Jaké existují teploty?

Teplota je fyzikální veličina charakterizující tepelný stav těles. Teplota je charakteristikou tepelné rovnováhy systému.

teplota – fyzikální veličina charakterizující tepelný stav těles.

Ve světě kolem nás dochází k různým jevům souvisejícím s ohřevem a ochlazováním těles. Jsou tzv tepelné jevy. Když se tedy zahřeje, studená voda se nejprve ohřeje a poté ohřeje; kovová část vyjmutá z plamene se postupně ochlazuje atd. Stupeň zahřátí tělesa, respektive jeho tepelný stav, označujeme slovy „teplý“, „studený“, „horký“. teplota.

Teplota je jedním z makroskopických parametrů systému. Ve fyzice se nazývají tělesa skládající se z velmi velkého počtu atomů nebo molekul makroskopický. Velikosti makroskopických těles jsou mnohonásobně větší než velikosti atomů. Všechna okolní tělesa – od stolu nebo plynu v balónu až po zrnko písku – jsou makroskopická tělesa.

Nazývají se veličiny, které charakterizují stav makroskopických těles bez zohlednění jejich molekulární struktury makroskopické parametry. Patří mezi ně objem, tlak, teplota, koncentrace částic, hmotnost, hustota, magnetizace atd. Teplota je jedním z nejdůležitějších makroskopických parametrů systému (zejména plynu).

Teplota je charakteristikou tepelné rovnováhy systému.

Je známo, že pro určení teploty média je třeba umístit teploměr do tohoto média a počkat, až se teplota teploměru přestane měnit a nabude hodnoty rovné okolní teplotě. Jinými slovy, trvá určitou dobu, než se ustaví tepelná rovnováha mezi médiem a teploměrem.

TeplovNebo termodynamické, Zůstatek nazývá se stav, kdy všechny makroskopické parametry zůstávají nezměněny po neomezeně dlouhou dobu. To znamená, že objem a tlak v systému se nemění, nedochází k fázovým přeměnám a nemění se teplota.

Mikroskopické procesy se však během tepelné rovnováhy nezastaví: rychlost molekul se mění, pohybují se a srážejí se.

Jakékoli makroskopické těleso nebo skupina makroskopických těles – termodynamické systém – může být v různých stavech tepelné rovnováhy. V každém z těchto stavů má teplota svou velmi specifickou hodnotu. Jiné veličiny mohou mít různé (ale konstantní) hodnoty. Například tlak stlačeného plynu ve válci se bude lišit od tlaku v místnosti a při teplotní rovnováze celého systému těles v této místnosti.

Teplota charakterizuje stav tepelné rovnováhy makroskopického systému: ve všech částech systému, které jsou ve stavu tepelné rovnováhy, má teplota stejnou hodnotu (toto je jediný makroskopický parametr, který má tuto vlastnost).

Pokud mají dvě tělesa stejnou teplotu, nedochází mezi nimi k výměně tepla, pokud je rozdílná, dochází k výměně tepla a teplo se přenáší z více zahřátého tělesa na méně zahřáté, dokud se teploty zcela nevyrovnají.

Měření teploty je založeno na závislosti nějaké fyzikální veličiny (například objemu) na teplotě. Tato závislost se využívá v teplotní stupnici teploměru – zařízení sloužícího k měření teploty.

Působení teploměru je založeno na tepelné roztažnosti látky. Při zahřívání se sloupec látky použité v teploměru (například rtuti nebo alkoholu) zvětšuje a při ochlazování se zmenšuje. Teploměry používané v každodenním životě umožňují vyjádřit teplotu látky ve stupních Celsia (°C).

A. Celsius (1701-1744) – švédský vědec, který navrhl použití teplotní stupnice Celsia. Na Celsiově teplotní stupnici je nula (od poloviny 100. století) teplota tajícího ledu a XNUMX stupňů je bod varu vody při normálním atmosférickém tlaku.

Vzhledem k tomu, že různé kapaliny expandují s rostoucí teplotou odlišně, teplotní stupnice v teploměrech obsahujících různé kapaliny jsou různé.

Proto se ve fyzice používají ideální stupnice teploty plynu, na základě závislosti objemu (při konstantním tlaku) nebo tlaku (při konstantním objemu) plynu na teplotě.

Přemýšleli jste někdy nad tím, proč se tak nesouvisející věci jako úhly a teplota měří ve stupních? Řekněme si víc, stupně měří hustotu tekutiny a kvalitu mléka a (ano, nezapomněli jsme) podíl alkoholu. stupeň je latinské slovo znamenající krok, krok nebo stupeň. Jinými slovy, stupeň na rozdíl od metrických jednotek nemá konkrétní hodnotu a neodpovídá žádnému standardu vázanému na určité fyzikální parametry. V tomto případě lze velikost stupňů nastavit pokaždé jinak a nic se nezmění. Kdo a proč může potřebovat takovou měrnou jednotku? Pojďme na to přijít.

Rohy

Všichni ze školy víme, že kruh obsahuje přesně 360 stupňů. Ale proč 360? Na tuto otázku lze odpovědět různými způsoby.

Podle jedné verze si staří astronomové, nejspíše Peršané a Kappadočani, všimli, že Slunce se na obloze objevuje ve stejném bodě pouze jednou za 365 dní. Vysvětlili to tím, že Slunce udělá za rok úplnou revoluci kolem Země a vrátí se do výchozího bodu.

Možná zaokrouhlili číslo 365, nebo možná jen zmeškali pět dní, ale nakonec došli k závěru: Slunce se pohybuje o tři sta šedesátou část kruhu za den.

Jiná teorie vysvětluje 360stupňový plný úhel ze zcela jiných důvodů. Sumerové a Babyloňané používali (ne nejpříhodnější) šestinásobný číselný systém. Za velká čísla považovali šedesátníky (např. číslo 1020 je 17 šedesátníků).

Po vepsání pravidelného šestiúhelníku do kruhu si Babyloňané všimli, že do kruhu dokonale zapadá šest rovnostranných trojúhelníků. Ke každému trojúhelníku přiřadili šedesát. Výsledkem bylo, že šest trojúhelníků po šedesáti dalo dobře známých 360 stupňů.

Šedesátimístný systém také vysvětluje rozdělení stupňů na 60 minut (‚) a 3600 sekund (“). Symbol, který dnes používáme k označení stupňů (°), byl poprvé použit v matematice v roce 1569, analogicky k hornímu indexu pro minuty a sekundy.

Bez ohledu na příběh je nejlepší možnou volbou plný úhel 360 stupňů, protože 360 ​​je supersložené číslo (přirozené číslo s více děliteli než všechna předchozí). Je dělitelný všemi čísly od 1 do 10 s výjimkou sedmi a také: 12, 15, 18, 20, 24, 30, 36, 40, 45, 60, 72, 90, 120 a 180. počet částí můžete rozdělit kruh jednoduchým mentálním výpočtem.

Geometrické stupně obstály ve zkoušce času a ukázaly se jako nejvhodnější jednotka pro měření úhlů. Ale jsou i další.

Pokud tedy máte inženýrskou kalkulačku, pak jste při přepínání mezi stupni (DEG) a radiány (RAD) mohli skončit v režimu GRAD – jedná se o výpočet ve stupních (nebo gonech). Jeden stupeň je jedna setina pravého úhlu, což znamená, že plný úhel je 400 stupňů.

Tato jednotka měření se objevila během francouzské revoluce spolu s metrickým systémem a rychle všechny zmátla. Kromě problémů s názvem – v některých zemích grad označovaný jako obvyklé tituly – nastaly také potíže s výpočtem.

Například, jak víte, úhly rovnostranného trojúhelníku jsou si navzájem rovné a mají velikost 60 stupňů. Přeložme si to na stupně – 66 bodů a šest v období, strašně nepohodlné.

Na rozdíl od metrického systému, bez kterého je obtížné si představit náš život, se ukázalo, že výpočty ve stupních nejsou nejjednodušší, nyní se prakticky nikde nepoužívají.

V historii ale zanechaly svou stopu – právě díky kroupám dostala stostupňová teplotní stupnice název Celsiova stupnice.

teplota

Kupodivu se teplotní stupnice objevily mnohem dříve než teploměry. Za tvůrce první stupnice lze považovat Galena, starověkého římského lékaře, chirurga a filozofa.

Galén tvrdil, že existuje určitá neutrální teplota – definoval ji jako teplotu směsi stejného množství vroucí vody a ledu. Z neutrální teploty napočítal čtyři kroky (kroky) k teplu a chladu.

Švédský teolog a fyzik Johann Hasler na základě Galenových děl sestavil teplotní tabulku, publikovanou na stránkách díla „De Logistica Medica problematis novem“ v roce 1578. Umístil stejné čtyři stupně tepla a chladu na opačné strany neutrální teploty a také si všiml, že stupnici lze nahradit posloupností čísel od jedné do devíti.

V tabulce se teplotní hodnoty nazývají jednoduše „čísla“, ale v textu Hasler používá slovo „stupeň“. Neutrální teplota v jeho systému bude odpovídat číslu pět.

První zařízení podobné modernímu teploměru vytvořil Galileo Galilei kolem roku 1597. Poté vědci téměř 200 let hledali univerzální, pohodlnou a přesnou teplotní stupnici.

Například v roce 1701 Isaac Newton v díle publikovaném anonymně (ve kterém již používá slovo stupeň k označení jednotek tepla) nabídne 18 referenčních bodů, z nichž některé tvoří geometrickou a další aritmetickou posloupnost. Ve stupních Newtonů je bod mrazu vody 0 stupňů a teplota lidského těla je 12 stupňů.

Ve stejném roce slavný astronom Ole Roemer (který jako první změřil rychlost světla) navrhl svou vlastní verzi. Jako nulu na stupnici zvolil teplotu slané vody s ledem, ale bod varu vody – opět toto magické číslo – určil na 60 stupňů. Tuto stupnici si vypůjčil Roemerův známý Gabriel Fahrenheit.

Fahrenheit se zbavil nepříjemných zlomků, které vznikaly při měření teploty lidského těla (22,5 stupně) a zamrzání sladké vody (7,5 stupně), a nahradil je 24, respektive 8 stupni. Voda se začala vařit při 64 stupních Fahrenheita.

Nějakou dobu vyráběl teploměry s takovou stupnicí, ale pak ji v roce 1724 vynásobil 4. Podle jedné verze chtěl Fahrenheit stupnici jednoduše zpřesnit, a tak podle toho zvýšil počet značek na teploměru jinému to udělal, aby zvýšil teplotu o jeden Fahrenheit, což vedlo ke zvýšení objemu rtuti přesně o jednu desetitisícinu.

Tak se objevila slavná stupnice Fahrenheit, kterou lidé používají dodnes. Nějakou dobu to bylo nejlepší možné, ale pak bylo nahrazeno pokročilejší verzí. I když obyvatelé USA by s námi jen stěží souhlasili.

Joseph Nicolas Delisle se vydal trochu jinou cestou. Vybral si jen jeden referenční bod, bod varu vody, a označil ho za nulu. Rozhodl se zkalibrovat stupnici expanzí rtuti v teploměru – poklesem teploty, vedoucím k poklesu objemu rtuti o sto tisícinu, Delisle označil jako jeden stupeň.

Bod tuhnutí vody je v tomto případě 2400 stupňů, stupnice se ukázala být příliš mělká, proto ji v roce 1738 Josiah Weitbrecht změnil. Nastavil teplotu tuhnutí vody na 150 stupňů.

Takové teploměry se staly pohodlnými a široce používanými. V Rusku se používaly asi sto let; Lomonosov používal při svých experimentech Delisleův teploměr (ačkoli obrátil stupnici vzhůru nohama).

Teprve v tuto chvíli se na scéně objevuje Anders Celsius. V roce 1741 aplikoval svou stupnici na Delisleův teploměr – 0 stupňů při bodu varu a 100 stupňů při bodu mrazu vody. Váha byla otočena (s největší pravděpodobností to udělal Carl Linné) rok po smrti Celsia (zemřel v roce 1744 na tuberkulózu).

Mimochodem, v roce 1745 už existoval teploměr s nulou na bodu mrazu a sto stupňů na bodu varu vody. Říká se mu lyonský teploměr, jeho vynálezcem je francouzský fyzik Jean-Pierre Christin.

Celsiova zásluha leží jinde – provedl experimenty, které prokázaly, že teplota tání ledu je prakticky nezávislá na tlaku. Navíc s vysokou přesností určil, jak se mění bod varu vody v závislosti na atmosférickém tlaku.

Celsius navrhl kalibrovat nulu své teplotní stupnice (v tu chvíli bod varu vody) atmosférickým tlakem, který lze určit podle průměrné hladiny moře.

Tato kalibrace konečně učinila teploměry skutečně univerzálními. To je pravděpodobně důvod, proč předpověď počasí, na kterou jste se dnes ráno dívali, byla ve stupních Celsia.

Ale teplotní stupnice Celsia byla pojmenována po stupních Celsia až v roce 1948. Předtím se tomu říkalo teplotní stupnice Celsia. Ale ve francouzštině (kde používali grady) tento termín Celsia byl již zaneprázdněn geometrií.

Aby se předešlo zmatkům, Mezinárodní úřad pro váhy a míry přejmenoval váhu na počest Anderse Celsia. Ze stupňů teploty se tedy staly stupně Celsia.

Celsiova stupnice se ukázala jako ideální pro každodenní použití, ale fyzikové s ní nebyli spokojeni.

Propojení referenčních bodů s vlastnostmi vody je pro experimenty velmi vhodné, protože vodu lze nalézt téměř kdekoli. Ale pro teoretické výpočty, například vztah mezi energií molekul a teplotou, bylo nutné najít absolutní měřítko.

Vytvořil jej William Thomson v roce 1848 – nulový bod jeho stupnice odpovídá absolutní nule a hodnota dělení se rovná stupňům Celsia. Nová stupnice byla pojmenována po Thomsonovi (který se stal lordem Kelvinem) a stupeň Celsia se stal Kelvinem. Ale proč Kelvin není titul?

Faktem je, že Kelvinova stupnice je absolutní teplotní stupnice. Všechny výše uvedené stupnice jsou libovolné, protože pro jejich kalibraci byly zvoleny libovolné body.

Kelvinova stupnice se měří od absolutní nuly, minimální hranice teploty ve vesmíru, a úzce souvisí s energií molekul prostřednictvím Boltzmannovy konstanty. Abychom zdůraznili, že mluvíme o absolutní teplotě, Kelvin se nenazývá stupněm.

Barva

Ukazuje se, že teplotu v Kelvinech potřebují pouze fyzici? Ne, pravděpodobně jste Kelvin používali v oddělení pro domácnost v supermarketu, jen jste to nevěděli.

Při výběru odstínu žárovky dbáme na barevnou teplotu (například 2800K), měří se v Kelvinech.

Takové světlo bude vyzařovat zcela černé těleso zahřáté na stanovenou teplotu. Barva se tedy měří teplotou, nikoli vlnovou délkou, protože záření zahřátého tělesa, jako je žárovka, není monochromatické (skládá se z mnoha frekvencí).

Alkohol

Přesuňme se z oddělení pro domácnost do oddělení alkoholu a znovu se tam podívejme na stupně. Přesněji řečeno, objemová procenta nazývaná stupně.

V Rusku se síla alkoholických nápojů ve stupních Hess začala měřit v roce 1847, kdy akademik Hermann Hess vydal knihu „Accounting for Alcohols“.

V této knize Hess poskytl lihové tabulky a pokyny k používání lihoměru. A samotný Hessův lihoměr neukázal „obsah alkoholu, ale počet kbelíků vody o teplotě 12,44 R[eomur], které je třeba přidat ke 100 kbelíkům testovaného alkoholu, aby se získal polugar, tzn. , směs, která obsahuje 38 % alkoholu.“ Například ke 100 kbelíků vodky musíte přidat asi pět kbelíků vody, abyste získali polugaru.

Oficiálně přestaly hodnotit sílu ve stupních Hess již v roce 1863, kdy byly nahrazeny objemovými procenty – poměrem objemu etylalkoholu k celkovému objemu nápoje. Ale slovo „stupeň“ zůstává.

Mimochodem, angličtina stupeň (stupeň) nemá nic společného s alkoholem, ale ve Francii řeknou, že koňak má 40 stupňů Gay-Lussac.

Hustota, kyselost mléka

Až do poloviny 1768. století byly stupně Baume, navržené Antoinem Baumem v roce XNUMX k měření hustoty kapaliny, široce používány v chemii a farmakologii.

Ve fyzice a chemii byly tituly Baume vytlačeny současnou jednotkou SI kilogram na metr krychlový, ale nadále se používají v pivovarnictví, zpracování cukrové řepy a dalších oborech.

Kyselost mléka se také měří ve stupních – Turnerových stupních. Toto je počet mililitrů decinormálního (0,1 N) roztoku hydroxidu sodného potřebného k neutralizaci 100 mililitrů mléka. Prémiové mléko by mělo mít stupeň Turner v rozmezí od 16 do 18.