Každý človek sa každý deň stretáva s pojmom teplota. Pojem pevne vstúpil do nášho každodenného života: ohrievame jedlo v mikrovlnnej rúre alebo varíme v rúre, zaujímame sa o počasie vonku alebo zisťujeme, či je voda v rieke studená – to všetko s týmto pojmom úzko súvisí. A čo je teplota, čo tento fyzikálny parameter znamená, akým spôsobom sa meria? Na tieto a ďalšie otázky odpovieme v článku.
Fyzické množstvo
Uvažujme, aká je teplota z pohľadu izolovaného systému v termodynamickej rovnováhe. Termín pochádza z latinského jazyka a znamená „správne premiešanie“, „normálny stav“, „proporcionalita“. Táto hodnota charakterizuje stav termodynamickej rovnováhy akéhokoľvek makroskopického systému. V prípade, že izolovaný systém nie je v rovnováhe, časom dochádza k prechodu energie z viac vyhrievaných predmetov na menej vyhrievané. Výsledkom je vyrovnanie (zmena) teploty v celom systéme. Toto je prvý postulát (nulový princíp) termodynamiky.
Teplota určujerozloženie častíc sústavy podľa energetických hladín a rýchlostí, stupeň ionizácie látok, vlastnosti rovnovážneho elektromagnetického žiarenia telies, celková objemová hustota žiarenia. Keďže pre systém, ktorý je v termodynamickej rovnováhe, sú uvedené parametre rovnaké, zvyčajne sa nazývajú teplota systému.
Plazma
Okrem rovnovážnych telies existujú systémy, v ktorých je stav charakterizovaný niekoľkými hodnotami teploty, ktoré sa navzájom nerovnajú. Dobrým príkladom je plazma. Skladá sa z elektrónov (ľahké nabité častice) a iónov (ťažko nabité častice). Keď sa zrazia, energia sa rýchlo prenáša z elektrónu na elektrón a z iónu na ión. Ale medzi heterogénnymi prvkami je pomalý prechod. Plazma môže byť v stave, v ktorom sú elektróny a ióny jednotlivo blízko k rovnováhe. V tomto prípade je možné pre každý druh častíc merať samostatné teploty. Tieto parametre sa však budú navzájom líšiť.
Magnety
V telesách, v ktorých častice majú magnetický moment, dochádza k prenosu energie zvyčajne pomaly: z translačných do magnetických stupňov voľnosti, ktoré sú spojené s možnosťou zmeny smerov momentu. Ukazuje sa, že existujú stavy, v ktorých je telo charakterizované teplotou, ktorá sa nezhoduje s kinetickým parametrom. Zodpovedá translačnému pohybu elementárnych častíc. Magnetická teplota určuje časť vnútornej energie. Môže byť buď pozitívny, respnegatívne. Počas procesu zarovnávania sa energia prenesie z častíc s vyššou hodnotou na častice s nižšou hodnotou teploty, ak sú obe kladné alebo záporné. V opačnom prípade bude tento proces prebiehať opačným smerom – záporná teplota bude „vyššia“ako kladná.
Prečo je to potrebné?
Paradox spočíva v tom, že bežný človek na to, aby mohol vykonávať proces merania v bežnom živote aj v priemysle, ani nemusí vedieť, čo je to teplota. Bude stačiť, aby pochopil, že ide o stupeň zahrievania objektu alebo prostredia, najmä preto, že tieto pojmy poznáme už od detstva. Väčšina praktických zariadení určených na meranie tohto parametra skutočne meria iné vlastnosti látok, ktoré sa menia s úrovňou ohrevu alebo chladenia. Napríklad tlak, elektrický odpor, objem atď. Okrem toho sa takéto namerané hodnoty manuálne alebo automaticky prevedú na požadovanú hodnotu.
Ukazuje sa, že na určenie teploty nie je potrebné študovať fyziku. Väčšina obyvateľov našej planéty žije podľa tohto princípu. Ak je televízor zapnutý, potom nie je potrebné chápať prechodné procesy polovodičových zariadení, študovať odkiaľ pochádza elektrina zo zásuvky alebo ako signál prichádza na satelitnú parabolu. Ľudia sú zvyknutí, že v každej oblasti sa nájdu špecialisti, ktorí dokážu systém opraviť či odladiť. Laik si nechce namáhať mozog, veď kde je lepšie pri popíjaní sledovať telenovelu alebo futbal na „bedni“studené pivo.
Chcem to vedieť
Sú však ľudia, najčastejšie študenti, ktorí sú buď zo zvedavosti, alebo z núdze nútení študovať fyziku a určiť, aká je v skutočnosti teplota. Výsledkom je, že pri svojom hľadaní spadajú do divočiny termodynamiky a študujú jej nulový, prvý a druhý zákon. Navyše, zvedavá myseľ bude musieť pochopiť Carnotove cykly a entropiu. A na konci svojej cesty iste uzná, že na pocite z tohto pojmu nepridá ani definícia teploty ako parametra reverzibilného tepelného systému, ktorý nezávisí od druhu pracovnej látky. A napriek tomu viditeľná časť bude predstavovať niekoľko stupňov akceptovaných medzinárodným systémom jednotiek (SI).
Teplota ako kinetická energia
„Hmatateľnejší“je prístup, ktorý sa nazýva molekulárno-kinetická teória. Vytvára predstavu, že teplo sa považuje za jednu z foriem energie. Napríklad kinetická energia molekúl a atómov, parameter spriemerovaný pre obrovský počet náhodne sa pohybujúcich častíc, sa ukazuje ako miera toho, čo sa bežne nazýva teplota telesa. Častice vyhrievaného systému sa teda pohybujú rýchlejšie ako studeného.
Keďže uvažovaný výraz úzko súvisí s priemernou kinetickou energiou skupiny častíc, bolo by celkom prirodzené používať joule ako jednotku teploty. To sa však nestane, čo sa vysvetľuje tým, že energia tepelného pohybu elementárnychčastíc je v pomere k joulu veľmi malý. Preto je jeho použitie nepohodlné. Tepelný pohyb sa meria v jednotkách odvodených od joulov pomocou špeciálneho prevodného koeficientu.
Jednotky teploty
Dnes sa na zobrazenie tohto parametra používajú tri základné jednotky. U nás sa teplota bežne meria v stupňoch Celzia. Táto jednotka merania je založená na bode mrazu vody - absolútnej hodnote. Ona je východiskom. To znamená, že teplota vody, pri ktorej sa začína vytvárať ľad, je nulová. V tomto prípade voda slúži ako príkladné opatrenie. Táto konvencia bola prijatá pre pohodlie. Druhou absolútnou hodnotou je teplota pary, teda okamih, kedy voda prechádza z kvapalného do plynného skupenstva.
Ďalšia jednotka je Kelvin. Za referenčný bod tohto systému sa považuje bod absolútnej nuly. Takže jeden stupeň Kelvina sa rovná jednému stupňu Celzia. Rozdiel je len na začiatku odpočítavania. Dostaneme, že nula v Kelvinoch sa bude rovnať mínus 273,16 stupňom Celzia. V roku 1954 sa na Generálnej konferencii pre váhy a miery rozhodlo nahradiť výraz „stupeň Kelvin“pre jednotku teploty výrazom „kelvin“.
Tretia spoločná merná jednotka je Fahrenheit. Do roku 1960 boli široko používané vo všetkých anglicky hovoriacich krajinách. Dnes však v každodennom živote v Spojených štátoch používajte túto jednotku. Systém sa zásadne líši od tých, ktoré sú opísané vyššie. Brané ako východiskový bodbod tuhnutia zmesi soli, amoniaku a vody v pomere 1:1:1. Takže na stupnici Fahrenheita je bod tuhnutia vody plus 32 stupňov a bod varu je plus 212 stupňov. V tomto systéme sa jeden stupeň rovná 1/180 rozdielu medzi týmito teplotami. Takže rozsah od 0 do +100 stupňov Fahrenheita zodpovedá rozsahu od -18 do +38 Celzia.
Absolútna nulová teplota
Poďme pochopiť, čo tento parameter znamená. Absolútna nula je hraničná teplota, pri ktorej mizne tlak ideálneho plynu pri pevnom objeme. Ide o najnižšiu hodnotu v prírode. Ako predpovedal Michailo Lomonosov, „toto je najväčší alebo posledný stupeň chladu“. Z toho vyplýva Avogadrov chemický zákon: rovnaké objemy plynov pri rovnakej teplote a tlaku obsahujú rovnaký počet molekúl. Čo z toho vyplýva? Existuje minimálna teplota plynu, pri ktorej zaniká jeho tlak alebo objem. Táto absolútna hodnota zodpovedá nule Kelvinov alebo 273 stupňom Celzia.
Niekoľko zaujímavých faktov o slnečnej sústave
Teplota na povrchu Slnka dosahuje 5700 Kelvinov a v strede jadra - 15 miliónov Kelvinov. Planéty slnečnej sústavy sa navzájom veľmi líšia, pokiaľ ide o úroveň vykurovania. Teplota jadra našej Zeme je teda približne rovnaká ako na povrchu Slnka. Jupiter je považovaný za najteplejšiu planétu. Teplota v strede jeho jadra je päťkrát vyššia ako na povrchu Slnka. A tu je najnižšia hodnota parametrazaznamenané na povrchu Mesiaca - bolo to len 30 kelvinov. Táto hodnota je ešte nižšia ako na povrchu Pluta.
Fakty o Zemi
1. Najvyššia teplota zaznamenaná osobou bola 4 miliardy stupňov Celzia. Táto hodnota je 250-krát vyššia ako teplota jadra Slnka. Rekord stanovilo New York Brookhaven Natural Laboratory v iónovom urýchľovači, ktorý je dlhý asi 4 kilometre.
2. Teplota na našej planéte tiež nie je vždy ideálna a pohodlná. Napríklad v meste Verchnojansk v Jakutsku teplota v zime klesá na mínus 45 stupňov Celzia. V etiópskom meste Dallol je však situácia opačná. Tam je priemerná ročná teplota plus 34 stupňov.
3. Najextrémnejšie podmienky, v ktorých ľudia pracujú, zaznamenávajú zlaté bane v Južnej Afrike. Baníci pracujú v hĺbke troch kilometrov pri teplote plus 65 stupňov Celzia.
