Temperaturen er en størrelse som refereres til forestillingen om målbar varme ved hjelp av et termometer . I fysikk er det definert som en skalar størrelse relatert til den indre energien til et termodynamisk system, definert av nullprinsippet for termodynamikk . Mer spesifikt er det direkte relatert til den delen av den indre energien kjent som kinetisk energi , som er energien assosiert med bevegelsene til partiklene i systemet, enten i translasjons- eller rotasjonsforstand, eller i form av vibrasjoner . Ettersom den kinetiske energien til et system er større, observeres det at det er "varmere"; det vil si at temperaturen er høyere.
Når det gjelder et fast stoff , viser de aktuelle bevegelsene seg å være vibrasjonene til partiklene på deres steder i faststoffet. I tilfellet med en monoatomisk ideell gass er det translasjonsbevegelsene til partiklene (for multiatomiske gasser må rotasjons- og vibrasjonsbevegelsene også tas i betraktning).
Utviklingen av teknikker for å måle temperatur har gått gjennom en lang historisk prosess, siden det er nødvendig å gi en numerisk verdi til en intuitiv idé som varm eller kald.
En rekke fysisk- kjemiske egenskaper til materialer eller stoffer varierer avhengig av temperaturen de finnes ved, for eksempel deres tilstand ( fast , flytende , gass , plasma ), deres volum , løselighet , damptrykk , deres farge eller elektrisk ledningsevne . Det er også en av faktorene som påvirker hastigheten der kjemiske reaksjoner finner sted .
Temperaturen måles med termometre , som kan kalibreres i henhold til en rekke skalaer som gir opphav til temperaturmålingsenheter. I det internasjonale enhetssystemet er temperaturenheten kelvin (K), og den tilsvarende skalaen er kelvinskalaen eller absolutt skala , som assosierer verdien "null kelvin" (0 K) med " absolutt null ", og er uteksaminert med en gradstørrelse lik den for Celsius-graden . Men utenfor det vitenskapelige feltet er bruk av andre temperaturskalaer vanlig. Den mest brukte skalaen er Celsius -skalaen , kalt "celsius", og i mye mindre grad, og praktisk talt bare i USA , Fahrenheit - skalaen .
Temperatur er den fysiske egenskapen som refererer til de vanlige forestillingene om varme eller fravær av varme, men dens formelle betydning i termodynamikk er mer kompleks. Termodynamisk snakker vi om gjennomsnittshastigheten eller den kinetiske energien (bevegelsen) til partiklene til molekylene, og ved høye temperaturer er hastigheten til partiklene høy, ved absolutt null har partiklene ingen bevegelse. Ofte har varmen eller kulden som oppfattes av folk mer med vindavkjøling å gjøre ( se nedenfor) enn med den faktiske temperaturen. I utgangspunktet er temperatur en egenskap som fysiske systemer besitter på makroskopisk nivå, som har en årsak på mikroskopisk nivå, som er gjennomsnittlig energi per partikkel. Og for tiden, i motsetning til andre termodynamiske størrelser som varme eller entropi, hvis mikroskopiske definisjoner er gyldige langt fra termisk likevekt , kan temperaturen bare måles ved likevekt, nettopp fordi den er definert som et gjennomsnitt.
Temperaturen er nært knyttet til den indre energien og entalpien til et system: jo høyere temperatur, desto høyere er den indre energien og entalpien til systemet.
Temperatur er en intensiv egenskap , det vil si at den ikke avhenger av størrelsen på systemet, men det er snarere en egenskap som er iboende for det og ikke avhenger av mengden stoff eller materialet det er sammensatt av.
Før du gir en formell definisjon av temperatur, er det nødvendig å forstå begrepet termisk likevekt . Hvis to deler av et system kommer i termisk kontakt, vil det sannsynligvis oppstå endringer i egenskapene til begge. Disse endringene skyldes overføring av energi i form av varme mellom delene. For at et system skal være i termisk likevekt, må det nå det punktet hvor det ikke lenger er en netto utveksling av energi i form av varme mellom delene, og ingen av egenskapene som er avhengig av temperatur må endres.
En definisjon av temperatur kan fås fra termodynamikkens nulllov , som sier at hvis to systemer A og B er i termisk likevekt, med et tredje system C, vil systemene A og B være i termisk likevekt med hverandre. [ 1 ] Dette er et empirisk faktum snarere enn et teoretisk resultat. Siden systemene A, B og C alle er i termisk likevekt, er det rimelig å si at de deler en felles verdi av en fysisk egenskap. Vi kaller denne egenskapen temperatur .
For at denne definisjonen skal være nyttig, er det imidlertid nødvendig å utvikle et instrument som er i stand til å gi en kvantitativ mening til den kvalitative forestillingen om den egenskapen som vi forutsetter at systemene A og B deler. Tallrike forsøk har blitt gjort gjennom historien, men for tiden systemet oppfunnet av Anders Celsius i 1742 og det som ble oppfunnet av William Thomson (bedre kjent som Lord Kelvin) i 1848 dominerer .
Det er også mulig å definere temperatur ut fra termodynamikkens andre lov , som sier at entropien til alle systemer enten forblir den samme eller øker med tiden, dette gjelder hele universet som et termodynamisk system. [ 2 ] Entropi er et mål på forstyrrelsen i et system.
Dette konseptet kan forstås i statistiske termer, tenk på en serie med myntkast. Et perfekt ordnet system for serien ville være et der bare hoder eller bare haler. Imidlertid er det flere kombinasjoner der resultatet er en forstyrrelse i systemet, det vil si at det er en brøkdel av hoder og en annen av haler. Et uordnet system kan være et der det er 90 % hoder og 10 % haler, eller 60 % hoder og 40 % haler. Imidlertid er det klart at etter hvert som flere skudd blir tatt, er antallet mulige kombinasjoner som systemet blir uordnet med større; Med andre ord, systemet utvikler seg naturlig mot en tilstand av maksimal uorden, det vil si 50% hoder 50% haler, på en slik måte at enhver variasjon utenfor denne tilstanden er høyst usannsynlig.
For å gi definisjonen av temperatur basert på den andre loven, vil det være nødvendig å introdusere konseptet med en termisk maskin, som er enhver enhet som er i stand til å transformere varme til mekanisk arbeid . Spesielt er det interessant å kjenne til den teoretiske tilnærmingen til Carnot-motoren , som er en termisk motor av teoretisk konstruksjon, som etablerer de teoretiske grensene for effektiviteten til enhver ekte termisk motor.
I enhver termisk motor tilsvarer arbeidet den gjør forskjellen mellom varmen som tilføres den og varmen som forlater den. Derfor er effektiviteten arbeidet utført av motoren delt på varmen som tilføres den:
(1)Hvor W ci er arbeidet som utføres av maskinen i hver syklus. Man ser at effektiviteten kun avhenger av Qi og Qf . Siden Q i og Q f tilsvarer varmen som overføres ved temperaturene T i og T f , er det rimelig å anta at de begge er funksjoner av temperatur:
(to)Det er imidlertid mulig å hensiktsmessig bruke en temperaturskala slik at
(3)Å erstatte ligning (3) i (1) relaterer effektiviteten til maskinen til temperaturen:
(4)Merk at for T f = 0 K blir virkningsgraden 100 %, lavere temperatur gir en virkningsgrad enda større enn 100 %. Siden termodynamikkens første lov forbyr effektiviteten fra å være større enn 100 %, innebærer dette at minimumstemperaturen som kan oppnås i et mikroskopisk system er 0 K. Omorganisering av ligning (4) gir:
(5)Her indikerer det negative fortegnet systemets varmeeffekt. Denne relasjonen antyder eksistensen av en tilstandsfunksjon S definert av:
(6)Der abonnementet indikerer en reversibel prosess. Endringen av denne tilstandsfunksjonen i enhver syklus er null, som kreves for enhver tilstandsfunksjon. Denne funksjonen tilsvarer entropien til systemet, som ble beskrevet ovenfor. Omorganisere følgende ligning for å få en definisjon av temperatur i form av entropi og varme :
(7)For et system hvis entropi er en funksjon av dets indre energi E , er temperaturen gitt av:
(8)Det vil si at den gjensidige av temperaturen til systemet er endringshastigheten til entropien i forhold til energien.
Temperaturmåleskalaer er i utgangspunktet delt inn i to typer, relative og absolutte. Verdiene som temperaturen kan ta på en hvilken som helst måleskala har ikke et maksimumsnivå, men heller et minimumsnivå: absolutt null . [ 3 ] Mens absolutte skalaer er basert på absolutt null, har relative skalaer andre måter å defineres på.
Skalaer som tildeler temperaturverdier på to forskjellige punkter er kjent som topunktsskalaer . Men i studiet av termodynamikk er det nødvendig å ha en måleskala som ikke er avhengig av stoffers egenskaper. Skalaer av denne typen er kjent som absolutte skalaer eller termodynamiske temperaturskalaer .
Basert på notasjonsordningen introdusert i 1967, på General Conference on Weights and Measures (CGPM), ble gradsymbolet offisielt fjernet fra den absolutte temperaturenheten.
International System of Units (SI)Kelvin (K) Kelvinen er den termodynamiske enheten for temperatur, en av basisenhetene til det internasjonale enhetssystem . Siden den 26. generalkonferansen om vekter og mål , holdt i november 2018, er den definert fra Boltzmann-konstanten , som har fått en eksakt tallverdi, uten usikkerhet. [ 4 ] Den er
definert ved å fikse den numeriske verdien av Boltzmanns konstant , k , til 1.380 649 × 10 -23 , når den uttrykkes i enheten J · K -1 , lik kg · m 2 · s -2 · K - 1 , hvor kilogram, meter og sekund er definert som h , c og Δ ν Cs .
Fra den nøyaktige relasjonen k = 1,380 649 × 10 -23 kg m 2 s -2 K -1 får vi uttrykket for kelvin som funksjon av konstantene k , h og Δ ν Cs : Effekten av denne definisjonen er at kelvin er lik den termodynamiske temperaturendringen som gir opphav til en termisk energiendring kT på 1.380 649 × 10 -23 J. Kelvin-skalaen ble tidligere definert av to faste punkter, absolutt null 0 K, og punkttrippelpunktet til vann 273,16 K. Med den nye definisjonen av kelvin opprettholdes et enkelt fast punkt på Kelvin-skalaen, absolutt null, og trippelpunktet til vann er gjenstand for eksperimentell bestemmelse. Forklaringer: Ordet grad eller symbolet º er ikke plassert foran det . Når hele ordet, «kelvin», er skrevet med små bokstaver, med mindre det er begynnelsen på et avsnitt eller en setning.
Rankine (R eller Ra). Skala med gradintervaller tilsvarende Fahrenheit-skalaen, hvis opprinnelse er -459,67 °F. I ubruk.
Følgende formler assosierer de forskjellige temperaturskalaene nøyaktig:
Kelvin | Grader celsius | Grad Fahrenheit | Rankine | Reaumur grad | Romer karakter | grad newton | Delisle karakter | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Kelvin | K = Re + 273,15 | K = (Ro - 7,5) + 273,15 | K = N + 273,15 | K = 373,15 - Fra | ||||
Grader celsius | C = (F - 32) | C = (Ra - 491,67) | C = Re | C = (Ro-7,5) | C=N | C = 100 - Fra | ||
Grad Fahrenheit | - 459,67 | F = C + 32 | F = D + 32 | F = (Ro - 7,5) + 32 | F = N + 32 | F = 212 - Fra | ||
Rankine | Ra = (C + 273,15) | Ra = Re + 491,67 | Ra = (Ro - 7,5) + 491,67 | Ra = N + 491,67 | Ra = 171,67 - De | |||
Reaumur grad | D = C | D = (F - 32) | Re = (Ra - 491,67) | Re = (Ro - 7,5) | Re = N | D = 80 - De | ||
Romer karakter | Ro =(K - 273,15) +7,5 | Ro = C +7,5 | Ro = (F-32) +7,5 | Ro = Ra - 491,67 +7,5 | Ro = Re +7,5 | Ro = N +7,5 | Ro = 60 - Fra | |
grad newton | N=(K-273,15) | N=C | N = (F - 32) | N = (Ra - 491,67) | N = Re | N=(Ro-7,5) | N = 33 - Fra | |
Delisle karakter | Fra = (373,15 - K) | Fra = (100 - C) | Fra = (212 - F) | De = (580,67 - Ra) | Fra = (80 - D) | Fra = (60 - Ro) | Fra = (33 - N) |
På en forenklet måte mellom de fire skalaene som er i kraft, kan følgende ekvivalens brukes:
For en ideell gass bruker den kinetiske teorien om gasser statistisk mekanikk for å relatere temperaturen til den gjennomsnittlige totale energien til atomene i systemet. Denne gjennomsnittlige energien er uavhengig av massen til partiklene, noe som kan virke motintuitivt for mange. Gjennomsnittet av energien er utelukkende relatert til temperaturen i systemet, men hver partikkel har sin egen energi som kan eller ikke tilsvarer gjennomsnittet; fordelingen av energi, (og dermed av partikkelhastigheter) er gitt av Maxwell-Boltzmann-fordelingen . Energien til monoatomiske ideelle gasser er relatert til deres temperatur ved følgende uttrykk:
hvor n , antall mol , R , ideell gasskonstant . I en diatomisk gass er forholdet:
Det er vanskeligere å beregne den kinetiske energien til mer kompliserte objekter som molekyler. Ytterligere frihetsgrader er involvert og må vurderes. Termodynamikkens andre lov sier imidlertid at to systemer som samhandler med hverandre vil oppnå samme gjennomsnittlige energi per partikkel, og derfor samme temperatur.
I en blanding av partikler av flere forskjellige masser vil de mer massive partiklene bevege seg langsommere enn de andre, men fortsatt ha samme gjennomsnittlige energi. Et neonatom beveger seg relativt langsommere enn et hydrogenmolekyl med samme kinetiske energi. En analog måte å forstå dette på er å merke seg at for eksempel støvpartikler suspendert i en vannstrøm beveger seg langsommere enn vannpartikler. For en visuell illustrasjon av dette faktum, se denne lenken . Loven som styrer forskjellen i partikkelhastighetsfordelinger med hensyn til deres masse er den ideelle gassloven .
I det spesielle tilfellet med atmosfæren har meteorologer definert atmosfærisk temperatur (både virtuell og potensiell temperatur ) for å gjøre noen beregninger enklere.
Det er viktig å merke seg at vindkjøling er noe annet enn temperatur som definert i termodynamikk. Den termiske følelsen er et resultat av måten huden oppfatter temperaturen til gjenstander og/eller omgivelsene, som ikke nøyaktig gjenspeiler den virkelige temperaturen til gjenstandene og/eller miljøet. Den termiske følelsen er litt komplisert å måle av forskjellige årsaker:
Av alle disse grunnene avhenger følelsen av komfort av den kombinerte forekomsten av faktorene som bestemmer disse fire typene utveksling: tørr temperatur , strålingstemperatur , fuktig temperatur (som indikerer luftens kapasitet til å slippe inn eller ikke fordampe svette) og lufthastigheten (som påvirker konveksjon og svettefordampning). Forekomsten av overføringstap er liten, med mindre huden, eller deler av den, er i kontakt med kalde gjenstander (bare føtter, et kaldt sete med lite varme klær...).
Det kalles tørr temperatur av luften i et miljø (eller mer enkelt: tørr temperatur ) til temperaturen til luften , uten hensyn til varmestrålingen til objektene som omgir det spesifikke miljøet, og effekten av relativ fuktighet og luftbevegelser. Det kan oppnås med kvikksølvtermometeret , hvis knallhvite, reflekterende pære med rimelighet kan antas å ikke absorbere stråling.
Strålingstemperaturen tar hensyn til varmen som sendes ut av stråling fra de omkringliggende elementene .
Det er tatt med et globustermometer , som har kvikksølvavsetningen eller pæren , innelukket i en svart metallisk kule eller globus , for å gjøre den mest mulig lik en svart kropp og dermed absorbere maksimal stråling.
Målinger kan tas i solen eller i skyggen. I det første tilfellet vil solstråling bli tatt i betraktning, og en mye høyere temperatur vil bli gitt.
Det tjener også til å gi en ide om vindavkjøling .
Den svarte pæretemperaturen utfører en lignende funksjon, og gir kombinasjonen av strålingstemperaturen og omgivelsestemperaturen.
Våtpæretemperatur , eller våttemperatur , er temperaturen gitt av et termometer i skyggen, med pæren pakket inn i en fuktig bomullsveke under et trekk . Luftstrømmen produseres av en liten vifte eller ved å sette termometeret på et hjul og vri det. Når vannet fordamper , absorberer det varme, og senker temperaturen, en effekt som termometeret vil reflektere. Jo lavere relativ luftfuktighet i miljøet, jo raskere vil vannet som bløter kluten fordampe. Denne typen målinger brukes for å gi en ide om vindavkjøling , eller i psykrometre for å beregne relativ fuktighet og duggpunkttemperatur .