Temperatura - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy wielkości fizycznej i skal temperatury. Zapoznaj się również z: inne znaczenia.

Fig. 1 W przedstawionej animacji rozmiar atomów helu przedstawiony jest proporcjonalnie do odległości między cząsteczkami jakie są przy ciśnieniu 136 atmosfer. Prędkość ruchu, odpowiadająca temperaturze pokojowej, została spowolniona dwa biliony razy lub odpowiada temperaturze 0,0003 K.

Temperatura – jedna z podstawowych wielkości fizycznych (parametrów stanu) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Gaz – stan skupienia materii, w którym ciało fizyczne łatwo zmienia kształt i zajmuje całą dostępną mu przestrzeń. Właściwości te wynikają z własności cząsteczek, które w fazie gazowej mają pełną swobodę ruchu. Wszystkie one cały czas przemieszczają się w przestrzeni zajmowanej przez gaz i nigdy nie zatrzymują się w jednym miejscu. Między cząsteczkami nie występują żadne oddziaływania dalekozasięgowe, a jeśli, to bardzo słabe. Jedyny sposób, w jaki cząsteczki na siebie oddziałują, to zderzenia. Oprócz tego, jeśli gaz jest zamknięty w naczyniu, to jego cząsteczki stale zderzają się ze ściankami tego naczynia, wywierając na nie określone i stałe ciśnienie.
Atom (z gr. ἄτομος atomos: "niepodzielny") – najmniejszy składnik materii, któremu można przypisać właściwości chemiczne. Atomistyczną teorię budowy materii sformułował w roku 1808 John Dalton.

Temperatura jest miarą stanu cieplnego danego ciała. Jeśli dwa ciała mają tę samą temperaturę, to w bezpośrednim kontakcie nie przekazują sobie ciepła, gdy zaś temperatura obu ciał jest różna, to następuje przekazywanie ciepła z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej – aż do wyrównania się temperatury obu ciał.

Przemiana kwazistatyczna (proces kwazistatyczny lub pseudostatyczny) jest to przemiana termodynamiczna, którą można traktować jako ciąg stanów nieskończenie bliskich stanowi równowagi, między którymi zachodzi nieskończenie mała zmiana parametrów układu.
Barwa nalotowa stali – zjawisko w postaci barwnego nalotu powstające na czystej powierzchni stalowej, gdy jest ona wygrzewana w niskich temperaturach rzędu 220-330 °C z dostępem świeżego powietrza. Warstwa ta zawiera tlenki żelaza, a jej kolor uzależniony jest głównie od temperatury, w jakiej pozostawał dany przedmiot stalowy. Na zabarwienie tej powłoki mają jednak wpływ także inne parametry – przede wszystkim czas wygrzewania, a także skład chemiczny stali a nawet grubość przedmiotu i jego przewodnictwo cieplne (z uwzględnieniem odpływu ciepła do części nienagrzewanej). Stąd ocenianie temperatury, w jakiej dany przedmiot stalowy lub tylko jego część były wygrzewane, jest tylko orientacyjne.

Temperatura a energia kinetyczna

Złożony ruch cząsteczek gazu

Pod względem mikroskopowym, temperatura zależy od ruchu cząsteczek, z których złożone jest ciało. Temperatura rośnie, kiedy wzrasta energia tych ruchów. Ruch może być związany z przemieszczaniem się cząsteczki (np. w gazie), z drganiami atomów, cząsteczek (np. w krysztale), drganiami wewnętrznymi cząsteczki.

Stany Zjednoczone, Stany Zjednoczone Ameryki (ang.: United States, United States of America, US, USA) – państwo w Ameryce Północnej graniczące z Kanadą od północy, Meksykiem od południa, Oceanem Spokojnym od zachodu, Oceanem Arktycznym od północnego zachodu, Oceanem Atlantyckim od wschodu.
William Thomson, 1. Baron Kelvin (ur. 26 czerwca 1824 w Belfaście, zm. 17 grudnia 1907 w Largs w Szkocji) – brytyjski fizyk pochodzenia irlandzkiego, matematyk, oraz przyrodnik. Sformułował drugą zasadę termodynamiki, badał elektryczność i magnetyzm.

Prędkość atomów w ruchu termicznym (w temperaturze zbliżonej do pokojowej) jest duża. W temperaturze bliskiej zera bezwzględnego prędkość ta osiąga minimalne wartości. Na przykład w 1994 r. naukowcy z instytutu NIST otrzymali rekordowo niska temperaturę wynoszącą 700 nK (1 nK = 10 K). Dzięki użyciu laserowej techniki bezpośredniego pomiaru ruchu cząsteczek stwierdzono, że średnia prędkość atomów wynosiła wówczas 7 mm/s.

Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy ; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii .
Skala termometryczna – skala temperatury, określona punktami podstawowymi skali (np.: w skali Celsjusza – punkty zamarzania i wrzenia wody destylowanej pod ciśnieniem 1 atm) i podzielona na określoną liczbę stopni.

Cząsteczki, czyli obiekty złożone z dwóch, trzech i więcej atomów, takie jak np. O2, mają więcej stopni swobody ruchu niż pojedyncze atomy. Oprócz ruchu postępowego mogą również obracać się lub wykonywać drgania wewnętrzne (zmiana odległości między atomami w cząsteczce). Wzrost temperatury powoduje wzrost średniej energii kinetycznej każdego z rodzajów ruchu. Dlatego dwuatomowy gaz o cząsteczkach mających pięć stopni swobody wymagać będzie większego wkładu energii dla zmiany temperatury, co oznacza, że będzie miał większe ciepło właściwe niż gaz jednoatomowy, którego cząsteczki mają tylko trzy stopnie swobody.

Temperatura odczuwalna (ang. wind chill) określa, jakie odczucie termiczne wystąpi przy danych warunkach pogodowych. Wyliczana jest w zależności od przyjętego modelu na podstawie takich parametrów jak: temperatura powietrza, siła wiatru, wilgotność i opady.
Hel (He, łac. helium) – pierwiastek chemiczny, z grupy gazów szlachetnych w układzie okresowym. Jest po wodorze drugim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem chemicznym we wszechświecie, jednak na Ziemi występuje wyłącznie w śladowych ilościach (4·10-7% w górnych warstwach atmosfery).

Proces ochładzania związany jest z oddawaniem energii przez układ. Przy najniższej energii układ osiąga tzw. temperaturę zera bezwzględnego na termodynamicznej skali temperatury. W tej temperaturze cząsteczki mają najmniejszą możliwą energię kinetyczną. Według mechaniki klasycznej energia ta osiąga wartość zero (cząsteczki pozostają w spoczynku). Zgodnie z mechaniką kwantową najniższa energia jest zazwyczaj większa od 0 (cząsteczki wykonują tzw. drgania zerowe). Temperatura zera absolutnego wynosi 0 kelwinów (−273,15 °C lub –459,67 °F).

Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pod względem ilościowym stan układu fizycznego (materii) (z punktu widzenia termodynamiki niektóre formy energii są funkcjami stanu i potencjałami termodynamicznymi), stan i wzajemne oddziaływania obiektów fizycznych (ciał, pól, cząstek, układów fizycznych), przemiany fizyczne i chemiczne oraz wszelkiego rodzaju procesy występujące w przyrodzie.
Kelwin – jednostka temperatury w układzie SI równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody, oznaczana K. Definicja ta odnosi się do wody o następującym składzie izotopowym: 0,00015576 mola 2H na jeden mol 1H, 0,0003799 mola 17O na jeden mol 16O i 0,0020052 mola 18O na jeden mol 16O[1].

Temperatura w kinetycznej teorii gazów

Temperatura bezwzględna T układu złożonego z atomów jak i kilkuatomowych cząsteczek jest w teorii kinetycznej gazów określona jako średnia energia kinetyczna <E> ruchu pojedynczej cząsteczki (mierzona względem środka masy układu), przypadająca na jeden stopień swobody ruchu:

Objętość jest miarą przestrzeni, którą zajmuje dane ciało w przestrzeni trójwymiarowej. W układzie SI jednostką objętości jest metr sześcienny, jednostka zbyt duża do wykorzystania w życiu codziennym. Z tego względu najpopularniejszą w Polsce jednostką objętości jest jeden litr (l) (1 l = 1 dm3 = 0,001 m³).
Parametry stanu – wielkości fizyczne opisujące stan układu termodynamicznego takie jak: temperatura, ciśnienie, objętość, ilości (np. stężenia) poszczególnych substancji, czasem również inne. Wielkości, które nie zależą od ilości substancji w układzie, to tzw. parametry intensywne, natomiast wielkości zależące od ilości substancji to parametry ekstensywne.

$T = \frac{\ 2 \langle E\rangle}{f k_B}$

gdzie: f – liczba stopni swobody cząstki, $kB$ współczynnik proporcjonalności pomiędzy jednostkami temperatury i energii nazywany stałą Boltzmanna, jego wartość liczbowa wynosi k = 1,38·10 J/K.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)