Что принимается за абсолютный нуль температур температура таяния льда при нормальном давлении

Учебники

Журнал «Квант»

Общие

Абсолютная температурная шкала. Абсолютный нуль

Выбор в качестве основных точек температурной шкалы точек таяния льда и кипения воды совершенно произволен. Полученная таким образом температурная шкала оказалась неудобной для теоретических исследований.

Опираясь на законы термодинамики, Кельвину удалось построить так называемую абсолютную температурную шкалу (ее в настоящее время называют термодинамической шкалой температур или шкалой Кельвина), совершенно не зависящую ни от природы термометрического тела, ни от избранного термометрического параметра. Однако принцип построения такой шкалы выходит за пределы школьной программы. Мы рассмотрим этот вопрос, используя другие соображения.

Из формулы (2) вытекают два возможных способа установления температурной шкалы: использование изменения давления определенного количества газа при постоянном объеме или изменение объема при постоянном давлении. Такую шкалу называют идеальной газовой шкалой температуры.

Температура, определяемая равенством (2), называется абсолютной температурой. Абсолютная температура Τ не может быть отрицательной, так как слева в равенстве (2) стоят заведомо положительные величины (точнее, она не может быть разных знаков, она может быть либо положительной, либо отрицательной. Это зависит от выбора знака постоянной k. Так как условились температуру тройной точки считать положительной, то абсолютная температура может быть только положительной). Следовательно, наименьшее возможное значение температуры Т = 0 есть температура, когда давление или объем равны нулю.

Предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или объем идеального газа стремится к нулю (т.е. газ как бы должен сжаться в «точку») при неизменном давлении, называется абсолютным нулем. Это самая низкая температура в природе.

Из равенства (3), учитывая, что \(

\mathcal h W_K \mathcal i = \frac<2>\) , вытекает физический смысл абсолютного нуля: абсолютный нуль — температура, при которой должно прекратиться тепловое поступательное движение молекул. Абсолютный нуль недостижим.

В Международной системе единиц (СИ) используют абсолютную термодинамическую шкалу температур. За нулевую температуру по этой шкале принят абсолютный нуль. В качестве второй опорной точки принята температура, при которой находятся в динамическом равновесии вода, лед и насыщенный пар, так называемая тройная точка (по шкале Цельсия температура тройной точки равна 0,01 °С). Каждая единица абсолютной температуры, называемая Кельвином (обозначается 1 К), равна градусу Цельсия.

Погружая колбу газового термометра в тающий лед, а затем в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, обнаружили, что давление газа во втором случае в 1,3661 раза больше, чем в первом. Учитывая это и пользуясь формулой (2), можно определить, что температура таяния льда T₀ = 273,15 К.

Действительно, запишем уравнение (2) для температуры T₀ таяния льда и температуры кипения воды (T₀ + 100):

Разделим второе уравнение на первое, получим:

На рисунке 2 схематически показаны шкала Цельсия и термодинамическая шкала.

Источник

О различных температурных шкалах

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)

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

Пересчёт температуры между основными шкалами

Источник

uCrazy.ru

Навигация

ЛУЧШЕЕ ЗА НЕДЕЛЮ

ОПРОС

СЕЙЧАС НА САЙТЕ

КАЛЕНДАРЬ

Сегодня день рождения

Рекомендуем

Почему абсолютный ноль это -273,15°С?

Физические явления, ежесекундно происходящие в каждой точке Вселенной, бывают как просты, так и сложны одновременно. Ежедневно ученые бьются над разгадкой их тайн, желая подчинить себе законы природы. Одна из таких тайн – это явление под названием «Абсолютный нуль».

В чем заключается его суть? Можно ли достичь абсолютного нуля? И почему он соответствует значению -273,15°С?

Что такое температура?

Прежде чем затронуть более глубокий вопрос, стоит разобраться в таком простом понятии, как температура. Что это такое? Под температурой тела подразумевают степень его нагретости.

Согласно термодинамике, данная степень находится в тесной взаимосвязи со скоростью движения молекул тела. В зависимости от его состояния, молекулы либо хаотически движутся (газообразное, жидкое), либо упорядочены и заключены в решетки, но при этом колеблются (твердое). Хаотичное движение молекул еще называют броуновским движением.

Таким образом, нагрев тела лишь увеличивает его энтропию, то есть хаотичность и интенсивность движения частиц. Если твердому телу передать тепловую энергию, его молекулы из более упорядоченного состояния начнут переходить в состояние хаотичное. Материя станет плавиться и превратится в жидкость.

Молекулы данной жидкости будут разгоняться все быстрее, и после точки кипения состояние тела начнет переходить в газообразное. А что если провести обратный опыт? Молекулы охлаждаемого газа станут замедляться, в результате чего он начнет процесс конденсации.

Газ превратиться в жидкость, которая затем затвердеет и перейдет в состояние твердого тела. Его молекулы упорядочены, и каждая находится в узле кристаллической решетки, но при этом все же колеблется. Охлаждение твердого тела приведет к тому, что это колебание будет становиться все менее заметным.

А можно ли охладить тело настолько, чтобы молекулы и вовсе замерли на месте? Этот вопрос будет рассмотрен позже. А пока стоит остановиться еще раз на том, что такое понятие, как температура, независимо от способа ее измерения (шкала Цельсия, Фаренгейта или Кельвина) – это все лишь удобная физическая величина, помогающая передать информацию о кинетической энергии молекул того или иного тела.

Существует несколько систем измерения температуры – это градусы по Цельсию и Фаренгейту, и Кельвины. Упоминая абсолютный нуль, физики имеют в виду именно последнюю шкалу, которая, по сути, является абсолютной. Потому что начальной точкой шкалы Кельвина является абсолютный нуль.

При этом в ней отсутствуют отрицательные значения. В физике при измерении температур используются Кельвины. По Фаренгейту это значение соответствует -459,67°F.

В системе привычного всем Цельсия абсолютный нуль равен -273,15°С. Все потому, что разработавший ее шведский астроном Андрес Цельсий решил упростить систему, сделав ее основными точками температуру таяния льда (0°С) и температуру закипания воды (100°С). Согласно Кельвину температура замерзания воды это 273,16 К.

То есть разница между системой Кельвина и Цельсия составляет 273,15°. Именно из-за данной разницы абсолютный ноль соответствует такой отметке на шкале Цельсия. Но откуда же взялся этот ноль?

Что же такое абсолютный нуль?

В изложенном выше примере с охлаждением твердого тела было показано, что чем ниже его температура, тем более упорядочено ведут себя молекулы. Их колебания замедляются, а при температуре -273,15°С они совершенно «замерзают». Можно сказать, что при абсолютном нуле молекулы абсолютно замедляются и прекращают движение.

Правда, согласно принципу неопределенности, мельчайшие частицы все равно будут осуществлять минимальное движение. Но это уже понятия квантовой физики. Поэтому абсолютный ноль не подразумевает совершенный покой, однако он подразумевает полный порядок среди частиц твердого тела.

Исходя из данного контекста, абсолютный нуль – этот та минимальная граница температуры, которую способно иметь физическое тело. Ниже уже некуда. Более того, еще никто и никогда не добивался температуры тела, равной абсолютному нулю. Согласно законам термодинамики достижение абсолютного нуля является невозможным.

Источник

Температура. Абсолютный холод и Гелий. Просто о сложном.

Что это за температура -273,15 °C. , и почему ниже быть не может. Что такое температура, а также необычные свойства веществ при критических состояниях.

Что же такое температура? Температура- это движение, движение частиц. Ведь тепло это тоже движение, вспомните даже себя, когда вам холодно. Непроизвольное подёргивание мышц — ни что иное, как попытка организма согреть себя.
Фаренгейт . Немецкий физик, в честь которого и названа шкала на градуснике. Фаренгейт взял смесь воды со льдом, добавил туда хлорида аммония (по сути соль) и принял получившуюся температуру за «ноль» на своей шкале. Число 100 означало температуру человеческого тела в здоровом состоянии. В итоге получилось следующее. Температура человеческого тела в здоровом состоянии +97,9 °F (позже были внесены поправки), кипение воды происходит при +212 °F, лед тает при +32 °F. Что двигало этим человеком, когда он создавал свою шкалу, непонятно. Очень «удобная» система измерений. Всего пять стран до сих пор пользуются этой шкалой в качестве основной: Багамы, Белиз, Острова Кайман, Палау, США. Имперские системы измерений вообще не отличаются своей простой. Ну да ладно, их проблемы.
Цельсий . Шведский ученый сделал все гораздо проще, и спасибо ему за это. Отправная точка, или «ноль» была принята за температуры таяния льда, а температура кипения воды указывала на цифру 100 на шкале, что несомненно гораздо удобнее и именно благодаря этому весь мир (почти) использует шкалу Цельсия как основную.

Шкалы Цельсия и Фаренгейта пересекаются в точке -40 градусов, где указывают на одинаковую температуру.

Температура. Изначально ученые придерживались мнения, что температура — это некая субстанция, находящаяся в организмах и предметах. И чем больше этой субстанции, тем выше температура и наоборот. Имя этой субстанции было теплород . Поэтому, температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода . По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами. Сейчас-то мы конечно знаем, что никакого теплорода не существует, а температура представляет собой — колебания частиц. И чем выше колебания, тем выше температура.

Нагревая, например, длинный железный прут, он будет повышать свою температуру постепенно. Начиная с места нагрева, атомы в решетке железа будут производить колебания, постепенно подталкивая (раскачивая) соседние атомы, а те соседние от них и так далее, пока, нагрев не затронет атомы на другом конце прута. При чем место нагрева будет всегда горячее краев, так как часть тепла будет рассеиваться в окружающую среду.

Каждый человек, как известно выделяет тепло. Суммарное тепло вашего тела примерно равно теплу лампочки накаливания в 40-60 Ватт. Взглянув, следующий раз, на толпу людей, представьте сколько тепла пропадает зря).

В итоге получается так: чем выше колебания, тем выше температура. Отсюда можно сделать обратный вывод, чем ниже колебания, тем ниже и сама температура. Проведя некоторые расчеты, можем вычислить минимальную температуру. Никакое тело или объект не будет излучать тепло ни в каком диапазоне волн, т.е. вся структура любого объекта будет полностью неподвижна создав температуру равную -273,15 °C (абсолютный ноль). Почему создав? Именно объекты создают температуру. И именно тепло переходит от более горячего объекта к более холодному и никогда наоборот. Другими словами, двигается не холод, а тепло (очень утрировано конечно). Т.е. впустив холодный воздух Зимой в квартиру, вы одновременно выпускаете тепло на улицу. А вся воздушная масса в вашей квартире выравнивается по температуре, отдавая свою энергию от более теплых молекул к более холодным, понижая общие колебания. На практике правда еще не удавалось получить температуру равную абсолютному нулю, это всего лишь высчитанное значение. Но мы приблизились почти до самых пределов недобрав каких-то там сотых частей до минимума.

Сверхтекучесть . Как известно существует всего три состояния вещества (агрегатных состояния): газ, жидкость и твердое тело. Все эти три состояния достаточны для обывателей (для нас с вами). По факту же их больше. Плазма — четвертое агрегатное состояние. В нее переходят газы при повышении температуры и фиксированном давлении. Солнце, например, представляет из себя плазму. Аморфные тела , или аморфное состояние — Это тела, которые сохраняют структуру жидкости и обладающие небольшой текучестью и способностью сохранять форму. Примером стабильного аморфного тела служит стекло, естественные и искусственные смолы, клеи, парафин, воск и др.
Низкотемпературные состояния. Всего их несколько, но нам интересно только одно: Сверхтекучесть. При приближении к температуре близкой к абсолютному нулю, вещества начинают вести себя не так как обычно, проявляя новые свойства. У некоторых металлов появляется сверхпроводимость, у гелия появляется сверхтекучесть. Гелий становится не просто жидкостью, он становится квантовой жидкостью.

Гелий очень необычное вещество. Помимо жидкого гелия, можно получить так же его твердое состояние. Твёрдый гелий — состояние гелия при температуре, близкой к абсолютному нулю и давлении, значительно превышающем атмосферное. Гелий — единственный элемент, который не затвердевает, оставаясь в жидком состоянии, при атмосферном давлении и сколь угодно малой температуре. Переход в твёрдое состояние возможен только при давлении более 25 атм.

Надеюсь было полезно и интересно.

Понравился материал? поставьте лайк- вам нетрудно, а мне приятно, так я буду понимать, что материал интересен и делать больше подобных выпусков.
Слева кнопки- можно поделится в соцсетях.
Больше интересного в других статьях.
Подписка — плюсик в вашу карму.

Источник

Вам также может понравиться

Грибы на зиму, рецепты приготовления через мясорубку

Любители оригинальных закусок то и дело ищут новые

Согревающие средства зимой

Согревающие средства необходимо использовать в холодные дни!

30 дел, которые нужно успеть сделать этой зимой

Зима – это совсем не повод для уныния, и нужно провести

Как подготовить пластиковые окна к зиме

У вас в доме или квартире пластиковые окна, и вы хотите

4 момента которые важно учитывать при вождении зимой

С приходом зимы наступают сильные морозы.

Какие щетки стеклоочистителя лучше зимой

При всей внешней примитивности, щётки стеклоочистителей

12 лайфхаков, которые помогут пережить зимние холода

Морозы, ледяной ветер, оттепели, гололед существенно

Яхтсмен гоняющий по льду 7 букв

Что делать яхтсмену зимой? Кататься на кайте по льду!