Температурні шкали

Температу́ра (від лат. temperatura — належне співвідношення, нормальний стан) — фізична величина, яка описує стан термодинамічної системи. Вона є найважливішим параметром стану із застосовуваних у термодинаміці і однією з семи фізичних величин, на яких базується Міжнародна система одиниць (SI).

Температура
Теплова вібрація сегмента альфа-спіраль білка. Амплітуда коливань збільшується із зростанням температури
Символи:	${\displaystyle T}$
Одиниці вимірювання
SI	кельвін (К)
Розмірність:	Θ
Інші величини:	°C, °F, °R, °Rø, °Ré, °N, °D, °W
Температура у Вікісховищі

Визначення температури

Температура, виміряна рідинним термометром

Температура за шкалою термометра на базі біметалевої пластини

Температура (середній рядок) на термометрі з цифровою шкалою

Температура на шкалі пірометра

Існує декілька визначень температури.

1. На побутовому рівні температура пов'язана із суб'єктивним сприйняттям «тепла» і «холоду». Наші відчуття дозволяють розрізняти якісні градації нагріву тіл: теплий, холодний, гарячий. Але придатна для науки кількісна міра ступеня нагріву не може бути виміряна за допомогою відчуттів. Простий експеримент підтверджує це. Якщо потримати одну руку у холодній воді, а другу — у гарячій, а потім обидві помістити у теплу воду, то рука, яка була у холодній воді буде відчувати тепло, а рука, що була у гарячій — холод. Крім того, за допомогою відчуттів ми можемо оцінювати ступінь нагріву чи охолодження у дуже вузькому діапазоні. Таким чином, необхідним є пов'язати кількісне вимірювання температури і побудову температурної шкали з об'єктивними фізичними явищами.

2. У класичній термодинаміці поняття емпіричної температури тісно пов'язане з рівновагою ізольованих систем, а саме — з тепловою рівновагою. Якщо дві ізольовані від навколишнього середовища рівноважні системи ${\displaystyle A}$; і ${\displaystyle B}$; ввести у тепловий контакт, який забезпечує особливий вид передачі енергії — прямий теплообмін між двома системами, то стан цих систем почне змінюватись до тих пір, поки між ними не настане стан рівноваги. Цей вид рівноваги, що не пов'язаний з масообміном, зміною тиску, концентрації або з хімічними перетвореннями, називається тепловою або термічною рівновагою. Теплова рівновага — це такий стан, який допускає можливість здійснення оборотного теплообміну між системами необмежено довго без зміни їх стану.

Вихідне визначення температури формулюється так:

Температура є єдиною функцією стану термодинамічної системи, яка вказує на напрям самовільного теплообміну між системами.

Звідси випливає, по-перше, що вищезгадані системи ${\displaystyle A}$; і ${\displaystyle B}$, які перебувають між собою у стані теплової рівноваги мають однакову температуру у будь-якій температурній шкалі, а, по друге, — дві системи, які не знаходяться одна з одною у тепловому контакті, але кожна з них нарізно знаходиться у тепловій рівновазі з третьою системою (вимірювальний прилад) мають однакову температуру. Останнє твердження має назву властивість транзитивності термодинамічної рівноваги. Деякі автори (Р. Фаулер і Е. Гуггенгейм) вважають цю властивість, яка почерпнута з загальнолюдського досвіду, нульовим законом термодинаміки.

Безпосереднє вимірювання температури є неможливим. У приладах для вимірювання температури (термометрах) використовують термометричне тіло, яке вводять у тепловий контакт з тілом, температуру якого потрібно виміряти. Фізична величина, яка знаходиться у функціональній залежності від температури і є її індикатором, має назву — термометрична величина. Наприклад, у рідинних термометрах термометричним тілом є рідина у резервуарі термометра, а термометричною величиною — об'єм рідини. У термометрах опору термометричним тілом є металеві дроти або напівпровідники, а термометричною величиною — їх електричні опори. Докладніше: Термометрія

Температура, що вимірюється термометрами називається емпіричною температурою. Строго кажучи, покази термометрів з різними термометричними тілами різняться між собою і збігаються лише в реперних точках. Наступним недоліком емпіричної температури є відсутність безперервної термометричної шкали, тому що жодне термометричне тіло неспроможне виконувати своє призначення у всьому діапазоні можливих температур.

Другий закон термодинаміки, а саме його частина — принцип існування абсолютної температури і ентропії (${\displaystyle \delta Q^{*}=TdS}$), усуває цей недолік і дозволяє встановити термодинамічну шкалу, незалежну від термометричного тіла. Температура, виміряна за цією шкалою, є абсолютною або термодинамічною температурою.

3. Поряд з термодинамічним, в інших розділах фізики можуть вводитись й інші визначення температури. На мікроскопічному рівні температура пов'язана із тепловим рухом атомів та молекул, із яких складаються фізичні тіла, а саме — з їх середньою кінетичною енергією. Тому у молекулярно-кінетичній теорії справедливим буде таке визначення:

Температу́ра — скалярна фізична величина, яка характеризує середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи, що припадає на один ступінь вільності.

За словами П. Л. Капиці:

	…мірилом температури є не сам рух, а хаотичність цього руху. Хаотичність стану тіла визначає його температурний стан, і ця ідея (яка вперше була розроблена Больцманом), що певний температурний стан тіла зовсім не визначається енергією руху, але є хаотичністю цього руху, і це те нове поняття в описі температурних явищ, яким ми повинні користуватися…
— Капица П. Л. Свойства жидкого гелия // Природа. — 1997. — № 12.

За ДСТУ 3518-97: Температура — фізична величина, що є мірою інтенсивності теплового руху атомів і молекул.

Температуру, що входить як параметр у розподіл Больцмана, часто називають температурою збудження, у розподіл Максвелла — кінетичною температурою, у формулу Саха — іонізаційною температурою, у закон Стефана — Больцмана — радіаційною температурою. Для системи, що перебуває у термодинамічній рівновазі, усі ці параметри рівні між собою, і їх називають просто температурою системи.

Температурні шкали

Для однозначного визначення температури різними методами й на основі зміни різних властивостей термометричних тіл, термометри необхідно градуювати. Для цього використовуються температурні шкали. В основі температурних шкал — особливі реперні точки, яким присвоюється певне значення температури. Історично склалися різні температурні шкали, що використовують різні реперні точки, які пов'язані з певними фізичними явищами, що відбуваються за певних температур.

В Міжнародній системі одиниць (SI) одиниця вимірювання термодинамічної температури належить до семи основних одиниць і виражається у кельвінах. До одиниць SI, які мають спеціальну назву, належить градус Цельсія для вимірювання температури за шкалою Цельсія. На практиці часто застосовують градуси Цельсія через історичну прив'язку до важливих характеристик води — температури танення льоду (0 °C) і температури кипіння (100 °C). Це зручно, оскільки більшість кліматичних процесів, процесів у живій природі, тощо пов'язані з цим діапазоном. Зміна температури на один градус Цельсія тотожна зміні температури на один Кельвін. Тому після введення в 1967 році нового визначення Кельвіна, температура кипіння води перестала грати роль незмінної реперної точки і, як показують точні вимірювання, вона вже не дорівнює 100 °C, а близька до 99,975 °C.

У Міжнародній системі одиниць (SI) для вимірювання температури застосовується шкала Кельвіна і символ ${\displaystyle K}$ (за цієї умови знак градусу ° відсутній). Широкий вжиток також мають системи Цельсія і Фаренгейта.

За шкалою Кельвіна

0 градусів відповідають абсолютному нулю, тобто повній відсутності руху молекул. Інша реперна точка — потрійна точка води. Її температура 273,16 К вибрана так, щоб один кельвін відповідав одному градусу за шкалою Цельсія. Температура за шкалою Кельвіна називається абсолютною температурою. Вона позначається великою латинською літерою T. Шкала Кельвіна використовується у фізиці. Її називають термодинамічною шкалою, оскільки вона найкраще визначена. Наприклад, потрійна точка води на відміну від температури замерзання, не залежить від тиску.

За шкалою Цельсія

0 °C відповідає температура замерзання води, 100 °C — температура кипіння води (під дією тиску в 1 атмосферу). Здебільшого температура за шкалою Цельсія позначається маленькою латинською літерою t.

За шкалою Фаренгейта

замерзання і кипіння води розділяють 180 °F. Один градус за Фаренгейтом дорівнює 5/9 кельвіна або градуса Цельсія. Вода замерзає за 32 °F, а кипить за 212 °F.

Існували також інші системи вимірювання температури, які тепер вийшли з ужитку, такі як

• шкала Ранкіна
• шкала Деліля
• шкала Ньютона
• шкала Реомюра
• шкала Ремера

Формули для визначення відповідності між основними шкалами:

За Цельсієм${\displaystyle \Longleftrightarrow }$за Кельвіном${\displaystyle \Longleftrightarrow }$ за Фаренгейтом:

${\displaystyle {\frac {T_{Celsius}-0}{100}}={\frac {T_{Kelvin}-273,15}{100}}={\frac {T_{Fahrenheit}-32}{180}}\,}$

За Цельсієм${\displaystyle \Longleftrightarrow }$за Реомюром${\displaystyle \Longleftrightarrow }$за Ранкіном:

${\displaystyle {\frac {T_{Celsius}-0}{100}}={\frac {T_{Reaumur}-0}{80}}={\frac {T_{Rankine}-32-459,67}{180}}\,}$

За Кельвіном${\displaystyle \Longleftrightarrow }$за Цельсієм:

${\displaystyle T_{Celsius}=T_{Kelvin}-273,15\,}$

${\displaystyle T_{Kelvin}=T_{Celsius}+273,15\,}$

За Кельвіном${\displaystyle \Longleftrightarrow }$за Фаренгейтом:

${\displaystyle T_{Fahrenheit}={\frac {9}{5}}\cdot T_{Kelvin}-459,67}$

${\displaystyle T_{Kelvin}={\frac {5}{9}}\cdot (T_{Fahrenheit}+459,67)}$

За Цельсієм${\displaystyle \Longleftrightarrow }$за Фаренгейтом:

${\displaystyle T_{Fahrenheit}=32+{\frac {9}{5}}\cdot T_{Celsius}}$

${\displaystyle T_{Celsius}={\frac {5}{9}}\cdot (T_{Fahrenheit}-32)}$

Зіставлення температурних шкал

Явище	за Кельвіном	за Цельсієм	за Фаренгейтом	за Ранкіном	за Делілем	за Ньютоном	за Реомюром	за Ромером
Абсолютний нуль	0	−273.15	−459.67	0	559.725	−90.14	−218.52	−135.90
Суміш льоду і солі (за Фаренгейтом)	255.37	−17.78	0	459.67	176.67	−5.87	−14.22	−1.83
Замерзання води (за нормальних умов)	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Середня температура людського тіла	310.0	36.85	98.2 ¹	557.9	94.5	12.21	29.6	26.925
Кипіння води (за нормальних умов)	373.15	100	212	671.67	0	33	80	60
Плавлення титану	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
Поверхня Сонця	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

¹ За шкалою Фаренгейта традиційно нормальною температурою людського тіла вважається 98,6 °F, а отже термометри враховують цю неточність.

² Деякі значення були заокруглені.

Історія

Слово «температура» виникло в часи, коли люди вважали, що в більш нагрітих тілах міститься більша кількість особливої речовини — теплецю, ніж в менш нагрітих. Тому температура сприймалась як міцність суміші тіла і теплецю. Внаслідок цього одиниці вимірювання міцності спиртних напоїв та температури називаються однаково — градусами.

Цікаві факти

• Найвища температура, досягнута за участі людини, ~ 10 трлн К (що є порівнянним з температурою Всесвіту у перші секунди його існування) була досягнута у 2010 році під час зіткнення іонів свинцю, прискорених до світлових швидкостей. Експеримент було проведено на Великому адронному колайдері.
• Найвища теоретично можлива температура — планківська температура. Вища температура за сучасними фізичними уявленнями не може існувати, оскільки надання додаткової енергії системі, нагрітої до такої температури, не збільшує швидкості частинок, а лише породжує у зіткненнях нові частки, за цієї обставини кількість частинок у системі зростає й зростає маса системи. Вище за планківську температуру гравітаційні сили між частинками стають порівняними із силами решти фундаментальних взаємодій. Можна вважати, що це температура «кипіння» (фізичного вакууму). Вона приблизно дорівнює 1.41679(11)× 10³² K (~ 142 нонільйони K).
• Поверхня Сонця має температуру близько 6000 K, а сонячне ядро — близько 15 000 000 K.
• Найнижча температура, яка досягнута людиною, була отримана у 1995 році Еріком Корнеллом та Карлом Віманом із США під час охолодження атомів рубідію. Вона перевищувала абсолютний нуль менше ніж на 1/170 мільярдну частку кельвіна (5,9× 10⁻¹² K).
• Рекордно низьку температуру на поверхні Землі −89.2 °С було зареєстровано на радянській внутрішньоконтинентальній науковій станції «Восток», Антарктида (висота розташування 3488 м над рівнем моря) 21 червня 1983 року.
• 9 грудня 2013 року на конференції Американського геофізичного союзу група американських дослідників повідомила про те, що 10 серпня 2010 року температура повітря в одній з точок Антарктиди опускалась до −135,8 °F (-93,2 °С). Цю інформацію було отримано за результатами аналізу супутникових даних НАСА. На думку автора повідомлення Т. Скамбоса (англ. Ted Scambos) отримане значення не підлягає реєстрації як рекордне, оскільки визначене у результаті супутникових вимірювань, а не за допомогою термометра.
• Рекордно високу температуру повітря поблизу земної поверхні +56,7 ˚C було зареєстровано 10 липня 1913 року на ранчо Грінленд у долині Смерті (штат Каліфорнія, США). За іншими даними рекорд максимальної температури повітря на Землі в тіні досягнув позначки +72 °С в Іранській пустелі Деште-Лут в 2005 році..
• Насіння наземних рослин зберігають здатність проростати навіть після охолодження до −269 °C (наприклад мохи, папоротеподібні).

Див. також

Суміжні поняття у фізиці

• Термодинамічна температура
• Абсолютна від'ємна температура
• Ефективна температура
• Колірна температура
• Спектрофотометрична температура
• Температуропровідність

Температури фазових переходів тощо

• Критична температура
• Температура кипіння
• Температура плавлення
• Температура склування
• Температура розм'якшення

Стосовно магнітних явищ

• Температура Моріна
• Температура Кюрі
• Температура Нееля

У фізиці твердого тіла

• Температура Дебая

У біології

• Температура тіла
• Базальна температура
• Активна температура

У астрономії

• Температура зорі

У хімії

• Температура самозаймання
• Температура займання
• Температура спалаху
• Температура вибуху
• Температура тління

У геології

• Аномальна пластова температура

Інше

• Кріотехніка

Примітки

1. Температура // Українська радянська енциклопедія : у 12 т. / гол. ред. М. П. Бажан ; редкол.: О. К. Антонов та ін. — 2-ге вид. — К. : Головна редакція УРЕ, 1974–1985.
2. Н. И. Белоконь, Основные принципы термодинамики, 1968, с. 10.
3. В. А. Кириллин, Техническая термодинамика, 1983, с. 5.
4. Базаров, Термодинамика, 1991, с. 18.
5. Фаулер Р., Гуггенгейм Э. Статистическая термодинамика. Перевод с английского И. И. Рогачева, Т. С. Рубинштейн / Под редакцией В. Г. Левича. — М.: Издательство иностранной литературы, 1949. — 614 с.
6. ДСТУ 3518-97 Термометрія. Терміни та визначення.
7. Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М. : Большая российская энциклопедия, 1998. — С. 741.
8. . Архів оригіналу за 28 жовтня 2011. Процитовано 9 листопада 2011.
9. поняття температури
10. BBC News — Large Hadron Collider (LHC) generates a 'mini-Big Bang'
11. Всё про всё. Рекорды температуры
12. . Архів оригіналу за 1 грудня 2012. Процитовано 30 червня 2016.
13. . National Geographic Росиия. Архів оригіналу за 13 грудня 2013. Процитовано 9 грудня 2013.
14. (англ.). Arizona State University. Архів оригіналу за 16 червня 2010. Процитовано 9 грудня 2013.
15. NASA-USGS Landsat 8 Satellite Pinpoints Coldest Spots on Earth (англ.). NASA.
16. Antarctica sets low temperature record of -135.8 degrees (англ.). FoxNews.
17. . Компьюлента. Архів оригіналу за 3 грудня 2013. Процитовано 30 листопада 2013.
18. (англ.). World Meteorological Organizayion. Архів оригіналу за 6 квітня 2016. Процитовано 30 листопада 2013.

Джерела

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1 // Теоретическая физика. — М. : Физматлит, 2005. — Т. 5. — 616 с. — .
• , Техническая термодинамика. — М. : Энергия, 1968. — 497 с.
• Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механик / Отв. ред. Д. Н. Зубарев. — М. : Наука, 1982. — 584 с. — (Классики науки)
• Об основаниях термодинамики. — М. : Энергоатомиздат, 1986. — 384 с.
• Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. — М. : Мир, 1974. — 304 с.
• Залевски К. Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова. — М. : Мир, 1973. — 168 с.
• Зоммерфельд А. Термодинамика и статистическая физика / Пер. с нем. — М. : Изд-во иностр. лит-ры, 1955. — 480 с.
• Клаузиус Р. Механическая теория тепла // Второе начало термодинамики. — М.—Л.: Гостехиздат, 1934, с. 70—158.
• Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М. : Большая Российская энциклопедия, 1998. — 741 с..
• Белоконь Н. И. Термодинамика. — М. : Госэнергоиздат, 1954.
• Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — М. : Недра, 1968.
• Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — М. : ФИЗМАТЛИТ, 2005. — .
• Термодинамика. — М. : Высшая школа, 1991. — .

Посилання

• Температура; Температурні шкали // Універсальний словник-енциклопедія. — 4-те вид. — К. : Тека, 2006.