Нормальные и стандартные условия — это… Что такое Нормальные и стандартные условия?
Норма́льные усло́вия — стандартные физические условия, с которыми обычно соотносят свойства веществ (при нормальных условиях, при н. у., англ. Standard temperature and pressure, STP). Нормальные условия определены IUPAC (Международным союзом практической и прикладной химии) следующим образом[1]:
При нормальных условиях объём одного моля идеального газа составляет 22,413 996(39) дм³[2] (следствие из закона Авогадро), а количество молекул в 1 см³ составляет 2,6867774(47)×1019[3] (постоянная Лошмидта).
Стандартные условия (англ. Standard Ambient Temperature and Pressure, SATP):
- давление 1 Бар = 105 Па = 750,06 мм рт. ст.;
- температура 298,15 К = 25 °С.
При этих условиях константа диссоциации дистиллированной воды составляет 1,0×10−14.
Другие области
Авиация
Международная организация гражданской авиации (ICAO) определяет международную стандартную атмосферу (англ. International Standard Atmosphere, ISA) на уровне моря с температурой 15 °C, атмосферным давлением 101325 Па и относительной влажностью 0 %.
Она используется при расчётах движения летательных аппаратов.
Газовое хозяйство
Газовая отрасль Российской Федерации при расчётах с потребителями использует атмосферные условия по ГОСТ 2939—63:
Таким образом, масса кубометра газа по ГОСТ 2939—63 несколько меньше, чем при «химических» нормальных условиях.
Иногда путают нормальные условия со стандартными, полагая, что ГОСТ определяет нормальные условия, и делается вывод о неоднозначности термина «нормальные условия». На самом деле ГОСТ 2939—63 никак не определяет и не упоминает нормальные условия, поэтому «н.у.» определяются однозначно.
См. также
Стандартные состояния
Примечания
Нормальные условия (НУ), число Авогадро. STP. NTP. SATP. Стандартная атмосфера и температура. Что это такое? Нормальные условия в физике, химии и технике. Стандартные температура и давление («атмосферное»). Стандартные условия на уровне моря.1.1.1) Самые распространенные и уже устаревшие нормальные условия (НУ = STP = стандартная температура и давление) . Определены IUPAC — Международный союз чистой и прикладной химии. : При этих НУ
1.1.2) Сейчас нормальные условия (НУ= STP = стандартная температура и давление). Определены IUPAC — Международный союз чистой и прикладной химии. : 1.1.3) Сейчас нормальные условия (НУ= STP или NTP = стандартная (нормальная) температура и давление). Определены NIST — National Institute for Standards and Technology : 1.2) В промышленности широко используются «стандартные окружающие температура и давление = SATP», которые могут называть также НУ:
2) ICAO — Международная организация гражданской авиации определяет некую «международную стандартную атмосферу на уровне моря», которую тоже, бывает, называют нормальными условиями:
3) Как минимум 50% ветеранов броуновского движения и сестер милосердия в РФ, из-за того, что газовики в России приводят, согласно ГОСТ 2939-63, объемы газов к «условиям для определения объема», считают, что НУ это:
Пользуйтесь этой информацией на здоровье, и помните, что не все так ясно, как кажется, но и сложного ничего при ближайшем рассмотрении нет.
|
STP. NTP. SATP. Стандартная атмосфера и температура. Что это такое? Нормальные условия в физике, химии и технике. Стандартные температура и давление («атмосферное»). Стандартные условия на уровне моря.
ст.) — «стандартное атмосферное давление ИКАО»Температура (в физике)
Определение «Температура (в физике)» в Большой Советской Энциклопедии
Температура (от лат.
Планка закон излучения), полную объёмную плотность излучения (см. Стефана — Больцмана закон излучения) и т. д. Температура (в физике), входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют Температура (в физике) возбуждения, в распределение Максвелла — кинетической Температура (в физике), в формулу Саха — ионизационной Температура (в физике), в закон Стефана — Больцмана — радиационной температурой. Поскольку для системы, находящейся в термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, их называют просто температурой системы. В кинетической теории газов и др. разделах статистической механики 
В общем случае Температура (в физике) определяется как производная от энергии тела в целом по его энтропии. Такая Температура (в физике) всегда положительна (поскольку кинетическая энергия положительна), её называют абсолютной Температура (в физике) или Температура (в физике) по термодинамической температурной шкале. За единицу абсолютной Температура (в физике) в Международной системе единиц (СИ) принят кельвин (К). Часто Температура (в физике) измеряют по шкале Цельсия (t) , значения t связаны с Т равенством t = Т – 273,15 К (градус Цельсия равен Кельвину). Методы измерения Температура (в физике) рассмотрены в статьях Термометрия, Термометр. Строго определённой Температура (в физике) характеризуется лишь равновесное состояние тел.
Существуют, однако, системы, состояние которых можно приближённо охарактеризовать несколькими не равными друг другу температурами. Например, в плазме, состоящей из лёгких (электроны) и тяжёлых (ионы) заряженных частиц, при столкновении частиц энергия быстро передаётся от электронов к электронам и от ионов к ионам, но медленно от электронов к ионам и обратно. Существуют состояния плазмы, в которых системы электронов и ионов в отдельности близки к равновесию, и можно ввести Температура (в физике) электронов Тэ
В телах, частицы которых обладают магнитным моментом, энергия обычно медленно передаётся от поступательных к магнитным степеням свободы, связанным с возможностью изменения направления магнитного момента. Благодаря этому существуют состояния, в которых система магнитных моментов характеризуется Температура (в физике), не совпадающей с кинетической Температура (в физике), соответствующей поступательному движению частиц.
Магнитная Температура (в физике) определяет магнитную часть внутренней энергии и может быть как положительной, так и отрицательной (см. Отрицательная температура). В процессе выравнивания Температура (в физике) энергия передаётся от частиц (степеней свободы) с большей Температура (в физике)
Понятие Температура (в физике) применяют также для характеристики неравновесных систем (см. Термодинамика неравновесных процессов). Например, яркость небесных тел характеризуют яркостной температурой, спектральный состав излучения — цветовой температурой и т.
д.
Л. Ф. Андреев.
Статья про «Температура (в физике)» в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 452 раз
Формула давления в физике
Содержание:
Определение и формула давления
Определение
Давление
Выражение (1) определяет давление в точке.
Среднее давление
Средним давлением на поверхность называют величину:
$$\langle p\rangle=\frac{F_{n}}{S}(2)$$где Fn – нормальная составляющая силы, которая действует на рассматриваемую поверхность, S – площадь этой поверхности.
{*}$ –поверхностное натяжение жидкости,p0* – давление под не искривлённым слоем жидкости,
H — средняя кривизна поверхности жидкости, вычисляемая по закону Лапласа:
R1, R2 – главные радиусы кривизны.
Единицы измерения давления
Основной единицей измерения давления в системе СИ является: [p]=Па (паскаль)
Внесистемные единицы давления: [p]=мм рт.ст.(миллиметр ртутного столба),мм в.ст (мм водяного столба),атмосфера,бар.
Па= Н/м2 и 1 бар=105 Па.
Техническая атмосфера ~1 бар. Физическая атмосфера 1,01 бар=760 мм рт.ст.. 1 мм рт.ст.=133 Па.
Примеры решения задач
Пример
Задание. Каково давление в море на глубине h=8,5 м, если атмосферное давление равно p0=105 Па, плотность морской воды равна $\rho$=1,03•103 кг/м3
Решение.
{5}$ (Па)
Слишком сложно?
Формула давления не по зубам? Тебе ответит эксперт через 10 минут!
Пример
Задание. Каково давление струи на неподвижную плоскость, если струя воды ударяет ее под углом $\alpha$ к нормали плоскости, и упруго отскакивает от нее без изменения скорости? Скорость струи v.
Решение. Сделаем рисунок.
За время $\Delta t$ о стенку ударяется масса воды равная:
$$m=l S \rho=v \Delta t S \rho$$где S — поперечное сечение струи, $\rho$ – плотность воды. В соответствии с законом сохранения импульса имеем:
$$F \Delta t=m \Delta v \rightarrow F=\frac{m \Delta v}{\Delta t}(2.2)$$где F – сила, с которой вода действует на стенку.
Примем за положительное направление нормали внешней к опоре и учитывая, что струя отскакивает от стены без потери скорости, получаем:
$$\Delta v=v_{2} \cos \alpha-\left(-v_{1} \cos \alpha\right)=v_{2} \cos \alpha+v_{1} \cos \alpha=2 v \cos \alpha(2.
{2}$Читать дальше: Формула закона Ома.
Температурные шкалы — урок. Физика, 8 класс.
Наиболее известные температурные шкалы:
1. Цельсия.
2. Фаренгейта.
3. Кельвина.
Наиболее широко используется шкала Цельсия. В этой шкале за 0°C принята температура таяния льда, а 100°C определяет температура кипения воды. Интервал между этими точками разделён на 100 равных частей, величина каждой части равна одному градусу Цельсия ( °C).
В США и некоторых других странах используется шкала Фаренгейта, в которой температура таяния льда соответствует 32°F, а температура кипения воды — 212°F. Из этого можно сделать вывод, что один градус Цельсия больше одного градуса Фаренгейта.
Обрати внимание!
В шкале Фаренгейта за нуль принята температура таяния смеси льда, нашатырного спирта и поваренной соли (−18°C).
Шкалу Кельвина, главным образом, используют учёные.
В этой шкале за нулевой уровень принята наименьшая возможная в природе температура −273,15°C, которую называют абсолютным нулём. Один градус Кельвина (К) равен по величине одному градусу Цельсия, из этого можно сделать вывод, что шкала Кельвина такая же, как и шкала Цельсия, только лишь сдвинута на 273,15 градуса вверх.
Обрати внимание!
В шкале Кельвина нет температуры меньше 0.
В различных температурных шкалах значения температуры одного и того же процесса могут резко отличаться. |
Обрати внимание!
Так как в различных температурных шкалах значения температуры различны, то существуют формулы, которые связывают температурные шкалы друг с другом.
Формулы, связывающие различные температурные шкалы
Кельвина, T | Цельсия, t°C | Фаренгейта, t°F | |
Кельвина, \(T\) | T=T | t°C=T−273 | t°F=1,8⋅(T−273)+32 |
Цельсия, t°C | T=t°C+273 | t°C=t°C | t°F=1,8⋅t°C+32 |
Фаренгейта, t°F | T=59(t°F−32)+273 | t°C=59(t°F−32) | t°F=t°F |
Пример:
Если термометр показывает 113° по шкале Фаренгейта, то температура по шкале Цельсия равна t°C=59(t°F−32)=59(113−32)=59⋅81=45°C.
Давление насыщенного пара — Класс!ная физика
Давление насыщенного пара
- Подробности
- Просмотров: 802
«Физика — 10 класс»
Как вы думаете, что будет происходить с насыщенным паром, если уменьшить занимаемый им объём: например, если сжимать пар, находящийся в равновесии с жидкостью в цилиндре под поршнем, поддерживая температуру содержимого цилиндра постоянной?
При сжатии пара равновесие начнёт нарушаться. Плотность пара в первый момент немного увеличится, и из газа в жидкость начнёт переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ. Ведь число молекул, покидающих жидкость в единицу времени, зависит только от температуры, и сжатие пара это число не меняет. Процесс продолжается до тех пор, пока вновь не установится динамическое равновесие и плотность пара, а значит, и концентрация его молекул не примут прежних своих значений. Следовательно,
концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объёма.
Так как давление пропорционально концентрации молекул (р = nkT), то из этого определения следует, что давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объёма.
Давление рн. п пара, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.
При сжатии насыщенного пара всё большая часть его переходит в жидкое состояние. Жидкость данной массы занимает меньший объём, чем пар той же массы. В результате объём пара при неизменной его плотности уменьшается.
Газовые законы для насыщенного пара несправедливы (при любом объёме при постоянной температуре давление насыщенного пара одинаково). В то же время состояние насыщенного пара достаточно точно описывается уравнением Менделеева-Клапейрона.
Ненасыщенный пар
>Если пар постепенно сжимают при постоянной температуре, а превращение его в жидкость не происходит, то такой пар называют ненасыщенным.
При уменьшении объёма (рис.
11.1) давление ненасыщенного пара увеличивается (участок 1—2) подобно тому, как изменяется давление при уменьшении объёма идеального газа. При определённом объёме пар становится насыщенным, и при дальнейшем его сжатии происходит превращение его в жидкость (участок 2—3). В этом случае над жидкостью уже будет находиться насыщенный пар.
Как только весь пар превратится в жидкость, дальнейшее уменьшение объёма вызовет резкое увеличение давления (жидкость малосжимаема).
Однако пар превращается в жидкость не при любой температуре. Если температура выше некоторого значения, то, как бы мы ни сжимали газ, он никогда не превратится в жидкость.
>Максимальная температура, при которой пар ещё может превратиться в жидкость, называется критической температурой.
Каждому веществу соответствует своя критическая температура, у гелия Tкр = 4 К, у азота Tкр = 126 К.
Состояние вещества при температуре выше критической называется газом; при температуре ниже критической, когда у пара есть возможность превратиться в жидкость, — паром.
Свойства насыщенного и ненасыщенного пара различны.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры.
Состояние насыщенного пара, как показывает опыт, приближённо описывается уравнением состояния идеального газа (10.4), а его давление определяется формулой
рн. п = nkT. (11.1)
С ростом температуры давление растёт.
Так как давление насыщенного пара не зависит от объёма, то, следова тельно, оно зависит только от температуры.
Однако зависимость давления рн. п от температуры Т, найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объёме. С увеличением температуры давление реального насыщенного пара растёт быстрее, чем давление идеального газа (рис. 11.2, участок кривой АВ). Это становится очевидным, если провести изохоры идеального газа через точки А и В (штриховые прямые). Почему это происходит?
При нагревании жидкости в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар.
В результате согласно формуле (11.1) давление насыщенного пара растёт не только вследствие повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара.
В основном увеличение давления при повышении температуры определяется именно увеличением концентрации. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара состоит в том, что при изменении температуры пара в закрытом сосуде (или при изменении объёма при постоянной температуре) изменяется масса пара.
Почему составляются таблицы зависимости давления насыщенного пара от температуры и нет таблиц зависимости давления газа от температуры?
Жидкость частично превращается в пар, или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.
Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным и его давление при постоянном объёме будет возрастать прямо пропорционально абсолютной температуре (см. рис.
11.2, участок кривой ВС).
Кипение.
По мере увеличения температуры жидкости интенсивность испарения увеличивается. Наконец, жидкость начинает кипеть. При кипении по всему объёму жидкости образуются быстро растущие пузырьки пара, которые всплывают на поверхность.
Кипение — это процесс парообразования, происходящий по всему объёму жидкости при температуре кипения.
При каких условиях начинается кипение?
На что расходуется при кипении подводимое к жидкости тепло с точки зрения молекулярно-кинетической теории?
Температура кипения жидкости остаётся постоянной. Это происходит потому, что вся подводимая к жидкости энергия расходуется на превращение её в пар.
В жидкости всегда присутствуют растворённые газы, выделяющиеся на дне и стенках сосуда, а также на взвешенных в жидкости пылинках, которые являются центрами парообразования. Пары жидкости, находящиеся внутри пузырьков, являются насыщенными. С увеличением температуры давление насыщенных паров возрастает и пузырьки увеличиваются в размерах.
Под действием выталкивающей силы они всплывают вверх. Если верхние слои жидкости имеют более низкую температуру, то в этих слоях происходит конденсация пара в пузырьках. Давление стремительно падает, и пузырьки захлопываются. Захлопывание происходит настолько быстро, что стенки пузырька, сталкиваясь, производят нечто вроде взрыва. Множество таких микровзрывов создаёт характерный шум. Когда жидкость достаточно прогреется, пузырьки перестанут захлопываться и всплывут на поверхность. Жидкость закипит.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры объясняет, почему температура кипения жидкости зависит от давления на её поверхность. Пузырёк пара может расти, когда давление насыщенного пара внутри его немного превосходит давление в жидкости, которое складывается из давления воздуха на поверхность жидкости (внешнее давление) и гидростатического давления столба жидкости.
Обратим внимание на то, что испарение жидкости происходит и при температурах, меньших температуры кипения, но только с поверхности жидкости, при кипении же образование пара происходит по всему объёму жидкости.
Кипение начинается при температуре, при которой давление насыщенного пара в пузырьках сравнивается и становится чуть больше давления в жидкости.
Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения.
Так, в паровом котле при давлении, достигающем 1,6 • 106 Па, вода не кипит и при температуре 200 °С. В медицинских учреждениях в герметически закрытых сосудах — автоклавах (рис. 11.3) кипение воды также происходит при повышенном давлении. Поэтому температура кипения жидкости значительно выше 100 °С. Автоклавы применяют, например, для стерилизации хирургических инструментов, ускорения приготовления пищи (скороварка), консервации пищи, проведения химических реакций.
И наоборот, уменьшая внешнее давление, мы тем самым понижаем температуру кипения.
Откачивая насосом воздух и пары воды из колбы, можно заставить воду кипеть при комнатной температуре. При подъёме в горы атмосферное давление уменьшается, поэтому уменьшается температура кипения. На высоте 7134 м (пик Ленина на Памире) давление приближённо равно 4 • 104 Па (300 мм рт.
ст.). Вода кипит там примерно при 70 °С. Сварить мясо в этих условиях невозможно.
У каждой жидкости своя температура кипения, которая зависит от свойств жидкости. При одной и той же температуре давление насыщенного пара разных жидкостей различно.
Например, при температуре 100 °С давление насыщенных паров воды равно 101 325 Па (760 мм рт. ст.), а паров ртути — всего лишь 117 Па (0,88 мм рт. ст.). Так как кипение происходит при той же температуре, при которой давление насыщенного пара равно внешнему давлению, то вода при 100 °С закипает, а ртуть нет. Кипит ртуть при температуре 357 °С при нормальном давлении.
Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский
Основы термодинамики. Тепловые явления — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика
Насыщенный пар —
Давление насыщенного пара —
Влажность воздуха —
Примеры решения задач по теме «Насыщенный пар.
Влажность воздуха» —
Кристаллические тела —
Аморфные тела —
Внутренняя энергия —
Работа в термодинамике —
Примеры решения задач по теме «Внутренняя энергия. Работа» —
Количество теплоты. Уравнение теплового баланса —
Примеры решения задач по теме: «Количество теплоты. Уравнение теплового баланса» —
Первый закон термодинамики —
Применение первого закона термодинамики к различным процессам —
Примеры решения задач по теме: «Первый закон термодинамики» —
Второй закон термодинамики —
Статистический характер второго закона термодинамики —
Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей —
Примеры решения задач по теме: «КПД тепловых двигателей»
§ 121. Лаборант по физико-механическим испытаниям (3-й разряд) / КонсультантПлюс
§ 121. Лаборант по физико-механическим испытаниям
3-й разряд
Характеристика работ.
Физико-механические испытания сырья, материалов, полуфабрикатов и готовой продукции с выполнением работ по обработке и обобщению результатов проведенных испытаний. Выполнение расчетов по определению показателей качества материалов, сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Определение соответствия испытуемых образцов государственным стандартам и техническим условиям. Подготовка опытных образцов в лабораторных условиях.
Определение тонины помола, равномерности изменения объема,
сроков схватывания и объемной массы материалов. Подсчет величины
нагрузок по размерам образцов. Определение температур с помощью
термопар при испытании на термостойкость образцов. Монтирование
термопары. Внесение поправок на температуру холодного спая.
Определение модуля нормальной упругости и модуля сдвига
радиотехническим методом, эталонирование установки для определения
модулей. Измерение магнитной проницаемости на баллистической
установке.
Внесение поправки на геометрические размеры образца.
Регулирование равномерности нагрева образца по длине, контроль
температуры нагрева термопарами. Измерение термопарным
вакуумметром разрежения до 174 — 1,3 Па (до 1,31 —
-2
10 мм рт. ст.). Смена масла в форвакуумном насосе. Проверка и
наладка лабораторного оборудования в процессе проведения
испытаний. Наблюдение за прохождением опытной партии сырья,
материалов и полуфабрикатов в производстве. Графическое
изображение результатов испытаний.
Должен знать: устройство обслуживаемого оборудования; рецептуру, виды, назначение и особенности подлежащих испытанию материалов, сырья, полуфабрикатов и готовой продукции; правила ведения физико-механических испытаний различной сложности с выполнением работ по их обработке и обобщению; принцип действия баллистических установок для определения магнитной проницаемости; основные узлы вакуумных систем форвакуумных и диффузионных насосов, термопарного вакуумметра; основные методы определения физических свойств образцов; основные свойства магнитных тел; термическое расширение сплавов; методику определения коэффициентов линейного расширения критических точек на дилатометрах; методику определения температуры с помощью высоко- и низкотемпературных термометров; упругие свойства металлов и сплавов; правила внесения поправок на геометрические размеры образца; методы построения графиков; систему записей проводимых испытаний и методику обобщения результатов испытаний.
Открыть полный текст документа
Температура — Гипертекст по физике
Обсуждение
теоретическое определение
Следует соблюдать осторожность при определении температуры, чтобы не путать ее с теплотой. Тепло — это форма энергии. Температура-то другое. Мы могли бы начать с технического определения, но я бы предпочел начать с вопроса. Насколько жарко? Ответ на этот вопрос (или на подобный вопрос) — измерение температуры. Чем горячее что-то, тем выше его температура.Поэтому я хотел бы предложить следующее неформальное определение — температура — это мера жара.
В науке величины обычно определяются оперативно (в процессе их измерения) или теоретически (в терминах теорий конкретной дисциплины). Мы начнем с теоретического определения температуры и закончим операционным определением.
Давайте рассмотрим то, что вы уже должны знать.
- Система обладает энергией, если она способна выполнять работу.
- Энергия бывает двух основных форм: кинетическая энергия движения и потенциальная энергия положения.
- Энергия сохраняется; иными словами, он не может быть создан или уничтожен. Когда одна форма энергии уменьшается, другая форма должна увеличиваться.
Типичным примером этого является скала на вершине холма. Благодаря высоте над подножием холма, он обладает потенциальной гравитационной энергией. Дайте ему толчок, и он начнет катиться. Если мы предположим идеальную ситуацию замкнутой системы, в которой энергия не теряется при спуске, тогда начальная потенциальная энергия породы будет равна ее конечной кинетической энергии.
А теперь сделаем еще один шаг вперед к архетипическому примеру. Предположим, камень врезается в стену. Ни камень, ни стена не упругие, поэтому камень останавливается. Теперь кажется, что мы нарушили закон сохранения энергии. Кинетическая энергия потеряна, и ничто не заменило ее. Куда ушла энергия?
Ответ на этот вопрос: внутри скалы.
Энергия была преобразована из внешней энергии , видимой как движение скалы в целом, во внутреннюю энергию движения невидимых частей, составляющих скалу.Две энергии идентичны по размеру, но различаются по внешнему виду. Внешняя энергия видна, потому что она организована. Поступательная кинетическая энергия камня обусловлена скоординированным движением. Все части движутся вперед вместе. Энергия вращения также согласована. Все части вместе вращаются вокруг центра масс. Напротив, внутренняя кинетическая энергия камня невидима, поскольку куски очень маленькие и многочисленные, а их движение совершенно нескоординировано. Их движения статистически случайны со средним значением, равным нулю, что делает энергию в значительной степени невидимой для нас, макроскопических существ.
Потенциальная энергия также может существовать во внешней и внутренней формах. Я не буду приводить здесь пример, но скажу, что внешняя потенциальная энергия относительно очевидна. (Смотрите, на вершине холма есть камень.
) Внутренняя потенциальная энергия более неясна. (Посмотрите, есть атом рядом с другим атомом.) Внутренняя потенциальная энергия отвечает за скрытую теплоту — тема, которая обсуждается позже в этой книге.
Если вы верите, что объекты могут обладать внутренней энергией, тогда нетрудно поверить, что они могут обмениваться этой энергией.Это называется термическим контактом . Несводимые части объектов, ответственные за перенос внутренней энергии, известны как атомы — от греческого «α τομή» [ a tomi ], что означает «нельзя разрезать», — но вера в атомы не является необходимостью. Это просто облегчает жизнь. (Удивительно, но большая часть теплофизики и термодинамики была разработана до того, как атомы стали в целом считаться реальными.) Поскольку мы имеем дело с большим количеством атомов в нескоординированном движении, будут моменты и места, где передача внутренней энергии будет происходить в одном направлении. а также разное время и места, где передача внутренней энергии будет происходить в противоположном направлении.
Поскольку числа настолько невообразимо велики, нас действительно не волнует, что происходит с каким-либо одним атомом. Все, что мы можем наблюдать в таких случаях, — это чистая или полная передача внутренней энергии. Это известно как тепло. Если чистый обмен внутренней энергии равен нулю; то есть, если тепло не течет из одной области в другую; тогда считается, что вся система находится в тепловом равновесии . Тепло , таким образом, представляет собой чистый перенос внутренней энергии из одной области в другую.
Ничего нельзя сказать о том, что имеет тепла или сохраняет тепла.Вместо этого мы говорим, что тепло течет из одного места в другое. Направление указано знаком перед числом. Используйте «+», когда тепло поступает, и «-», когда тепло выходит. Тепло может перемещаться влево, вправо, вверх, вниз, вперед или назад, но обычно это не так. Тепло — это форма энергии, а энергия скалярна, поэтому конкретные направления и углы, а также все остальные векторные элементы не имеют значения.
Тепло — это форма энергии, а единица энергии — джоулей [Дж], поэтому тепло следует измерять в джоулях.Однако до того, как это стало известно, у тепла были свои особые подразделения; как калория и британская тепловая единица [BTU]. По какой-то причине они до сих пор широко используются в Соединенных Штатах — калорийность для пищевой энергии (которая на самом деле составляет килокалорий) и британские тепловые единицы для печей, кондиционеров, плит и холодильников. Эти единицы будут обсуждаться более подробно в следующем разделе этой книги.
Возвращение к температуре. Что это?
Две области теплового контакта имеют одинаковую температуру , когда между ними нет чистого обмена внутренней энергией.Таким образом, температура определяет направление теплового потока — из из области с более высокой температурой и из в область с более низкой температурой. Если говорить более кратко, тепло перетекает от горячего к холодному.
Это теоретическое определение температуры.
оперативное определение
Температура измеряется термометром . Основной принцип работы всех термометров заключается в том, что существует некоторая величина, называемая термометрической переменной , которая изменяется в ответ на изменения температуры.Связь между температурой и термометрической переменной может быть прямой или обратной, или она может определяться полиномиальной или степенной функцией. В любом случае измеряется термометрическая переменная. Нет возможности напрямую измерить температуру.
| тип | термометрическая переменная |
|---|---|
| жидкость в стекле | том |
| газ постоянного объема | давление |
| биметаллическая полоса | шаг катушки |
| резистор электрический | сопротивление |
| термопара | напряжение |
После того, как мы определились с термометрической переменной, которую нужно измерить, следующим шагом будет выбор температурной шкалы .
Не потому, что «единицы имеют значение» (как говорит каждый учитель физики, когда они вычитают баллы из учеников, которые забыли записать их на тесте), а потому, что температура не имеет значения без значений, определенных как стандартные. В термометрии нам нужно фиксированных точек : воспроизводимые эксперименты, основанные на естественных явлениях, которые происходят при определенной температуре в заданном наборе условий. На самом деле нам нужны как минимум две фиксированные точки и определенный диапазон чисел (называемый фундаментальным интервалом ) между нижней фиксированной точкой и верхней фиксированной точкой .Другая причина того, что рабочее определение температуры так тесно связано с температурными шкалами, заключается в том, что ранняя наука о термометрии связана с изобретением и созданием термометров.
Первый термометр был построен на территории современной северной Италии в 17 веке Санкториусом Санкториусом (1561–1636), первым врачом, который регистрировал такие жизненно важные показатели, как вес и температура тела; Галилео Галилей (1564–1642), человек, который в основном изобрел научный метод; или Джованни Франческо Сагредо (1571–1620), мастера по изготовлению инструментов, которого иногда называют «учеником» Галилея.
Все трое построили так называемые стеклянные термометры для жидкости , которые состоят из стеклянного резервуара с жидкостью, прикрепленного к узкой стеклянной трубке. При повышении температуры жидкость расширяется и поднимается по трубке. Когда температура снижается, жидкость сжимается и падает обратно в трубку. Таким образом, высота столбца связана с температурой простым линейным образом. Галилей не наносил шкалу на свое устройство, поэтому то, что он изобрел, лучше назвать тероскопом , поскольку все, что он может сделать, это показать изменений температуры, а не , на самом деле, измерить их .Санкторус добавил шкалу к стеклянному термоскопу с воздухом, и, таким образом, его можно приписать изобретению термометра, но…. Воздух в стеклянных устройствах реагирует на изменения давления, а также на изменения температуры, и давление не было чем-то, что было хорошо изучено в то время. Сагредо добавил к своему термометру шкалу с 360 делениями, имитирующую классическое деление круга.
С тех пор единицы температуры назывались «градусами» независимо от того, было ли их 360 в основном интервале.
Роберт Гук (1635–1703) из Лондона был первым, кто предложил использовать точку замерзания воды в качестве нижней фиксированной точки. Оле Рёмер (1644–1710) из Копенгагена присвоил значение 7,5 ° точке замерзания и 60 ° точке кипения воды, так что нормальная температура тела будет составлять 22,5 °, что в три раза больше точки замерзания. В те времена, когда термометры градуировались вручную, такие уловки обычно были встроены в температурные шкалы.
В любом случае, нормальная температура тела не является той фиксированной точкой, которая удовлетворяет потребности серьезной термометрии.Слишком много вариаций в концепции «нормального» применительно к людям. (Более значимым будет термин «средний».) У разных людей может быть разная температура тела, и они все равно считаются здоровыми, а температура тела у всех меняется в течение дня. Мы самые холодные рано утром и самые жаркие в середине дня.
Такое число переменной просто не сокращает его как фиксированное число .
Некоторые другие неудачные идеи для фиксированных точек включают…
- подмышка здорового англичанина
- самый глубокий подвал Парижской обсерватории
- Самая жаркая летняя температура Италии, Сирии, Сенегала,…
- точка застывания анисового масла, льняного масла, оливкового масла,…
- точка плавления масла, воска,…
- Температура кипения спирта, вина,…
- Кухонный огонь, достаточно горячий для жарки продуктов
- пламя свечи
- Самая горячая ванна, которую может выдержать мужчина, не помешивая ее рукой
- Соляно-ледяные смеси
Фаренгейта
Самая долговечная из используемых до сих пор температурных шкал — работа Даниэля Габриэля Фаренгейта (1686–1736).Фаренгейт родился в немецкой семье, жившей в Данциге, Пруссия (ныне Гданьск, Польша). Когда ему было 15 лет, он потерял обоих родителей из-за отравления грибами и поступил в ученики к местному торговцу, который позже перевез его в Нидерланды.
Фаренгейту такая аранжировка не понравилась, и он просто пропустил своего хозяина. Стажировка меньше похожа на стажировку современных студентов колледжа и больше похожа на семилетнюю трудовую жизнь по договору.
Во время бегства из дома и в течение нескольких лет после этого Фаренгейт путешествовал по Нидерландам, Дании, Германии, Швеции и Польше; приобрел технические навыки, такие как выдувание стекла и изготовление инструментов; и изучил голландский, французский, английский языки и теплофизику.
Когда ему было 28 лет, он поразил научное сообщество, сконструировав пару термометров, которые давали неизменно идентичные показания. Что меня поражает, так это то, что кто-то нашел бы этот поступок поразительным, но, очевидно, никто никогда не делал этого раньше.
Теперь исторический 360-градусный термометр Sagredo присвоил 0 ° смеси снега и соли, 100 ° снегу и 360 ° самому жаркому летнему дню. Такие термометры, которые впервые были построены в северной Италии, были откалиброваны по неизменяемым фиксированным точкам.
Это означало, что термометры, изготовленные в 1650 году, давали другие результаты, чем термометры, изготовленные в 1651 году, а термометры, изготовленные во Флоренции, давали другие результаты, чем те, которые были изготовлены в Венеции.
по Фаренгейту остановился на трех фиксированных точках, которые он подробно описал в документе, представленном Лондонскому королевскому обществу в 1724 году. (Акцент был добавлен к некоторым ключевым словам ).
Hujus scalæ divisio tribus nititur terminis fixis, qui arte Sequentimodo parari Possunt; primus illorum in informa parte vel initio scalæ reperitur, & commixtione glaciei, aqu, & salis Armoniaci vel etiam maritimi acquiritur; huic mixturæ si thermometron imponitur, fluidum ejus usque ad gradum, qui zero notatur, спуститься.Melius autem hyeme, quam æstate hoc экспериментум успеха. Деление шкалы зависит от трех фиксированных точек, которые можно определить следующим образом. Secundus terminus obtinetur, si aqua & glacies absque memoratis salibus commiscentur, imposito thermometro huic mixturæ, Fluidum ejus tricesimum secundum Occidentat gradum, & terminus initii congelationis; aquæ enim stagnantes tenuissima jam glacie obducuntur, quando hyeme liquor thermometri hunce gradum attingit. Вторая точка получается, если вода и лед смешиваются без вышеупомянутых солей. Когда термометр помещается в эту смесь, ее жидкость достигает 32 и градусов. Я называю эту точку замерзания . Ведь стоячая вода уже покрыта очень тонким слоем льда, когда жидкость термометра достигает этой точки зимой. Terminus tertius в nonagesimo sexto gradient reperitur; & spiritus usque ad hunc gradum dilatatur, dum thermometrum в руду sub axillis hominis в statu sano viventis tam diu tenetur donec perfectissime calorem corporis acquisivit. Третья точка расположена на 96-м градусе . Алкоголь расширяется до этого момента, когда он находится во рту или под мышкой здорового человека, пока он полностью не наберет тепла его тела . Даниэль Габриэль Фаренгейт, 1724 Перевод Дж. Холланда для sizes.com
Первый находится в неоткалиброванной части или в начале шкалы и определяется смесью льда, воды и хлорида аммония или даже морской соли . Если термометр помещен в эту смесь, его жидкость опускается до градуса, отмеченного цифрой ноль .Зимой этот опыт удается лучше, чем летом.
После смерти Фаренгейта эти фиксированные точки были изменены, так что шкала с его именем теперь имеет только две, более разумные фиксированные точки.Нормальная точка замерзания воды оставалась на уровне 32 ° F, но точки нагрева соленой воды и тела были понижены в пользу верхней фиксированной точки 212 ° F при нормальной температуре кипения воды.
Это разделило основной интервал на 180 градусов, что было приемлемым числом для работы. Разделить интервал на половины или трети (или степени половин и третей) не так уж и плохо. Настоящая проблема — это пятые. Множители 96: 2, 2, 2, 2, 2, 3; который лишен страшных пятерок.Множители 180: 2, 2, 3, 3, 5; который включает пять, но, по крайней мере, есть только один. Множители 100: 2, 2, 5, 5; у которого вдвое больше пятерок, чем у 180, а значит, вдвое больше страха.
по Цельсию
НЕ ЗАВЕРШЕНО
Рене Реомюр (1683–1757) Франция. Андерс Цельсий (1701–1744) Швеция.
Поскольку между двумя контрольными точками есть сто градусов, были использованы названия градусов Цельсия и сотых градусов , а также название градусов Цельсия .В 1948 году эти альтернативные названия были исключены, и в качестве официального названия был выбран градус Цельсия. Это было сделано в честь Цельсия за его работу по разработке исходной системы и во избежание непоследовательного использования префикса centi.
Название «градус по Цельсию» подразумевает, что существует единица измерения, называемая «градус».
кельвина
НЕ ЗАВЕРШЕНО
Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824–1907) Ирландия – Шотландия предлагает первую шкалу абсолютных температур. Рудольф Клаузиус (1822–1888) Германия предложил изменить шкалу таким образом, чтобы размер одного градуса по шкале Томсона был равен одному градусу Цельсия.
Международная температурная шкала (ITS)
Несколько фиксированных точек.
преобразование температуры
Большинство преобразований единиц выполняется с помощью масштабирования . Вы берете число с единицей измерения и умножаете (или делите) на коэффициент преобразования, чтобы получить новое число с новой единицей. Число само по себе может быть больше или меньше после преобразования, но число с единицей идентично, поскольку коэффициент преобразования является отношением, равным единице.Единицы измерения температуры не всегда могут быть преобразованы таким образом, поскольку не все температурные шкалы присваивают нулевое значение одной и той же фиксированной точке.
Для преобразования температуры часто требуется преобразование в , чтобы нули выровнялись. Вы берете число с единицей измерения и добавляете (или вычитаете) коэффициент преобразования с числом и единицей измерения. Вы можете сделать это до или после любого масштабирования, в зависимости от того, что вам удобно. Комбинация масштабирования и трансляции называется линейным преобразованием (или линейным отображением ).
Самым простым преобразованием температуры является градус Кельвина в градус Цельсия. Размеры двух блоков идентичны по конструкции. Температурный интервал 1 K соответствует 1 ° C, поэтому коэффициент масштабирования составляет 1 ° C / 1 K. Температура абсолютного нуля называется 0 K по шкале Кельвина и -273,15 ° C по шкале Цельсия, поэтому требуется коэффициент перевода −273 ° C. Таким образом, мы в основном умножаем на единицу, что равносильно тому, что ничего не делаем, и вычитаем 273. Обратное преобразование столь же просто.
| ° С ← К | ||||||
| ||||||
| ° С = К — 273,15 | ||||||
| К ← ° C | ||||||
| ||||||
| ° С = К + 273,15 | ||||||
Позвольте мне кое-что рассказать. Последняя часть этого раздела действительно полезна только для граждан и жителей США. Между температурой кипения и замерзания воды от 180 ° F до 100 ° C.
Это дает коэффициент масштабирования 180 100 при преобразовании из градусов Цельсия в градусы Фаренгейта, который уменьшается до 9 5 .Ноль шкалы Цельсия находится на 32 градуса выше нуля шкалы Фаренгейта, поэтому необходим коэффициент перевода +32 ° F.
Обратное преобразование (градусы Фаренгейта в градусы Цельсия), как мне кажется, лучше всего производить немного по-другому. Начните с выравнивания нулевых точек путем вычитания 32 ° F, затем используйте коэффициент масштабирования 100 180 или 5 9 .
| ° F ← ° С | ||||||
| ||||||
| ||||||
| ° C ← ° F | ||||||||
| ||||||||
| ||||||||
Для тех из вас, кто предпочитает линейные преобразования в форме y = mx + b , вот это последнее преобразование еще раз…
| ° С = | 5 | ° F — | 160 |
| 9 | 9 |
Единственное преимущество этой записи состоит в том, что ее можно использовать, чтобы показать, что…
| 0 ° F = — | 160 | ° С |
| 9 |
0 ° F = -17.
78 ° С
Совершенно того стоит.
| по Фаренгейту (° F) | по Цельсию (° C) | кельвин (К) | устройство, событие, явление, процесс |
|---|---|---|---|
| ~ 10 32 | планковская температура, верхний предел температуры | ||
| ~ 10 13 | Самый горячий лабораторный эксперимент (LHC, 2012) | ||
| ~ 10 10 | ядро горячих звезд | ||
| ~ 10 7 | ядро Солнца | ||
| ~ 10 7 | ядерный взрыв | ||
| ~ 10 6 | солнечная корона (атмосфера Солнца) | ||
| 25 000 | поверхность голубых звезд | ||
| 24 000 | молния | ||
| 6500 | D 65 стандартный белый горячий (эффективный) | ||
| 6000 | центр Земли | ||
| 5933 | кипит вольфрам | ||
| 5772 | поверхность Солнца | ||
| 3683 | плавки вольфрама | ||
| 3500 | поверхность красных звезд | ||
| 4900 | 2700 | 3000 | лампа накаливания |
| 3100 | 1700 | 2000 | типичное пламя |
| 2200 | 1200 | 1500 | свежая лава |
1984. 32 | 1084,62 | 1357,77 | медь замерзает |
| 1947,52 | 1064,18 | 1337,33 | золото замерзает |
| 1763.20 | 961,78 | 1234.93 | серебро застывает |
| 1250 | 680 | 950 | тусклый красный горячий |
| 1220,58 | 660,323 | 933.473 | алюминий замерзает |
| 930 | 500 | 770 | начало красной жары |
| 850 | 460 | 730 | Средняя температура на Венере |
| 840 | 450 | 720 | дневная температура на Меркурии |
| 787,149 | 419,527 | 692,677 | цинк замерзает |
| 674 | 357 | 630 | кипение ртути |
| 621 | 327 | 600 | свинец плавится |
574. 5875 | 301,4375 | 574,5875 | шкалы Фаренгейта и Кельвина совпадают |
| 530 | 280 | 550 | Домашняя очень горячая духовка |
| 451 | 233 | 506 | горит бумага, по словам Рэя Брэдбери (платная ссылка) |
| 449,470 | 231,928 | 505.078 | олово замерзает |
| 313,8773 | 156.5985 | 429,7485 | Индий замерзает |
| 252 | 122 | 395 | верхний предел срока службы при высоком давлении |
| 212 | 100 | 373,15 | вода закипает |
| 134 | 56,7 | 329,817 | Самая высокая температура на Земле (Калифорния, 1913 год) |
| 106 | 41 | 314 | Рекорд города Нью-Йорка (Центральный парк, 1936) |
| 100 | 37. 778 | 310,928 | ничего важного |
| 98,6 | 37,0 | 310,2 | человеческое тело (традиционный США) |
| 98,2 | 36,8 | 309,9 | человеческое тело (переработанное) |
| 96 | человеческое тело (по Фаренгейту) | ||
| 85,5763 | 29,7646 | 302.9146 | плавится галлий |
| 80 | 27 | 300 | численно удобная «комнатная температура» (300 К) |
| 68 | 20 | 293 | численно удобная «комнатная температура» (20 ° C) |
| 59 | 15 | 288 | Средняя температура на Земле |
| 32.018 | 0,01 | 273,16 | тройная точка воды |
| 32 | 0 | 273,15 | вода замерзает |
| 19 | −7 | 266 | оптимальная температура льда для катания на коньках |
| 0 | −17,8 | 255 | Ледяно-водно-солевая смесь (по Фаренгейту) |
−14. 3 | −25,7 | 247 | Рекордно низкий уровень Нью-Йорка (Центральный парк, 1934 г.) |
| −37,9019 | -38,8344 | 234,3156 | тройная точка ртути |
| −38 | −39 | 234 | замерзает ртуть |
| −40 | −40 | 233 | шкалы Фаренгейта и Цельсия совпадают |
| −56 | −49 | 220 | Средняя температура на Марсе |
| −108 | −78 | 195 | точка сублимации сухого льда |
| −128.5 | −89,2 | 183,95 | Самая низкая температура на Земле (Антарктида, 1983) |
| −279,67 | −173,15 | 100 | ничего важного |
| −300 | -180 | 90 | ночная температура на Меркурии |
| −279 | −183 | 90 | кислородные сжиженные |
| −308,8196 | −189,3442 | 83. 8058 | тройная точка аргона |
| −320 | −196 | 77 | азот сжиженный |
| 63 | азот замерзает | ||
| 54,3584 | кислородная тройная точка | ||
| 50 | Средняя температура на Плутоне | ||
| 24,5561 | неоновая тройная точка | ||
| 20.3 | водород сжиженный | ||
| 13.8033 | тройная точка водорода | ||
| 4,22 | гелий сжиженный | ||
| 2,7260 | космический микроволновый фон | ||
| 2,174 | гелий I / II λ точка (0,050 атм) | ||
| ~ 1 | самая холодная точка в космосе (туманность Бумеранг) | ||
0. 95 | гелий замерзает (26 атм) | ||
| 0,010 | самый холодный кубический метр (CUORE, 2017) | ||
| 10 −8 | черная дыра звездной массы | ||
| 10 −10 | Самый холодный лабораторный эксперимент (Университет Аалто, 2000) | ||
| 10 −13 ~ 10 −16 | сверхмассивная черная дыра | ||
| −459.67 | −273,15 | 0 | абсолютный ноль |
Учебное пособие по физике
У всех нас чувство, какая температура. У нас даже есть общий язык, который мы используем для качественного описания температуры. Вода в душе или ванне кажется горячей, холодной или теплой. На улице прохладно, или парно, . Мы, безусловно, хорошо чувствуем, насколько одна температура качественно отличается от другой температуры.
Мы не всегда можем прийти к единому мнению, является ли температура в помещении слишком высокой или слишком низкой или подходящей. Но мы, вероятно, все согласимся с тем, что у нас есть встроенные термометры для качественной оценки относительных температур.
Несмотря на то, что мы встроены в температуру, она остается одним из тех понятий в науке, которые трудно определить. Кажется, что страница руководства, посвященная теме температуры и термометров, должна начинаться с простого определения температуры.Но именно в этот момент я сбил с толку . Поэтому я обращаюсь к тому знакомому ресурсу Dictionary.com … где нахожу определения, которые варьируются от простых, но не слишком информативных до слишком сложных, чтобы быть прояснительными. Рискуя провалиться животом в бассейн просветления, я перечислю некоторые из этих определений здесь:
- Степень жара или холода тела или окружающей среды.
- Мера тепла или холода предмета или вещества по отношению к некоторому стандартному значению.
- Мера средней кинетической энергии частиц в образце вещества, выраженная в единицах или градусах, обозначенных на стандартной шкале.
- Мера способности вещества или, в более общем смысле, любой физической системы передавать тепловую энергию другой физической системе.
- Любая из различных стандартизированных числовых мер этой способности, например шкала Кельвина, Фаренгейта и Цельсия.
Наверняка нас устраивают первые два определения — степень или мера того, насколько горячий или холодный объект.Но такие определения не способствуют нашему пониманию температуры. Третье и четвертое определения, которые касаются кинетической энергии частиц и способности вещества передавать тепло, являются точными с научной точки зрения. Однако эти определения слишком сложны, чтобы служить хорошей отправной точкой для обсуждения температуры. Поэтому мы согласимся с определением, аналогичным пятому из перечисленных — температуру можно определить как показания термометра.
По общему признанию, этому определению не хватает мощности, необходимой для выявления столь желанного Ага! Теперь я понимаю! момент.Тем не менее, он служит отличной отправной точкой для этого урока о тепле и температуре. Температура — это то, что показывает термометр. Какой бы мерой ни была эта температура, она отражается в показаниях термометра. Итак, как именно работает термометр? Каким образом измерит надёжно, какой бы мерой ни была эта температура?
Сегодня существует множество типов термометров.Тип, с которым большинство из нас знакомо по научным занятиям, представляет собой жидкость, заключенную в узкую стеклянную колонку. В более старых термометрах этого типа использовалась жидкая ртуть. В ответ на наше понимание проблем со здоровьем, связанных с воздействием ртути, в этих типах термометров обычно используется какой-либо жидкий спирт. Эти жидкостные термометры основаны на принципе теплового расширения.
Когда вещество нагревается, оно расширяется до большего объема. Почти все вещества демонстрируют такое поведение при тепловом расширении.Это основа конструкции и работы термометров.
При повышении температуры жидкости в термометре увеличивается ее объем. Жидкость заключена в высокую узкую стеклянную (или пластмассовую) колонку с постоянной площадью поперечного сечения. Таким образом, увеличение объема происходит из-за изменения высоты жидкости внутри колонны. Увеличение объема и, следовательно, высоты столба жидкости пропорционально повышению температуры. Предположим, что повышение температуры на 10 градусов приводит к увеличению высоты колонны на 1 см.Тогда повышение температуры на 20 градусов приведет к увеличению высоты колонны на 2 см. А повышение температуры на 30 градусов приведет к увеличению высоты колонны на 3 см. Связь между температурой и высотой столбца линейна в небольшом диапазоне температур, в котором используется термометр. Эта линейная зависимость делает калибровку термометра относительно простой задачей.
Калибровка любого измерительного инструмента включает нанесение делений или меток на инструмент для точного измерения количества по сравнению с известными стандартами.Любой измерительный инструмент — даже измерительная линейка — должен быть откалиброван. Инструмент нуждается в делениях или разметке; например, метрическая палка обычно имеет отметки через каждые 1 см или через каждые 1 мм. Эти отметки должны быть нанесены точно, и о точности их размещения можно судить, только сравнивая их с другим объектом, имеющим определенную длину.
Термометр калибруется с использованием двух объектов с известными температурами. Типичный процесс включает использование точки замерзания и точки кипения чистой воды.Вода, как известно, замерзает при 0 ° C и кипит при 100 ° C при атмосферном давлении 1 атм. Поместив термометр в смесь ледяной воды и позволив жидкости термометра достичь стабильной высоты, отметка 0 градусов может быть помещена на термометр. Точно так же, поместив термометр в кипящую воду (при давлении 1 атм) и позволив уровню жидкости достичь стабильной высоты, отметка 100 градусов может быть помещена на термометр.
С помощью этих двух отметок, размещенных на термометре, между ними можно разместить 100 делений с равным интервалом, представляющих отметки в 1 градус.Поскольку существует линейная зависимость между температурой и высотой жидкости, деления от 0 до 100 градусов могут быть равномерно распределены. С помощью откалиброванного термометра можно проводить точные измерения температуры любого объекта в диапазоне температур, для которого он был откалиброван.
Температурные шкалы
В результате описанного выше процесса калибровки термометра получается так называемый термометр по Цельсию.Термометр по Цельсию имеет 100 делений или интервалов между нормальной точкой замерзания и нормальной температурой кипения воды. Сегодня шкала Цельсия известна как шкала Цельсия, названная в честь шведского астронома Андерса Цельсия, которому приписывают ее разработку. Шкала Цельсия — это наиболее широко распространенная шкала температур, используемая во всем мире.
Это стандартная единица измерения температуры почти во всех странах, за исключением США. По этой шкале температура 28 градусов по Цельсию сокращается до 28 ° C.
Традиционно медленно применяют метрическую систему и другие общепринятые единицы измерения, в Соединенных Штатах чаще используется шкала температур по Фаренгейту. Термометр можно откалибровать по шкале Фаренгейта аналогично описанному выше. Разница в том, что нормальная точка замерзания воды обозначена как 32 градуса, а нормальная точка кипения воды обозначена как 212 градусов по шкале Фаренгейта. Таким образом, при использовании шкалы Фаренгейта между этими двумя температурами есть 180 делений или интервалов.Шкала Фаренгейта названа в честь немецкого физика Даниэля Фаренгейта. Температура 76 градусов по Фаренгейту сокращенно называется 76 ° F. В большинстве стран мира шкала Фаренгейта была заменена шкалой Цельсия.
Температуры, выраженные по шкале Фаренгейта, могут быть преобразованы в эквивалент шкалы Цельсия с помощью следующего уравнения:
° C = (° F — 32 °) / 1,8
Аналогичным образом, температуры, выраженные по шкале Цельсия, могут быть преобразованы в эквивалент шкалы Фаренгейта с помощью следующего уравнения:
° F = 1.
8 • ° C + 32 °
Температурная шкала Кельвина
Хотя шкалы Цельсия и Фаренгейта являются наиболее широко используемыми температурными шкалами, существует несколько других шкал, которые использовались на протяжении всей истории. Например, есть шкала Ренкина, шкала Ньютона и шкала Ромера, которые используются редко. Наконец, существует шкала температуры Кельвина, которая является стандартной метрической системой измерения температуры и, возможно, наиболее широко используемой шкалой температуры среди ученых.Температурная шкала Кельвина похожа на температурную шкалу Цельсия в том смысле, что между нормальной точкой замерзания и нормальной точкой кипения воды есть 100 одинаковых приращений. Однако отметка нуля градусов по шкале Кельвина на 273,15 единиц холоднее, чем по шкале Цельсия. Таким образом, температура 0 Кельвина эквивалентна температуре -273,15 ° C. Обратите внимание, что в этой системе символ градуса не используется. Таким образом, температура на 300 единиц выше 0 Кельвина упоминается как 300 Кельвинов, а не 300 градусов Кельвина; сокращенно такая температура обозначается как 300 К.
Преобразование между температурой Цельсия и температурой Кельвина (и наоборот) может быть выполнено с использованием одного из двух приведенных ниже уравнений.
° С = К — 273,15 °
К = ° С + 273,15
Нулевая точка по шкале Кельвина называется абсолютным нулем. Это самая низкая температура, которую можно достичь. Идею абсолютного минимума температуры продвигал шотландский физик Уильям Томсон (а.к.а. Лорд Кельвин) в 1848 году. На основе термодинамических принципов Томсон предположил, что самая низкая температура, которая может быть достигнута, составляет -273 ° C. До Томсона экспериментаторы, такие как Роберт Бойль (конец 17 века), были хорошо осведомлены о наблюдении, что объем (и даже давление) образца газа зависит от его температуры. Измерения изменений давления и объема при изменении температуры могут быть сделаны и нанесены на график. Графики зависимости объема от температуры (при постоянном давлении) и давления отТемпература (при постоянном объеме) отражает тот же вывод — объем и давление газа уменьшаются до нуля при температуре -273 ° C.
Поскольку это наименьшие возможные значения объема и давления, можно сделать вывод, что -273 ° C была самой низкой возможной температурой.
Томсон называл эту минимальную самую низкую температуру абсолютным нулем и утверждал, что следует принять температурную шкалу, которая имела бы абсолютный ноль как самое низкое значение на шкале.Сегодня эта шкала температур носит его имя. Ученым и инженерам удалось охладить вещество до температуры, близкой к -273,15 ° C, но никогда не ниже. В процессе охлаждения вещества до температур, близких к абсолютному нулю, наблюдается ряд необычных свойств. Эти свойства включают сверхпроводимость, сверхтекучесть и состояние вещества, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна.
Температура — это то, что показывает термометр. Но что именно отражает температура? Концепция абсолютного нуля температуры довольно интересна, и наблюдение замечательных физических свойств образцов вещества, приближающегося к абсолютному нулю, заставляет задуматься над этой темой более глубоко.
Что-то происходит на уровне частиц, что связано с наблюдениями, сделанными на макроскопическом уровне? Есть ли что-то более глубокое, чем просто показания термометра? Что происходит на уровне атомов и молекул, когда температура образца вещества увеличивается или уменьшается? Эти вопросы будут рассмотрены на следующей странице Урока 1.
1.При обсуждении калибровки термометра было упомянуто, что существует линейная зависимость между температурой и высотой жидкости в колонке. Что, если отношения не были линейными? Можно ли было бы калибровать термометр, если бы температура и высота столба жидкости не были связаны линейной зависимостью?
2. Какое приращение температуры меньше — градус Цельсия или градус Фаренгейта? Объяснять.
3.Выполните соответствующие преобразования температуры, чтобы заполнить поля в таблице ниже.
Цельсия (°)
по Фаренгейту (° F)
Кельвин (К)
а.
0
г.
212
г.
0
г.
78
e.
12
Единицы СИ — Температура | NIST
Кельвин (K) определяется путем принятия фиксированного числового значения постоянной Больцмана k равным 1,380 649 × 10 −23 при выражении в единицах JK −1 , что равно кг м 2 с −2 K −1 , где килограмм, метр и секунда определены через h, c и ∆ν Cs .Температуру 0 К обычно называют «абсолютным нулем». По широко используемой шкале температур по Цельсию вода замерзает при 0 ° C и закипает при температуре около 100 ° C.
Один градус Цельсия — это интервал в 1 К, а ноль градусов Цельсия — это 273,15 К. Интервал в один градус Цельсия соответствует интервалу 1,8 градуса по шкале Фаренгейта.
Стандартная температура в тройной точке воды обеспечивается специальной ячейкой — вакуумированным стеклянным цилиндром, содержащим чистую воду.Когда ячейка достаточно охлаждается, так что вокруг входящей скважины образуется ледяной покров, температура на границе раздела твердое тело, жидкость и пар составляет 273,16 К. Термометры, подлежащие калибровке, помещаются во входящую скважину.
| Преобразование температуры (точное) | ||||
| из | По Фаренгейту | по Цельсию | Кельвин | |
|---|---|---|---|---|
по Фаренгейту (° F) | ° F | (° F — 32) / 1.8 | (° F — 32) / 1,8 + 273,15 | |
Цельсия (° C) | (° С * 1,8) + 32 | ° С | ° С + 273,15 | |
Кельвин (К) | (К — 273,15) * 1,8 + 32 | К — 273,15 | К | |
| Общие контрольные точки температуры | |||
| Цельсия (° C) | Кельвин (К) | по Фаренгейту (° F) | |
|---|---|---|---|
| Поверхность Солнца | 5600 | 5900 | 10100 |
| Температура кипения воды | 100 | 373 | 212 |
| Температура тела | 37 | 310. | 98,6 |
| Жаркий день | 40 | 313 | 104 |
| Горячий день | 30 | 303 | 86 |
| Комнатная температура | 20 | 293 | 68 |
| Холодный день | 10 | 283 | 50 |
| Температура замерзания воды | 0 | 273 | 32 |
2| Эквивалентные температуры печи | ||
| Описание | ° F | ° С |
|---|---|---|
| Холодный | 200 | 90 |
| Очень медленно | 250 | 120 |
| Медленная | 300 до 325 | от 150 до 160 |
| Умеренно медленно | 325 до 350 | 160 до 180 |
| Умеренная | 350 по 375 | 180 к 190 |
| Умеренно горячая | 375 до 400 | 190 к 200 |
| Горячий | 400 до 450 | 200 до 230 |
| Очень горячий | От450 до 500 | 230–260 |
Поэма о температуре Цельсия
- 30 ° C горячая
- 20 ° C — Ницца
- 10 ° C это холодная
- 0 ° C — лед
Кредит:
Дж.
Ван и Б. Хейс / NIST
Лига супергероев СИ — доктор Кельвин
Эта серия анимационных видео в стиле комиксов была разработана, чтобы помочь учащимся средних школ узнать о 7 основных единицах измерения СИ. Благодаря способности ускорять или замедлять частицы, доктор Кельвин может измерять любую температуру. Шкала температур по Кельвину начинается с абсолютного нуля, самой низкой из возможных температур и точки, в которой даже атомы будут стоять совершенно неподвижно.
Перейдите к дополнительной информации о базовом блоке SI:Ресурсы
11 забавных фактов о температуре — Физика для детей
Мы часто говорим, что сегодня температура составляет 34 или 40 градусов по Цельсию.Но что мы подразумеваем под терминами температура или по Цельсию?
Что такое температура?
Температуру можно определить как объективную сравнительную меру горячего или холода (тепловой энергии).
Единицы температуры
по Цельсию — это единица измерения температуры. Существуют разные шкалы и единицы измерения температуры. Среди них наиболее распространены градусы Цельсия или Цельсия (° C), Фаренгейта (° F) и Кельвина (K). Кельвин считается основной единицей температуры в Международной системе единиц (СИ).Как правило, широко используется шкала Цельсия, в которой 0 ° C и 100 ° C соответствуют точкам замерзания и кипения воды соответственно на уровне моря. Температура измеряется термометром. По шкале Фаренгейта 32 ° F и 212 ° F соответствуют точкам замерзания и кипения воды. Эта шкала в основном используется в США.
11 Интересные факты о температуре
- Температура во Вселенной колеблется от примерно 3 500 000 000 Кельвинов (сверхновая) до 3 Кельвинов (космос).
- Солнце считается желтой звездой класса G.Средняя температура поверхности Солнца составляет 5600 Кельвинов.
- Абсолютный ноль — это самая низкая теоретическая температура. При достижении этой температуры вещество не обладает тепловой энергией. Он был определен как ноль Кельвина (0 Кельвина), что эквивалентно -273,16 градуса Цельсия и -459,69 градуса Фаренгейта.
- Температура вещества определяется скоростью движения его молекул. Согласно теории, чем быстрее будут двигаться молекулы, тем выше будет температура вещества.
- Очень примечательным фактом является то, что градусы Фаренгейта и Цельсия равны при -40 градусах.
- Температура влияет на физические свойства материалов, твердых, жидких, газообразных или плазменных: плотность; растворимость; давление пара и электропроводность.
- Влияет на скорость и степень протекания химических реакций.
- Температура влияет на количество и свойства теплового излучения, исходящего от поверхности объекта.
- 57,8 ° C (136 ° F) — самая высокая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле.Он был записан 13 сентября 1922 года в Эль-Азизии, что в Ливии.
- −89,2 ° C (−128,6 ° F) — самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле. Он был зарегистрирован на станции Восток, расположенной в Антарктиде 21 июля 1983 г. более высокая температура к одной при более низкой температуре.
При достижении этой температуры вещество не обладает тепловой энергией. Он был определен как ноль Кельвина (0 Кельвина), что эквивалентно -273,16 градуса Цельсия и -459,69 градуса Фаренгейта.
Он был зарегистрирован на станции Восток, расположенной в Антарктиде 21 июля 1983 г. более высокая температура к одной при более низкой температуре.Температура
Температура измеряет, насколько горячо или холодно тело по отношению к стандартному объекту.Для обсуждения температурных изменений важны две основные концепции: тепловой контакт и тепловое равновесие. Два объекта находятся в тепловом контакте , если они могут влиять на температуру друг друга. Тепловое равновесие существует, когда два объекта в тепловом контакте больше не влияют на температуру друг друга. Например, если пакет молока из холодильника стоит на кухонной столешнице, два объекта находятся в тепловом контакте. Через несколько часов их температуры остаются прежними, и тогда они находятся в тепловом равновесии.
Чувство осязания дает некоторое представление о температуре объекта, но ненадежно. Например, металлическая полка в холодильнике кажется холоднее, чем продукты, лежащие на полке, даже если они находятся в тепловом равновесии.
Металл кажется холоднее, потому что металл более эффективно отводит тепло от руки.
Термометры — это приборы, которые определяют и измеряют температуру системы. Обычный термометр состоит из объема ртути, которая при нагревании расширяется в капиллярную трубку.Когда термометр находится в тепловом равновесии с объектом, температуру можно определить по шкале термометра.
Обычно используются три температурные шкалы: Цельсия, Фаренгейта и Кельвина (также называемые абсолютными ). Сравнение термометров Цельсия и Фаренгейта показано на рисунке 1.
Рисунок 1
Сравнение термометров Цельсия и Фаренгейта.
По шкале Цельсия точка льда равна 0, а точка пара — 100.Интервал между этими температурами делится на 100 равных частей, называемых градусов . Как показано на рисунке, по шкале Фаренгейта точка льда составляет 32 градуса, а точка пара — 212 градусов. Интервал между этими температурами делится на 180 равных частей.
Следующие уравнения связывают температуру в градусах Цельсия (C) и Фаренгейта (F):
Шкала Кельвина (K) имеет градусы того же размера, что и шкала Цельсия, но ноль смещен к тройной точке воды .Тройная точка воды существует, когда вода в закрытом сосуде находится в равновесии во всех трех состояниях: лед, вода и пар. Эта точка определена как 273,16 Кельвина и равна 0,01 градуса Цельсия; поэтому, чтобы преобразовать Цельсия в Кельвин, просто добавьте 273,15. Обратите внимание, что, поскольку градусы одинаковы на двух шкалах, разница температур одинакова в градусах Цельсия или Кельвина.
Ртутный термометр использует тепловое расширение: явление, при котором большинство веществ увеличивается в объеме с увеличением их температуры.Нагреваемый стержень изменится по длине (Δ L ) в соответствии с Δ L = α L 0 Δ T , где L 0 — исходная длина, а Δ T (дельта T ) изменение температуры. Константа α (греческая буква альфа) — это средний коэффициент линейного расширения. Это значение находится в таблицах коэффициентов для различных материалов и измеряется в единицах (градусы Цельсия) -1 .
При изменении температуры изменяется не только длина, но и площадь и объем.Таким образом, Δ A = γ A 0 Δ T , где Δ A — изменение исходной площади A 0 . Греческая буква гамма (γ) — это средний коэффициент расширения площади, равный 2α. Для изменения объема Δ V = β V 0 , Δ T , где Δ V — изменение исходного объема V 0 . Греческая буква бета (β) — это средний коэффициент объемного расширения, равный 3α.
Пример 1: В качестве примера применения этих уравнений рассмотрим нагрев стальной шайбы. Какой будет площадь отверстия под шайбу с исходной площадью поперечного сечения 10 мм 2 , если сталь имеет α = 1,1 × 10 −5 на ° C и нагревается от 20 до 70 градусов C?
Решение: Отверстие расширится так же, как кусок материала того же размера. Уравнение увеличения площади приводит к следующему:
Следовательно, новая площадь отверстия будет 10.011 мм 2 .
Вода — исключение из обычного увеличения объема с повышением температуры. Обратите внимание на рис. 2, что максимальная плотность воды достигается при 4 градусах Цельсия.
Рисунок 2
Плотность воды меняется при изменении температуры.
Эта характеристика воды объясняет, почему озеро замерзает на поверхности. Чтобы убедиться в этом, представьте, что воздух охлаждается с 10 до 5 градусов Цельсия. Поверхностная вода, находящаяся в равновесии с воздухом при этих температурах, более плотная, чем немного более теплая вода под ней; поэтому более холодная вода опускается, а более теплая вода снизу выходит на поверхность.Это происходит до тех пор, пока температура воздуха не упадет ниже 4 градусов, когда поверхностная вода будет менее плотной, чем более глубокая вода примерно на 4 градуса; затем перемешивание прекращается. Поскольку температура воздуха продолжает падать, поверхностная вода замерзает. Менее плотный лед остается на поверхности воды. В этих условиях жизнь у дна озера может продолжать выживать, потому что замерзает только вода на поверхности или вблизи нее. Жизнь на Земле могла бы развиваться совершенно иначе, если бы лужа воды замерзла снизу вверх.
13.1 Температура — Физика колледжа, главы 1-17
Сводка
- Определите температуру.
- Преобразование температур между шкалами Цельсия, Фаренгейта и Кельвина.
- Определите тепловое равновесие.
- Укажите нулевой закон термодинамики.
Понятие температуры возникло из общих понятий горячего и холодного. Человеческое восприятие того, что кажется горячим или холодным, относительное. Например, если вы поместите одну руку в горячую воду, а другую — в холодную, а затем поместите обе руки в прохладную воду, теплая вода будет казаться прохладной для руки, которая была в горячей воде, и теплой для той, которая была в ней. холодная вода.Научное определение температуры менее двусмысленно, чем ваше восприятие тепла и холода. Температура определяется как температура, которую мы измеряем с помощью термометра. (Многие физические величины определяются исключительно в терминах того, как они измеряются. Позже мы увидим, как температура связана с кинетической энергией атомов и молекул, более физическое объяснение.) Два точных термометра, один помещенный в горячую воду, а другой в холодной воде покажет, что горячая вода имеет более высокую температуру.Если их затем поместить в прохладную воду, оба будут давать одинаковые показания (в пределах погрешностей измерения). В этом разделе мы обсуждаем температуру, ее измерение термометрами и ее связь с тепловым равновесием. Опять же, температура — это величина, измеряемая термометром.
ОПОВЕЩЕНИЕ О НЕПРАВИЛЬНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЯХ: ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ВОСПРИЯТИЕ ПРОТИВ. РЕАЛЬНОСТЬ
Холодным зимним утром дерево на крыльце кажется теплее, чем металл вашего велосипеда. Дерево и велосипед находятся в тепловом равновесии с окружающим воздухом и, следовательно, имеют одинаковую температуру.Они ощущаются на по-другому из-за разницы в способе отвода тепла от вашей кожи. Металл отводит тепло от вашего тела быстрее, чем дерево (подробнее о проводимости см. В главе 14.5 «Электропроводность»). Это всего лишь один пример, демонстрирующий, что человеческое чувство горячего и холодного определяется не только температурой.
Еще одним фактором, влияющим на наше восприятие температуры, является влажность. Большинству людей в жаркие влажные дни гораздо жарче, чем в жаркие и засушливые дни.Это связано с тем, что во влажные дни пот не испаряется с кожи так эффективно, как в засушливые дни. Нас охлаждает испарение пота (или воды из разбрызгивателя или бассейна).
Любое физическое свойство, зависящее от температуры и воспроизводимое при изменении температуры, может быть использовано в качестве основы для термометра. Поскольку многие физические свойства зависят от температуры, разнообразие термометров примечательно. Например, для большинства веществ объем увеличивается с повышением температуры.Это свойство лежит в основе обычного спиртового термометра, старого ртутного термометра и биметаллической полоски (рис. 1). Другие свойства, используемые для измерения температуры, включают электрическое сопротивление и цвет, как показано на рисунке 2, и излучение инфракрасного излучения, как показано на рисунке 3.
Рисунок 1. Кривизна биметаллической полосы зависит от температуры. (а) Полоса прямая при начальной температуре, когда два ее компонента имеют одинаковую длину. (б) При более высокой температуре эта полоса изгибается вправо, потому что металл слева расширился больше, чем металл справа. Рис. 2. Каждый из шести квадратов на этом пластиковом (жидкокристаллическом) термометре содержит пленку из другого термочувствительного жидкокристаллического материала. Ниже 95ºF все шесть квадратов черные. Когда пластиковый термометр подвергается воздействию температуры, которая повышается до 95ºF , первый квадрат жидкого кристалла меняет цвет. Когда температура повышается выше 96,8ºF , второй жидкокристаллический квадрат также меняет цвет и так далее. (Источник: Arkrishna, Wikimedia Commons) Рисунок 3. Пожарный Джейсон Орманд использует пирометр для проверки температуры в системе вентиляции авианосца. Измеряется инфракрасное излучение (излучение которого зависит от температуры) из вентиляционного отверстия, и быстро производится считывание температуры. Инфракрасные измерения также часто используются для измерения температуры тела. Эти современные термометры, помещаемые в ушной канал, более точны, чем спиртовые термометры, помещенные под язык или в подмышку. (Источник: Ламель Дж. Хинтон / ВМС США)Термометры используются для измерения температуры в соответствии с четко определенными шкалами измерения, в которых используются заранее определенные контрольные точки для сравнения величин.{\ circ} \ textbf {F}).} [/ latex] Обратите внимание, что разница температур в один градус Цельсия больше, чем разница температур в один градус Фаренгейта. Только 100 градусов Цельсия охватывают тот же диапазон, что и 180 градусов по Фаренгейту, таким образом, один градус по шкале Цельсия в 1,8 раза больше, чем один градус по шкале Фаренгейта [латекс] \ boldsymbol {180/100 = 9/5}. [/ Latex]
Шкала Кельвина — это шкала температур, которая обычно используется в науке. Это шкала абсолютной температуры , определяемая как 0 K при минимально возможной температуре, называемой абсолютным нулем .Официальная единица измерения температуры на этой шкале — кельвин , которая обозначается аббревиатурой K и не сопровождается знаком градуса. Температура замерзания и кипения воды составляет 273,15 К и 373,15 К соответственно. Таким образом, величина перепада температур одинакова в кельвинах и градусах Цельсия. В отличие от других температурных шкал шкала Кельвина является абсолютной шкалой. Он широко используется в научной работе, потому что ряд физических величин, таких как объем идеального газа, напрямую связаны с абсолютной температурой.Кельвин — это единица СИ, используемая в научной работе.
Рис. 4. Отношения между температурными шкалами по Фаренгейту, Цельсию и Кельвину, округленные до ближайшего градуса. Также показаны относительные размеры чешуек.Взаимосвязь между тремя общими температурными шкалами показана на рисунке 4. Температуры на этих шкалах могут быть преобразованы с помощью уравнений в таблице 1.