Ikviens cilvēks katru dienu saskaras ar temperatūras jēdzienu. Termins ir stingri ienācis mūsu ikdienā: sildam ēdienu mikroviļņu krāsnī vai gatavojam cepeškrāsnī, interesējamies par laikapstākļiem ārā vai uzzinām, vai ūdens upē ir auksts – tas viss ir cieši saistīts ar šo jēdzienu. Un kas ir temperatūra, ko nozīmē šis fiziskais parametrs, kādā veidā to mēra? Uz šiem un citiem jautājumiem atbildēsim rakstā.
Fiziskais daudzums
Apskatīsim, kāda ir temperatūra no izolētas sistēmas viedokļa termodinamiskā līdzsvarā. Termins nāk no latīņu valodas un nozīmē "pareiza sajaukšana", "normāls stāvoklis", "proporcionalitāte". Šī vērtība raksturo jebkuras makroskopiskas sistēmas termodinamiskā līdzsvara stāvokli. Gadījumā, ja izolēta sistēma ir ārpus līdzsvara, laika gaitā notiek enerģijas pāreja no vairāk apsildāmiem objektiem uz mazāk apsildāmiem objektiem. Rezultāts ir temperatūras izlīdzināšana (izmaiņa) visā sistēmā. Šis ir pirmais termodinamikas postulāts (nulles princips).
Temperatūra nosakasistēmu veidojošo daļiņu sadalījums pēc enerģijas līmeņiem un ātrumiem, vielu jonizācijas pakāpe, ķermeņu līdzsvara elektromagnētiskā starojuma īpašības, kopējais starojuma tilpuma blīvums. Tā kā sistēmai, kas atrodas termodinamiskā līdzsvarā, uzskaitītie parametri ir vienādi, tos parasti sauc par sistēmas temperatūru.
Plazma
Bez līdzsvara ķermeņiem ir sistēmas, kurās stāvokli raksturo vairākas temperatūras vērtības, kas nav vienādas viena ar otru. Plazma ir labs piemērs. Tas sastāv no elektroniem (viegli lādētas daļiņas) un joniem (smagi lādētas daļiņas). Kad tie saduras, enerģija ātri pāriet no elektrona uz elektronu un no jona uz jonu. Bet starp neviendabīgiem elementiem notiek lēna pāreja. Plazma var būt stāvoklī, kurā elektroni un joni atsevišķi atrodas tuvu līdzsvaram. Šajā gadījumā katram daļiņu veidam var ņemt atsevišķu temperatūru. Tomēr šie parametri atšķirsies viens no otra.
Magnēti
Ķermeņos, kuros daļiņām ir magnētiskais moments, enerģijas pārnešana parasti notiek lēni: no translācijas uz magnētiskajām brīvības pakāpēm, kas saistītas ar iespēju mainīt momenta virzienus. Izrādās, ka ir stāvokļi, kuros ķermenim raksturīga temperatūra, kas nesakrīt ar kinētisko parametru. Tas atbilst elementārdaļiņu translācijas kustībai. Magnētiskā temperatūra nosaka daļu iekšējās enerģijas. Tas var būt gan pozitīvs, gannegatīvs. Izlīdzināšanas procesā enerģija tiks pārnesta no daļiņām ar lielāku vērtību uz daļiņām ar zemāku temperatūras vērtību, ja tās ir pozitīvas vai negatīvas. Pretējā gadījumā šis process turpināsies pretējā virzienā - negatīvā temperatūra būs "augstāka" par pozitīvo.
Kāpēc tas ir vajadzīgs?
Paradokss slēpjas apstāklī, ka vidusmēra cilvēkam, lai veiktu mērīšanas procesu gan ikdienā, gan rūpniecībā, nemaz nav jāzina, kas ir temperatūra. Pietiks, lai viņš saprastu, ka tā ir objekta vai vides sasilšanas pakāpe, jo īpaši tāpēc, ka šie termini mums ir pazīstami kopš bērnības. Patiešām, lielākā daļa praktisko ierīču, kas paredzētas šī parametra mērīšanai, faktiski mēra citas vielu īpašības, kas mainās līdz ar sildīšanas vai dzesēšanas līmeni. Piemēram, spiediens, elektriskā pretestība, tilpums utt. Turklāt šādi rādījumi tiek manuāli vai automātiski pārveidoti vēlamajā vērtībā.
Izrādās, ka temperatūras noteikšanai nav jāmācās fizika. Lielākā daļa mūsu planētas iedzīvotāju dzīvo pēc šī principa. Ja televizors ir ieslēgts, tad nav jāsaprot pusvadītāju ierīču pārejas procesi, jāpēta, no kurienes kontaktligzdā nāk elektrība vai kā signāls nonāk satelītantenā. Cilvēki ir pieraduši, ka katrā jomā ir speciālisti, kas var labot vai atkļūdot sistēmu. Lajam negribas sasprindzināt smadzenes, jo kur labāk malkojot skatīties ziepju operu vai futbolu uz "kastes"auksts alus.
Es gribu zināt
Bet ir cilvēki, visbiežāk studenti, kuri vai nu ziņkārības dēļ, vai nepieciešamības dēļ ir spiesti studēt fiziku un noteikt, kāda īsti ir temperatūra. Rezultātā viņi savos meklējumos iekrīt termodinamikas savvaļā un pēta tās nulles, pirmo un otro likumu. Turklāt zinātkāram prātam būs jāsaprot Kārno cikli un entropija. Un ceļojuma beigās viņš noteikti atzīs, ka temperatūras kā atgriezeniskas termiskās sistēmas parametra definīcija, kas nav atkarīga no darba vielas veida, skaidrību šī jēdziena izjūtai nedos. Un tomēr redzamā daļa būs daži grādi, ko pieņem starptautiskā mērvienību sistēma (SI).
Temperatūra kā kinētiskā enerģija
"Taustāmāka" ir pieeja, ko sauc par molekulāri kinētisko teoriju. Tas veido priekšstatu, ka siltums tiek uzskatīts par vienu no enerģijas veidiem. Piemēram, molekulu un atomu kinētiskā enerģija, parametrs, kas aprēķināts vidēji lielam skaitam nejauši kustīgu daļiņu, izrādās mērs tam, ko parasti sauc par ķermeņa temperatūru. Tādējādi apsildāmās sistēmas daļiņas pārvietojas ātrāk nekā aukstās.
Tā kā aplūkotais termins ir cieši saistīts ar daļiņu grupas vidējo kinētisko enerģiju, būtu gluži dabiski izmantot džoulu kā temperatūras vienību. Tomēr tas nenotiek, kas izskaidrojams ar to, ka elementāra siltuma kustības enerģijadaļiņas ir ļoti mazas attiecībā pret džoulu. Tāpēc tā lietošana ir neērta. Termisko kustību mēra vienībās, kas iegūtas no džouliem, izmantojot īpašu konversijas koeficientu.
Temperatūras vienības
Šodien šī parametra attēlošanai tiek izmantotas trīs pamatvienības. Mūsu valstī temperatūru parasti mēra pēc Celsija grādiem. Šīs mērvienības pamatā ir ūdens sasalšanas punkts – absolūtā vērtība. Viņa ir sākuma punkts. Tas ir, ūdens temperatūra, kurā sāk veidoties ledus, ir nulle. Šajā gadījumā ūdens kalpo kā priekšzīmīgs pasākums. Šī konvencija ir pieņemta ērtības labad. Otrā absolūtā vērtība ir tvaika temperatūra, tas ir, brīdis, kad ūdens no šķidra stāvokļa pāriet gāzveida stāvoklī.
Nākamā mērvienība ir Kelvins. Šīs sistēmas atskaites punkts tiek uzskatīts par absolūtās nulles punktu. Tātad, viens Kelvina grāds ir vienāds ar vienu grādu pēc Celsija. Atšķirība ir tikai atpakaļskaitīšanas sākums. Mēs iegūstam, ka nulle Kelvinos būs vienāda ar mīnus 273,16 grādiem pēc Celsija. 1954. gadā Ģenerālajā svaru un mēru konferencē tika nolemts terminu "kelvina grāds" temperatūras mērvienībai aizstāt ar "kelvinu".
Trešā izplatītā mērvienība ir Fārenheita mērvienība. Līdz 1960. gadam tos plaši izmantoja visās angliski runājošās valstīs. Tomēr šodien ikdienas dzīvē Amerikas Savienotajās Valstīs izmantojiet šo vienību. Sistēma būtiski atšķiras no iepriekš aprakstītajām. Ņemts par sākumpunktusasalšanas temperatūra sāls, amonjaka un ūdens maisījumam attiecībā 1:1:1. Tātad, pēc Fārenheita skalas, ūdens sasalšanas temperatūra ir plus 32 grādi, bet viršanas temperatūra ir plus 212 grādi. Šajā sistēmā viens grāds ir vienāds ar 1/180 no šo temperatūru starpības. Tātad diapazons no 0 līdz +100 grādiem pēc Fārenheita atbilst diapazonam no -18 līdz +38 pēc Celsija.
Absolūtā nulles temperatūra
Sapratīsim, ko nozīmē šis parametrs. Absolūtā nulle ir ierobežojošā temperatūra, kurā ideālās gāzes spiediens izzūd noteiktā tilpumā. Tā ir zemākā vērtība dabā. Kā prognozēja Mihailo Lomonosovs, "šī ir lielākā vai pēdējā aukstuma pakāpe". No tā izriet Avogadro ķīmiskais likums: vienādos daudzumos gāzu vienā temperatūrā un spiedienā ir vienāds skaits molekulu. Kas no tā izriet? Pastāv minimālā gāzes temperatūra, kurā tās spiediens vai tilpums izzūd. Šī absolūtā vērtība atbilst nullei Kelvina jeb 273 grādiem pēc Celsija.
Daži interesanti fakti par Saules sistēmu
Temperatūra uz Saules virsmas sasniedz 5700 Kelvinu, bet kodola centrā - 15 miljonus Kelvinu. Saules sistēmas planētas ļoti atšķiras viena no otras apkures līmeņa ziņā. Tātad mūsu Zemes kodola temperatūra ir aptuveni tāda pati kā uz Saules virsmas. Jupiters tiek uzskatīts par karstāko planētu. Temperatūra tās kodola centrā ir piecas reizes augstāka nekā Saules virsmā. Un šeit ir parametra zemākā vērtībareģistrēts uz Mēness virsmas – tie bija tikai 30 kelvini. Šī vērtība ir pat zemāka nekā uz Plutona virsmas.
Zemes fakti
1. Augstākā cilvēka reģistrētā temperatūra bija 4 miljardi grādu pēc Celsija. Šī vērtība ir 250 reizes augstāka par Saules kodola temperatūru. Rekordu uzstādīja Ņujorkas Brukhavenas dabas laboratorija jonu paātrinātājā, kura garums ir aptuveni 4 kilometri.
2. Arī temperatūra uz mūsu planētas ne vienmēr ir ideāla un ērta. Piemēram, Verhnojanskas pilsētā Jakutijā temperatūra ziemā nokrītas līdz mīnus 45 grādiem pēc Celsija. Taču Etiopijas pilsētā Dalolā situācija ir pretēja. Tur gada vidējā temperatūra ir plus 34 grādi.
3. Ekstrēmākie apstākļi, kādos cilvēki strādā, reģistrēti zelta raktuvēs Dienvidāfrikā. Kalnrači strādā trīs kilometru dziļumā plus 65 grādu temperatūrā pēc Celsija.
