Видеоурок: Абсолютная температура
Лекция: Абсолютная температура
Температура, её измерение
Всегда для нас температура была характеристикой теплоты некоторого тела. На самом деле температура характеризуется скоростью движения молекул вещества, в том числе и идеального газа.
Чем большую скорость имеет молекула, следовательно, она обладает большей энергией.
Температура — это среднеквадратическая энергия структурных единиц вещества.
То есть чем больше кинетическая энергия молекул газа, тем выше температура всего вещества.
Измерять температуру можно с помощью специального проградуированного прибора. Впервые такое средство измерительной техники было предложено Фаренгейтом. За начало измерений была взята температура, при которой тает лед из воды и спирта, соединенные в равных количествах. Заканчивалась шкала температурой, при которой кипит вода. Ведь этот диапазон был разделен на 180 равных частей, каждая из которых отвечала изменению температуры на 1 градус.
В середине XVIII столетия ученый Цельсий предложил новую шкалу, начинавшуюся с температуры таяния льда, и заканчивающуюся температурой кипения. Весь диапазон разделил на 100 частей. Данная шкала температур используется до сих пор.
Несмотря на популярность шкалы по Цельсию, за абсолютную шкалу температур во всем мире принимается шкала Кельвина, которая берет свое начало в абсолютном нуле. Абсолютный ноль — 273,15 градуса Цельсия.
Абсолютная температура
Так как температура характеризуется скоростью и энергией молекул, то при абсолютном нуле все молекулы прекращают свое движение.
Абсолютная температура измеряется в Кельвинах: [Т] = 1К.
Чтобы перейти от температуры в Цельсиях к Кельвинам, следует воспользоваться простой формулой:
Например:
Если дана температура в Цельсиях 27 градусов, то чтобы перейти в Кельвины, следует просто добавить стандартную величину: 27 °С + 273 = 300 К.
Если необходимо, наоборот, перейти от Кельвинов к Цельсиям, то фиксированное значение следует отнять:
373 К — 273 = 100°С.
Данная шкала температур удобна тем, что все величины получаются положительными. Абсолютная температура не может быть отрицательной.
Температура
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: тепловое равновесие, абсолютная температура.
Мы часто используем слово «температура» в повседневной речи. А что такое температура? В данной статье мы объясним физический смысл этого понятия.
В молекулярной физике и термодинамике рассматриваются макроскопические тела, т. е. тела, состоящие из огромного числа частиц. Например, в стакане воды содержится порядка 
молекул. Такое грандиозное число с трудом поддаётся осмыслению.
Термодинамическая система
Термодинамической системой называется макроскопическое тело или система тел, которые могут взаимодействовать друг с другом и с окружающими телами. Стакан с водой — пример термодинамической системы.
Термодинамическая система состоит из столь большого числа частиц, что совершенно невозможно описывать её поведение путём рассмотрения движения каждой молекулы в отдельности. Однако именно грандиозность числа молекул делает ненужным такое описание.
Оказывается, что состояние термодинамической системы можно характеризовать небольшим числом макроскопических параметров — величин, относящимся к системе в целом, а не к отдельным атомам или молекулам. Такими макроскопическими параметрами являются давление, объём, температура, плотность, теплоёмкость, удельное сопротивление и др.
Состояние термодинамической системы, при котором все макроскопические параметры остаются неизменными с течением времени, называется тепловым равновесием. В состоянии теплового равновесия прекращаются все макроскопические процессы: диффузия, теплопередача, фазовые переходы химические реакции и т. д.(Следует отметить, что тепловое равновесие является динамическим равновесием. Так, при тепловом равновесии жидкости и её насыщенного пара весьма интенсивно идут взаимные превращения жидкости и пара. Но это — процессы молекулярного масштаба, они происходят с одинаковыми скоростями и компенсируют друг друга. На макроскопическом уровне количество жидкости и пара со временем не меняется).
Термодинамическая система называется изолированной, если она не может обмениваться энергией с окружающими телами. Чай в термосе — типичный пример изолированной системы.
Тепловое равновесие
Фундаментальный постулат, вытекающий из многочисленных опытных данных, гласит: каково бы ни было начальное состояние тел изолированной системы, со временем в ней устанавливается тепловое равновесие. Таким образом, тепловое равновесие — это состояние, в которое любая система, изолированная от окружающей среды, самопроизвольно переходит через достаточно большой промежуток времени.
Температура как раз и является величиной, характеризующей состояние теплового равновесия термодинамической системы.
Температура — это макроскопический параметр, значения которого одинаковы для всех частей термодинамической системы, находящейся в состоянии теплового равновесия. Попросту говоря, температура — это то, что является одинаковым для любых двух тел, которые находятся в тепловом равновесии друг с другом. При тепловом контакте тел с одинаковыми температурами между ними не будет происходить обмен энергией (теплообмен).
В общем же случае при установлении между телами теплового контакта теплообмен начнётся. Говорят, что тело, которое отдаёт энергию, имеет более высокую температуру, а тело, которое получает энергию — более низкую температуру. Температура, таким образом, указывает направление теплообмена между телами. В процессе теплообмена температура первого тела начнёт уменьшаться, температура второго тела — увеличиваться; при выравнивании температур теплообмен прекратится — наступит тепловое равновесие.
Особенность температуры заключается в том, что она не аддитивна: температура тела не равна сумме температур его частей. Этим температура отличается от таких физических величин, как масса, длина или объём. И по этой причине температуру нельзя измерить путём сравнения с эталоном.
Измеряют температуру с помощью термометра.
Для создания термометра выбирают какое-либо вещество (термометрическое вещество), какую-либо характеристику этого вещества (термометрическую величину), и используют зависимость термометрической величины от температуры. При этом выбор термометрического вещества и термометрической величины может быть весьма произвольным.
Так, в бытовых жидкостных термометрах термометрическим веществом является ртуть (или спирт), а термометрической величиной — длина столбика жидкости. Здесь используется линейная зависимость объёма жидкости от температуры.
В идеально-газовых термометрах используется линейная зависимость давления разреженного газа (близкого по своим свойствам к идеальному) от температуры.
Действие электрических термометров (термометров сопротивления) основано на температурной зависимости сопротивления чистых металлов, сплавов и полупроводников.
В процессе измерения температуры термометр приводится в тепловой контакт(В области температур выше 
(раскалённые газы, расплавленные металлы) используются бесконтактные высокотемпературные термометры — пирометры. Их действие основано на измерении интенсивности теплового излучения в оптическом диапазоне.) с телом, температура которого определяется. Показания термометра после наступления теплового равновесия — это и есть температура тела. При этом термометр показывает свою температуру!
Температурная шкала. Абсолютная температура
При установлении единицы температуры чаще всего поступают следующим образом. Берут две температуры (так называемые реперные точки) — температуру таяния льда и температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Первой температуре приписывают значение 
, второй — значение 
, а интервал между ними делят на равных частей. Каждую из частей называют градусом (обозначают 
), а полученную таким образом температурную шкалу — шкалой Цельсия.
При измерениях по шкале Цельсия с помощью жидкостных термометров возникает одна трудность: разные жидкости при изменении температуры изменяют свой объём по-разному. Поэтому два термометра с различными жидкостями, приведённые в тепловой контакт с одним и тем же телом, могут показать разные температуры. От данного недостатка свободны идеально-газовые термометры — зависимость давления разреженного газа от температуры не зависит от вещества самого газа.
Кроме того, для температурной шкалы идеально-газового термометра существует естественное начало отсчёта (исчезает произвол выбора реперной точки!): это та предельно низкая температура, при которой давление идеального газа постоянного объёма обращается в нуль. Эта температура называется абсолютным нулём температур.
Температурная шкала, началом отсчёта которой является абсолютный нуль, а единицей температуры — градус Цельсия, называется абсолютной температурной шкалой.
Температура, измеряемая по абсолютной шкале, называется абсолютной температурой и обозначается буквой 
. Единица абсолютной температуры называется кельвином (
).
Абсолютному нулю (
) соответствует температура 
. Поэтому связь абсолютной температуры и температуры по шкале Цельсия даётся формулой:
В задачах достаточно использовать формулу 
Благодарим за то, что пользуйтесь нашими материалами.
Информация на странице «Температура» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.
Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими статьями из данного раздела.
Публикация обновлена:
08.05.2023
Абсолютная температура — это безусловная мера температуры и одна из главных характеристик термодинамики.
Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры — кельвин (К).
Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры:
абсолютный ноль — наиболее низкая возможная температура, при которой ничего не может быть холоднее и теоретически невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.
Абсолютный ноль определен как 0 K. Что приблизительно равно −273.15 °C. Один Кельвин эквивалентен одному градусу Цельсия (Кельвин не равен одному градусу цельсия)
Абсолютная температура с молекулярно-кинетической точки зрения
Мгновенное состояние системы частиц, участвующих в хаотическом тепловом движении.
Термодинамическая температура с молекулярно-кинетической точки зрения — физическая величина, характеризующая интенсивность хаотического, теплового движения всей совокупности частиц системы и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения одной частицы.
Связь между кинетической энергией, массой и скоростью выражается следующей формулой:
Ek = 1/2m • v 2
Таким образом частицы одинаковой массы и имеющие одинаковую скорость имеют и одинаковую температуру.
Средняя кинетическая энергия частицы связана с термодинамической температурой постоянной Больцмана:
Eср = 3/2kBT
где:
- kB = 1.380 6505(24) × 10−23 Дж/K — постоянная Больцмана
- T — термодинамическая температура, К
Энергия теплового движения при абсолютном нуле
Когда материя охлаждается, многие формы тепловой энергии и связанные с ней эффекты одновременно уменьшаются по величине. Вещество переходит от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному. Газ превращается в жидкость и затем кристаллизуется в твердое тело (гелий и при абсолютном нуле остается в жидком состоянии при атмосферном давлении). Движение атомов и молекул замедляется, их кинетическая энергия уменьшается. Сопротивление большинства металлов падает из-за уменьшения рассеяния электронов на колеблющихся с меньшей амплитудой атомах кристаллической решетки. Таким образом даже при абсолютном нуле электроны проводимости движутся между атомами со скоростью Ферми порядка
1×106м/с.
Температура, при которой частицы вещества имеют минимальное количество движения,
сохраняющееся только благодаря квантовомеханическому движению, — это температура абсолютного нуля (Т = 0К).
Температуры абсолютного нуля достичь невозможно. Наиболее низкая температура 450±80 ×10-12К конденсата Бозе-Эйнштейна атомов натрия была получена в 2003 г. исследователями из МТИ. При этом пик теплового излучения находится в области длин волн порядка 6400 км, то есть примерно радиуса земли.
Температура с термодинамической точки зрения
Существует множество различных шкал температур. Когда-то температура определялась очень произвольно. Мерой температуры служили метки, нанесенные на равных расстояниях на стенах трубочки, в которой при нагревании расширялась вода. Потом решили измерить температуру ртутным термометром и обнаружили, что градусные расстояния не одинаковы. В термодинамике дается определение температуры, не зависящее от каких-либо частных свойств вещества.
Введем функцию f(T), которая не зависит от свойств вещества. Из термодинамики следует, что:
Если какая-то тепловая машина, поглощая количество теплоты Q1 при T1 выделяет тепло Qs при температуре в один градус, а другая машина, поглотив тепло Q2 при T2, выделяет то же самое тепло Qs при температуре в один градус, то машина, поглощающая Q1 при T1 должна при температуре T2 выделять тепло Q2.
Конечно, между теплом Q и температурой T существует зависимость и тепло Q1 должно быть пропорционально Qs. Таким образом, каждому количеству тепла Qs, выделенного при температуре в один градус, соответствует количество тепла, поглощенного машиной при температуре T, равное Qs, умноженному на некоторую возрастающую функцию f температуры:
- Q=Qsf(T)
Поскольку найденная функция возрастает с температурой, то можно считать, что она сама по себе измеряет температуру, начиная со стандартной температуры в один градус. Это означает, что можно найти температуру тела, определив количество тепла, которое поглощается тепловой машиной, работающей в интервале между температурой тела и температурой в один градус. Полученная таким образом температура называется абсолютной термодинамической температурой и не зависит от свойств вещества. Таким образом, для обратимой тепловой машины выполняется равенство:
где:S — энтропия
Для системы, в которой энтропия S может быть функцией S(E) ее энергии Е, термодинамическая температура определяется как:
Cм. также
- Абсолютный нуль температуры
- Абсолютная шкала температур
- Тепловое излучение
Температура. Тепловое равновесие. Абсолютная шкала температур. Молекулярная физика
- Подробности
- Обновлено 07.10.2018 21:52
- Просмотров: 921
Температура — это просто!
Температура
Температура — это мера средней кинетической энергии молекул.
Температура характеризует степень нагретости тел.
Прибор для измерения температуры — термометр.
Принцип действия термометра:
При измерении температуры используется зависимость изменения какого-либо макроскопического параметра (объема, давления, электрического сопротивления и т.д.) вещества от температуры.
В жидкостных термометрах — это изменение объема жидкости.
При контакте двух сред происходит передача энергии от более нагретой среды менее нагретой.
В процессе измерения температура тела и термометра приходят в состояние теплового равновесия.
Жидкостные термометры
На практике часто используются жидкостные термометры: ртутные (в диапазоне от -35oС до +750oС) и спиртовые (от -80oС до +70oС).
В них используется свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры.
Однако, у каждой жидкости существуют свои особенности изменения объема (расширения) при различных температурах.
В результате сравнения, например, показаний ртутного и спиртового термометров, точное совпадение будет только лишь в двух точках (при температурах 0oС и 100oС).
Этих недостатков лишены газовые термометры.
Газовые термометры
Первый газовый термометр был создан французским физиком Ж. Шарлем.
Преимущества газового термометра:
— используется линейная зависимость изменения объема или давления газа от температуры, которая справедлива для всех газов
— точность измерения от 0,003oС до 0,02oС
— интервал температур от -271oС до +1027oС.
Тепловое равновесие
При соприкосновении двух тел различной температуры происходит передача внутренней энергии от более нагретого тела менее нагретому, и температуры обоих тел выравниваются.
Наступает состояние теплового равновесия, при котором все макропараметры (объем, давление, температура) обоих тел остаются в дальнейшем неизменными при неизменных внешних условиях.
Тепловым равновесием называется такое состояние, при котором все макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго.
Состояние теплового равновесия системы тел характеризуется температурой: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
Установлено, что при тепловом равновесии средние кинетические энергии поступательного движения молекул всех газов одинаковы, т.е.
Для разреженных (идеальных) газов величина
и зависит только от температуры, тогда
где k — постоянная Больцмана
Эта зависимость дает возможность ввести новую температурную шкалу абсолютную шкалу температур, не зависящую от вещества, используемого для измерения температуры.
Абсолютная шкала температур
— введена английским физиком У. Кельвином
— нет отрицательных температур
Единица абсолютной температуры в СИ: [T] = 1K (Кельвин)
Нулевая температура абсолютной шкалы — это абсолютный ноль ( 0К = -273oС ), самая низкая температура в природе. В настоящее время достигнута самая низкая температура — 0,0001К.
По величине 1К равен 1oC.
Связь абсолютной шкалы со шкалой Цельсия
Запомни! В формулах абсолютная температура обозначается буквой «Т», а температура по шкале Цельсия буквой «t».
После введения абсолютной температуры получаем новые выражения для формул:
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул
Давление газа — основное уравнение МКТ
Средняя квадратичная скорость молекул
И как следствие, закон Авогадро:
В равных объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.
Заметьте, здесь концентрация молекул также одинакова!
Молекулярная физика. Термодинамика — Класс!ная физика
Основные положения МКТ. Масса и размер молекул. Количество вещества. —
Взаимодействие молекул. Строение твердых тел, жидкостей и газов. —
Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. —
Температура. Тепловое равновесие. Абсолютная шкала температур. —
Уравнение состояния идеального газа. —
Изопроцессы. Газовые законы. —
Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность воздуха. —
Твердые тела. Кристаллические тела. Аморфные тела.
На протяжении школьного
курса физики, вы уже много раз слышали о том, что температура является мерой
средней кинетической энергии молекул. Но, как сказал Лев Ландау, «верховным
судьёй всякой физической теории является опыт». Поэтому, на сегодняшнем уроке мы
рассмотрим опыты, позволяющие нам дать определение температуре. Возьмем сосуд с
перегородкой и поместим в половинки сосуда два различных газа разной
температуры. Если перегородка сосуда проводит тепло, то через некоторое время
оба газа будут иметь одинаковую температуру.
Основываясь на нашем
начальном предположении о том, что температура является мерой средней
кинетической энергии молекул, мы попытаемся доказать, что средняя кинетическая
энергия молекул обладает таким же свойством, как и температура.
Как и было сказано в
предыдущих уроках, измерить кинетическую энергию отдельной молекулы крайне
сложно. Однако, мы можем выразить среднюю кинетическую энергию молекул газа
через макроскопические параметры. Воспользуемся основным уравнением
молекулярно-кинетической теории:
Заметим, что концентрация
молекул равна отношению числа молекул газа к его объёму:
Тогда
Итак, мы выразили среднюю
кинетическую энергию молекул через три величины, которые легко измеряются.
Объём можно задать, поместив газ в герметичный баллон, а давление измерим с
помощью манометра. Чтобы найти количество молекул, как вы знаете, нужно
количество вещества умножить на число Авогадро:
Вспомним теперь, что
количество вещества равно отношению массы к молярной массе:
Молярную массу, как вы
знаете, можно подсчитать, используя таблицу Менделеева.
Следовательно,
Для проведения опыта мы
можем использовать баллоны с водородом и кислородом, давление, объёмы и
количество молекул которых, различны.
Чтобы уравнять
температуру газов их необходимо привести в тепловое равновесие с одним и тем же
телом (как правило, используется тающий лед). Через некоторое время установится
тепловое равновесие, то есть температуры кислорода и водорода будут равны 0 оС.
Наша цель проверить — уравнялись ли при этом средние кинетические энергии
молекул газов, и если это так, то наше начальное предположение верно. Опыты и
сопутствующие расчеты говорят о том, что отношение произведения давления и
объёма к количеству молекул газа остается постоянным при постоянной температуре,
независимо от природы самого газа:
Это говорит нам о том,
что средняя кинетическая энергия молекул — это и есть температура.
Необходимо отметить, что
данное соотношение все же начинает зависеть от рода газа при очень большом
давлении, таком как несколько сотен атмосфер. Однако, мы с уверенностью можем
сказать, что до тех пор, пока газ может считаться идеальным, данное соотношение
строго определено.
Поскольку температура
фактически является мерой энергии, её иногда измеряют в энергетических единицах.
Но, дело в том, что в повседневной жизни подобные единицы измерения неудобны.
Например, если в баллоне объёмом 10 л находится 1 моль водорода при нормальном
давлении, то средняя кинетическая энергия его молекул будет равна 1,68 х 10−21
Дж. В связи с этим возникает вопрос: как перевести температуру из
энергетических единиц измерения в градусы, используемые в повседневной жизни?
Ведь, люди могут выбирать какую угодно температурную шкалу, но этот выбор не
может повлиять на кинетическую энергию молекул. Поэтому, вводится понятие абсолютной
температуры. Будем считать эту температуру прямо пропорциональной
температуре, выраженной в энергетических единицах:
В этой формуле мы
обозначили коэффициент пропорциональности буквой k.
Учитывая тот факт, что
такие величины, как объём, давление и число молекул, не могут быть
отрицательными, делаем вывод, что абсолютная температура тоже не может быть
отрицательной.
Как видно из формулы, абсолютный
ноль температуры — это такая температура, при которой давление газа равно нулю,
при постоянном объёме. Такое возможно только в случае, если молекулы газа
попросту остановились (это следует из основного уравнения
молекулярно-кинетической теории).
Абсолютную шкалу температур
предложил лорд Кельвин, в честь которого и названа единица измерения
температуры по абсолютной шкале. 1 К равен 1 оС, поэтому перевести
градусы Цельсия в кельвины довольно просто: нужно к температуре в градусах
Цельсия прибавить 273 градуса:
Таким образом, абсолютный
ноль температуры по шкале Цельсия равен −273 градуса. Необходимо
отметить, что абсолютный ноль недостижим.
Вернемся теперь к
уравнению, которое мы использовали в начале урока:
Также, мы выяснили, что
отношение произведения давления и объёма к числу молекул должно быть
пропорционально температуре:
Мы получили два
уравнения, левые части которых равны. Значит, должны быть равны и правые части:
Итак, мы вплотную подошли
к связи между средней кинетической энергией и температурой. Остается только
разобраться с коэффициентом пропорциональности.
Этот коэффициент получил
название постоянной Больцмана, в честь Людвига Больцмана.
Больцман был первым, кто
нашел соотношение между кинетической энергией и температурой. Постоянная
Больцмана определяет связь между температурой в энергетических единицах
измерения и температурой в кельвинах. Итак, средняя кинетическая энергия
молекул равна
Сегодня мы можем
повторить эксперимент, с помощью которого можно вычислить постоянную Больцмана.
Возьмем газ, который можно считать идеальным, и измерим среднюю кинетическую
энергию его молекул тем же способом, который мы использовали в начале урока —
то есть, выразив её через макроскопические параметры:
Проведем измерения для
двух случаев: в одном случае поместим сосуд в тающий лед, а во втором случае —
в кипящую воду.
Тогда, разность между
температурами в энергетических единицах измерения должна быть равна
произведению разности температуры в кельвинах и постоянной Больцмана:
Отсюда выразим постоянную
Больцмана:
Расчеты показывают, что
эта величина остается постоянной для любого газа, который можно считать
идеальным:
Несмотря на то, что
соотношение между температурой и кинетической энергией установлено для газов,
оно также выполняется для жидкостей и для твердых тел:
Данное соотношение не
выполняется только в том случае, если движение частиц не подчиняется законам
механики Ньютона. Это происходит при экстремальных условиях, например при
колоссальном давлении, огромной температуре или сильнейших электромагнитных
полях.
Пример решения задачи.
Задача. При
температуре 200 К средняя скорость молекул одного моля неизвестного газа равна
500 м/с. Считая этот газ идеальным, определите его молярную массу.