Každý člověk se každý den potýká s pojmem teplota. Pojem pevně vstoupil do našeho každodenního života: ohříváme jídlo v mikrovlnce nebo vaříme v troubě, zajímáme se o počasí venku nebo zjišťujeme, zda je voda v řece studená – to vše s tímto pojmem úzce souvisí. A co je to teplota, co tento fyzikální parametr znamená, jakým způsobem se měří? Na tyto a další otázky odpovíme v článku.
Fyzické množství
Uvažme, jaká je teplota z pohledu izolovaného systému v termodynamické rovnováze. Termín pochází z latinského jazyka a znamená „správné promíchání“, „normální stav“, „proporcionalita“. Tato hodnota charakterizuje stav termodynamické rovnováhy libovolného makroskopického systému. V případě, že izolovaný systém není v rovnováze, dochází časem k přechodu energie z více vyhřívaných objektů do méně vyhřívaných. Výsledkem je vyrovnání (změna) teploty v celém systému. Toto je první postulát (nulový princip) termodynamiky.
Určuje teplotarozdělení částic soustavy podle energetických hladin a rychlostí, stupeň ionizace látek, vlastnosti rovnovážného elektromagnetického záření těles, celková objemová hustota záření. Protože pro systém, který je v termodynamické rovnováze, jsou uvedené parametry stejné, obvykle se nazývají teplota systému.
Plazma
Kromě rovnovážných těles existují systémy, ve kterých je stav charakterizován několika hodnotami teploty, které se navzájem nerovnají. Dobrým příkladem je plazma. Skládá se z elektronů (lehké nabité částice) a iontů (těžce nabité částice). Když se srazí, energie se rychle přenáší z elektronu na elektron az iontu na iont. Ale mezi heterogenními prvky je pomalý přechod. Plazma může být ve stavu, kdy jsou elektrony a ionty jednotlivě blízké rovnováze. V tomto případě lze pro každý druh částic měřit samostatné teploty. Tyto parametry se však budou navzájem lišit.
Magnety
V tělesech, ve kterých částice mají magnetický moment, dochází obvykle k přenosu energie pomalu: z translačních do magnetických stupňů volnosti, které jsou spojeny s možností změny směrů momentu. Ukazuje se, že existují stavy, ve kterých je těleso charakterizováno teplotou, která se neshoduje s kinetickým parametrem. Odpovídá translačnímu pohybu elementárních částic. Magnetická teplota určuje část vnitřní energie. Může být buď pozitivní nebozáporný. Během procesu zarovnání se energie přenese z částic s vyšší hodnotou na částice s nižší hodnotou teploty, pokud jsou obě kladné nebo záporné. Jinak bude tento proces probíhat opačným směrem – záporná teplota bude „vyšší“než kladná.
Proč je to nutné?
Paradox spočívá v tom, že průměrný člověk, aby mohl provádět proces měření jak v běžném životě, tak v průmyslu, ani nemusí vědět, co je to teplota. Bude stačit, aby pochopil, že se jedná o stupeň zahřátí předmětu nebo prostředí, zejména proto, že tyto pojmy známe od dětství. Většina praktických zařízení určených k měření tohoto parametru totiž ve skutečnosti měří další vlastnosti látek, které se mění s úrovní zahřívání nebo chlazení. Například tlak, elektrický odpor, objem atd. Tyto hodnoty jsou dále ručně nebo automaticky převedeny na požadovanou hodnotu.
Ukazuje se, že k určení teploty není třeba studovat fyziku. Tímto principem žije většina populace naší planety. Pokud je televizor zapnutý, není třeba chápat přechodné procesy polovodičových zařízení, zkoumat, odkud pochází elektřina ze zásuvky nebo jak signál přichází na satelitní parabolu. Lidé jsou zvyklí, že v každém oboru se najdou specialisté, kteří dokážou systém opravit nebo odladit. Laik si nechce namáhat mozek, protože kde je lepší se při popíjení dívat na telenovelu nebo fotbal na „bedně“studené pivo.
Chci vědět
Jsou ale lidé, nejčastěji studenti, kteří jsou buď z důvodu své zvědavosti, nebo z nutnosti nuceni studovat fyziku a určovat, jaká teplota skutečně je. Výsledkem je, že při svém hledání spadnou do divočiny termodynamiky a studují její nulový, první a druhý zákon. Kromě toho bude zvídavá mysl muset pochopit Carnotovy cykly a entropii. A na konci své cesty jistě uzná, že definice teploty jako parametru reverzibilního tepelného systému, který není závislý na typu pracovní látky, pocitu z tohoto pojmu nepřidá. A přesto viditelná část bude mít několik stupňů akceptovaných mezinárodní soustavou jednotek (SI).
Teplota jako kinetická energie
„Hmatatelnější“je přístup, který se nazývá molekulárně-kinetická teorie. Vytváří představu, že teplo je považováno za jednu z forem energie. Například kinetická energie molekul a atomů, parametr zprůměrovaný přes obrovské množství náhodně se pohybujících částic, se ukazuje být mírou toho, co se běžně nazývá teplota tělesa. Částice zahřátého systému se tedy pohybují rychleji než studeného.
Vzhledem k tomu, že uvažovaný termín úzce souvisí s průměrnou kinetickou energií skupiny částic, bylo by zcela přirozené používat jako jednotku teploty joule. To se však nestane, což se vysvětluje tím, že energie tepelného pohybu elementárníČástice jsou velmi malé vzhledem k joulu. Proto je jeho použití nepohodlné. Tepelný pohyb se měří v jednotkách odvozených z joulů pomocí speciálního převodního faktoru.
Jednotky teploty
Dnes se pro zobrazení tohoto parametru používají tři základní jednotky. U nás se teplota běžně měří ve stupních Celsia. Tato jednotka měření je založena na bodu tuhnutí vody - absolutní hodnotě. Ona je výchozím bodem. To znamená, že teplota vody, při které se začíná tvořit led, je nulová. Voda v tomto případě slouží jako příkladné opatření. Tato konvence byla přijata pro pohodlí. Druhou absolutní hodnotou je teplota páry, tedy okamžik, kdy voda přechází z kapalného do plynného skupenství.
Další jednotkou je Kelvin. Referenční bod tohoto systému je považován za bod absolutní nuly. Takže jeden stupeň Kelvina se rovná jednomu stupni Celsia. Rozdíl je pouze na začátku odpočítávání. Dostaneme, že nula v Kelvinech se bude rovnat mínus 273,16 stupňům Celsia. V roce 1954 bylo na Generální konferenci pro váhy a míry rozhodnuto nahradit výraz „stupeň Kelvin“pro jednotku teploty výrazem „kelvin“.
Třetí společná měrná jednotka je Fahrenheit. Do roku 1960 byly široce používány ve všech anglicky mluvících zemích. Nicméně, dnes v každodenním životě ve Spojených státech používat tuto jednotku. Systém se zásadně liší od výše popsaných. Vzato jako výchozí bodbod tuhnutí směsi soli, čpavku a vody v poměru 1:1:1. Takže na stupnici Fahrenheita je bod tuhnutí vody plus 32 stupňů a bod varu plus 212 stupňů. V tomto systému je jeden stupeň roven 1/180 rozdílu mezi těmito teplotami. Takže rozsah od 0 do +100 stupňů Fahrenheita odpovídá rozsahu od -18 do +38 Celsia.
Absolutní nulová teplota
Pojďme pochopit, co tento parametr znamená. Absolutní nula je mezní teplota, při které tlak ideálního plynu mizí při pevném objemu. To je nejnižší hodnota v přírodě. Jak předpověděl Michailo Lomonosov, „toto je největší nebo poslední stupeň chladu“. Z toho vyplývá Avogadrův chemický zákon: stejné objemy plynů při stejné teplotě a tlaku obsahují stejný počet molekul. Co z toho vyplývá? Existuje minimální teplota plynu, při které jeho tlak nebo objem zmizí. Tato absolutní hodnota odpovídá nule Kelvinů nebo 273 stupňům Celsia.
Některá zajímavá fakta o sluneční soustavě
Teplota na povrchu Slunce dosahuje 5700 Kelvinů a ve středu jádra - 15 milionů Kelvinů. Planety sluneční soustavy se od sebe velmi liší, pokud jde o úroveň ohřevu. Teplota jádra naší Země je tedy přibližně stejná jako na povrchu Slunce. Jupiter je považován za nejžhavější planetu. Teplota ve středu jeho jádra je pětkrát vyšší než na povrchu Slunce. A zde je nejnižší hodnota parametruzaznamenané na povrchu Měsíce – bylo to pouhých 30 kelvinů. Tato hodnota je ještě nižší než na povrchu Pluta.
Fakta o Zemi
1. Nejvyšší teplota zaznamenaná člověkem byla 4 miliardy stupňů Celsia. Tato hodnota je 250krát vyšší než teplota jádra Slunce. Rekord vytvořila New York Brookhaven Natural Laboratory v iontovém urychlovači, který je asi 4 kilometry dlouhý.
2. Teplota na naší planetě také není vždy ideální a příjemná. Například ve městě Verchnojansk v Jakutsku teplota v zimě klesá až k minus 45 stupňům Celsia. V etiopském městě Dallol je ale situace opačná. Tam je průměrná roční teplota plus 34 stupňů.
3. Nejextrémnější podmínky, za kterých lidé pracují, jsou zaznamenány ve zlatých dolech v Jižní Africe. Horníci pracují v hloubce tří kilometrů při teplotě plus 65 stupňů Celsia.
