Единицы измерения температуры

Единицы измерения температуры

Единицы измерения температуры

Изучая геометрию, используют длину как основную единицу (остальные единицы производные), в кинематике добавляется вторая основная единица — время, динамика дает третью основную единицу — массу, изучение теории тепловых явлений требует введения новой основной единицы — температуры. Температуру определяют как степень нагретости тел.

Однако такое определение является качественным, субъективным и не имеет указания на то, как производить измерения температуры. Методы измерения температуры получили свое развитие только после того, как температуру связали с длиной, объемом и т.д., параметрами, которые можно непосредственно измерять. Численные методы измерения температуры имеют свои корни в XVII веке.

Свой термоскоп демонстрировал Г. Галилей.

Еще позднее было показано, из основного уравнения молекулярно-кинетической теории газа, что температура является мерой средней кинетической энергии молекул.

Исторически температура была введена в науку как термодинамический параметр, ее единицей стали считать градус.

После того, как определили связь температуры со средней кинетической энергией молекул, стало понятно, что температуру можно определить как энергию и единицей ее считать джоуль или эрг.

Все единицы измерения температуры делят на две большие группы: относительные температуры и абсолютные. Например, градус Цельсия, градус Фаренгейта — единицы измерения температуры, относящиеся к группе относительных температур. Кельвин, градус Ранкина- единицы измерения температуры, которые относят к группе абсолютных температур.

Кельвин, градус Цельсия — единицы измерения температуры в системе СИ

В Международной системе единиц (СИ), единицей термодинамической температуры ($T$) является кельвин (К). Это основная единица данной системы единиц. Один кельвин — это термодинамическая температура равная $\frac{1}{273,16}$ части от температуры тройной точки воды.

К недостатками такого определения относят то, что попытки получить температуру в один кельвин связаны с зависимостью от чистоты и изотопного состава воды. Существуют попытки дать определение одного кельвина через величину постоянной Больцмана ($k=1,38\cdot {10}{-23}\frac{Дж}{К}$).

Вероятно в таком случае один кельвин — это будет такое изменение температуры, которое ведет к изменению энергии (на одну степень свободы) равному $kT$=$1,38\cdot {10}{-23}Дж$.

Единица термодинамической температуры именована в честь английского ученого У. Томсона (лорда Кельвина). Вплоть до 1968 г. единицу термодинамической температуры называли градусом Кельвина. Начало шкалы термодинамической температуры совпадает с абсолютным нулем ($T=0К$).

Кратные и дольные единицы кельвина получают используя стандартные приставки системы СИ, например, кК — килокельвин ($1кК={10}3К$); пК -пикокельвин ($1пК={10}{-12}К$) и т.д.

Градус Цельсия (${\rm{}\circ\!C}$) — это еще одна единица измерения температуры ($t$), которую используют в системе СИ совместно с кельвином.

Свое название ${\rm{}\circ\!C}$ получил в честь шведского ученого А. Цельсия, который создал свою шкалу измерения температуры.

На сегодняшний момент градус Цельсия равен кельвину, однако ноль шкалы температур по Цельсию сдвинут относительно шкалы Кельвина:

\[T=t+273,15\ \left(1\right).\]

Градус Фаренгейта, градус Реомюра, градус Ранкина — единицы измерения температуры

Шкала Фаренгейта и соответственно, такая единица измерения температуры как градус Фаренгейта (${\rm{}\circ\!F}$) много применялись в англоязычных странах. Сейчас ${\rm{}\circ\!F}$ используют в быту сравнительно не много стран, например такие как: США, Багамы, Белиз, Палау, Каймановы острова. В Канаде используют и градусы Цельсия и градусы Фаренгейта.

Температура по Цельсию ($t$) и температура по Фаренгейту ($t_F$) соотносятся как:

\[t=\frac{5}{9}\left(t_F-32\right);;t_F=\frac{9}{5}t+32\ (2)\ .\]

Так, следуя выражениям (2) температура таяния льда по Фаренгейту при нормальном давлении равна: $t_F=32{\rm{}\circ\!F}.$

Шкала Реомюра на сегодняшний момент практически не используется. По этой шкале температура плавления льда принята за 0, а точка кипения воды соответствует 80 градусам. Градус Реомюра (${}\circ R$) соотносится с градусом Цельсия как:
\[1{\rm{}\circ\!C}=0,8{}\circ R;;1{}\circ R=1,25{\rm{}\circ\!C}.\]

Градус Ранкина (${}\circ Ra$) используют при инженерных вычислениях в англоязычных странах. Этот градус используется в шкале Ранкина, которая является абсолютной температурной шкалой. Начало шкалы соответствует температуре абсолютного нуля, точка кристаллизации воды $491,67{}\circ Ra$, .кипении воды происходит при $671,67{}\circ Ra$. Кельвин и градус Ранкина соотносятся как:

\[1{}\circ Ra=1,8\ К.\]

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Чему станет равна постоянная Больцмана, если за единицу температуры по шкале Кельвина принимать не 1К, а 5 К?

Решение. По условию задачи единица температуры в системе СИ стала больше в пять раз, это означает, что если обозначить температуру по общепринятой шкале как $T$, но по нашей новой шкале ($T_N$) она станет равна:

\[T_N=\frac{T}{5}\left(1.1\right).\]

По закону о равномерном распределении энергии по степеням свободы ($i$ — число степеней свободы молекулы) мы имеем:

\[\left\langle E\right\rangle =\frac{i}{2}kT\ \left(1.2\right),\]

$k=1,38•{10}{-23}\frac{Дж}{К}$- постоянная Больцмана.

Средняя кинетическая энергия молекул измеряется в Дж и не зависит от масштаба единиц температуры, это означает, что:

\[\left\langle E\right\rangle =\frac{i}{2}kT=\frac{i}{2}k_NT_N\to kT=k_NT_N\to k_N=k\frac{T}{T_N}=5k.\]

Вычислим нашу новую «постоянную Больцмана»:

\[k_N=5\cdot 1,38\cdot {10}{-23}=6,9\cdot {10}{-23}\left(\frac{Дж}{К}\right).\]

Ответ. $k_N=6,9\cdot {10}{-23}\frac{Дж}{К}$

Пример 2

Задание. Идеальный газ, показателем адиабаты $\gamma =1,4$ сжали, как показано на рис.1. Первоначальная температура газа составляла $T_1=290\ K$. Какой стала температура газа после сжатия? Выразите температуру газа в градусах Цельсия.

Решение. На рис.1 изображен адиабатный процесс, так как указано, что он происходит без теплообмена ($\delta Q=0$). Для решения нашей задачи удобнее использовать уравнение адиабатного процесса в параметрах $p,T$:

\[\frac{T_1}{p{\frac{\gamma -1}{\gamma }}_1}=\frac{T_2}{p{\frac{\gamma -1}{\gamma }}_2}\left(2.1\right).\]

Из уравнения (2.1) выразим конечную температуру:

\[T_2=T_1\left(\frac{p{\frac{\gamma -1}{\gamma }}_2}{p{\frac{\gamma -1}{\gamma }}_1}\right)=T_1{\left(\frac{p_2}{p_1}\right)}{\frac{\gamma -1}{\gamma }}.\]

Вычислим температуру:

\[T_2=290\cdot {10}{\frac{0,4}{1,4}}=560\ \left(К\right).\]

Выразим температуру в градусах Цельсия:

\[T=273+t\to t=T-273\to t=560-273=287{\rm{}\circ\!C}\]

Ответ. $t=287{\rm{}\circ\!C}$

Читать дальше: единицы измерения.

Источник: https://www.webmath.ru/poleznoe/fizika/fizika_211_edinicy_izmerenija_temperatury.php

О различных температурных шкалах

Единицы измерения температуры

История

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.

Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.

Шкала Кельвина

В термодинамике используется шкала Кельвина, в которой температура отсчитывается от абсолютного нуля (состояние, соответствующее минимальной теоретически возможной внутренней энергии тела), а один кельвин равен 1/273.

16 расстояния от абсолютного нуля до тройной точки воды (состояния, при котором лёд, вода и водяной пар находятся в равновесии). Для пересчета кельвинов в энергетические единицы служит постоянная Больцмана.

Используются также производные единицы: килокельвин, мегакельвин, милликельвин и т.д.

Шкала Цельсия

В быту используется шкала Цельсия, в которой за 0 принимают точку замерзания воды, а за 100° точку кипения воды при атмосферном давлении.

Поскольку температура замерзания и кипения воды недостаточно хорошо определена, в настоящее время шкалу Цельсия определяют через шкалу Кельвина: градус Цельсия равен кельвину, абсолютный ноль принимается за −273,15 °C.

Шкала Цельсия практически очень удобна, поскольку вода очень распространена на нашей планете и на ней основана наша жизнь. Ноль Цельсия — особая точка для метеорологии, поскольку замерзание атмосферной воды существенно всё меняет.

Шкала Фаренгейта

В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. В этой шкале на 100 градусов раздёлен интервал от температуры самой холодной зимы в городе, где жил Фаренгейт, до температуры человеческого тела. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.

В настоящее время принято следующее определение шкалы Фаренгейта: это температурная шкала, 1 градус которой (1 °F) равен 1/180 разности температур кипения воды и таяния льда при атмосферном давлении, а точка таяния льда имеет температуру +32 °F. Температура по шкале Фаренгейта связана с температурой по шкале Цельсия (t °С) соотношением t °С = 5/9 (t °F — 32), то есть изменение температуры на 1 °F соответствует изменению на 5/9 °С. Предложена Г. Фаренгейтом в 1724.

Шкала Реомюра

Предложенна в 1730 году Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр.

Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

 

Пересчёт температуры между основными шкалами
КельвинЦельсийФаренгейт
Кельвин (K)= K= С + 273,15= (F + 459,67) / 1,8
Цельсий (°C)= K − 273,15= C= (F − 32) / 1,8
Фаренгейт (°F)= K · 1,8 − 459,67= C · 1,8 + 32= F

 Сравнение температурных шкал

ОписаниеКельвинЦельсий ФаренгейтНьютонРеомюр
Абсолютный ноль0−273.15−459.67−90.14−218.52
Температура таяния смеси Фаренгейта (соли и льда в равных количествах)255.37−17.780−5.87−14.22
Температура замерзания воды (нормальные условия)273.1503200
Средняя температура человеческого тела¹310.036.898.212.2129.6
Температура кипения воды (нормальные условия)373.151002123380
Температура поверхности Солнца58005526998018234421

¹ Нормальная температура человеческого тела — 36.6 °C ±0.7 °C, или 98.2 °F ±1.3 °F. Приводимое обычно значение 98.6 °F — это точное преобразование в шкалу Фаренгейта принятого в Германии в XIX веке значения 37 °C.

Поскольку это значение не входит в диапазон нормальной температуры по современным представлениям, можно говорить, что оно содержит избыточную (неверную) точность. Некоторые значения в этой таблице были округлены.

Сопоставление шкал Фаренгейта и Цельсия

(oF — шкала Фаренгейта, oC — шкала Цельсия)

oFoCoFoCoFoCoFoC
-459.67-450-400-350-300-250-200-190-180-170-160-150-140-130-120-110-100-95-90-85-80-75-70-65-273.15-267.8-240.0-212.2-184.4-156.7-128.9-123.3-117.8-112.2-106.7-101.1-95.6-90.0-84.4-78.9-73.3-70.6-67.8-65.0-62.2-59.4-56.7-53.9-60-55-50-45-40-35-30-25-20-19-18-17-16-15-14-13-12-11-10-9-8-7-6-5-51.1-48.3-45.6-42.8-40.0-37.2-34.4-31.7-28.9-28.3-27.8-27.2-26.7-26.1-25.6-25.0-24.4-23.9-23.3-22.8-22.2-21.7-21.1-20.6-4-3-2-1012345678910111213141516171819-20.0-19.4-18.9-18.3-17.8-17.2-16.7-16.1-15.6-15.0-14.4-13.9-13.3-12.8-12.2-11.7-11.1-10.6-10.0-9.4-8.9-8.3-7.8-7.22021222324253035404550556065707580859095100125150200-6.7-6.1-5.6-5.0-4.4-3.9-1.11.74.47.210.012.815.618.321.123.926.729.432.235.037.851.765.693.3

Для перевода градусов цельсия в кельвины необходимо пользоваться формулой T=t+T0 где T- температура в кельвинах, t- температура в градусах цельсия, T0=273.15 кельвина. По размеру градус Цельсия равен Кельвину.

Источник: https://meteoinfo.ru/t-scale

Что такое температура? Единицы измерения температуры — градусы. Температура пара и газа

Единицы измерения температуры

Каждый человек ежедневно сталкивается с понятием температуры.

Термин прочно вошел в нашу повседневную жизнь: мы разогреваем в микроволновой печи продукты или готовим еду в духовом шкафу, интересуемся погодой на улице или узнаем, холодная ли вода в реке — все это тесно связано с данным понятием. А что такое температура, что означает этот физический параметр, в чем он измеряется? На эти и другие вопросы ответим в статье.

Физическая величина

Давайте рассмотрим, что такое температура с точки зрения изолированной системы, находящейся в термодинамическом равновесии. Термин пришел из латинского языка и означает «надлежащее смешение», «нормальное состояние», «соразмерность».

Эта величина характеризует состояние термодинамического равновесия какой-либо макроскопической системы. В том случае, когда изолированная система находится вне равновесия, с течением времени происходит переход энергии от более нагретых объектов к менее нагретым.

В результате получается выравнивание (изменение) температуры во всей системе. Это является первым постулатом (нулевым началом) термодинамики.

Плазма

Кроме равновесных тел, существуют системы, у которых состояние характеризуется несколькими значениями температуры, не равными между собой. Хорошим примером является плазма. Она состоит из электронов (легких заряженных частиц) и ионов (тяжелых заряженных частиц).

При их столкновениях происходит быстрая передача энергии от электрона к электрону и от иона к иону. А вот между неоднородными элементами происходит медленный переход. Плазма может находиться в состоянии, при котором электроны и ионы в отдельности близки к равновесию.

В таком случае можно принять отдельные температуры каждого вида частиц. Однако между собой эти параметры будут отличаться.

Магниты

В телах, у которых частицы обладают магнитным моментом, передача энергии обычно происходит медленно: от поступательных к магнитным степеням свободы, которые связаны с возможностью изменения направлений момента.

Получается, что существуют состояния, при которых тело характеризуется температурой, не совпадающей с кинетическим параметром. Она соответствует поступательному движению элементарных частиц. Магнитная температура определяет часть внутренней энергии.

Она может быть как положительной, так и отрицательной. В процессе выравнивания энергия будет передаваться от частиц с большим значением к частицам с меньшим значением температуры в том случае, если они являются одновременно положительными либо отрицательными.

В противной ситуации этот процесс будет протекать в обратном направлении — отрицательная температура будет «выше» положительной.

А зачем это надо?

Парадокс заключается в том, что обывателю, чтобы провести процесс измерения как в быту, так и в промышленности, даже нет необходимости знать, что такое температура. Для него будет достаточным понимать, что это степень нагретости объекта или среды, тем более что с этими терминами мы знакомы с детства.

Действительно, большая часть практических приборов, предназначенных для измерения этого параметра, фактически измеряет иные свойства веществ, которые изменяются от уровня нагрева или охлаждения. Например, давление, электрическое сопротивление, объем т. д.

Далее такие показания вручную или автоматически пересчитываются в нужную величину.

Получается, чтобы определить температуру, нет необходимости изучать физику. По такому принципу живет большая часть населения нашей планеты.

Если работает телевизор, то нет необходимости разбираться в переходных процессах полупроводниковых приборов, изучать, откуда берется электричество в розетке или как поступает на спутниковую тарелку сигнал.

Люди привыкли, что в каждой области есть специалисты, которые смогут починить или отладить систему. Обыватель не хочет напрягать свой мозг, ведь куда лучше смотреть мыльную оперу или футбол по «ящику», потягивая холодное пиво.

А я хочу знать

Но есть люди, чаще всего это студенты, которые либо в меру своей любознательности, либо по необходимости вынуждены изучать физику и определять, что такое температура на самом деле. В результате в своем поиске они попадают в дебри термодинамики и изучают ее нулевой, первый и второй законы.

Кроме того, пытливому уму придется постичь циклы Карно и энтропию. И в конце своего пути он наверняка признает, что определение температуры в качестве параметра обратимой тепловой системы, которая не зависит от типа рабочего вещества, не добавит ясности в ощущение этого понятия.

И все равно видимой частью будут принятые международной системой единиц (СИ) какие-то градусы.

Температура как кинетическая энергия

Более «осязаемым» является подход, который называют молекулярно-кинетической теорией. Из него формируется представление того, что теплота рассматривается в качестве одной из форм энергии.

Например, кинетическая энергия молекул и атомов, параметр, усредненный по огромному числу хаотично движущихся частиц, оказывается мерилом того, что принято называть температурой тела.

Так, частицы нагретой системы движутся быстрее, чем холодной.

Поскольку рассматриваемый термин тесно связан с усредненной кинетической энергией группы частиц, было бы вполне естественным в качестве единицы измерения температуры использовать джоуль.

Тем не менее этого не происходит, что объясняется тем, что энергия теплового движения элементарных частиц весьма мала по отношению к джоулю. Поэтому использование его неудобно.

Тепловое движение измеряют в единицах, полученных из джоулей посредством специального переводного коэффициента.

Единицы измерения температуры

На сегодняшний день используется три основных единицы для отображения этого параметра. В нашей стране температуру принято определять в градусах по Цельсию. В основе этой единицы измерения лежит точка затвердевания воды – абсолютное значение. Она является началом отсчета.

То есть температура воды, при которой начинает образовываться лед, является нулем. В данном случае вода служит образцовым мерилом. Это условное значение было принято для удобства.

Вторым абсолютным значением является температура пара, то есть момент, когда вода из жидкого состояния переходит в газообразное.

Следующей единицей являются градусы по Кельвину. Началом отсчета этой системы принято считать точку абсолютного нуля. Так, один градус Кельвина равен одному градусу Цельсия. Отличием является только начало отсчета.

Получаем, что нуль по Кельвину будет равен минус 273,16 градусов по Цельсию. В 1954 году на Генеральной конференции по мерам и весам было решено заменить термин «градус Кельвина» для единицы температуры на «кельвин».

Третьей общепринятой единицей измерения являются градусы Фаренгейта. До 1960 года они широко использовались во всех англоязычных странах. Однако и сегодня в быту в США используют эту единицу. Система в корне отличается от описанных выше.

За начало отсчета принята температура замерзания смеси соли, нашатыря и воды в пропорции 1:1:1. Так, на шкале Фаренгейта точка замерзания воды равна плюс 32 градуса, а кипения — плюс 212 градусов. В этой системе один градус равен 1/180 разности этих температур.

Так, диапазон от 0 до +100 градусов по Фаренгейту соответствует диапазону от -18 до +38 по Цельсию.

Абсолютный нуль температуры

Давайте разберемся, что означает этот параметр. Абсолютным нулем называют значение предельной температуры, при которой давление идеального газа обратится в нуль при фиксированном объеме. Это самое низкое значение в природе. Как предсказывал Михайло Ломоносов, «это наибольшая или последняя степень холода».

Из этого следует химический закон Авогадро: в равных объемах газов при условии одинаковой температуры и давления содержится одинаковое количество молекул. Что из этого следует? Существует минимальная температура газа, при которой его давление либо объем обратятся в нуль.

Эта абсолютная величина соответствует нулю по Кельвину, или 273 градусам по Цельсию.

Несколько интересных фактов о Солнечной системе

Температура на поверхности Солнца достигает 5700 кельвинов, а в центре ядра — 15 миллионов кельвинов. Планеты Солнечной системы сильно отличаются друг от друга по уровню нагрева.

Так, температура ядра нашей Земли составляет примерно столько же, сколько на поверхности Солнца. Самой горячей планетой считается Юпитер. Температура в центре его ядра в пять раз выше, чем на поверхности Солнца.

А вот самое низкое значение параметра зафиксировали на поверхности Луны — оно составило всего 30 кельвинов. Это значение даже ниже, чем на поверхности Плутона.

Факты о Земле

1. Самое высокое значение температуры, которое зафиксировал человек, составило 4 миллиарда градусов по Цельсию. Эта величина в 250 раз превышает температуру ядра Солнца. Рекорд поставлен Нью-Йоркской естественной лабораторией Брукхэвена в ионном коллайдере, длина которого составляет около 4 километров.

2. Температура на нашей планете тоже не всегда идеальная и комфортная. Например, в городе Верхноянске в Якутии температура в зимний период опускается до минус 45 градусов по Цельсию. А вот в эфиопском городе Даллол обратная ситуация. Там среднегодовая температура составляет плюс 34 градуса.

3. Самые экстремальные условия, при которых работают люди, зафиксированы в золотых шахтах в Южной Африке. Шахтеры трудятся на глубине трех километров при температуре плюс 65 градусов по Цельсию.

Источник: https://autogear.ru/article/137/247/chto-takoe-temperatura-edinitsyi-izmereniya-temperaturyi---gradusyi-temperatura-para-i-gaza/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.