Toda pessoa se depara com o conceito de temperatura todos os dias. O termo entrou firmemente em nosso cotidiano: aquecemos alimentos no micro-ondas ou cozinhamos no forno, nos interessamos pelo clima lá fora ou descobrimos se a água do rio está fria - tudo isso está intimamente relacionado a esse conceito. E o que é temperatura, o que significa esse parâmetro físico, de que forma ele é medido? Responderemos a essas e outras perguntas no artigo.
Quantidade física
Vamos considerar o que é temperatura do ponto de vista de um sistema isolado em equilíbrio termodinâmico. O termo vem da língua latina e significa "mistura adequada", "estado normal", "proporcionalidade". Este valor caracteriza o estado de equilíbrio termodinâmico de qualquer sistema macroscópico. No caso em que um sistema isolado está fora de equilíbrio, ao longo do tempo há uma transição de energia de objetos mais aquecidos para menos aquecidos. O resultado é uma equalização (mudança) de temperatura em todo o sistema. Este é o primeiro postulado (princípio zero) da termodinâmica.
Temperatura determinadistribuição das partículas constituintes do sistema por níveis e velocidades de energia, o grau de ionização das substâncias, as propriedades da radiação eletromagnética de equilíbrio dos corpos, a densidade volumétrica total da radiação. Como para um sistema que está em equilíbrio termodinâmico, os parâmetros listados são iguais, geralmente são chamados de temperatura do sistema.
Plasma
Além dos corpos em equilíbrio, existem sistemas em que o estado é caracterizado por diversos valores de temperatura que não são iguais entre si. O plasma é um bom exemplo. É composto por elétrons (partículas carregadas leves) e íons (partículas carregadas pesadas). Quando colidem, a energia é rapidamente transferida de elétron para elétron e de íon para íon. Mas entre elementos heterogêneos há uma transição lenta. O plasma pode estar em um estado em que os elétrons e íons individualmente estão próximos do equilíbrio. Neste caso, temperaturas separadas para cada tipo de partículas podem ser tomadas. No entanto, esses parâmetros serão diferentes um do outro.
Ímãs
Em corpos nos quais as partículas têm um momento magnético, a transferência de energia geralmente ocorre lentamente: de graus de liberdade translacionais para magnéticos, que estão associados à possibilidade de mudança de direção do momento. Acontece que existem estados em que o corpo é caracterizado por uma temperatura que não coincide com o parâmetro cinético. Corresponde ao movimento de translação das partículas elementares. A temperatura magnética determina parte da energia interna. Pode ser positivo ounegativo. Durante o processo de alinhamento, a energia será transferida das partículas com um valor mais alto para as partículas com um valor de temperatura mais baixo se elas forem positivas ou negativas. Caso contrário, este processo prosseguirá na direção oposta - a temperatura negativa será "mais alta" que a positiva.
Por que isso é necessário?
O paradoxo está no fato de que a pessoa média, para realizar o processo de medição tanto na vida cotidiana quanto na indústria, nem precisa saber o que é temperatura. Será suficiente para ele entender que este é o grau de aquecimento de um objeto ou ambiente, especialmente porque estamos familiarizados com esses termos desde a infância. De fato, a maioria dos dispositivos práticos projetados para medir esse parâmetro realmente mede outras propriedades das substâncias que mudam com o nível de aquecimento ou resfriamento. Por exemplo, pressão, resistência elétrica, volume, etc. Além disso, essas leituras são convertidas manual ou automaticamente para o valor desejado.
Acontece que para determinar a temperatura, não há necessidade de estudar física. A maior parte da população do nosso planeta vive por este princípio. Se a TV estiver ligada, não há necessidade de entender os processos transitórios dos dispositivos semicondutores, estudar de onde vem a eletricidade na tomada ou como o sinal chega à antena parabólica. As pessoas estão acostumadas com o fato de que em todos os campos existem especialistas que podem consertar ou depurar o sistema. O leigo não quer forçar o cérebro, porque onde é melhor assistir uma novela ou futebol na "caixa" enquanto bebecerveja gelada.
Eu quero saber
Mas há pessoas, na maioria das vezes estudantes, que, por curiosidade ou por necessidade, são obrigadas a estudar física e determinar o que realmente é a temperatura. Como resultado, em sua busca, eles caem nas selvas da termodinâmica e estudam suas leis zero, primeira e segunda. Além disso, uma mente inquisitiva terá que compreender os ciclos de Carnot e a entropia. E ao final de sua jornada, ele certamente admitirá que a definição da temperatura como parâmetro de um sistema térmico reversível, que independe do tipo de substância de trabalho, não dará clareza ao sentimento desse conceito. E mesmo assim, a parte visível serão alguns graus aceitos pelo sistema internacional de unidades (SI).
Temperatura como energia cinética
Mais "tangível" é a abordagem que é chamada de teoria cinética molecular. Forma a ideia de que o calor é considerado uma das formas de energia. Por exemplo, a energia cinética de moléculas e átomos, um parâmetro calculado sobre um grande número de partículas em movimento aleatório, acaba por ser uma medida do que é comumente chamado de temperatura de um corpo. Assim, as partículas de um sistema aquecido se movem mais rápido que um frio.
Como o termo em consideração está intimamente relacionado à energia cinética média de um grupo de partículas, seria bastante natural usar o joule como unidade de temperatura. No entanto, isso não acontece, o que se explica pelo fato de que a energia do movimento térmico dos elementos elementarespartículas é muito pequena em relação ao joule. Portanto, seu uso é inconveniente. O movimento térmico é medido em unidades derivadas de joules por meio de um fator de conversão especial.
Unidades de temperatura
Hoje, três unidades básicas são usadas para exibir este parâmetro. Em nosso país, a temperatura geralmente é medida em graus Celsius. Esta unidade de medida é baseada no ponto de congelamento da água - um valor absoluto. Ela é o ponto de partida. Ou seja, a temperatura da água na qual o gelo começa a se formar é zero. Neste caso, a água serve como medida exemplar. Esta convenção foi adotada por conveniência. O segundo valor absoluto é a temperatura do vapor, ou seja, o momento em que a água passa do estado líquido para o gasoso.
A próxima unidade é Kelvin. O ponto de referência deste sistema é considerado o ponto do zero absoluto. Então, um grau Kelvin é igual a um grau Celsius. A diferença é apenas o começo da contagem regressiva. Obtemos que zero em Kelvin será igual a menos 273,16 graus Celsius. Em 1954, na Conferência Geral de Pesos e Medidas, decidiu-se substituir o termo "grau Kelvin" para a unidade de temperatura por "kelvin".
A terceira unidade de medida comum é Fahrenheit. Até 1960, eles eram amplamente utilizados em todos os países de língua inglesa. No entanto, hoje na vida cotidiana nos Estados Unidos usam esta unidade. O sistema é fundamentalmente diferente dos descritos acima. Tomado como ponto de partidaponto de congelamento de uma mistura de sal, amônia e água na proporção de 1:1:1. Então, na escala Fahrenheit, o ponto de congelamento da água é mais 32 graus, e o ponto de ebulição é mais 212 graus. Neste sistema, um grau é igual a 1/180 da diferença entre essas temperaturas. Portanto, a faixa de 0 a +100 graus Fahrenheit corresponde à faixa de -18 a +38 Celsius.
Temperatura zero absoluta
Vamos entender o que esse parâmetro significa. O zero absoluto é a temperatura limite na qual a pressão de um gás ideal desaparece em um volume fixo. Este é o valor mais baixo na natureza. Como Mikhailo Lomonosov previu, "este é o maior ou último grau de frio". A lei química de Avogadro decorre disso: volumes iguais de gases à mesma temperatura e pressão contêm o mesmo número de moléculas. O que se segue disso? Existe uma temperatura mínima de um gás na qual sua pressão ou volume desaparece. Este valor absoluto corresponde a zero Kelvin, ou 273 graus Celsius.
Alguns fatos interessantes sobre o sistema solar
A temperatura na superfície do Sol atinge 5700 Kelvin, e no centro do núcleo - 15 milhões de Kelvin. Os planetas do sistema solar são muito diferentes uns dos outros em termos de nível de aquecimento. Assim, a temperatura do núcleo da nossa Terra é aproximadamente a mesma que na superfície do Sol. Júpiter é considerado o planeta mais quente. A temperatura no centro de seu núcleo é cinco vezes maior do que na superfície do Sol. E aqui está o valor mais baixo do parâmetroregistrado na superfície da lua - eram apenas 30 kelvins. Este valor é ainda menor do que na superfície de Plutão.
Fatos sobre a Terra
1. A temperatura mais alta registrada por uma pessoa foi de 4 bilhões de graus Celsius. Este valor é 250 vezes maior que a temperatura do núcleo do Sol. O recorde foi estabelecido pelo New York Brookhaven Natural Laboratory no colisor de íons, que tem cerca de 4 quilômetros de comprimento.
2. A temperatura em nosso planeta também nem sempre é ideal e confortável. Por exemplo, na cidade de Verkhnoyansk, em Yakutia, a temperatura no inverno cai para menos 45 graus Celsius. Mas na cidade etíope de Dallol, a situação se inverte. Lá, a temperatura média anual é de mais 34 graus.
3. As condições mais extremas em que as pessoas trabalham são registradas em minas de ouro na África do Sul. Os mineiros trabalham a uma profundidade de três quilômetros a uma temperatura de mais de 65 graus Celsius.
