Jeder Mensch wird jeden Tag mit dem Begriff Temperatur konfrontiert. Der Begriff ist fest in unserem Alltag verankert: Wir erhitzen Speisen in der Mikrowelle oder garen Speisen im Backofen, interessieren uns für das Wetter draußen oder finden heraus, ob das Wasser im Fluss k alt ist – all das hängt eng mit diesem Begriff zusammen. Und was ist Temperatur, was bedeutet diese physikalische Größe, wie wird sie gemessen? Diese und weitere Fragen beantworten wir im Artikel.
Physikalische Größe
Lassen Sie uns überlegen, was die Temperatur aus der Sicht eines isolierten Systems im thermodynamischen Gleichgewicht ist. Der Begriff stammt aus dem Lateinischen und bedeutet „richtiges Mischen“, „Normalzustand“, „Verhältnismäßigkeit“. Dieser Wert charakterisiert den Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts eines beliebigen makroskopischen Systems. Wenn ein isoliertes System aus dem Gleichgewicht gerät, findet im Laufe der Zeit ein Energieübergang von stärker erhitzten zu weniger erhitzten Objekten statt. Das Ergebnis ist ein Temperaturausgleich (Änderung) im gesamten System. Dies ist das erste Postulat (Nullprinzip) der Thermodynamik.
Temperatur bestimmtVerteilung der Bestandteile des Systems nach Energieniveaus und Geschwindigkeiten, Ionisationsgrad von Substanzen, Eigenschaften der elektromagnetischen Gleichgewichtsstrahlung von Körpern, volumetrische Gesamtdichte der Strahlung. Da für ein System, das sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindet, die aufgeführten Parameter gleich sind, werden sie üblicherweise als Temperatur des Systems bezeichnet.
Plasma
Neben Gleichgewichtskörpern gibt es Systeme, bei denen der Zustand durch mehrere Temperaturwerte gekennzeichnet ist, die einander nicht gleich sind. Plasma ist ein gutes Beispiel. Es besteht aus Elektronen (leicht geladene Teilchen) und Ionen (schwer geladene Teilchen). Wenn sie kollidieren, wird Energie schnell von Elektron zu Elektron und von Ion zu Ion übertragen. Aber zwischen heterogenen Elementen gibt es einen langsamen Übergang. Das Plasma kann sich in einem Zustand befinden, in dem die Elektronen und Ionen einzeln nahezu im Gleichgewicht sind. In diesem Fall können getrennte Temperaturen für jede Art von Partikeln genommen werden. Diese Parameter unterscheiden sich jedoch voneinander.
Magnete
In Körpern, in denen Teilchen ein magnetisches Moment haben, erfolgt die Energieübertragung normalerweise langsam: von translatorischen zu magnetischen Freiheitsgraden, die mit der Möglichkeit verbunden sind, die Richtung des Moments zu ändern. Es stellt sich heraus, dass es Zustände gibt, in denen der Körper durch eine Temperatur gekennzeichnet ist, die nicht mit dem kinetischen Parameter übereinstimmt. Sie entspricht der Translationsbewegung von Elementarteilchen. Die magnetische Temperatur bestimmt einen Teil der inneren Energie. Es kann entweder positiv sein oderNegativ. Während des Ausrichtungsprozesses wird Energie von Partikeln mit einem höheren Wert auf Partikel mit einem niedrigeren Temperaturwert übertragen, wenn sie beide positiv oder negativ sind. Andernfalls verläuft dieser Vorgang in die entgegengesetzte Richtung – die negative Temperatur ist „höher“als die positive.
Warum ist das notwendig?
Das Paradoxe liegt darin, dass der durchschnittliche Mensch, um den Messvorgang sowohl im Alltag als auch in der Industrie durchzuführen, nicht einmal wissen muss, was die Temperatur ist. Es wird ihm genügen zu verstehen, dass dies der Erwärmungsgrad eines Objekts oder einer Umgebung ist, zumal wir mit diesen Begriffen seit unserer Kindheit vertraut sind. Tatsächlich messen die meisten praktischen Geräte, die zur Messung dieses Parameters entwickelt wurden, tatsächlich andere Eigenschaften von Substanzen, die sich mit dem Grad der Erwärmung oder Abkühlung ändern. Zum Beispiel Druck, elektrischer Widerstand, Volumen usw. Außerdem werden solche Messwerte manuell oder automatisch auf den gewünschten Wert umgerechnet.
Es stellt sich heraus, dass man zur Bestimmung der Temperatur kein Physikstudium braucht. Die Mehrheit der Bevölkerung unseres Planeten lebt nach diesem Prinzip. Läuft der Fernseher, braucht man die Einschwingvorgänge von Halbleiterbauelementen nicht zu verstehen, zu studieren, woher der Strom in der Steckdose kommt oder wie das Signal an der Satellitenschüssel ankommt. Die Leute sind daran gewöhnt, dass es in jedem Bereich Spezialisten gibt, die das System reparieren oder debuggen können. Der Laie will sein Gehirn nicht strapazieren, denn wo lässt es sich besser schlürfend eine Seifenoper oder Fußball auf der „Kiste“anschauenk altes Bier.
Ich möchte wissen
Aber es gibt Menschen, meistens Studenten, die entweder aus Neugier oder aus Notwendigkeit gezwungen sind, Physik zu studieren und herauszufinden, was die Temperatur wirklich ist. Infolgedessen geraten sie bei ihrer Suche in die Wildnis der Thermodynamik und studieren ihren Nullsatz, ihren ersten und zweiten Hauptsatz. Darüber hinaus muss ein neugieriger Geist Carnot-Zyklen und Entropie verstehen. Und am Ende seiner Reise wird er sicherlich zugeben, dass die Definition der Temperatur als Parameter eines reversiblen thermischen Systems, das nicht von der Art des Arbeitsstoffs abhängt, das Gefühl dieses Konzepts nicht klarer machen wird. Und trotzdem wird der sichtbare Teil in einigen Graden vom internationalen Einheitensystem (SI) akzeptiert.
Temperatur als kinetische Energie
Mehr "greifbar" ist der Ansatz, der als molekularkinetische Theorie bezeichnet wird. Es bildet die Idee, dass Wärme als eine der Energieformen betrachtet wird. Beispielsweise erweist sich die kinetische Energie von Molekülen und Atomen, ein über eine große Zahl sich zufällig bewegender Teilchen gemittelter Parameter, als ein Maß für das, was gemeinhin als Temperatur eines Körpers bezeichnet wird. Daher bewegen sich die Teilchen in einem erhitzten System schneller als in einem k alten.
Da der betrachtete Begriff eng mit der durchschnittlichen kinetischen Energie einer Gruppe von Teilchen zusammenhängt, wäre es naheliegend, das Joule als Temperatureinheit zu verwenden. Dies geschieht jedoch nicht, was dadurch erklärt wird, dass die Energie der thermischen Bewegung elementar istPartikel ist im Verhältnis zum Joule sehr klein. Daher ist seine Verwendung unbequem. Thermische Bewegung wird in Einheiten gemessen, die mit Hilfe eines speziellen Umrechnungsfaktors von Joule abgeleitet werden.
Temperatureinheiten
Heute werden drei Basiseinheiten verwendet, um diesen Parameter anzuzeigen. In unserem Land wird die Temperatur normalerweise in Grad Celsius gemessen. Diese Maßeinheit basiert auf dem Gefrierpunkt von Wasser – ein absoluter Wert. Sie ist der Ausgangspunkt. Das heißt, die Temperatur des Wassers, bei der sich Eis zu bilden beginnt, ist Null. Als exemplarische Maßnahme dient hier Wasser. Diese Konvention wurde der Einfachheit halber übernommen. Der zweite Absolutwert ist die Dampftemperatur, also der Moment, in dem Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht.
Die nächste Einheit ist Kelvin. Als Bezugspunkt dieses Systems gilt der absolute Nullpunkt. Ein Grad Kelvin entspricht also einem Grad Celsius. Der Unterschied ist nur der Beginn des Countdowns. Wir erh alten, dass Null in Kelvin minus 273,16 Grad Celsius entspricht. 1954 wurde auf der Generalkonferenz für Maß und Gewicht beschlossen, die Bezeichnung „Grad Kelvin“für die Temperatureinheit durch „Kelvin“zu ersetzen.
Die dritte gemeinsame Maßeinheit ist Fahrenheit. Bis 1960 waren sie in allen englischsprachigen Ländern weit verbreitet. Allerdings wird diese Einheit heute im Alltag in den Vereinigten Staaten verwendet. Das System unterscheidet sich grundlegend von den oben beschriebenen. Als Ausgangspunkt genommenGefrierpunkt einer Mischung aus Salz, Ammoniak und Wasser im Verhältnis 1:1:1. Auf der Fahrenheit-Skala liegt der Gefrierpunkt von Wasser also bei plus 32 Grad und der Siedepunkt bei plus 212 Grad. In diesem System entspricht ein Grad 1/180 der Differenz zwischen diesen Temperaturen. Der Bereich von 0 bis +100 Grad Fahrenheit entspricht also dem Bereich von -18 bis +38 Celsius.
Absolute Nulltemperatur
Lassen Sie uns verstehen, was dieser Parameter bedeutet. Der absolute Nullpunkt ist die Grenztemperatur, bei der der Druck eines idealen Gases bei einem festen Volumen verschwindet. Dies ist der niedrigste Wert in der Natur. Wie Mikhailo Lomonosov vorhergesagt hat, "ist dies der größte oder letzte Kältegrad". Daraus folgt das chemische Gesetz von Avogadro: Gleiche Volumina von Gasen bei gleicher Temperatur und gleichem Druck enth alten die gleiche Anzahl von Molekülen. Was folgt daraus? Es gibt eine Mindesttemperatur eines Gases, bei der sein Druck oder Volumen verschwindet. Dieser Absolutwert entspricht null Kelvin oder 273 Grad Celsius.
Einige interessante Fakten über das Sonnensystem
Die Temperatur auf der Sonnenoberfläche erreicht 5700 Kelvin und im Zentrum des Kerns 15 Millionen Kelvin. Die Planeten des Sonnensystems unterscheiden sich sehr stark in ihrer Erwärmung. Die Temperatur im Kern unserer Erde ist also etwa gleich hoch wie auf der Sonnenoberfläche. Jupiter gilt als der heißeste Planet. Die Temperatur im Zentrum seines Kerns ist fünfmal höher als an der Sonnenoberfläche. Und hier ist der niedrigste Wert des Parametersauf der Mondoberfläche gemessen - es waren nur 30 Kelvin. Dieser Wert ist sogar niedriger als auf der Oberfläche von Pluto.
Erde Fakten
1. Die höchste von einem Menschen gemessene Temperatur betrug 4 Milliarden Grad Celsius. Dieser Wert ist 250-mal höher als die Kerntemperatur der Sonne. Der Rekord wurde vom New Yorker Brookhaven Natural Laboratory im etwa 4 Kilometer langen Ionencollider aufgestellt.
2. Auch die Temperatur auf unserem Planeten ist nicht immer ideal und angenehm. In der Stadt Werchnojansk in Jakutien zum Beispiel sinkt die Temperatur im Winter auf minus 45 Grad Celsius. Aber in der äthiopischen Stadt Dallol ist die Situation umgekehrt. Dort liegt die Jahresdurchschnittstemperatur bei plus 34 Grad.
3. Die extremsten Bedingungen, unter denen Menschen arbeiten, sind in Goldminen in Südafrika zu verzeichnen. Bergleute arbeiten in drei Kilometern Tiefe bei einer Temperatur von plus 65 Grad Celsius.
