Pojem „teplota“ sa objavil v čase, keď si fyzici mysleli, že teplé telesá pozostávajú viac zo špecifickej látky - kalorickej - ako z rovnakých telies, ale z chladných. A teplota bola interpretovaná ako hodnota zodpovedajúca množstvu kalórií v tele. Odvtedy sa teplota akéhokoľvek tela meria v stupňoch. Ale v skutočnosti je to miera kinetickej energie pohybujúcich sa molekúl a na základe toho by sa mala merať v jouloch v súlade so systémom jednotiek C.
Pojem „teplota absolútnej nuly“ pochádza z druhého zákona termodynamiky. Podľa nej je proces prenosu tepla zo studeného telesa do horúceho nemožný. Tento pojem zaviedol anglický fyzik W. Thomson. Za svoje úspechy vo fyzike mu bol udelený šľachtický titul „Pán“ a titul „barón Kelvin“. V roku 1848 W. Thomson (Kelvin) navrhol použiť teplotnú stupnicu, v ktorej za východiskový bod vzal absolútnu nulovú teplotu zodpovedajúcu extrémnemu chladu a ako hodnotu delenia vzal stupne Celzia. Jednotkou Kelvina je 1/27316 teploty trojného bodu vody (asi 0 stupňov C), t.j. teplota, pri ktorej čistá voda okamžite existuje v troch formách: ľad, tekutá voda a para. teplota je najnižšia možná nízka teplota, pri ktorej sa pohyb molekúl zastaví a z látky už nie je možné extrahovať tepelnú energiu. Odvtedy je po ňom pomenovaná absolútna teplotná stupnica.
Teplota sa meria na rôznych mierkach
Najčastejšie používaná teplotná stupnica sa nazýva Celziova stupnica. Je postavená na dvoch bodoch: na teplote fázového prechodu vody z kvapaliny na paru a vody na ľad. A. Celsius v roku 1742 navrhol rozdeliť vzdialenosť medzi referenčnými bodmi na 100 intervalov a brať vodu ako nulu s bodom mrazu 100 stupňov. Ale Švéd K. Linné navrhol urobiť opak. Odvtedy voda zamrzla na nula stupňov A. Celzia. Aj keď by mala vrieť presne pri stupňoch Celzia. Absolútna nula Celzia zodpovedá mínus 273,16 stupňom Celzia.
Existuje niekoľko ďalších teplotných stupníc: Fahrenheit, Reaumur, Rankin, Newton, Roemer. Majú rozdielne ceny divízií. Napríklad Reaumurova stupnica je tiež postavená na referenčných bodoch varu a mrazenia vody, ale má 80 dielikov. Stupnica Fahrenheita, ktorá sa objavila v roku 1724, sa v každodennom živote používa iba v niektorých krajinách sveta vrátane USA; jednou je teplota zmesi vodného ľadu a amoniaku a druhou je teplota ľudského tela. Stupnica je rozdelená na sto dielikov. Nula Celzia zodpovedá 32 Prevod stupňov na Fahrenheita je možné vykonať pomocou vzorca: F = 1,8 C + 32. Opačný prevod: C = (F - 32)/1,8, kde: F - stupne Fahrenheita, C - stupne Celzia. Ak ste príliš leniví počítať, prejdite na online službu na prevod stupňov Celzia na stupne Fahrenheita. Do poľa zadajte počet stupňov Celzia, kliknite na „Vypočítať“, vyberte „Fahrenheit“ a kliknite na „Štart“. Výsledok sa dostaví okamžite.
Pomenovaný na počesť anglického (presnejšie škótskeho) fyzika Williama J. Rankina, ktorý bol Kelvinovým súčasníkom a jedným z tvorcov technickej termodynamiky. V jeho stupnici sú tri dôležité body: začiatok je absolútna nula, bod tuhnutia vody je 491,67 stupňov Rankine a bod varu vody je 671,67 stupňov. Počet dielikov medzi zamrznutím vody a jej varom pre Rankine aj Fahrenheita je 180.
Väčšinu týchto mierok používajú výlučne fyzici. A 40 % opýtaných amerických stredoškolákov dnes uviedlo, že nevedia, čo je teplota absolútnej nuly.
Príbeh
Slovo „teplota“ vzniklo v tých časoch, keď ľudia verili, že viac zahrievané telá obsahujú väčšie množstvo špeciálnej látky – kalorickej – ako menej zahrievané. Preto bola teplota vnímaná ako sila zmesi telesnej hmoty a kalórií. Z tohto dôvodu sa jednotky merania sily alkoholických nápojov a teploty nazývajú rovnaké - stupne.
Keďže teplota je kinetická energia molekúl, je zrejmé, že najprirodzenejšie je ju merať v energetických jednotkách (t. j. v sústave SI v jouloch). Meranie teploty však začalo dávno pred vytvorením molekulárnej kinetickej teórie, takže praktické váhy merajú teplotu v konvenčných jednotkách – stupňoch.
Kelvinova stupnica
Termodynamika používa Kelvinovu stupnicu, v ktorej sa teplota meria od absolútnej nuly (stav zodpovedajúci minimálnej teoreticky možnej vnútornej energii telesa) a jeden kelvin sa rovná 1/273,16 vzdialenosti od absolútnej nuly po trojitý bod telesa. voda (stav, v ktorom sú dvojice ľad, voda a voda v rovnováhe). Boltzmannova konštanta sa používa na premenu kelvinov na energetické jednotky. Používajú sa aj odvodené jednotky: kilokelvin, megakelvin, milikelvin atď.
Celzia
V každodennom živote sa používa stupnica Celzia, v ktorej 0 je bod mrazu vody a 100 ° je bod varu vody pri atmosférickom tlaku. Keďže body tuhnutia a varu vody nie sú dobre definované, stupnica Celzia je v súčasnosti definovaná pomocou stupnice Kelvin: stupeň Celzia sa rovná kelvinu, za absolútnu nulu sa považuje -273,15 °C. Celziova stupnica je prakticky veľmi pohodlná, pretože voda je na našej planéte veľmi bežná a náš život je na nej založený. Nula Celzia je pre meteorológiu špeciálny bod, keďže zamrznutie atmosférickej vody všetko výrazne mení.
Fahrenheita
V Anglicku a najmä v USA sa používa stupnica Fahrenheita. Táto stupnica rozdeľuje interval od teploty najchladnejšej zimy v meste, kde Fahrenheit žil, až po teplotu ľudského tela na 100 stupňov. Nula stupňov Celzia je 32 stupňov Fahrenheita a stupeň Fahrenheita sa rovná 5/9 stupňom Celzia.
Súčasná definícia stupnice Fahrenheit je nasledovná: je to teplotná stupnica, v ktorej sa 1 stupeň (1 °F) rovná 1/180 rozdielu medzi bodom varu vody a teplotou topenia ľadu pri atmosférickom tlaku a teplota topenia ľadu je +32 °F. Teplota Fahrenheita súvisí s teplotou Celzia (t °C) v pomere t °C = 5/9 (t °F - 32), to znamená, že zmena teploty o 1 °F zodpovedá zmene o 5/9 ° C. Navrhol G. Fahrenheit v roku 1724.
Reaumurova stupnica
Navrhol ho v roku 1730 R. A. Reaumur, ktorý opísal liehový teplomer, ktorý vynašiel.
Jednotkou je stupeň Reaumur (°R), 1°R sa rovná 1/80 teplotného intervalu medzi referenčnými bodmi - teplota topenia ľadu (0°R) a bod varu vody (80°R)
1 °R = 1,25 °C.
V súčasnosti sa stupnica prestala používať; najdlhšie prežila vo Francúzsku, v domovine autora.
|
Prevod teploty medzi hlavnými stupnicami |
|||
|
Kelvin |
Celzia |
Fahrenheita |
|
|
Kelvin (K) |
C+ 273,15 |
= (F + 459,67) / 1,8 |
|
|
Celzia (°C) |
K − 273,15 |
= (F − 32) / 1,8 |
|
|
Fahrenheit (°F) |
K 1,8 - 459,67 |
C 1,8 + 32 |
|
Porovnanie teplotných stupníc
|
Popis |
Kelvin | Celzia |
Fahrenheita |
Newton | Reaumur |
|
Absolútna nula |
−273.15 |
−459.67 |
−90.14 |
−218.52 |
|
|
Teplota topenia zmesi Fahrenheita (soľ a ľad v rovnakých množstvách) |
255.37 |
−17.78 |
−5.87 |
−14.22 |
|
| Bod tuhnutia vody (normálne podmienky) |
273.15 |
||||
|
Priemerná teplota ľudského tela ¹ |
310.0 |
36.8 |
98.2 |
12.21 |
29.6 |
|
Bod varu vody (normálne podmienky) |
373.15 |
||||
| Povrchová teplota Slnka |
5800 |
5526 |
9980 |
1823 |
4421 |
¹ Normálna teplota ľudského tela je 36,6 °C ±0,7 °C alebo 98,2 °F ±1,3 °F. Bežne uvádzaná hodnota 98,6 °F je presným prepočtom na nemeckú hodnotu Fahrenheita z 19. storočia 37 °C. Keďže táto hodnota nie je podľa moderných koncepcií v rozmedzí normálnej teploty, môžeme povedať, že obsahuje nadmernú (nesprávnu) presnosť. Niektoré hodnoty v tejto tabuľke boli zaokrúhlené.
Porovnanie stupnice Fahrenheita a Celzia
(o F- stupnica Fahrenheita, oC- stupnica Celzia)
|
oF |
oC |
oF |
oC |
oF |
oC |
oF |
oC |
|||
|
459.67 |
273.15 |
60 |
51.1 |
4 |
20.0 |
20 |
6.7 |
Ak chcete previesť stupne Celzia na Kelvin, musíte použiť vzorec T=t+To kde T je teplota v kelvinoch, t je teplota v stupňoch Celzia, T 0 =273,15 kelvinov. Veľkosť stupňa Celzia sa rovná Kelvinom.
Každé fyzické telo, vrátane všetkých objektov vo vesmíre, má minimálnu teplotu alebo svoj limit. Za východiskový bod akejkoľvek teplotnej stupnice sa považuje hodnota absolútnej nulovej teploty. Ale to je len teoreticky. Chaotický pohyb atómov a molekúl, ktoré sa v tomto čase vzdávajú svojej energie, sa v praxi zatiaľ nepodarilo zastaviť.
To je hlavný dôvod, prečo nemožno dosiahnuť teploty absolútnej nuly. O dôsledkoch tohto procesu sa stále vedú diskusie. Z hľadiska termodynamiky je táto hranica nedosiahnuteľná, keďže tepelný pohyb atómov a molekúl sa úplne zastaví a vytvorí sa kryštálová mriežka.
Predstavitelia kvantovej fyziky si predstavujú prítomnosť minimálnych nulových oscilácií pri teplotách absolútnej nuly.
Aká je hodnota absolútnej nulovej teploty a prečo ju nemožno dosiahnuť
Na Generálnej konferencii pre váhy a miery bol prvýkrát stanovený referenčný alebo referenčný bod pre meracie prístroje, ktoré určujú teplotné ukazovatele.
V súčasnosti je v Medzinárodnej sústave jednotiek referenčným bodom pre stupnicu Celzia 0°C pre mrazenie a 100°C pre varenie, hodnota teplôt absolútnej nuly sa rovná −273,15°C.
Pri použití hodnôt teploty na stupnici Kelvin podľa rovnakého medzinárodného systému jednotiek dôjde k varu vody pri referenčnej hodnote 99,975 ° C, absolútna nula sa rovná 0. Na stupnici Fahrenheita indikátor zodpovedá -459,67 stupňom .
Ak sa však tieto údaje získajú, prečo potom nie je možné v praxi dosiahnuť teploty absolútnej nuly? Na porovnanie si môžeme vziať dobre známu rýchlosť svetla, ktorá sa rovná konštantnej fyzikálnej hodnote 1 079 252 848,8 km/h.
Túto hodnotu však nie je možné v praxi dosiahnuť. Závisí to od vlnovej dĺžky prenosu, podmienok a požadovanej absorpcie veľkého množstva energie časticami. Na získanie hodnoty teplôt absolútnej nuly je potrebný veľký výdaj energie a absencia jej zdrojov, aby sa zabránilo jej vstupu do atómov a molekúl.
Ale ani v podmienkach úplného vákua vedci nedokázali získať rýchlosť svetla ani teploty absolútnej nuly.
Prečo je možné dosiahnuť približne nulové teploty, ale nie absolútnu nulu?
Čo sa stane, keď sa veda dokáže priblížiť k dosiahnutiu extrémne nízkej teploty absolútnej nuly, zostáva len v teórii termodynamiky a kvantovej fyziky. Čo je dôvodom, prečo sa v praxi nedajú dosiahnuť teploty absolútnej nuly.
Všetky známe pokusy ochladiť látku na najnižšiu hranicu kvôli maximálnej strate energie viedli k tomu, že aj tepelná kapacita látky dosiahla minimálnu hodnotu. Molekuly už jednoducho neboli schopné vydať zostávajúcu energiu. V dôsledku toho sa proces chladenia zastavil bez dosiahnutia absolútnej nuly.
Pri štúdiu správania kovov v podmienkach blízkych absolútnej nule vedci zistili, že maximálny pokles teploty by mal vyvolať stratu odolnosti.
Ale zastavenie pohybu atómov a molekúl viedlo len k vytvoreniu kryštálovej mriežky, cez ktorú prechádzajúce elektróny odovzdávali časť svojej energie stacionárnym atómom. Opäť nebolo možné dosiahnuť absolútnu nulu.
V roku 2003 k absolútnej nule chýbala teplota len o pol miliardtiny 1 °C. Výskumníci NASA použili na uskutočnenie experimentov molekulu Na, ktorá bola vždy v magnetickom poli a vzdala sa svojej energie.
Najbližší úspech dosiahli vedci z Yale University, ktorí v roku 2014 dosiahli hodnotu 0,0025 Kelvina. Výsledná zlúčenina, monofluorid strontnatý (SrF), trval iba 2,5 sekundy. A nakoniec sa to aj tak rozpadlo na atómy.
Čo je absolútna nula (zvyčajne nula)? Existuje táto teplota skutočne niekde vo vesmíre? Dokážeme v reálnom živote niečo schladiť na absolútnu nulu? Ak sa pýtate, či je možné poraziť vlnu chladu, poďme preskúmať najvzdialenejšie oblasti chladných teplôt...
Čo je absolútna nula (zvyčajne nula)? Existuje táto teplota skutočne niekde vo vesmíre? Dokážeme v reálnom živote niečo schladiť na absolútnu nulu? Ak sa pýtate, či je možné poraziť vlnu chladu, poďme preskúmať najvzdialenejšie oblasti chladných teplôt...
Aj keď nie ste fyzik, pravdepodobne poznáte pojem teplota. Teplota je mierou množstva vnútornej náhodnej energie materiálu. Slovo „vnútorné“ je veľmi dôležité. Hoďte snehovú guľu a hoci hlavný pohyb bude dosť rýchly, snehová guľa zostane dosť studená. Na druhej strane, ak sa pozriete na molekuly vzduchu lietajúce po miestnosti, obyčajná molekula kyslíka sa smaží rýchlosťou tisícok kilometrov za hodinu.
Pokiaľ ide o technické detaily, zvyčajne sme ticho, takže len pre odborníkov upozorníme, že teplota je trochu komplikovanejšia, ako sme povedali. Skutočná definícia teploty zahŕňa, koľko energie musíte vynaložiť na každú jednotku entropie (porucha, ak chcete jasnejšie slovo). Preskočme však jemnosti a sústreďme sa len na to, že náhodné molekuly vzduchu alebo vody v ľade sa budú s poklesom teploty pohybovať alebo vibrovať čoraz pomalšie.
Absolútna nula je teplota -273,15 stupňov Celzia, -459,67 Fahrenheita a jednoducho 0 Kelvinov. Toto je bod, kde sa tepelný pohyb úplne zastaví.
Všetko sa zastaví?
Pri klasickej úvahe o problematike sa všetko zastaví na absolútnej nule, no práve v tomto momente spoza rohu vykukne strašná tvár kvantovej mechaniky. Jedna z predpovedí kvantovej mechaniky, ktorá pokazila krv niekoľkým fyzikom, je, že nikdy nemôžete zmerať presnú polohu alebo hybnosť častice s dokonalou istotou. Toto je známe ako Heisenbergov princíp neurčitosti.
Ak by ste dokázali ochladiť uzavretú miestnosť na absolútnu nulu, diali by sa zvláštne veci (o tom neskôr). Tlak vzduchu by klesol takmer na nulu a keďže tlak vzduchu normálne odporuje gravitácii, vzduch by sa zrútil do veľmi tenkej vrstvy na podlahe.
Ale aj tak, ak dokážete zmerať jednotlivé molekuly, zistíte niečo zaujímavé: vibrujú a otáčajú sa, len malá kvantová neistota v práci. Ak zmeriate rotáciu molekúl oxidu uhličitého pri absolútnej nule, zistíte, že atómy kyslíka lietajú okolo uhlíka rýchlosťou niekoľko kilometrov za hodinu – oveľa rýchlejšie, ako ste si mysleli.
Rozhovor sa dostáva do slepej uličky. Keď hovoríme o kvantovom svete, pohyb stráca zmysel. V týchto mierkach je všetko definované neistotou, takže to neznamená, že častice sú stacionárne, ale nikdy ich nemôžete zmerať, ako keby boli stacionárne.
Ako nízko môžeš ísť?
Snaha o absolútnu nulu v podstate čelí rovnakým problémom ako snaha o rýchlosť svetla. Dosiahnutie rýchlosti svetla vyžaduje nekonečné množstvo energie a dosiahnutie absolútnej nuly vyžaduje extrakciu nekonečného množstva tepla. Oba tieto procesy sú nemožné, ak vôbec niečo.
Napriek tomu, že skutočný stav absolútnej nuly sme ešte nedosiahli, sme k nemu veľmi blízko (hoci „veľmi“ je v tomto prípade veľmi voľný pojem; ako detská riekanka: dva, tri, štyri, štyri a jeden polovica, štyri na šnúre, štyri na vlások, päť). Najnižšia teplota zaznamenaná na Zemi bola zaznamenaná v Antarktíde v roku 1983, a to -89,15 stupňov Celzia (184 K).
Samozrejme, ak sa chcete detinsky schladiť, musíte sa ponoriť do hlbín vesmíru. Celý vesmír je zaliaty zvyškami žiarenia z Veľkého tresku, v najprázdnejších oblastiach vesmíru – 2,73 stupňa Kelvina, čo je o málo chladnejšie ako teplota tekutého hélia, ktoré sme na Zemi dokázali získať pred storočím.
Ale fyzici pri nízkych teplotách používajú mrazivé lúče, aby posunuli technológiu na úplne novú úroveň. Možno vás prekvapí, že mrazivé lúče majú podobu laserov. Ale ako? Lasery majú horieť.
Všetko je pravda, ale lasery majú jednu vlastnosť – dalo by sa dokonca povedať, že dokonalú: všetko svetlo je vyžarované na jednej frekvencii. Bežné neutrálne atómy so svetlom vôbec neinteragujú, pokiaľ nie je presne vyladená frekvencia. Ak atóm letí k zdroju
Svetlo, svetlo dostáva Dopplerov posun a prechádza na vyššiu frekvenciu. Atóm absorbuje menej fotónovej energie, ako by mohol. Ak teda naladíte laser nižšie, rýchlo sa pohybujúce atómy budú absorbovať svetlo a vyžarovaním fotónu v náhodnom smere stratia v priemere trochu energie. Ak proces zopakujete, môžete ochladiť plyn na teplotu nižšiu ako jeden nanoKelvin, miliardtinu stupňa.
Všetko naberá extrémnejší tón. Svetový rekord pre najnižšiu teplotu je menej ako jedna desatina miliardy stupňov nad absolútnou nulou. Zariadenia, ktoré to dosahujú, zachytávajú atómy v magnetických poliach. „Teplota“ nezávisí ani tak od samotných atómov, ale od rotácie atómových jadier.
Teraz, aby sme obnovili spravodlivosť, musíme byť trochu kreatívni. Keď si zvyčajne predstavíme niečo zamrznuté na jednu miliardtinu stupňa, pravdepodobne získate obraz dokonca aj molekuly vzduchu, ktoré zamrznú na mieste. Možno si dokonca predstaviť deštruktívne apokalyptické zariadenie, ktoré mrazí chrbty atómov.
V konečnom dôsledku, ak chcete naozaj zažiť nízke teploty, stačí len počkať. Po približne 17 miliardách rokov sa radiácia pozadia vo vesmíre ochladí na 1 K. Za 95 miliárd rokov bude teplota približne 0,01 K. O 400 miliárd rokov bude hlboký vesmír chladný ako najchladnejší experiment na Zemi a potom ešte chladnejší.
Ak sa pýtate, prečo sa vesmír tak rýchlo ochladzuje, poďakujte našim starým priateľom: entropii a temnej energii. Vesmír je v režime zrýchlenia a vstupuje do obdobia exponenciálneho rastu, ktorý bude pokračovať navždy. Veci veľmi rýchlo zamrznú.
Čo nás zaujíma?
To všetko je, samozrejme, nádherné a pekné je aj prekonávanie rekordov. Ale aký to má zmysel? No, existuje veľa dobrých dôvodov na pochopenie nízkych teplôt, a to nielen ako víťaza.
Dobrí ľudia z NIST by napríklad chceli vyrobiť skvelé hodiny. Časové normy sú založené na veciach, ako je frekvencia atómu cézia. Ak sa atóm cézia príliš pohybuje, vytvára to neistotu v meraniach, čo nakoniec spôsobí poruchu hodín.
Čo je však dôležitejšie, najmä z vedeckého hľadiska, materiály sa pri extrémne nízkych teplotách správajú šialene. Napríklad tak, ako je laser vyrobený z fotónov, ktoré sú navzájom synchronizované – na rovnakej frekvencii a fáze – môže vzniknúť materiál známy ako Bose-Einsteinov kondenzát. V ňom sú všetky atómy v rovnakom stave. Alebo si predstavte amalgám, v ktorom každý atóm stráca svoju individualitu a celá hmota reaguje ako jeden nulový-super-atóm.
Pri veľmi nízkych teplotách sa mnohé materiály stávajú supratekutými, čo znamená, že nemôžu mať vôbec žiadnu viskozitu, hromadiť sa v ultratenkých vrstvách a dokonca odolávať gravitácii, aby dosiahli minimum energie. Tiež pri nízkych teplotách sa mnohé materiály stávajú supravodivými, čo znamená, že neexistuje elektrický odpor.
Supravodiče sú schopné reagovať na vonkajšie magnetické polia tak, že ich vo vnútri kovu úplne zruší. Výsledkom je, že môžete kombinovať chladnú teplotu a magnet a získať niečo ako levitáciu.
Prečo existuje absolútna nula, ale nie absolútne maximum?
Pozrime sa na druhý extrém. Ak je teplota jednoducho meradlom energie, potom si môžeme jednoducho predstaviť, že atómy sa čoraz viac približujú k rýchlosti svetla. Toto nemôže pokračovať donekonečna, však?
Krátka odpoveď je: nevieme. Je možné, že doslova existuje niečo ako nekonečná teplota, ale ak existuje absolútny limit, mladý vesmír poskytuje celkom zaujímavé vodítka o tom, čo to je. Najvyššia známa teplota (aspoň v našom vesmíre) sa pravdepodobne vyskytla počas toho, čo je známe ako Planckov čas.
Bol to okamih 10^-43 sekúnd po Veľkom tresku, keď sa gravitácia oddelila od kvantovej mechaniky a fyziky a stala sa presne tým, čím je teraz. Teplota v tom čase bola približne 10^32 K. To je septiliónkrát viac ako vo vnútri nášho Slnka.
Opäť si nie sme vôbec istí, či je to najteplejšia teplota, aká môže byť. Keďže v Planckových časoch nemáme ani veľký model vesmíru, nie sme si ani istí, či sa vesmír do takého stavu uvaril. V každom prípade sme mnohonásobne bližšie k absolútnej nule ako k absolútnemu teplu.
Hraničná teplota, pri ktorej sa objem ideálneho plynu rovná nule, sa považuje za teplota absolútnej nuly.
Nájdite hodnotu absolútnej nuly na stupnici Celzia.
Vyrovnanie objemu V vo vzorci (3.1) nula as prihliadnutím na to
.
Teplota je teda absolútna nula
t= -273 °C. 2
Toto je extrémna, najnižšia teplota v prírode, „najväčší alebo posledný stupeň chladu“, ktorého existenciu predpovedal Lomonosov.
Najvyššie teploty na Zemi – stovky miliónov stupňov – sa dosahujú počas výbuchov termonukleárnych bômb. Ešte vyššie teploty sú typické pre vnútorné oblasti niektorých hviezd.
2Presnejšia hodnota absolútnej nuly: –273,15 °C.
Kelvinova stupnica
Anglický vedec W. Kelvin predstavil absolútna mierka teploty Nulová teplota na stupnici Kelvin zodpovedá absolútnej nule a jednotka teploty na tejto stupnici sa rovná stupňu na stupnici Celzia, takže absolútna teplota T súvisí s teplotou na stupnici Celzia podľa vzorca
T = t+ 273. (3.2)
Na obr. 3.2 ukazuje absolútnu stupnicu a stupnicu Celzia na porovnanie.
Jednotka SI absolútnej teploty sa nazýva kelvin(skrátene K). Preto sa jeden stupeň na stupnici Celzia rovná jednému stupňu na stupnici Kelvin:
Absolútna teplota je teda podľa definície uvedenej vzorcom (3.2) odvodenou veličinou, ktorá závisí od Celziovej teploty a od experimentálne stanovenej hodnoty a.
Čitateľ: Aký fyzikálny význam má absolútna teplota?
Do formulára napíšeme výraz (3.1).
.
Vzhľadom na to, že teplota na Kelvinovej stupnici súvisí s teplotou na Celziovej stupnici vzťahom T = t+ 273, dostávame
Kde T 0 = 273 K, alebo
Pretože tento vzťah platí pre ľubovoľnú teplotu T potom Gay-Lussacov zákon možno formulovať takto:
Pre danú hmotnosť plynu pri p = const platí nasledujúci vzťah:
Úloha 3.1. Pri teplote T 1 = 300 K objem plynu V 1 = 5,0 l. Určte objem plynu pri rovnakom tlaku a teplote T= 400 tis.
STOP! Rozhodnite sa sami: A1, B6, C2.
Problém 3.2. Pri izobarickom ohreve sa objem vzduchu zväčšil o 1 %. O koľko percent sa zvýšila absolútna teplota?
= 0,01.
Odpoveď: 1 %.
Zapamätajme si výsledný vzorec
STOP! Rozhodnite sa sami: A2, A3, B1, B5.
Karolov zákon
Francúzsky vedec Charles experimentálne zistil, že ak sa plyn zahrieva tak, že jeho objem zostáva konštantný, tlak plynu sa zvýši. Závislosť tlaku od teploty má tvar:
r(t) = p 0 (1 + b t), (3.6)
Kde r(t) – tlak pri teplote t°C; r 0 – tlak pri 0 °C; b je teplotný koeficient tlaku, ktorý je pre všetky plyny rovnaký: 1/K.
Čitateľ: Prekvapivo, teplotný koeficient tlaku b sa presne rovná teplotnému koeficientu objemovej rozťažnosti a!
Zoberme si určitú hmotnosť plynu s objemom V 0 pri teplote T 0 a tlak r 0 Prvýkrát, udržiavajúc konštantný tlak plynu, ho zahrejeme na teplotu T 1. Potom bude mať plyn objem V 1 = V 0 (1 + a t) a tlak r 0 .
Druhýkrát pri zachovaní konštantného objemu plynu ho zohrejeme na rovnakú teplotu T 1. Potom bude mať plyn tlak r 1 = r 0 (1 + b t) a objem V 0 .
Keďže v oboch prípadoch je teplota plynu rovnaká, platí Boyleov-Mariottov zákon:
p 0 V 1 = p 1 V 0 Þ r 0 V 0 (1 + a t) = r 0 (1 + b t)V 0 Þ
Þ 1 + a t = 1 + b tÞ a = b.
Nie je teda prekvapujúce, že a = b, nie!
Prepíšme Karolov zákon do tvaru
.
Vzhľadom na to T = t°С + 273 °С, T 0 = 273 °C, dostaneme
