumowuje wzory do przeliczania temperatury między różnymi skalami.

Z :	kelwin	Celsjusz	Fahrenheita	Rankine	Reaumur
$T _ {\ matematyka {kelwin}} = ~$	$T _ {\ matematyka {K}} ~$	$T _ {\ matematyka {C}} + 273,15 ~$	${\ tfrac {5} {9}} \, (T _ {\ mathrm {F}} +459.67)$	${\ tfrac {5} {9}} \, T _ {\ mathrm {Ra}}$	${\ tfrac {5} {4}} \, T _ {\ mathrm {Re}} + 273,15 ~$
$T _ {\ matematyka {Celsjusz}} = ~$	$T _ {\ matematyka {K}} -273,15 ~$	$T _ {\ matematyka {C}} ~$	${\ tfrac {5} {9}} \, (T _ {\ mathrm {F}} -32)$ .	${\ tfrac {5} {9}} \, (T _ {\ mathrm {Ra}} -491,67)$	${\ tfrac {5} {4}} \, T _ {\ mathrm {Re}}$
$T _ {\ matematyka {Fahrenheit}} = ~$	${\ tfrac {9} {5}} \, T _ {\ mathrm {K}} -459,67$	${\ tfrac {9} {5}} \, T _ {\ mathrm {C}} +32$	$T _ {\ matematyka {F}} ~$	$T _ {\ matematyka {Ra}} -459,67 ~$	${\ tfrac {9} {4}} \, T _ {\ mathrm {Re}} +32$
$T _ {\ matematyka {Rankine}} = ~$	${\ tfrac {9} {5}} \, T _ {\ matematyka {K}}$	${\ tfrac {9} {5}} \, T _ {\ matematyka {C}} +491,67$	$T _ {\ matematyka {F}} + 459,67 ~$	$T _ {\ matematyka {Ra}} ~$	${\ tfrac {9} {4}} \, T _ {\ mathm {Re}} +491,67$
$T _ {\ matematyka {Reaumur}} = ~$	${\ tfrac {4} {5}} \, (T _ {\ mathrm {K}} -273,15)$	${\ tfrac {4} {5}} \, T _ {\ mathrm {C}}$	${\ tfrac {4} {9}} \, (T _ {\ mathrm {F}} -32)$	${\ tfrac {4} {9}} \, (T _ {\ mathrm {Ra}} -491,67)$	$T _ {\ matematyka {Re}} ~$

Porównanie skal temperatur Porównanie skal temperatur

Temperatura	kelwin	Celsjusz	stopnie Celsjusza (historyczne)	Oryginalny stopnie Fahrenheita	Fahrenheita historyczny	Nowoczesny (aktualny) Fahrenheit	Rankine	Delisle	Niuton	Reaumur	Rømer
Zero bezwzględne .	0	-273,15	-273,197			-459,67	0	559,725	−90,14	-218,52	-135,90
Najniższa naturalna temperatura zarejestrowana przez teledetekcję na powierzchni Ziemi (nie in situ ).	180,0	-93,2				-135,8	323,9	289,8	-30,8	-74,6	-41.4
Mieszanina wody i soli Fahrenheita .				0
Pochodzenie współczesnej skali Celsjusza.	273,15	0				32	491.67	150	0	0	7,5
Temperatura topnienia wody (przy standardowym ciśnieniu ).	273 150 089 (10)	0,000 089 (10)	0	32	32	32 000 160 (18)	491.670 160 (18)	150	0	0	≈7,5
Temperatura punktu potrójnego z wodą .	273.1600 (1)	0,0100 (1)				32.0180 (18)
Średnia temperatura na powierzchni Ziemi.	288	15				59	518,67	127,5	4,95	12	15.375
Średnia temperatura ciała człowieka.	309.95	36,8				98,24	557,91	94,8	12,144	29.44	26,82
Najwyższa naturalna temperatura zarejestrowana na powierzchni Ziemi.	329,8	56,7				134	593,67	67,5	18,7	45,3	33,94
Temperatura parowania wody (przy standardowym ciśnieniu ).	373 133 9	99,983 9	100	212	212	211 971	671.641	0	33	80	60
Temperatura topnienia z tytanu .	1941	1668				3 034	3 494	-2 352	550	1334	883
Szacunkowa temperatura powierzchni Słońca .	5800	5 526				9 980	10 440	-8 140	1823	4421	2909
Niektóre liczby w tej tabeli zostały zaokrąglone. Wartości pogrubione to te, które z definicji poszczególnych skal są dokładne (czyli mają nieskończoną liczbę cyfr znaczących). „Kelvin” jest pisany małą literą k, ponieważ jest to jednostka Systemu Międzynarodowego , mimo że nosi imię Lord Kelvin . Symbolem jest jednak wielka litera K . Nagrany przez satelitę na Antarktydzie na10 sierpnia 2010. Nowoczesne skale temperatur definiowane przez punkt potrójny wody ustawiony na 0,01 °C , wynika z tego, że precyzyjnie zmierzona temperatura topnienia wody wynosi 0,000 089 (10)°C. Nagrano w Furnace Creek w Stanach Zjednoczonych 10 lipca 1913 r.

Specyfika różnych dyscyplin

Meteorologia

W dziedzinie meteorologii temperaturę atmosfery często zapisuje się jako T °. Przy ziemi, pod osłoną, dwa metry nad ziemią. Mówimy o temperaturze wiatru , aby wyrazić temperaturę odczuwaną pod wpływem wiatru, znaną również jako temperatura subiektywna, uczucie gorąca lub zimna, a nawet temperatura wiatru (więcej szczegółów w rozdziale Wind chill ).

Temperatura sucha odpowiada klasycznej temperaturze podawanej przez termometr chroniony przed wilgocią i promieniowaniem. Na wykresie wilgotnego powietrza krzywa stałej temperatury jest linią pionową.

Temperaturę termometru wilgotnego lub temperaturę termometru wilgotnego mierzy się za pomocą termometru, na którym odparowuje woda. Zwykle stosuje się piankę mokrą, która jest wentylowana. Temperatura wilgotna jest zawsze niższa niż temperatura sucha; są tym bardziej równe, im wilgotność względna jest bliska 100%. Instrumentem używanym do jednoczesnego pomiaru temperatury suchej i mokrej jest psychrometr .

Zobacz także:

Biologia i medycyna

Stałocieplny , poikilothermic zwierzęta
Temperatura ciała

Dobrze regulowana temperatura ma fundamentalne znaczenie dla jakości powietrza w pomieszczeniach i zdrowia ludzi. Rzeczywiście, zbyt wysoki sprzyja rozwojowi roztoczy i pleśni . Odpowiednio uregulowana pozwala na znaczne oszczędności energii i pośrednie oszczędności finansowe.

Fizyczny

Istnieje wiele definicji temperatury, gdy rozważany obiekt nie znajduje się w równowadze termicznej. Po charakterystycznych nazwach identyfikujemy różne temperatury sygnalizujące nagłą zmianę właściwości ciała. Zobacz Temperatura (ujednoznacznienie), aby uzyskać więcej informacji.

Socjopsychologia

W zależności od kultury ciepło otoczenia, siedliska, odzieży, przedmiotów lub jedzenia wywołuje różne rzeczy i promuje różne zachowania społeczne. Słowa „ciepło” lub „zimno” lub wyrażenia takie jak „zimne dłonie, ciepłe serce” wskazują na podstawowe znaczenie ciepła w interakcjach międzyludzkich.

Eksperymenty wykazały, że osoba trzymająca filiżankę gorącej kawy zwykle uważa, że inni są bardziej ciepli i troskliwi, niż gdyby trzymała mrożoną kawę. Po wypiciu gorącej kawy chętniej zaoferuje prezent osobom wokół niego, podczas gdy po wypiciu kawy mrożonej będzie dbał o siebie.

Uwagi i referencje

Nazwa zwyczajowa wywodząca się od imienia Williama Thomsona (Lord Kelvin) .
Kiedy promieniowanie jest w stanie równowagi termodynamicznej.
(pl) Zespół MIT osiąga najniższą temperaturę w historii
(w) Norman F. Ramsey , Spektroskopia z promieniowaniem koherentnym: wybrane artykuły Normana F. Ramseya z komentarzem , t. 21, Singapur; River Edge, NJ, World Scientific , coll. "Światowa seria naukowa w fizyce XX wieku",1998, 417 s. ( ISBN 978-981-02-3250-4 , OCLC 38753008 , czytaj online ).
(w) „ pozytywnych i negatywnych picokelvin temperatura ”
Roger Balian . Prawda czy fałsz, czy temperatura bezwzględna może być ujemna? W Scientific American , marca 2013 r n ° 425, str. 19 .
„ Mała historia skal temperatury ” , na archi7.net (dostęp 18 marca 2019 )
Międzynarodowe Biuro Miar i Wag
NASA, „ NASA identyfikuje najzimniejsze miejsce na Ziemi ” , Le Figaro,11 grudnia 2013(dostęp 25 kwietnia 2015 r . ) .
Komisja Klimatologii, " Press Release n o 956 " , Światowa Organizacja Meteorologiczna ,13 września 2012(dostęp 26 września 2012 r . ) .
„ Pleśnie ”
„ Porady lekarzy dotyczące powietrza w pomieszczeniach ”
(w) Lawrence E. Williams i John A. Bargh, Doświadczanie ciepła fizycznego promuje ciepło interpersonalne , Science 24 października 2008, tom. 322 n O 5901, str. 606-607, DOI : 10.1126 / nauka.1162548