Какой физический смысл температуры
С незапамятных времен человек анализировал, холодно ему или тепло, придумывал средства для согрева себя и своего жилища, совершенствовал одежду, учился добывать огонь и так далее. Однако только недавно (в масштабах мировой истории) степень холода или тепла начали измерять и оценивать. Был придуман особый термин – “температура”. Степень нагревания тел начали характеризовать именно через это определение. Каков физический смысл температуры? Что вообще такое – температура? Как ее определить, каким образом – эти и другие вопросы будут обсуждаться ниже.
Что означает термин “температура”?
Прежде чем обсуждать физический смысл температуры, необходимо узнать, что же это такое. Итак, многим давно известно, что можно получить ожог, прикоснувшись к раскаленному предмету, или, наоборот, замороженному (например, в случае заморозки жидким азотом). И ни для кого не секрет, что трубы во время отопительного сезона горячее, чем в летний период (отключения радиаторов). Именно такой показатель как степень нагревания того или иного объекта выражает температура. В термодинамике рассматривается не только физический смысл температуры, но и ее более точное определение, способ измерения.
Термодинамика
Что же такое “термодинамика”? Ответ и прост, и сложен. Это один из разделов такой науки как физика. Он (этот раздел) посвящен изучению свойств (наиболее общих) макросистем и способов превращения и передачи энергии в них. Макросистемы – это системы, которые, во-первых, состоят из очень большого числа атомов и молекул, иными словами, микрочастиц. Во-вторых, они соизмеряются с окружающими предметами размерами.
Физический смысл температуры заключается в простом предложении: температура – это мера средней кинетической энергии. Данное утверждение вытекает из основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеальных газов. Правда, в этом уравнении участвует давление, однако нехитрые манипуляции позволяют выразить давление через температуру:
- p = nkT = 1/3nmv2;
- (E) = (mv2 )/2 = 2/3kT.
Таким уравнением и выражается физический смысл температуры.
Абсолютная температура. Что это такое?
Термодинамическую температуру иногда называют абсолютной, так как она отсчитывается от абсолютного нуля, достичь которого на сегодняшний день (да и вряд ли когда-либо) не представляется возможным. Абсолютный нуль – это минимальная возможная температура не только на Земле, но и в целом во Вселенной. Единицами измерения абсолютной температуры являются Кельвины.
Для того чтобы перевести привычные градусы Цельсия в градусы Кельвина, всего лишь необходимо к величине в градусах Цельсия прибавить 273. Физический смысл абсолютной температуры ничем не отличается от предыдущего описания. Даже можно сказать, что определение выше предназначено для абсолютной температуры – в указанной формуле Т измеряется в градусах Кельвина.
Измерение
Вовсе не любую физическую величину можно прямо измерить. Температура, например, относится к таким параметрам термодинамической системы как неизмеряемые прямым способом. Их получают косвенно. Для измерения требуется исправный термометр (в простонародье зачастую называют градусником), спиртовой или ртутный – не имеет значения. Затем необходимо обеспечить контактирование термометра с анализируемым объектом (воздух нередко выступает в этом качестве).
После установления равновесия в системе “объект-термометр” можно фиксировать показания термометра. Необходимо отметить, что не только жидкостные, но и другие разновидности градусников существуют на сегодняшний день. Конечно, что может быть косвенного в прямом взаимодействии термометра с анализируемым образцом. Однако нужно помнить, что шкалы термометров весьма относительны.
Источник
В ходе становления и развития физики формировались основные понятия и термины. Так появились понятия тела, взаимодействия, силы. Были определены физические величины и единицы измерений. С течением времени многие понятия пересматривались, единицы измерения уточнялись. Так еще совсем недавно сила света измерялась в свечах, а мощность в лошадиных силах. Теперь на смену им пришли кандела и Ватт. Изменились стандарты метра, килограмма, секунды и др. Большинство физических величин имеют интуитивно понятный смысл. Но есть некоторые величины, очень привычные для нас, но совершенно непонятные. Самой непонятной для меня физической величиной является температура. Никто не может мне объяснить, что это такое? Дело в том, что в бытовом понимании это исключительно субъективная характеристика объекта, определяемая органами чувств человека, по отношению к состоянию его тела. Более того, понятие температуры изначально имело исключительно качественный характер, т.е. имели смысл только такие понятия как тепло, жарко, холодно и т.п. Точнее сказать, можно было судить только о том, что объект ощущается более теплым или холодным по отношению к телу человека. Можно утверждать, что только такое бытовое понятие температуры и имеет практический смысл.
Однако у физиков есть непреодолимое желание все измерять, даже если это и не имеет практического смысла. Однако та же ли температура подразумевается в физике, которую мы интуитивно понимаем?
В термодинамике понятие температуры было введено во времена теории теплорода, и понималось как концентрация теплорода в теле. Поэтому температура стала измеряться в градусах, т.е. в условных единицах концентрации. В термодинамике температура является характеристикой системы, означающей степень её нагретости, и определяет направление теплового потока в процессе теплообмена между системами (https://ru.wikipedia.org/wiki/Термодинамика). Но если, как оказалось, теплорода не существует, то тогда что так старательно измеряли физики с помощью ртутного столбика? Какую характеристику системы? Термодинамика не может ответить на этот вопрос.
Движение молекул идеального газа
На смену теории теплорода пришла молекулярно-кинетическая теория, описывающая свойства тел исходя из того, что все тела состоят из непрерывно движущихся молекул (https://ru.wikipedia.org/wiki/Молекулярно-кинетическая_теория). Казалось бы, и от физической величины, характеризующей концентрацию теплорода в веществе, нужно отказаться. Но уж очень привыкли физики к ней, очень удобно с помощью неё описывать тепловые процессы. Поэтому решили оставить эту физическую величину, но дать ей другую интерпретацию. В молекулярно-кинетической теории на примере идеального газа температуру определили как функцию от среднеквадратичной скорости молекул. Это имеет свою логику. Получается, что чем быстрее двигаются молекулы в веществе, тем выше температура тела. Но та ли это температура, которую мы воспринимаем? Не совсем. В частности, ощущение тепла зависит от плотности вещества, с которым контактирует человек. Более разряженный газ не будет казаться таким же горячим, как более плотный такой же газ с той же самой средней скоростью движения молекул. Но это не очень существенно, т.к. касается только ощущений человека и его восприятия тепла. Более важным является то, что это упрощенная интерпретация температуры. Она может быть применима только для случая хаотического движения молекул, как в случае идеального газа. А если движение молекул газа каким-либо образом упорядочено? В качестве примера можно рассмотреть газ, все молекулы которого движутся с одинаковыми большими скоростями в одном и том же направлении. Можно ли его назвать горячим, если его молекулы в действительности неподвижны относительно друг друга? Нет. Скорее всего, это абсолютно холодный газ.
П.Л.Капица очень точно сформулировал суть физического понимания температуры: « … мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться…». (https://ru.wikipedia.org/wiki/Температура)
Поэтому не удивительно, что в статистической физике температура определяется как производная от энергии системы по её энтропии, где энтропию можно понимать как меру хаоса. А это, согласитесь, уже совсем не «интуитивно понятная» физическая величина, а сложная комплексная характеристика системы, которая, видимо, не поддается измерению.
Но температура в физике не обязательно связана с кинетической энергией молекул. Так в законе излучения абсолютно черного тела тоже фигурирует температура. Её называют радиационной температурой. Температура входит в формулу Планка, описывающую спектральное распределение энергии излучения абсолютно черного тела. Но что понимается под температурой в этих случаях? Совпадает ли радиационная температура с термодинамической температурой? Имеет ли температура единое понимание и определение как характеристика системы, зависящая от её состояния? Любой ответ на эти вопросы не очевиден.
Апофеозом изложения может служить пример прогноза погоды: «Сейчас температура воздуха составляет -11 градусов Цельсия, ощущается как -20 градусов». Всё. Конец абзаца…
Источник
Температура. | |
Важнейшим внутренним параметром газа является температура, чувствительность к которой заложена в живых системах, однако она субъективна («степень нагретости тела»). | |
Основные свойства температуры Тепловое (термодинамическое) равновесие – состояние тела или системы тел, при котором его термодинамические параметры (p, V, m и др.) остаются неизменными сколь угодно долго.Температура – характеристика внутреннего состояния макроскопической системы – состояния теплового равновесия. Температура – термодинамический параметр, одинаковый во всех частях термодинамической системы, находящейся в тепловом равновесии. Температуры тел, находящихся в тепловом контакте, выравниваются. | |
Измерение температуры.
Термометры.
| |
Температурные шкалы:
Недостаток этих шкал – произвольность выбора реперных точек (точек отсчета), их зависимость от внешних условий. | |
Физический смысл температуры | |
Опыт: давление газа зависит от температуры – $ boldsymbol{p=f(T)}$ и $boldsymbol{bar{{E}_{k}}=f(T)}$. Из основного уравнения МКТ идеального газа: $boldsymbol{p=frac{2}{3}nbar{{E}_{k}}}$. Следовательно, $boldsymbol{bar{{E}_{k}}=frac{3p}{2n}=frac{3pV}{2N}}$. Если мы установим, как меняется это выражение при переходе от одного состояния теплового равновесия к другому, то можно будет ввести понятие температуры и изучить её свойства. | Температура – физическая величина, одинаковая у любых тел при тепловом равновесии. |
Опыт показывает, что для любых веществ $ boldsymbol{frac{pV}{N}sim T} $. Заменяя знак пропорциональности на знак равенства, получим $ boldsymbol{frac{pV}{N}= kT} $, где k – коэффициент пропорциональности, называемый постоянная Больцмана, а Т – абсолютная термодинамическая температура. | $$ boldsymbol{frac{pV}{N}= kT} $$ |
Абсолютная температура. $ boldsymbol{frac{pV}{N}= kT geq 0} $ – абсолютная температура неотрицательна! Т.к. объем газа равен нулю быть не может, то температура равна нулю, если давление равно нулю, а значит, равна нулю скорость поступательного теплового движения (сохраняются т.н. нулевые колебания). | $$ boldsymbol{frac{pV}{N}= kT geq 0} $$ $$ boldsymbol{T geq 0} $$ |
Единица температуры – Кельвин (К). Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Шкала строится так, что $ boldsymbol{Delta t ^{circ} C =Delta T K} $. | КЕЛЬВИН 1К |
| Температура абсолютного нуля не зависит от внешних условий и одинакова для всех веществ. |
Связь температуры и средней кинетической энергии поступательного движения молекул. | |
Сравнивая два выражения $ boldsymbol{bar {E}_{к} = frac{3p}{2n} = frac{3pV}{2N} : и : frac{pV}{N} = kT} $, получим: $ boldsymbol{bar {E}_{к} = frac{3}{2}kT} $. Т.о. средняя кинетическая энергия прямо пропорциональна абсолютной температуре. Температура – мера средней кинетической энергии молекул. | $ boldsymbol{bar {E}_{к} = frac{3}{2}kT} $ |
Постоянная Больцмана $ boldsymbol{k=1.38cdot {10}^{-23} frac{Дж}{К}}$ | $ boldsymbol{k=1.38cdot {10}^{-23} frac{Дж}{К}}$ |
Температуру можно измерять в энергетических единицах – Джоулях. При Т=0 средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул равна нулю. При комнатной температуре (300К) энергия примерно 6·10-21Дж – очень маленькая (барабанные перепонки – шум в ушах; движение частиц мозга – передача сигналов). | |
Т.к. $boldsymbol{bar {E}_{к}=frac{3p}{2n}}$ и $boldsymbol{bar {E}_{к}=frac{3}{2}kT}$, то $boldsymbol{p=nkT}$ – связь давления и температуры (еще одна форма основного уравнения МКТ идеального газа). | $ boldsymbol{p=nkT}$ |
Источник
Что такое температура? Что она обозначает? Каков её физический смысл?
На самом деле это очень важные и серьезные вопросы. Все мы привыкли измерять температуру, интуитивно понимаем, чувствуем, что значит теплый, холодный или горячий. Но можем ли мы утверждать, что температура – это понятие относительное, обозначающее только разность энергетических характеристик двух систем? Или что температура – это величина абсолютная, характеризующая некую объективную физическую величину?
Почему взаимодействующие объекты в системы стремятся к термодинамическому равновесию? И что вообще означает понятие термодинамическое равновесие?
Из курса химии мы знаем, что разные вещества имеют разные температуры плавления, кипения. При одной и той же температуре одни вещества находятся в твердом (замерзшем) состоянии, другие – в жидком, а третьи – в газообразном. Т.е. каждый химический элемент обладает уникальной энергетической емкостью, способностью выдерживать те или иные температуры в трех основных состояниях. И это абсолютная, объективная, количественная характеристика вещества (не относительная)!
Нулевое начало термодинамики гласит, что изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остается в нем сколь угодно долго при условии неизменности внешних условий.
Но ведь это совершенно голословное утверждение, которое не выдерживает никакой критики, абсолютно лишено какой-либо научно-экспериментальной базы!
Начнем с того, что нет строгого определения термодинамического равновесия. То, определение, которое есть, совершенно не подходит ни к одной существующей в природе системе! Вот оно:
Термодинамическое равновесие – состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды.
В природе нет абсолютно изолированных систем, да еще таких, в которых остаются неизменными температура, давление, объём, энтропия! Такого просто не бывает, и быть не может!
Любой материальный объект во вселенной находится в движении, в состоянии обмена, взаимодействия с окружающей средой. Более того, внутри любой системы, сколь малой бы она ни была, происходят некие процессы, химические превращения, энергообмен, информационный обмен и т.д. Если этого нет, то и самого объекта не существует в материальном виде!
Таким образом, данное определение термодинамического равновесия никуда не годится. Надо дать правильное определение, более соответствующее действительности.
Состояние термодинамического равновесия (стабильности) возможно только в замкнутых системах (квантовых). Оно означает стремление к поддержанию равновесия с окружающей средой. Это обеспечивается с помощью обмена веществ, энергией и информацией.
Наличие состояния термодинамического равновесия в системе характеризует её как некую живую, самоорганизующуюся, сложную систему, стремящуюся к самосохранению и обладающую сознанием.
Само по себе такое состояние возникнуть не может. Т.е. если мы возьмем некоторое количество вещества (материи) и изолируем его от внешнего мира, то ни по прошествии ста, ни по прошествии миллиона лет термодинамическое равновесие в нем не возникнет!
Для успешного применения нового, квантового подхода в науке надо привыкнуть к мысли о том, что любая открытая система (любого размера) является частью некой замкнутой системы, а любая замкнутая система существует лишь благодаря взаимодействию внутренней структуры с внешним миром. Без этого взаимодействия, стремящегося к поддержанию равновесия, невозможно само существование замкнутой системы.
Каждый атом представляет собой замкнутую систему, стремящуюся к равновесию с окружающей средой. Нейтральное состояние атома – это и есть состояние его термодинамического равновесия, при котором он не вступает в химические реакции с другими атомами. При этом его внутренняя гармония максимальна, т.е. все процессы, протекающие в нем, уравновешены и компенсируют друг друга, в нем нет избытка положительного или отрицательного заряда.
Когда по каким-то причинам атом утрачивает состояние внутреннего равновесия (потеря электрона, например), он становится электрически активным. Т.е. вступает в связи с другими атомами по принципу дополнительности. Если в нем избыток отрицательного заряда, то он ищет связь с положительными частицами, и наоборот.
Химическая активность зависит от положения элемента в таблице Менделеева. Она определяется валентностью атома. Самые химически активные элементы – это те, у которых внешняя оболочка либо содержит один электрон, либо почти заполнен (не хватает одного электрона). А неактивные в химическом плане элементы – это те, у которых внешняя электронная оболочка либо полностью, либо наполовину заполнена.
В состоянии термодинамического равновесия атом стремится поддерживать температуру в определенном диапазоне. И от этого зависит структура вещества.
Самое бесструктурное, хаотичное состояние – газовое. В этом состоянии вещества атомы стремятся как можно больше отдалиться друг от друга. Исходя из определения термодинамического равновесия, это объясняется стремлением атомов к равновесию с окружающей средой. Видимо, для данного вещества эта температура является слишком высокой и атомы, стремясь к охлаждению, разлетаются друг от друга. Говоря правильнее, вещество расширяется, стремясь к сохранению температуры.
При уменьшении температуры среды вещество наоборот – сжимается. При определенной концентрации происходит конденсация и переход в жидкое состояние. Это состояние вещества, при котором атомы находятся в плотном взаимодействии, не теряя свободы передвижения, сохраняя текучесть.
Если температуру понижать и дальше, то жидкость застывает, превращается в твердое вещество с определенной структурой. Сохранение структуры – это одна из «защитных реакций» вещества, стремящегося к сохранению объема.
Таким образом, мы видим, что переход в газообразное состояние обусловлен стремлением химического вещества к сохранению температуры, а в твердое состояние – стремлением к сохранению объема. В пределах возможного термодинамического равновесия со средой.
Если же верхняя (температурная) граница превышена, то термодинамическое равновесие нарушается, происходит разрушение, разложение системы на более простые составляющие.
Если это сложное химическое вещество, то оно разлагается на более простые. Если это чистое химическое вещество, то происходит распад атомов с выделением излучения, энергии. Это энергия разрушения.
Когда преодолевается нижняя граница, т.е. понижение температуры сопровождается увеличением давления, то теоретически возможен синтез нового вещества с новыми свойствами.
В биологии синтез возможен в случае увеличения численности популяции (вида) в условиях ограниченного пространства (ресурсов, пищи и т.д.). Именно эти два условия способствуют видообразованию и увеличению биоразнообразия в природе.
Источник