Температура та її вимірювання

1. Температура та її вимірювання

Робота учня 8-а класу
Житарюка Ераста

2. Визначення температури

• Існує декілька визначень температури.
• 1. На побутовому рівні температура пов'язана із суб'єктивним сприйняттям «тепла» і «холоду».
Наші відчуття дозволяють розрізняти якісні градації нагріву тіл: теплий, холодний, гарячий. Але
придатна для науки кількісна міра ступеня нагріву не може бути виміряна за допомогою
відчуттів. Простий експеримент підтверджує це. Якщо потримати одну руку у холодній воді, а
другу — у гарячій, а потім обидві помістити у теплу воду, то рука, яка була у холодній воді буде
відчувати тепло, а рука, що була у гарячій — холод. Крім того, за допомогою відчуттів ми
можемо оцінювати ступінь нагріву чи охолодження у дуже вузькому діапазоні. Таким чином,
необхідним є пов'язати кількісне вимірювання температури і побудову температурної шкали з
об'єктивними фізичними явищами.
• 2. У класичній термодинаміці поняття емпіричної температури тісно пов'язане з
рівновагою ізольованих систем, а саме — з тепловою рівновагою. Якщо дві ізольовані від
навколишнього середовища рівноважні системи {\displaystyle A}; і {\displaystyle B}; ввести у
тепловий контакт, який забезпечує особливий вид передачі енергії — прямий теплообмін між
двома системами, то стан цих систем почне змінюватись до тих пір, поки між ними не настане
стан рівноваги. Цей вид рівноваги, що не пов'язаний з масообміном, зміною тиску, концентрації
або з хімічними перетвореннями, називається тепловою або термічною рівновагою. Теплова
рівновага є такий стан, який допускає можливість здійснення оборотного теплообміну між
системами необмежено довго без зміни їх стан

3. Температура є єдиною функцією стану термодинамічної системи, яка вказує на напрям самовільного теплообміну між системами.

4.

• Звідси випливає, по перше, що вищезгадані системи {\displaystyle A}; і {\displaystyle B}, які перебувають між собою у стані
теплової рівноваги мають однакову температуру у будь-якій температурній шкалі, а, по друге, — дві системи, які не
знаходяться одна з одною у тепловому контакті, але кожна з них нарізно знаходиться у тепловій рівновазі з третьою системою
(вимірювальний прилад) мають однакову температуру[1][2]. Останнє твердження має назву властивість транзитивності
термодинамічної рівноваги[3]. Деякі автори (Р. Фаулер і Е. Гуггенгейм[4]) вважають цю властивість, яка почерпнута з
загальнолюдського досвіду, нульовим началом термодинаміки.
• Безпосереднє вимірювання температури є неможливим. У приладах для вимірювання температури (термометрах)
використовують термометричне тіло, яке вводять у тепловий контакт з тілом, температуру якого потрібно виміряти. Фізична
величина, яка знаходиться у функціональній залежності від температури і є її індикатором, має назву — термометрична
величина. Наприклад, у рідинних термометрах термометричним тілом є рідина у резервуарі термометра, а термометричною
величиною — об'єм рідини. У термометрах опору термометричним тілом є металеві дроти або напівпровідники, а
термометричною величиною — їх електричні опори. Докладніше: Термометрія
• Температура, що вимірюється термометрами називається емпіричною температурою. Строго кажучи, покази термометрів з
різними термометричними тілами різняться між собою і збігаються лише в реперних точках. Наступним недоліком емпіричної
температури є відсутність безперервної термометричної шкали, тому що жодне термометричне тіло неспроможне
виконувати своє призначення у всьому діапазоні можливих температур.
• Друге начало термодинаміки, а саме його частина — принцип існування абсолютної температури і ентропії ({\displaystyle
\delta Q^{*}=TdS}), усуває цей недолік і дозволяє встановити термодинамічну шкалу, незалежну від термометричного тіла.
Температура, виміряна за цією шкалою, є абсолютною аботермодинамічною температурою.
• 3. Поряд з термодинамічним, в інших розділах фізики можуть вводитись й інші визначення температури. На мікроскопічному
рівні температура пов'язана із тепловим рухом атомів та молекул, із яких складаються фізичні тіла, а саме — з їх середньою
кінетичною енергією. Тому умолекулярно-кінетичній теорії справедливим буде таке визначення:
• Температуу́ра — скалярна фізична величина, яка характеризує середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи,
що припадає на один ступінь вільності.

5. Температурні шкали

• Для однозначного визначення температури різними методами й на основі зміни
різних властивостей термометричних тіл, термометри необхідно градуювати. Для
цього використовуються температурні шкали. В основі температурних шкал —
особливі реперні точки, яким присвоюється певне значення температури. Історично
склалися різні температурні шкали, що використовують різні реперні точки, які
пов'язані з певними фізичними явищами, що відбуваються при певній температурі.
• В Міжнародній системі одиниць (СІ) термодинамічна температура належить до семи
основних одиниць і виражається у кельвінах. До похідних величин СІ, які мають
спеціальну назву, належить температура Цельсія, яка вимірюється у градусах Цельсія
[7]. На практиці часто застосовують градуси Цельсія через історичну прив'язку до
важливих характеристикводи — температури танення льоду (0 °C) і температури
кипіння (100 °C). Це зручно, оскільки більшість кліматичних процесів, процесів у
живій природі, тощо пов'язані з цим діапазоном. Зміна температури на один градус
Цельсія тотожна зміні температури на один Кельвін. Тому після введення в 1967 році
нового визначення Кельвіна, температура кипіння води перестала грати роль
незмінної реперної точки і, як показують точні вимірювання, вона вже не дорівнює
100 °C, а близька до 99,975 °C[8].

6.

• Особливі точки температурних шкалШкалиТочки замерзання водиТочки кипіння водиІнтервалРеомюра
(R)08080Фаренгейта (F)32212180Цельсія (C)0100100У Міжнародній системі одиниць (СІ) для вимірювання
температури застосовується шкала Кельвіна і символ {\displaystyle K} (при цьому знак градусу ° відсутній).
Широкий вжиток також мають системи Цельсія і Фаренгейта.
• За шкалою Кельвіна0 градусів відповідають абсолютному нулю, тобто повній відсутності руху молекул.
Інша реперна точка — потрійна точка води. Її температура 273,16 К вибрана так, щоб один кельвін
відповідав одному градусу за шкалою Цельсія. Температура за шкалою Кельвіна
називається абсолютною температурою. Вона позначається великою латинською літерою T. Шкала
Кельвіна використовується у фізиці. Її називають термодинамічною шкалою, оскільки вона найкраще
визначена. Наприклад, потрійна точка води на відміну від температури замерзання, не залежить від
тиску.За шкалою Цельсія0 °C відповідає температура замерзання води, 100 °C — температура кипіння
води (при тиску в 1 атмосферу). Здебільшого температура за шкалою Цельсія позначається маленькою
латинською літерою t.За шкалою Фаренгейтазамерзання і кипіння води розділяють 180 °F. Один градус
за Фаренгейтом дорівнює 5/9 кельвіна або градуса Цельсія. Вода замерзає при 32 °F, а кипить при
212 °F.Існували також інші системи вимірювання температури, які тепер вийшли з ужитку, такі як
• шкала Ранкіна
• шкала Деліля
• шкала Ньютона
• шкала Реомюра
• шкала Ромера