Отваря главното меню

Промени

190 байта изтрити, преди 4 месеца
запетаи и дребни
{{Термодинамика}}
'''Температурата''' (означава се със символа '''T''') ({{lang|la|temperatura – правилно смесване, нормално състояние}}) е [[физична величина]], характеризираща средната [[кинетична енергия]] на частиците от дадена макроскопична система, намираща се в състояние на [[термодинамично равновесие]]. Тя е свързана също със субективните усещания за топло и студено, а количествено се измерва с [[термометър|термометри]], които могат да бъдат калибрирани да показват температурата в най-различни температурни скали.
 
Температурата е физично свойство на [[Материя (физика)|материята]], което количествено изразява общите понятия за горещо и студено. Предмети с ниска температура са студени, а с различни степени на по-високи температури са по-топли или горещи. Когато пътя за пренос на топлина между тях е отворен, [[топлина]]та спонтанно тече от тела с по-висока температура към тела с по-ниска температура. Дебитът се увеличава с температурната разлика, а не с топлинна енергия, тя ще се обменя между тела със същата температура, които след това се казва, че са в „[[топлинно равновесие]]“. В термодинамичната система, в която [[ентропия]]та се счита за независима външна контролираща променлива, или [[константа]], или термодинамичната температура се определя като производната на [[вътрешна енергия|вътрешната енергия]] по отношението на ентропията. В един [[идеален газ]], съставните молекули не показват вътрешни възбуждания. Те се движат по [[закони на Нютон|първия закон на Нютон]] за движението, свободно и независимо един от друг, освен по време на сблъсъци, които продължават пренебрежимо кратко време. Температурата на идеален газ е пропорционална на средната транслационна кинетична енергия на молекулите.
 
Количествено температурата се измерва с термометри, които могат да бъдат калибрирани с различни температурни скали.
 
[[Амплитуда]]та на температурните вибрации се увеличава с температурата. Температурата играе важна роля във всички области на природните науки, като [[физика]], [[геология]], [[химия]], атмосферни науки и [[биология]].
 
В равновесно състояние температурата има еднаква стойност за всички макроскопични части на системата. Ако в системата две тела имат еднаква температура, [[Кинетична енергия|кинетичната енергия]] на техните частици не се предава между телата. Ако има разлика между температурите, то определено количество топлина се предава от тялото с по-висока температура към тялото с по-ниска температура, до изравняване на температурите. Това количество топлина се определя от [[Първи закон на термодинамиката|Първия закон на термодинамиката]]<ref name=dugdale>{{cite book|author=J. S. Dugdale|title=Entropy and its Physical Interpretation|publisher=Tayler & Francis|year=1996, 1998|isbn=978-0748405695|page=13|quote=This law is the basis of temperature.}}</ref> и свойствата на температурата се изучават от раздела [[термодинамика]].<ref>''Сивухин Д. В.'' Термодинамика и молекулярная физика. – Москва: „Наука“, 1990.</ref> Температурата също така играе важна роля в много области на науката като [[физика]]та, [[химия]]та и [[биология]]та.
|author=J. S. Dugdale
|title=Entropy and its Physical Interpretation
|publisher=Tayler & Francis
|year=1996, 1998
|isbn=978-0748405695
|page=13
|quote=This law is the basis of temperature.
}}</ref> и свойствата на температурата се изучават от раздела [[термодинамика]].<ref>''Сивухин Д. В.'' Термодинамика и молекулярная физика. – Москва: „Наука“, 1990.</ref> Температурата също така играе важна роля в много области на науката като [[физика]]та, [[химия]]та и [[биология]]та.
 
Температурата е едно от основните понятия в областта на [[термодинамика]]та. Особено важни в тази област са разликите в температурата между различни части, защото тези различия са движещата сила за [[топлина]],<ref>{{cite web|author=T.W. Leland, Jr.|title=Basic Principles of Classical and Statistical Thermodynamics|page=14|url=http://www.uic.edu/labs/trl/1.OnlineMaterials/BasicPrinciplesByTWLeland.pdf
|quote=Consequently we identify temperature as a driving force which causes something called heat to be transferred.}}</ref>, а топлината е пренос на топлинна енергия от места с по-висока температура към места с по-ниска температура.
|author=T.W. Leland, Jr.
|title=Basic Principles of Classical and Statistical Thermodynamics
|page=14
|url=http://www.uic.edu/labs/trl/1.OnlineMaterials/BasicPrinciplesByTWLeland.pdf
|quote=Consequently we identify temperature as a driving force which causes something called heat to be transferred.
}}</ref>, а топлината е пренос на топлинна енергия от места с по-висока температура към места с по-ниска температура.
[[Файл:Thermally Agitated Molecule.gif|мини|300п|Топлинно трептене на сегмент от алфа спирала на [[белтък]]. Амплитудата на трептенето нараства с температурата.]]
 
== Исторически данни за произхода на названието температура„температура“ ==
Думата температура„температура“ възниква по времето, когато хората смятат, че в по-нагрятите тела се съдържа по-голямо количество от някакво особено вещество – „[[Калорична теория|топлород]]“, отколкото в по-малко нагрятите. Затова температурата се възприема по това време (подобно на алкохолните напитки) като показател (градус, степен) за „топлородното“ съдържание в сместа, съставена от веществото на тялото и топлорода„топлорода“. По тази причина единиците за измерване на алкохолното съдържание на спиртните напитки и температурата се наричат еднакво – [[Градус Целзий|градусиградус]]и.
 
== Основна теория ==
За разлика от количеството топлина, температурата може да се разглежда като мярка за качеството „топлина“ на тялото. Когато две системи са с една и съща температура, няма директен пренос на топлина, тя възниква спонтанно от [[проводимост]] или [[радиация]] между тях. Когато съществува температурна разлика между тях и има термично-проводяща или радиационна връзка между тях, се осъществява спонтанен пренос на топлина от по-топлата система към по-студената система, докато те станат в топлинно равновесие. Преноса на топлина се осъществява чрез [[топлопроводимост]] или чрез топлинна радиация. Експерименталните физици, като например [[Галилей]] и [[Нютон]], са установили, че има безкрайно много емпирични температурни скали.
 
== Употреба в науката ==
 
=== Определение на температура в термодинамиката ===
Температурата е една от основните величини, изучавани в областта на [[термодинамика]]та, която е част от физиката, но има отношение и към химията и биологията. Изучава се връзката между [[топлина]] и [[Механична работа (физика)|работа]] с помощта на специална скала на температурата, наречена абсолютната температурна скала. Тя е въведена от [[Уилям Томсън|лорд Келвин]] и започва от нуланулевата ентропия, т.нар. [[Градусабсолютна Целзий|градусанула]], като (няма отрицателна температура)стойност. В термодинамични условия, температурата е микроскопична и интензивно променяща се величина, тъй като е независима от по-голямата част от елементарните частици, съдържащи се вътре, независимо дали са атоми или молекули. Всяка система в термодинамично равновесие има определена температура. Когато две системи с еднаква температура са в контакт, системите остават в равновесие, но когато температурите на системите са различни, в тях започват процеси, които продължават до установяване на равновесие. Реалните системи в света често не са в термодинамично равновесие и не са хомогенни. За проучване на методите на класическата необратимост в термодинамиката, тялото обикновено е пространствено и времево разделено концептуално в съобразени клетки с малки размери.
 
==== Температура на тела в термодинамично равновесие ====
В експерименталната физика казваме, че едно тяло е по-горещо от друго, когато показанията на термометрите са различни и на горещото е с по-висока стойност. Телата имат една и съща температура, т.е. термометрите показват една и съща стойност, когато са в термодинамично равновесие. Това е фундаментален характер на температурата и термометрите за телата, намиращи се в термодинамично равновесие. Това не изисква двата термометъра да имат линейна връзка между техните цифрови скали, но връзката между техните числени показания ще бъде строго монотонна. В определен смисъл по-топлото тяло независимо от [[калориметрия]]та или свойствата на определени материали, има по-голямо топлинно излъчване. Излъчването на електромагнитни вълни е за сметка на вътрешната енергия на веществото. Има непрекъснат спектър с максимум, чието положение се определя от температурата '''Т''' на излъчващото вещество. Топлинното излъчване е присъщо на всички тела с '''Т > 0 [[Келвин|К]]'''. При равновесно излъчване разпределението на енергията в спектъра зависи само от '''Т''' и се определя от [[закон на Планк|закона на Планк]].
:<math>I(\nu) =\frac{2h\nu^{3}}{c^2}\frac{1}{\exp\left(\frac{h\nu}{kT}\right)-1}</math>
Ако температурата на едно тяло е по-висока отколкото тази на околната среда, то излъчва, ако е по-малка, поглъща. Частни случаи на закона на Планк са законите на закон[[Закон на [[Стефан – Болцман|Стефан-Болцман]] и на [[законЗакон на Вин|Вин]].
 
С изключение на случая, когато една система претърпява фазов преход, като например топене на лед, когато една затворена система получава топлина, без промяна в [[обем]]а и без промяна на външните сили, действащи върху нея, температурата ѝ се повишава. За система, подложена на фазов преход бавно, така че отклонението от термодинамичното равновесие може да се пренебрегне, температурата остава постоянна, тъй като системата е снабдена с латентна топлина. Обратно, загубата на топлина от една затворена система, без промяна на фазата, без промяна на обема и без промяна на външните сили, действащи върху нея, намалява температурата си.<ref>Truesdell, C., Bharatha, S. (1977). ''The Concepts and Logic of Classical Thermodynamics as a Theory of Heat Engines, Rigorously Constructed upon the Foundation Laid by S. Carnot and F. Reech'', Springer, New York, ISBN 0-387-07971-8, page 20.</ref>.
 
==== Температура на тела в стабилно състояние, но не и в термодинамично равновесие ====
За аксиоматичното третиране на термодинамичното равновесие от 1930 г. насам става обичайно да се ползва нулевия закон за термодинамиката. Обичайно посоченият минималистичен вариант на такъв закон постулира, че всички тела, които са термично свързани така, че да са в топлинно равновесие, имат една и съща температура по дефиниция, но не установяват температурата като определено количество под формата на реално мащабно число.
 
По-обобщена версия на този закон разглежда емпиричната температура като диаграма на горещината. Докато нулевият закон позволява съществуването на много различни емпирични температурни скали, вторият закон на термодинамиката подбира единна скала, предпочитана абсолютна температура, уникална и единствена до произволно избран скален фактор, наречена термодинамична температура.<ref name="Truesdell 1980">Truesdell, C.A. (1980). ''The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822 – 1854'', Springer, New York, ISBN 0-387-90403-4, Sections 11 B, 11H, pages 306 – 310, 320 – 332.</ref><ref name="Maxwell 1872 155-158">Maxwell, J.C. (1872). ''Theory of Heat'', third edition, Longmans, Green, London, pages 155 – 158.</ref><ref name="Tait 1884 68-69">Tait, P.G. (1884). ''Heat'', Macmillan, London, Chapter VII, Section 95, pages 68 – 69.</ref><ref name=buchdahl>{{cite book|author=H.A. Buchdahl|title=The Concepts of Classical Thermodynamics|year=1966|publisher=Cambridge University Press|page=73}}</ref><ref>Kondepudi, D. (2008). ''Introduction to Modern Thermodynamics'', Wiley, Chichester, ISBN 978-0-470-01598-8, Section 32., pages 106 – 108.</ref> Ако вътрешната енергия се разглежда като функция на обема и [[ентропия]]та на хомогенна система в термодинамично равновесие, термодинамичната абсолютна температура е частна производна на вътрешната енергия по отношение на ентропията при постоянен обем. Неговата естествена начална производна или нулева точка е абсолютната нула, при която ентропията на всяка система е най-малка. Въпреки че това е най-ниската абсолютна температура, описана от модела, третият закон на термодинамиката постулира, че абсолютната нула не може да бъде достигната от никоя физична система.
|author=H.A. Buchdahl
|title=The Concepts of Classical Thermodynamics
|year=1966
|publisher=Cambridge University Press
|page=73
}}</ref><ref>Kondepudi, D. (2008). ''Introduction to Modern Thermodynamics'', Wiley, Chichester, ISBN 978-0-470-01598-8, Section 32., pages 106 – 108.</ref>. Ако вътрешната енергия се разглежда като функция на обема и [[ентропия]]та на хомогенна система в термодинамично равновесие, термодинамичната абсолютна температура е частна производна на вътрешната енергия по отношение на ентропията при постоянен обем. Неговата естествена начална производна или нулева точка е абсолютната нула, при която ентропията на всяка система е най-малка. Въпреки че това е най-ниската абсолютна температура, описана от модела, третият закон на термодинамиката постулира, че абсолютната нула не може да бъде достигната от никоя физична система.
 
=== Подход към температурата в статистическата механика ===
На молекулярно ниво, температурата е резултат от движението на частиците, които изграждат материала. Движещите се частици носят [[кинетична енергия]]. Температурата се покачва, вследствие на това движение и нарастване на кинетичната енергия. Движението може да бъде транслационно движение на частиците, или енергията на частиците се дължи на молекулни вибрации или възбуждане на [[електрон]]а на енергийно ниво. Въпреки че се изисква много специализирано лабораторно оборудване за директното засичане транслационните термични движения, термичните сблъсъци на атоми или молекули с малките частици, суспендирани в течност създават [[брауново движение|Брауновото движение]], което може да се види с обикновен [[микроскоп]]. Термичните движения на атомите са много бързи и с температури близки до абсолютната. Например, когато учените в NIST постигат рекорд за определяне на ниска температура от 700 НК (1 NK = 10 – 9 K) през 1994 г., те са използвали лазерно оборудване за да се създаде оптична решетка с адиабатно хладни цезиеви атоми. След това те изключват лазерите и измерват директно атомната скорост от седем милиметра в секунда, за да се изчисли температурата им.
 
Молекули, като [[кислород]] (O<sup>2</sup>), имат повече [[степени на свобода]] отколкото единичните сферични атоми: те се подлагат на ротационните и вибрационните движения, както и на преводи. Топлината води до увеличаване на температурата, а това се дължи на увеличение на средната транслационна енергия на молекулите. Така молекулният газ ще изисква повече енергия за да увеличи температурата си с определена стойност, т.е., ще има по-голям топлинен капацитет от моноатомен газ.
 
Процесът на охлаждане включва отделянето на топлинна енергия от системата. Когато няма повече енергия която да се отдели, системата е в абсолютната нула, което не може да бъде постигнато експериментално. Абсолютната нула е нулевата точка на термодинамичната температурна скала, също наричана абсолютна температура. Ако беше възможно да се охлади система до абсолютната нула движението на частиците съставляващи я ще застинат и те ще бъдат в пълен покой. Под микроскоп в описанието на квантовата механика обаче, материята все още има нулевата точка на енергия дори и при абсолютната нула, защото е на принципа на неопределеността.
Когато пробата се нагрява, което означава, че получава топлинна енергия от външен източник, част от получената топлина се преобразува в кинетична енергия, а останалата част – в други форми на [[вътрешна енергия]], специфични за материала. Превръщането в кинетична енергия кара тялото да повиши температурата си.
 
Ако топлинната мощност се измерва за определено количество вещество, специфичната топлина е мярка за количеството топлина, което се пренася, за да се повиши температурата на единица количество с една единица температура. Например, за да се повиши температурата на 1 килограм вода с един [[келвин]] (равен на един [[градус Целзий]]), се изискват 4186 джаула за килограм (J/kg).
 
== Температурни скали и мерни единици ==
[[Файл:MonthlyMeanT.gif|мини|350п|Динамика на месечните средни температури на [[земя]]та]]
Голяма част от света използва скалата на Целзий (°C) за повечето измервания на температурата. Тя има същото постепенно мащабиране като скалата на Келвин, използвана от учените, но определя своя нулевата точка при 0&nbsp; °C = 273,15  K около точката на замръзване на водата (при налягане една атмосфера налягане). В САЩ използватсе използва скалата на Фаренхайт за общи цели, мащаб, при която водата замръзва при 32&nbsp;°F и кипи при 212&nbsp;°F (при налягане една атмосфера налягане).
 
За практическите цели на научното измерване на температура, Международната система единици ([[SI]]) определя мащаба и единица за термодинамична температура с помощта на лесно възпроизведимавъзпроизводима температура на тройната точка на водата като втора отправна точка. Причината за този избор е, че за разлика от точката на замръзване и кипене, температурата на тройната точка на налягането е независима (тройната точка е фиксирана точка на двуизмерен парцел на налягане спрямо температурата). По исторически причини температура на тройната точка на водата се определя на 273,16 единици на измерваното увеличение, което е кръстено на Келвин в чест на шотландският физик, който пръв определил мащаба. Единица символ за [[келвин]] е К.<ref>[http://temperatures.ru/pages/ponyatie_temperatury Понятие за температура и температурни скали]</ref>.
 
Абсолютната нула се дефинира като температура от точно 0 келвина, което е равно на -273,15&nbsp;°C или -459,67&nbsp;°F.
=== Реомюр ===
През 1730 година френският учен [[Рене-Антоан Реомюр]] предлага температурна скала, наречена по-късно на негово име. Ска̀лата на термометъра се определя от точката на замръзване и от точката на кипене на водата и е разделена на 80 градуса: 0 °R – температура на замръзване на водата; 80 °R – температура на кипене на водата. Връзката между градусите по скалата на Реомюр и по скалата на Целзий се дава с формулата:
: <math>1 R°Ré = 1,25 °C</math>
 
Реомюр е изобретател на спиртния термометър.
Най-високата теоретично възможна температура е температурата на Планк. По-висока от тази температура не може да съществува, тъй като допълнително внесена енергия в система, нагрята до такава температура не повишава скоростта на частиците, а само генерира нови частици при сблъсъци, като броят на частиците в системата расте (всички субатомни частици се разпадат) а с това расте и масата на системата. Може да се предположи, че това е температурата на „кипене“ на физическия вакуум. Тази температура е приблизително равна на 1,41679(11){{e|32}} К.
 
Най-ниската температура, създадена от човека, е получена в [[1995]] г. от [[Ерик Корнел]] и [[Карл Уиман]] от Съединените щати по време на охлаждане на атомите на [[рубидий]].<ref>[http://tem-6.narod.ru/weather_record.html Всё про всё. Рекорды температуры]</ref><ref>[http://www.seti.ee/ff/34gin.swf Чудеса науки]</ref>. Тя е над абсолютната нула с по-малко от 1 / 170 000 000 000 K (5,9 {{e|-12}} K).
 
Рекордно ниска температура на повърхността на земята −89.,2  °С е регистрирана на съветската вътрешноконтинентална научна станция Восток, [[Антарктида]] (3488 метра над морското ниво) на 21 юли 1983 годинаг.<ref> Кравчук П. А. Рекорды природы. – Любешов: Эрудит, 1993. – 216 с.</ref>. Рекордно висока температура на повърхността на земята + 56,7 ˚C°С е регистрирана на 10 юли 1913 година в ранчо Гринланд в [[Долина на смъртта|Долината на смъртта]] ([[Калифорния]], [[САЩ]]).<ref>[http://wmo.asu.edu/ WMO Weather & Climate Extremes Map], Arizona State University</ref><ref>[http://science.compulenta.ru/708155/ Старый температурный рекорд оспорен]</ref>.
{{br}}
 
=== Сравнение на някои температури в различни температурни скали ===
Нормалната средна температура на човешкото тяло е 36,6&nbsp;°C ±0,7&nbsp;°C, или 98,2&nbsp;°F ±1,3&nbsp;°F. Точното преобразуване на 98,6&nbsp;°F е прието в [[Германия]] през 19 век да съответства на 37&nbsp;°C. Въпреки това това значение не влиза в диапазона на нормалната средна температура на човешкото тяло, тъй като температурата на различните части е различна.<ref>[http://hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml Temperature of a Healthy Human (Body Temperature)]</ref>.
 
Някои стойности в долната таблица са закръглени или приблизителни.
5511

редакции