Реферат по теме абсолютная температура
Обновлено: 02.07.2024
Абсолютная температура ⭐ — это температура, отсчитываемая от абсолютного нуля (минимально возможной температуры во Вселенной). Абсолютную температуру измеряют в кельвинах (0 K = -273.15 °С). Для примера, абсолютная температура кипения воды равна 373.15 K (т.е. t(°С) + 273,15).
Видео: Абсолютная температура
Измерение абсолютной температуры
Температура газа служит мерой кинетической энергии поступательного движения молекул газа и характеризует степень его нагрева. Температуру газа измеряют приборами, основанными на тех или иных свойствах вещества, меняющихся с изменением температуры. Эти приборы имеют градуировку, т.е. температурную шкалу.
Создателем первого такого прибора — термометра был немецкий ученый Фаренгейт, который за начало шкалы принял уровень, соответствующий температуре таяния смеси, состоящей из равных масс нашатыря и тающего льда. Верхней точкой был уровень, соответствующий температуре кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Расстояние между этими двумя уровнями он разделил на 180 частей и, таким образом, получил один градус. В 1723 г. французский физик Реомюр предложил шкалу, основанную на двух опорных точках, соответствующих температурам таяния льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Расстояние между двумя точками он разделил на 80 равных частей.
В 1742 г. шведский астроном Цельсий предложил температурную шкалу с теми же опорными точками, на которых построена шкала Реомюра, но расстояние между ними он разделил на 100 частей. Обозначается градус Цельсия — °С.
В настоящее время в термодинамике в качестве основной принята термодинамическая температурная шкала, где нижней границей шкалы является температура абсолютного нуля (практически недостижимая), когда прекращается тепловое движение молекул. Единица температуры по термодинамической температурной шкале получила название Кельвин по имени ученого У. Томпсона, лорда Кельвина, предложившего начало отсчета вести от абсолютного нуля.
Тройной точке воды, т.е. когда в равновесии находятся три фазы воды: лед, жидкость и пар, присвоена температура 273,15 К. Она находится на 0,01 °С выше точки плавления льда.
Рис. Сопоставление шкалы Цельсия и термодинамической шкалы
На рисунке показано соотношение между шкалой Цельсия и шкалой Кельвина, т. е.
Т(К) = t(°С) + 273,15
где Т — температура по термодинамической шкале, К; t — температура по шкале Цельсия, °С.
К преимуществам термодинамической температурной шкалы можно отнести следующее:
Содержание
Вложенные файлы: 1 файл
Физика.docx
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Кафедра общей физики
Выполнила: студентка 1-го курса, ФМФ,
ПИ, Кондратенко Ирина Александровна
Проверил: ассистент кафедры общей
физики Афонин Г.В.
3.Явления, наблюдаемые вблизи абсолютного нуля………..9
Список используемой литературы…………………………..12
1. Абсолютный ноль
Абсолютный нуль температуры (реже — абсолютный ноль температуры) — минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Абсолютный нуль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. В 1954 X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °C, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C[1].
В рамках применимости термодинамики абсолютный нуль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки (жидкий гелий составляет исключение). Однако, с точки зрения квантовой физики и при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума, их окружающего.
При стремлении температуры системы к абсолютному нулю к нулю стремятся и ее энтропия, теплоемкость, коэффициент теплового расширения, прекращается хаотическое движение частиц, составляющих систему. Одним словом вещество становится супервеществом с сверхпроводимостью и сверхтекучестью.
Абсолютный нуль температуры на практике недостижим, а получение температур, предельно приближающихся к нему, представляет сложную экспериментальную проблему, но уже получены температуры, лишь на миллионные доли градуса отстоящие от абсолютного нуля. [1].
Найдем значение абсолютного нуля по шкале Цельсия, приравнивая объем V нулю и учитывая, что
Отсюда абсолютный нуль температуры равен -273°С.
Рис.1. Абсолютная шкала и шкала Цельсия
Единица абсолютной температуры в системе СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.
Таким образом, абсолютная температура является производной величиной, зависящей от температуры Цельсия и от экспериментально определяемого значения а. Однако она имеет фундаментальное значение.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура связана со средней кинетической энергией хаотического движения атомов или молекул. При Т = О К тепловое движение молекул прекращается.
Чтобы понять, что же такое абсолютный ноль, следует обратиться к работам таких известных физиков, как Г. Фаренгейт, А. Цельсий, Ж. Гей-Люссак и У. Томсон. Именно они сыграли ключевую роль в создании используемых до сих пор основных температурных шкал.
Рис.2. Соотношение между температурными шкалами Фаренгейта (F), Цельсия (C) и Кельвина (K).
Стоит также обратить внимание, что абсолютный ноль играет очень важную роль в системе СИ. Все дело в том, что в 1960 году на очередной Генеральной конференции по мерам и весам единица термодинамической температуры – кельвин – стала одной из шести основных единиц измерений. При этом специально оговаривалось, что один градус Кельвина
Основной физический смысл абсолютного нуля состоит в том, что, согласно основным физическим законам, при такой температуре энергия движения элементарных частиц, таких как атомы и молекулы, равна нулю, и в этом случае должно прекратиться любое хаотическое движение этих самых частиц. При температуре, равной абсолютному нулю, атомы и молекулы должны занять четкое положение в основных пунктах кристаллической решетки, образуя упорядоченную систему.
В настоящее время, используя специальное оборудование, ученые смогли получить температуру, лишь на несколько миллионных долей превышающую абсолютный ноль. Достичь же самой этой величины физически невозможно из-за второго закона термодинамики. [3]
Содержание
Введение
Глава 1. Термопреобразователи для измерения криогенных температур
1.1. Медь-константановый термопреобразователь
1.2. Термопреобразователи из сплавов Кондо в паре с обычными термоэлектродами
Глава 2. Государственная поверочная схема
2.1. Эталоны
2.1.1. Государственный первичный эталон
2.1.2. Вторичные эталоны
2.2. Рабочие эталоны
2.2.1. Рабочие эталоны 1-го разряда
2.2.2. Рабочие эталоны 2-го разряда
2.2.3. Рабочие эталоны 3-го разряда
2.3. Рабочие средства измерительной техники
Заключение
Список использованных источников
Введение
Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.
В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц (тепла). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, потому что суммарная энтропия при этом возрастает.
Температура играет важную роль в повседневной жизни, в познании природы, исследовании новых явлений, а ее единица — кельвин К — является одной из семи основных единиц, на которых основана Международная система единиц. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия[1]. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно изменению температуры на один Кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения Кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99,975 °C. Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие. Согласно статистическим данным около 40 % всех измерений приходятся на температурные [1]. В некоторых отраслях народного хозяйства эта доля значительно выше. Так, в энергетике температурные измерения составляют до 70 % общего количества измерении. Огромное значение имеет температура при контроле, автоматизации и управлении технологическими процессами. Точность соблюдения температурного режима часто определяет не только качество, но и принципиальные возможности применения продукции в определенных целях, например при выращивании полупроводниковых монокристаллов. В современных условиях технологические требования к точности поддержания температуры.
Глава 1. Термопреобразователи для измерения криогенных температур
Характерной особенностью термоэлектрического метода измерения низких температур является то, что с убыванием температуры ухудшаются условия генерирования термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) [3].
Нужна помощь в написании реферата?
Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
1.1. Медь-константановый термопреобразователь
Медь-константановый термопреобразователь в практике измерения низких температур получил наиболее широкое применение. Условное обозначение номинальных статических характеристик (НСХ) преобразования в соответствии с ДСТУ 2837-94 [4]: МК (М) с термоэлектродами медь (М1) и сплав копель МНМц 43…0,5 (56 % Cu – 44 % Ni) для диапазона измеряемых температур -200…+400 ºС (70…670 К). В отличие от электродов из чистых металлов сплавы часто выходят за рамки требований по однородности, предъявляемых к термоэлектродам. Особенно это относится к константану, выбор которого для измерения низких температур требует особой тщательности и внимания. Для термопреобразователей пригоден только термопарный константан. Обычная электротехническая медь удовлетворяет требованиям по однородности [5]. ТЭДС медь-константанового термопреобразователя убывает с температурой и при 20 К становится меньше 5 мкВ/К. При температурах ниже тройной точки водорода (13,81 К) используются сплавы Кондо, значительно более эффективные, чем медь-константановые термопреобразователи в диапазоне температур 2…20 К [6].
1.2. Термопреобразователи из сплавов Кондо в паре с обычными термоэлектродами
Такие термопреобразователи эффективны при измерениях температур ниже тройной точки водорода. Сплавы Кондо представляют твердые растворы, в которых в обыкновенном металле в очень небольших количествах растворены переходные или редкоземельные металлы. Молярное содержание растворов составляет от нескольких тысячных до нескольких десятых долей процента. Для них характерна очень большая по сравнению со всеми остальными металлами и сплавами ТЭДС. Наиболее исследованы растворы железа, кобальта, марганца, серебра, меди [7]. На рис. 1.1 и 1.2 представлены температурные зависимости полной и дифференциальной ТЭДС для термопар, которые составлены из термоэлектродов, изготовленных из сплава золота и кобальта (молярное содержание 2,1 %), и других металлов [8].
Разброс значений ТЭДС для 15 произвольно выбранных термоэлектродов одной и той же катушки имеет наибольшее значение при 4,2 К и соответствует ± 0,2 % [11].
Для измерений в диапазоне температур 1…80 К рекомендуются термопреобразователи, у которых электроды изготовлены из сплавов серебро-золото (молярное содержание 0,37 %) и золото-железо (молярное содержание 0,03 %) в соответствии с ДСТУ 2857-94 [12]. С понижением температуры чувствительность повышается и составляет 10 мкВ/К при 2 К, 14 мкВ/К при 10 К и 8 мкВ/К при 40 К. При индивидуальном установлении номинальной статической характеристики ее погрешность достигает 0,1 К в соответствии с ДСТУ 2837-94 [4].
Глава 2. Государственная проверочная схема
Государственная поверочная схема средств измерений температуры в диапазоне от 13,8 К до 303 К изложена в соответствии с ДСТУ 3742-98 [14].
Мы продолжаем изучение вопросов, связанных с температурой. На этом уроке, мы, наконец, сможем дать определение температуры. Также мы познакомимся с понятием абсолютной температуры. Именно абсолютная температура используется при расчетах в молекулярной физике.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Определение температуры. Абсолютная температура"
Основываясь на нашем начальном предположении о том, что температура является мерой средней кинетической энергии молекул, мы попытаемся доказать, что средняя кинетическая энергия молекул обладает таким же свойством, как и температура.
Как и было сказано в предыдущих уроках, измерить кинетическую энергию отдельной молекулы крайне сложно. Однако, мы можем выразить среднюю кинетическую энергию молекул газа через макроскопические параметры. Воспользуемся основным уравнением молекулярно-кинетической теории:
Заметим, что концентрация молекул равна отношению числа молекул газа к его объёму:
Итак, мы выразили среднюю кинетическую энергию молекул через три величины, которые легко измеряются. Объём можно задать, поместив газ в герметичный баллон, а давление измерим с помощью манометра. Чтобы найти количество молекул, как вы знаете, нужно количество вещества умножить на число Авогадро:
Вспомним теперь, что количество вещества равно отношению массы к молярной массе:
Молярную массу, как вы знаете, можно подсчитать, используя таблицу Менделеева.
Для проведения опыта мы можем использовать баллоны с водородом и кислородом, давление, объёмы и количество молекул которых, различны.
Чтобы уравнять температуру газов их необходимо привести в тепловое равновесие с одним и тем же телом (как правило, используется тающий лед). Через некоторое время установится тепловое равновесие, то есть температуры кислорода и водорода будут равны 0 о С. Наша цель проверить — уравнялись ли при этом средние кинетические энергии молекул газов, и если это так, то наше начальное предположение верно. Опыты и сопутствующие расчеты говорят о том, что отношение произведения давления и объёма к количеству молекул газа остается постоянным при постоянной температуре, независимо от природы самого газа:
Это говорит нам о том, что средняя кинетическая энергия молекул — это и есть температура.
Необходимо отметить, что данное соотношение все же начинает зависеть от рода газа при очень большом давлении, таком как несколько сотен атмосфер. Однако, мы с уверенностью можем сказать, что до тех пор, пока газ может считаться идеальным, данное соотношение строго определено.
Поскольку температура фактически является мерой энергии, её иногда измеряют в энергетических единицах. Но, дело в том, что в повседневной жизни подобные единицы измерения неудобны. Например, если в баллоне объёмом 10 л находится 1 моль водорода при нормальном давлении, то средняя кинетическая энергия его молекул будет равна 1,68 х 10 −21 Дж. В связи с этим возникает вопрос: как перевести температуру из энергетических единиц измерения в градусы, используемые в повседневной жизни? Ведь, люди могут выбирать какую угодно температурную шкалу, но этот выбор не может повлиять на кинетическую энергию молекул. Поэтому, вводится понятие абсолютной температуры. Будем считать эту температуру прямо пропорциональной температуре, выраженной в энергетических единицах:
В этой формуле мы обозначили коэффициент пропорциональности буквой k.
Учитывая тот факт, что такие величины, как объём, давление и число молекул, не могут быть отрицательными, делаем вывод, что абсолютная температура тоже не может быть отрицательной.
Как видно из формулы, абсолютный ноль температуры — это такая температура, при которой давление газа равно нулю, при постоянном объёме. Такое возможно только в случае, если молекулы газа попросту остановились (это следует из основного уравнения молекулярно-кинетической теории).
Абсолютную шкалу температур предложил лорд Кельвин, в честь которого и названа единица измерения температуры по абсолютной шкале. 1 К равен 1 о С, поэтому перевести градусы Цельсия в кельвины довольно просто: нужно к температуре в градусах Цельсия прибавить 273 градуса:
Таким образом, абсолютный ноль температуры по шкале Цельсия равен −273 градуса. Необходимо отметить, что абсолютный ноль недостижим.
Вернемся теперь к уравнению, которое мы использовали в начале урока:
Также, мы выяснили, что отношение произведения давления и объёма к числу молекул должно быть пропорционально температуре:
Мы получили два уравнения, левые части которых равны. Значит, должны быть равны и правые части:
Итак, мы вплотную подошли к связи между средней кинетической энергией и температурой. Остается только разобраться с коэффициентом пропорциональности.
Этот коэффициент получил название постоянной Больцмана, в честь Людвига Больцмана.
Больцман был первым, кто нашел соотношение между кинетической энергией и температурой. Постоянная Больцмана определяет связь между температурой в энергетических единицах измерения и температурой в кельвинах. Итак, средняя кинетическая энергия молекул равна
Сегодня мы можем повторить эксперимент, с помощью которого можно вычислить постоянную Больцмана. Возьмем газ, который можно считать идеальным, и измерим среднюю кинетическую энергию его молекул тем же способом, который мы использовали в начале урока — то есть, выразив её через макроскопические параметры:
Проведем измерения для двух случаев: в одном случае поместим сосуд в тающий лед, а во втором случае — в кипящую воду.
Тогда, разность между температурами в энергетических единицах измерения должна быть равна произведению разности температуры в кельвинах и постоянной Больцмана:
Отсюда выразим постоянную Больцмана:
Расчеты показывают, что эта величина остается постоянной для любого газа, который можно считать идеальным:
Несмотря на то, что соотношение между температурой и кинетической энергией установлено для газов, оно также выполняется для жидкостей и для твердых тел:
Данное соотношение не выполняется только в том случае, если движение частиц не подчиняется законам механики Ньютона. Это происходит при экстремальных условиях, например при колоссальном давлении, огромной температуре или сильнейших электромагнитных полях.
Пример решения задачи.
Задача. При температуре 200 К средняя скорость молекул одного моля неизвестного газа равна 500 м/с. Считая этот газ идеальным, определите его молярную массу.
Читайте также: