1.3: Температура

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 1.2: Тиск і молярний об'єм
- 1.4: Нульовий закон термодинаміки

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Ще одна важлива змінна, яка описує стан системи це температура системи. Як і тиск, температурні шкали з часом переживали важливий процес розвитку. Три найважливіші температурні шкали в культурі США - це шкала Фаренгейта, Цельсія та Кельвіна.

Малюнок 1.3.1: (ліворуч) Даніель Фаренгейт (1686 — 1736 рр.). (CC BY 4.0) і (праворуч) Андерс Цельсія (1700 - 1780)

Даніель Фаренгейт хотів розробити температурну шкалу, яку було б зручно використовувати в його лабораторії. Він хотів, щоб вона була зручною величиною і хотів уникнути необхідності використовувати будь-які негативні значення для температури. Тому він визначає нуль своєї температурної шкали як найнижчу температуру, яку він міг створити у своїй лабораторії, яка була в насиченій розсолі/воді/крижаній суспензії. Потім він визначив 100° F як власну температуру тіла. В результаті, використовуючи його температурну шкалу, вода має нормальну температуру плавлення (температура при тиску 1,00 атм, при якому плавиться водяний лід) 32 °F Аналогічно, вода закипає (знову при тиску 1 атм) при температурі 212° F.

Андерс Цельсій також вважав, що шкала температури 100 градусів має сенс, і отримав назву «шкала за Цельсієм». Він визначив 0° C за своєю шкалою як нормальну температуру кипіння води, а 100° C як нормальну температуру замерзання. За сьогоднішніми мірками ця перевернута температурна шкала не має сенсу. Сучасна температурна шкала Цельсія визначає 0° C як нормальну температуру замерзання води і 100° C як нормальну температуру кипіння. Різниця становить 100° C, порівнюючи це зі шкалою Фаренгейта, можна легко побудувати просте рівняння для перетворення між двома шкалами.

$212\, °F = 100\, °C(m) + b$

$32 °F = 0 \,°C (m) + b$

Розв'язування цих рівнянь для $m$ і $b$ дає

$m= \dfrac{9 \, °F}{5\, °C}$

$b= 32\,°F$

І тому перетворення між двома шкалами досить просто.

$y\, °F = x\, \cancel{°C} \left( \dfrac{9 \, °F}{5\, \cancel{°C}} \right) + 32\,°F$

$x\,°C = (y \, \cancel{°F} - 32 \cancel{°F}) \left( \dfrac{5 \, °C}{9\,\cancel{ °F}} \right)$

Багато фізичних властивостей речовини говорять про те, що існує абсолютна мінімальна температура, яку можна досягти за допомогою будь-якого зразка. Ця мінімальна температура може бути показана декількома типами або експериментами, щоб бути -273,15° C. абсолютна температурна шкала - це шкала, яка призначає мінімальній температурі значення 0. Одна особливо корисна шкала названа на честь Вільяма Лорда Кельвіна (Кельвін, Лорд Вільям Томсон (1824-1907), 2007).

Малюнок 1.3.2. Вільям Лорд Кельвін (1824 - 1907)

Шкала Кельвіна фіксує нормальну температуру плавлення води на рівні 273,15 К і температуру кипіння 373,15 К. Таким чином, температури можна перетворити за допомогою наступного виразу:

$z\, K = x\, \cancel{°C} \left( \dfrac{1 \, K}{1\, \cancel{°C}} \right) + 273.15 \,K$