Temperatura absolutna

Nazywana temperaturą bezwzględną to pomiar temperatury, który przyjmuje temperaturę zera absolutnego jako źródło. Skala pomiaru może być dowolna, a wszystkie skale są równoważne do mnożnika. Na przykład skala Kelvina pochodzi od zera absolutnego i wykorzystuje skalę Celsjusza; Stopnie Rankine'a również pochodzą od zera absolutnego, ale używają skali Fahrenheita. Zmiana z kelwina na stopień Rankine'a jest następująca: K = 5/9 ° Ra.

Pochodzenie bezwzględnych temperatury jest z definicji 0 K lub -273.15 ℃ lub -459.67 ° C .

Historia nauki

Obserwacje Amontonów

W 1702 roku Guillaume Amontons po raz pierwszy zaproponował ideę zera absolutnego . Twierdzi, że ciśnienie określonej ilości gazu zamkniętego w danej objętości wzrasta o około jedną trzecią, gdy zmienia się od temperatury „zimnej” do temperatury wrzącej wody. Dochodzi do wniosku, że wystarczające obniżenie temperatury spowodowałoby brak ciśnienia.

Obserwacje Amontona nie tylko prowadzą do ustalenia pierwotnej temperatury, ale podawane przez niego wskazówki dotyczące ewolucji ciśnienia przy zmianach temperatury pozwalają obliczyć przybliżoną wartość zera absolutnego:

Interpretacja obserwacji Amontonów

Guillaume Amontons zauważa, że „ciśnienie określonej ilości gazu zamkniętego w danej objętości wzrasta o około jedną trzecią, gdy temperatura przechodzi z„ zimnej ”do temperatury wrzącej wody. "

Rozważmy prawo gazu doskonałego:

PV = NRT

jest :

P = {\ frac {NR} {V}} T

Upstream eksperymenty na danej ilości gazu w danej objętości, a więc:

P = CT

gdzie C jest stałą. Zmienia temperaturę z wartości t 1 na wartość t 2, a ciśnienie zmienia się od P 1 do P 2 . Ponieważ zero na skali temperatury jest dowolne, zmierzmy temperatury ze źródła Z , takiego, że T = t - Z, i znajdź wartość Z, która weryfikuje pomiary. Z poprzedniego wzoru wnioskujemy, że:

{\ frac {P_ {2}} {P_ {1}}} = {\ frac {t_ {2} -Z} {t_ {1} -Z}}

Aby zilustrować obliczenia, temperaturę t mierzy się w stopniach Celsjusza. Załóżmy, że temperatura „zimna” Amontonów wynosi 0 ℃, a temperatura wrzącej wody 100–100. Nadajmy zmiennym ich wartość:

{\ frac {4} {3}} = {\ frac {100-Z} {- Z}}

Upraszczając tę równość, znajdujemy: Z = -300 co stanowi niezwykle dokładne oszacowanie zera absolutnego w stopniach Celsjusza, biorąc pod uwagę nieprecyzyjność wskazań Amontona. Obliczenie to jest niezależne od skali termometrycznej. Tę samą przybliżoną wartość zera absolutnego w stopniach Fahrenheita uzyskuje się , wyrażając dane w skali Fahrenheita.

Charles Law

Eksperymenty Charlesa , podobnie jak Amontona, koncentrują się na zależności między ciśnieniem a temperaturą danej objętości zawierającej określoną ilość gazu. Prawo Karola , założona w 1787 roku, została opublikowana przez Gay-Lussac w 1802 roku stwierdzi, że ciśnienie jest proporcjonalne do temperatury przewidzianej dodać do niego stałą Z. Clapeyron , w 1830, łączy w sobie prawo Charles i że z Gay-Lussac ustalenie prawa gazów doskonałych . Jego pierwsze prace dają Z wartość 267. Poprawa pomiarów doprowadzi do nadania Z wartości 273,15.

Kinetyczna teoria gazów

Kinetyczna teoria gazów , niezależnie stworzony przez sierpnia Kronig (1856) i Rudolfa Clausiusa (1857), a następnie niezależnie opracowanej przez Jamesa Maxwella i Ludwiga Boltzmanna (1866), nadaje sens pojęciu temperatury. Mierzy energię kinetyczną wzbudzenia cząstek (atomów lub cząsteczek) gazu. Gdyby udało się całkowicie wyeliminować mieszanie cząstek gazu, mierzona temperatura wynosiłaby zero; z definicji jest to zero absolutne , źródło pomiaru temperatury bezwzględnej. Zero absolutne to fizyczna granica, do której można się zbliżyć, nie osiągając jej.

Kinetyczna teoria gazów ustaliła prostą zależność między energią kinetyczną wzbudzenia cząstek a temperaturą absolutną:

\ overline {E_ {c}} = {\ frac {3} {2}} k_ {B} T

gdzie k B jest stałą Boltzmanna . Mówimy wtedy o temperaturze termodynamicznej .

Bezwzględny pomiar temperatury

W termodynamice , pojęcie absolutnej temperatury zmienia temperaturę od statusu ilościach wykrywalnych do tej w mierzalnej ilości . Definicja temperatury bezwzględnej podana przez Międzynarodowe Biuro Miar i Wag (BIPM) opiera się na badaniu gazów rzeczywistych przy niskich ciśnieniach i na prawie Avogadro (znanym również jako prawo gazu doskonałego).

To prawo daje:

T = {\ frac {PV} {NR}}

gdzie T jest temperaturą bezwzględną; P to ciśnienie: V objętość; N liczbę moli i R uniwersalną stałą gazów doskonałych , której wartość jest stała przez BIPM. Pomiar temperatury bezwzględnej T sprowadza się zatem do pomiaru P , V i n .

W praktyce gazy rzeczywiste odbiegają od gazów doskonałych, a zależność, jaką należy uwzględnić w niskich temperaturach, ma postać:

T = {\ frac {P} {R}} \ left [{\ frac {V} {N}} - b (T) \ right]

gdzie b jest empirycznym współczynnikiem zależnym od temperatury.

Dlatego konieczna jest ekstrapolacja pomiarów, gdy P i T dążą do zera, w przeciwnym razie pomiar będzie obarczony systematycznym błędem.

Termometria

Konstrukcja termometrów gazowych napotyka na trudności praktyczne. Hel nie nadaje się do użytku ze względu na błąd adsorpcji na ścianach pojemnika; termometr wodoru jest trudny w użyciu. Dlatego zaleca się kalibrację powtarzalnych i czułych termometrów raz na zawsze, aby zapewnić trwałość pomiarów temperatury. Mówimy, że stworzyliśmy skalę „reprezentacji T ”.

Powiązane artykuły

Uwagi i odniesienia

Uwagi

Wyrażenie „stopień Kelvina” jest przestarzałe od 1967 roku.

Bibliografia

Émile Clapeyron , „ Memoir on the motive power of heat ”, Journal de l'École Polytechnique , vol. XIV,1834, s. 153–90 ( czytaj online ).
(De) August Krönig , " Grundzüge einer Theorie der Gase " , Annalen der Physik , vol. 99 N O 10, 1856, s. 315–22 ( czytaj online )
(De) Rudolf Clausius , „ Ueber die Art der Bewegung, welche wir Wärme nennen ” , Annalen der Physik und Chemie , vol. 176 n O 3, 1857, s. 353–79 ( czytaj online )
(w) James Clerk Maxwell , Matter and Motion , New York, The Lacmillan Co., 1920, 194 s. ( czytaj online )
(De) Ludwig Boltzmann , Wissenschaftliche Abhandlungen , vol. Ja, Lipsk, F. Hasenöhrl, 1909, 25 s. artykuł nr 2
Pomiar temperatury w szerokim zakresie określony jest przez BIPM w standardzie ITS-90 .