Iga inimene puutub iga päev kokku temperatuuri mõistega. Mõiste on kindl alt meie igapäevaellu sisenenud: soojendame toitu mikrolaineahjus või valmistame toitu ahjus, tunneme huvi väljas valitseva ilma vastu või uurime, kas jõe vesi on külm – kõik see on selle kontseptsiooniga tihed alt seotud. Ja mis on temperatuur, mida see füüsikaline parameeter tähendab, mil viisil seda mõõdetakse? Nendele ja teistele küsimustele vastame artiklis.
Füüsiline kogus
Mõtleme, milline on temperatuur isoleeritud süsteemi seisukoh alt termodünaamilises tasakaalus. Mõiste pärineb ladina keelest ja tähendab "õiget segunemist", "normaalset olekut", "proportsionaalsust". See väärtus iseloomustab mis tahes makroskoopilise süsteemi termodünaamilise tasakaalu seisundit. Kui isoleeritud süsteem on tasakaalust väljas, toimub aja jooksul energia üleminek rohkem kuumutatud objektidelt vähem kuumutatud objektidele. Tulemuseks on temperatuuri ühtlustumine (muutus) kogu süsteemis. See on termodünaamika esimene postulaat (nullprintsiip).
Temperatuur määrabsüsteemi koostisosakeste jaotus energiatasemete ja -kiiruste järgi, ainete ionisatsiooniaste, kehade tasakaalulise elektromagnetkiirguse omadused, kiirguse kogumahttihedus. Kuna termodünaamilises tasakaalus oleva süsteemi puhul on loetletud parameetrid võrdsed, nimetatakse neid tavaliselt süsteemi temperatuuriks.
Plasma
Lisaks tasakaalukehadele on süsteeme, milles olekut iseloomustavad mitmed üksteisega mittevõrdsed temperatuuriväärtused. Plasma on hea näide. See koosneb elektronidest (kerge laenguga osakesed) ja ioonidest (raske laenguga osakesed). Kui need põrkuvad, kandub energia kiiresti elektronilt elektronile ja ioonilt ioonile. Kuid heterogeensete elementide vahel toimub aeglane üleminek. Plasma võib olla sellises olekus, kus elektronid ja ioonid üksikult on tasakaalulähedased. Sel juhul võib igat tüüpi osakeste jaoks võtta eraldi temperatuurid. Need parameetrid erinevad aga üksteisest.
Magnetid
Kehades, milles osakestel on magnetmoment, toimub energiaülekanne tavaliselt aeglaselt: translatsioonilisest vabadusastmest magnetilisele, mis on seotud hetke suundade muutmise võimalusega. Selgub, et on seisundeid, mille puhul keha iseloomustab temperatuur, mis ei lange kokku kineetilise parameetriga. See vastab elementaarosakeste translatsioonilisele liikumisele. Magnettemperatuur määrab osa siseenergiast. See võib olla kas positiivne võinegatiivne. Joondamisprotsessi käigus kantakse energia üle kõrgema väärtusega osakestelt madalama temperatuuriga osakestele, kui need on mõlemad positiivsed või negatiivsed. Vastasel juhul kulgeb see protsess vastupidises suunas – negatiivne temperatuur on "kõrgem" kui positiivne.
Miks see vajalik on?
Paradoks seisneb selles, et tavainimene ei pea mõõtmisprotsessi läbiviimiseks nii igapäevaelus kui tööstuses isegi teadma, mis on temperatuur. Piisab, kui ta mõistab, et see on objekti või keskkonna kuumutamise aste, eriti kuna oleme neid termineid lapsepõlvest saati tuttavad. Tõepoolest, enamik selle parameetri mõõtmiseks mõeldud praktilistest seadmetest mõõdavad tegelikult ainete muid omadusi, mis muutuvad kuumutamise või jahutuse tasemega. Näiteks rõhk, elektritakistus, maht jne. Lisaks teisendatakse sellised näidud käsitsi või automaatselt soovitud väärtuseks.
Selgub, et temperatuuri määramiseks pole vaja füüsikat õppida. Enamik meie planeedi elanikkonnast elab selle põhimõtte järgi. Kui teler on sisse lülitatud, siis pole vaja mõista pooljuhtseadmete siirdeprotsesse, uurida, kust tuleb pistikupesast elekter või kuidas signaal satelliidiantennile jõuab. Inimesed on harjunud, et igas valdkonnas on spetsialistid, kes oskavad süsteemi parandada või siluda. Võhik ei taha oma aju pingutada, sest kus on parem rüübates “kasti” peal seebiooperit või jalgpalli vaadatakülm õlu.
ma tahan teada
Kuid on inimesi, kõige sagedamini tudengid, kes kas uudishimu või vajaduse tõttu on sunnitud õppima füüsikat ja tegema kindlaks, mis temperatuur tegelikult on. Selle tulemusena satuvad nad oma otsingutes termodünaamika metsikusse loodusesse ja uurivad selle null-, esimest ja teist seadust. Lisaks peab uudishimulik meel mõistma Carnot' tsükleid ja entroopiat. Ja oma teekonna lõpus tunnistab ta kindlasti, et temperatuuri määratlus pöörduva soojussüsteemi parameetrina, mis ei sõltu töötava aine tüübist, ei lisa selle kontseptsiooni tunnetusele selgust. Ja ikkagi, nähtav osa on rahvusvahelises mõõtühikute süsteemis (SI) aktsepteeritud mõned kraadid.
Temperatuur kui kineetiline energia
Kõnetavam on lähenemine, mida nimetatakse molekulaarkineetiliseks teooriaks. See moodustab idee, et soojust peetakse üheks energiavormiks. Näiteks molekulide ja aatomite kineetiline energia, mis on suure hulga juhuslikult liikuvate osakeste keskmistatud parameeter, osutub mõõdupuuks, mida tavaliselt nimetatakse keha temperatuuriks. Seega liiguvad kuumutatud süsteemi osakesed kiiremini kui külmas.
Kuna vaadeldav termin on tihed alt seotud osakeste rühma keskmise kineetilise energiaga, oleks üsna loomulik kasutada temperatuuriühikuna džauli. Seda aga ei juhtu, mis on seletatav asjaoluga, et elementaarse soojusliku liikumise energiaosakesed on džauli suhtes väga väikesed. Seetõttu on selle kasutamine ebamugav. Soojusliikumist mõõdetakse ühikutes, mis on tuletatud džaulidest spetsiaalse teisendusteguri abil.
Temperatuuriühikud
Täna kasutatakse selle parameetri kuvamiseks kolme põhiühikut. Meie riigis mõõdetakse temperatuuri tavaliselt Celsiuse kraadides. See mõõtühik põhineb vee külmumispunktil – absoluutväärtusel. Ta on lähtepunkt. See tähendab, et vee temperatuur, mille juures jää moodustuma hakkab, on null. Sel juhul on vesi eeskujuks. See konventsioon on vastu võetud mugavuse huvides. Teine absoluutväärtus on auru temperatuur, st hetk, mil vesi muutub vedelast olekust gaasiliseks.
Järgmine mõõtühik on Kelvin. Selle süsteemi võrdluspunktiks loetakse absoluutse nullpunkti. Niisiis, üks Kelvini kraad võrdub ühe Celsiuse kraadiga. Erinevus on alles loenduse algus. Saame, et null kelvinites võrdub miinus 273,16 Celsiuse kraadiga. 1954. aastal otsustati kaalude ja mõõtude peakonverentsil asendada temperatuuriühiku termin "kelvinikraad" terminiga "kelvin".
Kolmas levinud mõõtühik on Fahrenheit. Kuni 1960. aastani olid need laialdaselt kasutusel kõigis inglise keelt kõnelevates maades. Kuid täna kasutavad seda seadet Ameerika Ühendriikide igapäevaelus. Süsteem erineb põhimõtteliselt ülalkirjeldatust. Lähtepunktiks võetudsoola, ammoniaagi ja vee segu külmumistemperatuur vahekorras 1:1:1. Seega on Fahrenheiti skaalal vee külmumistemperatuur pluss 32 kraadi ja keemistemperatuur pluss 212 kraadi. Selles süsteemis võrdub üks kraad 1/180 nende temperatuuride erinevusest. Seega vastab vahemik 0 kuni +100 kraadi Fahrenheiti vahemikule -18 kuni +38 Celsiuse järgi.
Absoluutne nulltemperatuur
Saame aru, mida see parameeter tähendab. Absoluutne null on piirtemperatuur, mille juures ideaalgaasi rõhk teatud mahus kaob. See on madalaim väärtus looduses. Nagu Mihhailo Lomonosov ennustas, "see on suurim või viimane külmakraad". Sellest tuleneb Avogadro keemiline seadus: võrdsetes kogustes sama temperatuuri ja rõhu juures olevaid gaase sisaldab sama arv molekule. Mis sellest järeldub? On olemas gaasi minimaalne temperatuur, mille juures selle rõhk või maht kaob. See absoluutväärtus vastab nullile Kelvinile ehk 273 kraadi Celsiuse järgi.
Mõned huvitavad faktid päikesesüsteemi kohta
Temperatuur Päikese pinnal ulatub 5700 Kelvinini ja südamiku keskel 15 miljoni Kelvinini. Päikesesüsteemi planeedid on üksteisest küttetaseme poolest väga erinevad. Seega on meie Maa tuuma temperatuur umbes sama, mis Päikese pinnal. Jupiterit peetakse kuumimaks planeediks. Temperatuur selle tuuma keskmes on viis korda kõrgem kui Päikese pinnal. Ja siin on parameetri madalaim väärtusregistreeriti Kuu pinnal – see oli vaid 30 kelvinit. See väärtus on isegi väiksem kui Pluuto pinnal.
Faktid Maa kohta
1. Inimese kõrgeim temperatuur oli 4 miljardit kraadi Celsiuse järgi. See väärtus on 250 korda kõrgem kui Päikese tuuma temperatuur. Rekordi püstitas New York Brookhaveni looduslabor ioonpõrgutis, mis on umbes 4 kilomeetrit pikk.
2. Ka temperatuur meie planeedil ei ole alati ideaalne ja mugav. Näiteks Jakuutias Verhnojanski linnas langeb temperatuur talvel miinus 45 kraadini. Kuid Etioopia linnas Dallolis on olukord vastupidine. Seal on aasta keskmine temperatuur pluss 34 kraadi.
3. Kõige ekstreemsemad tingimused, milles inimesed töötavad, on registreeritud Lõuna-Aafrika kullakaevandustes. Kaevurid töötavad kolme kilomeetri sügavusel pluss 65 kraadi Celsiuse järgi.
