כל אדם מתמודד עם מושג הטמפרטורה בכל יום. המונח נכנס חזק לחיי היומיום שלנו: אנחנו מחממים אוכל במיקרוגל או מבשלים אוכל בתנור, מתעניינים במזג האוויר בחוץ או מבררים אם המים בנהר קרים - כל זה קשור קשר הדוק למושג הזה. ומהי טמפרטורה, מה המשמעות של הפרמטר הפיזי הזה, באיזה אופן הוא נמדד? נשיב על שאלות אלו ואחרות במאמר.
כמות פיזית
בואו נשקול מהי הטמפרטורה מנקודת המבט של מערכת מבודדת בשיווי משקל תרמודינמי. המונח מגיע מהשפה הלטינית ופירושו "ערבוב נכון", "מצב נורמלי", "מידתיות". ערך זה מאפיין את מצב שיווי המשקל התרמודינמי של כל מערכת מקרוסקופית. במקרה שבו מערכת מבודדת נמצאת מחוץ לשיווי משקל, לאורך זמן יש מעבר של אנרגיה מחפצים מחוממים יותר לאלה פחות מחוממים. התוצאה היא איזון (שינוי) של הטמפרטורה בכל המערכת. זוהי ההנחה הראשונה (עקרון האפס) של התרמודינמיקה.
הטמפרטורה קובעתהתפלגות החלקיקים המרכיבים של המערכת לפי רמות אנרגיה ומהירויות, מידת היינון של חומרים, תכונות הקרינה האלקטרומגנטית בשיווי המשקל של הגופים, הצפיפות הנפחית הכוללת של הקרינה. מכיוון שלמערכת שנמצאת בשיווי משקל תרמודינמי, הפרמטרים הרשומים שווים, הם נקראים בדרך כלל טמפרטורת המערכת.
Plasma
מלבד גופי שיווי משקל, ישנן מערכות שבהן המצב מאופיין במספר ערכי טמפרטורה שאינם שווים זה לזה. פלזמה היא דוגמה טובה. הוא מורכב מאלקטרונים (חלקיקים טעונים קלים) ויונים (חלקיקים טעונים כבדים). כאשר הם מתנגשים, אנרגיה מועברת במהירות מאלקטרון לאלקטרון ומיון ליון. אבל בין אלמנטים הטרוגניים יש מעבר איטי. הפלזמה יכולה להיות במצב שבו האלקטרונים והיונים בנפרד קרובים לשיווי משקל. במקרה זה, ניתן לקחת טמפרטורות נפרדות עבור כל סוג של חלקיקים. עם זאת, הפרמטרים האלה יהיו שונים זה מזה.
מגנטים
בגופים שבהם לחלקיקים יש מומנט מגנטי, העברת האנרגיה מתרחשת בדרך כלל באיטיות: מדרגות חופש מתרגמות ל-מגנטיות, הקשורות לאפשרות לשנות את כיווני הרגע. מסתבר שיש מצבים בהם הגוף מאופיין בטמפרטורה שאינה עולה בקנה אחד עם הפרמטר הקינטי. זה מתאים לתנועת התרגום של חלקיקים יסודיים. הטמפרטורה המגנטית קובעת חלק מהאנרגיה הפנימית. זה יכול להיות חיובי אושלילי. במהלך תהליך היישור, תועבר אנרגיה מחלקיקים בעלי ערך גבוה יותר לחלקיקים בעלי ערך טמפרטורה נמוך יותר אם הם חיוביים או שליליים כאחד. אחרת, תהליך זה ימשיך בכיוון ההפוך - הטמפרטורה השלילית תהיה "גבוהה" מהחיובית.
למה זה נחוץ?
הפרדוקס טמון בעובדה שהאדם הממוצע, כדי לבצע את תהליך המדידה גם בחיי היום יום וגם בתעשייה, אפילו לא צריך לדעת מהי טמפרטורה. יספיק לו להבין שזו מידת החימום של חפץ או סביבה, במיוחד כיוון שאנו מכירים את המונחים הללו מילדות. ואכן, רוב המכשירים המעשיים שנועדו למדוד פרמטר זה מודדים למעשה תכונות אחרות של חומרים המשתנים עם רמת החימום או הקירור. לדוגמה, לחץ, התנגדות חשמלית, נפח וכו'. בנוסף, קריאות כאלה מומרות באופן ידני או אוטומטי לערך הרצוי.
מסתבר שכדי לקבוע את הטמפרטורה, אין צורך ללמוד פיזיקה. רוב אוכלוסיית הפלנטה שלנו חיה לפי העיקרון הזה. אם הטלוויזיה דולקת, אז אין צורך להבין את התהליכים החולפים של מכשירי מוליכים למחצה, ללמוד מאיפה מגיע החשמל בשקע או איך האות מגיע לצלחת הלוויין. אנשים רגילים לעובדה שבכל תחום יש מומחים שיכולים לתקן או לנפות באגים במערכת. ההדיוט לא רוצה לאמץ את מוחו, כי איפה עדיף לראות אופרת סבון או כדורגל על ה"קופסה" תוך כדי לגימהבירה קרה.
אני רוצה לדעת
אבל יש אנשים, לרוב סטודנטים, שבמידה של סקרנותם או מתוך צורך, נאלצים ללמוד פיזיקה ולקבוע מהי הטמפרטורה באמת. כתוצאה מכך, בחיפושיהם הם נופלים לטבע הפראי של התרמודינמיקה ולומדים את חוקי האפס, הראשון והשני שלה. בנוסף, מוח סקרן יצטרך להבין את מחזורי קרנו ואת האנטרופיה. ובסוף דרכו, בוודאי יודה שהגדרת הטמפרטורה כפרמטר של מערכת תרמית הפיכה, שאינה תלויה בסוג החומר העובד, לא תוסיף בהירות לתחושת המושג הזה. ובכל זאת, החלק הגלוי יהיה כמה תארים המקובלים על ידי מערכת היחידות הבינלאומית (SI).
טמפרטורה כאנרגיה קינטית
"מוחשי" יותר היא הגישה שנקראת תיאוריה מולקולרית-קינטית. זה יוצר את הרעיון שחום נחשב לאחת מצורות האנרגיה. לדוגמה, האנרגיה הקינטית של מולקולות ואטומים, פרמטר בממוצע על פני מספר עצום של חלקיקים הנעים באקראי, מתגלה כמדד למה שנהוג לכנות טמפרטורת הגוף. לפיכך, החלקיקים של מערכת מחוממת נעים מהר יותר מאשר מערכת קרה.
מכיוון שהמונח הנדון קשור קשר הדוק לאנרגיה הקינטית הממוצעת של קבוצת חלקיקים, זה יהיה די טבעי להשתמש בג'אול כיחידת טמפרטורה. עם זאת, זה לא קורה, אשר מוסבר על ידי העובדה כי האנרגיה של תנועה תרמית של יסודיהחלקיקים קטנים מאוד ביחס לג'אול. לכן השימוש בו אינו נוח. תנועה תרמית נמדדת ביחידות הנגזרות מג'אול באמצעות מקדם המרה מיוחד.
יחידות טמפרטורה
היום, שלוש יחידות בסיסיות משמשות להצגת פרמטר זה. בארצנו הטמפרטורה נמדדת לרוב במעלות צלזיוס. יחידת מדידה זו מבוססת על נקודת הקפאה של מים - ערך מוחלט. היא נקודת המוצא. כלומר, הטמפרטורה של המים שבה מתחיל להיווצר קרח היא אפס. במקרה זה, המים משמשים כאמצעי מופת. אמנה זו אומצה מטעמי נוחות. הערך המוחלט השני הוא טמפרטורת הקיטור, כלומר הרגע שבו המים עוברים ממצב נוזלי למצב גזי.
היחידה הבאה היא קלווין. נקודת הייחוס של מערכת זו נחשבת לנקודת האפס המוחלט. אז, מעלה אחת קלווין שווה למעלה אחת צלזיוס. ההבדל הוא רק תחילת הספירה לאחור. אנו מקבלים שאפס בקלווין יהיה שווה למינוס 273.16 מעלות צלזיוס. בשנת 1954, בוועידה הכללית לענייני משקלים ומידות, הוחלט להחליף את המונח "מעלה קלווין" עבור יחידת הטמפרטורה ב"קלווין".
יחידת המידה השלישית הנפוצה היא פרנהייט. עד 1960, הם היו בשימוש נרחב בכל המדינות דוברות האנגלית. עם זאת, היום בחיי היומיום בארצות הברית משתמשים ביחידה זו. המערכת שונה מהותית מאלה שתוארו לעיל. נלקח כנקודת ההתחלהנקודת הקפאה של תערובת של מלח, אמוניה ומים ביחס של 1:1:1. אז בסולם פרנהייט, נקודת הקיפאון של מים היא פלוס 32 מעלות, ונקודת הרתיחה היא פלוס 212 מעלות. במערכת זו מעלה אחת שווה ל-1/180 מההפרש בין הטמפרטורות הללו. לכן, הטווח מ-0 עד +100 מעלות פרנהייט מתאים לטווח שבין -18 ל-+38 צלזיוס.
טמפרטורת אפס מוחלטת
בואו נבין מה אומר הפרמטר הזה. האפס המוחלט הוא הטמפרטורה המגבילה שבה הלחץ של גז אידיאלי נעלם בנפח קבוע. זהו הערך הנמוך ביותר בטבע. כפי שחזה מיכאילו לומונוסוב, "זו דרגת הקור הגדולה ביותר או האחרונה". החוק הכימי של אבוגדרו נובע מכך: נפחים שווים של גזים באותה טמפרטורה ולחץ מכילים אותו מספר של מולקולות. מה נובע מכך? יש טמפרטורה מינימלית של גז שבה הלחץ או הנפח שלו נעלמים. ערך מוחלט זה מתאים לאפס קלווין, או 273 מעלות צלזיוס.
כמה עובדות מעניינות על מערכת השמש
הטמפרטורה על פני השמש מגיעה ל-5700 קלווין, ובמרכז הליבה - 15 מיליון קלווין. כוכבי הלכת של מערכת השמש שונים מאוד זה מזה מבחינת רמת החימום. אז, הטמפרטורה של ליבת כדור הארץ שלנו היא בערך כמו על פני השמש. צדק נחשב לכוכב הלכת הלוהט ביותר. הטמפרטורה במרכז הליבה שלו גבוהה פי חמישה מאשר על פני השמש. והנה הערך הנמוך ביותר של הפרמטרמתועד על פני הירח - זה היה רק 30 קלווין. ערך זה אפילו נמוך יותר מאשר על פני פלוטו.
עובדות כדור הארץ
1. הטמפרטורה הגבוהה ביותר שנרשמה על ידי אדם הייתה 4 מיליארד מעלות צלזיוס. ערך זה גבוה פי 250 מהטמפרטורה של ליבת השמש. השיא נקבע על ידי המעבדה הטבעית ברוקהייבן בניו יורק במתאם היונים, שאורכו כ-4 קילומטרים.
2. גם הטמפרטורה על הפלנטה שלנו לא תמיד אידיאלית ונוחה. לדוגמה, בעיר Verkhnoyansk ביאקוטיה הטמפרטורה בחורף יורדת למינוס 45 מעלות צלזיוס. אבל בעיר דלול שבאתיופיה המצב הפוך. שם, הטמפרטורה השנתית הממוצעת היא פלוס 34 מעלות.
3. התנאים הקיצוניים ביותר שבהם אנשים עובדים מתועדים במכרות זהב בדרום אפריקה. כורים עובדים בעומק של שלושה קילומטרים בטמפרטורה של פלוס 65 מעלות צלזיוס.
