Temperatura substancji to stopień gorąca lub zimna substancji. O gorącej substancji mówi się, że ma wysoką temperaturę, podczas gdy o zimnej substancji mówi się, że ma niską temperaturę. Dlatego temperatura substancji jest wskaźnikiem średniej energii kinetycznej cząsteczek substancji. Ciepło zawsze przepływa z ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Możemy więc również powiedzieć, że temperatura ciała jest właściwością, która rządzi przepływem ciepła.
Można to łatwo zademonstrować w następujący sposób: gdy umieścimy obok siebie dwa obiekty wykonane z tego samego materiału, obiekt o wyższej temperaturze staje się chłodniejszy, a obiekt chłodniejszy staje się cieplejszy, aż do momentu, w którym zostanie osiągnięty punkt, po którym nie następują już żadne zmiany.
Równowaga termiczna
Energia cieplna przepływa z ciała o wyższej temperaturze do innego ciała o niższej temperaturze. Innymi słowy, ciepło przepływa z cieplejszego do zimniejszego ciała. Energia cieplna przepływa z cieplejszego do chłodniejszego ciała, aż temperatury obu ciał staną się równe. Na tym etapie mówi się, że oba ciała są w równowadze termicznej. Kiedy dwa ciała osiągną tę samą temperaturę, mówi się, że są w równowadze termicznej ze sobą, ponieważ wtedy ciepło nie przepływa z jednego ciała do drugiego. Osiągnięta w ten sposób temperatura nazywana jest temperaturą równowagi.
Dlatego teraz możemy powiedzieć, że temperatura to taka sama wartość dla obu układów, gdy znajdują się one w równowadze termicznej.
Zerowa zasada termodynamiki
ZEROWE prawo termodynamiki głosi, że „Jeżeli dwa układy znajdują się oddzielnie w równowadze termicznej z trzecim, to muszą one również znajdować się w równowadze termicznej ze sobą i wszystkie mają tę samą temperaturę, niezależnie od rodzaju układu”.
Prawo to można sformułować następująco:
Jeżeli istnieją trzy lub więcej niż trzy układy, które razem wzięte pozostają w kontakcie termicznym i równowadze termicznej, wówczas każdy z tych dwóch układów razem wzięty znajduje się w równowadze ze sobą.
Skala temperatury
Jedną z pierwszych prób stworzenia standardowej skali temperatur podjęto w bardzo odległej przeszłości, kiedy Galen w swoich pismach medycznych zaproponował standardową „neutralną” temperaturę składającą się z równych ilości wrzącej wody i lodu; po obu stronach tej temperatury znajdowały się odpowiednio cztery stopnie ciepła i cztery stopnie zimna. Najwcześniejsze urządzenia służące do pomiaru temperatury nazywano termoskopami. Składały się one ze szklanej bańki z długą rurką sięgającą w dół do pojemnika z kolorową wodą, chociaż Galileusz w 1610 r. miał używać wina. Część powietrza z bańki była wydalana przed umieszczeniem jej w cieczy, co powodowało, że ciecz podnosiła się do rurki. W miarę jak pozostałe powietrze w bańce było podgrzewane lub chłodzone, poziom cieczy w rurce zmieniał się, odzwierciedlając zmianę temperatury powietrza. Wygrawerowana skala na rurce umożliwiała ilościowy pomiar wahań. Powietrze w bańce jest określane jako medium termometryczne, tj. medium, którego właściwości zmieniają się wraz z temperaturą.
W 1641 r. opracowano pierwszy zapieczętowany termometr, który jako medium termometryczne wykorzystywał ciecz, a nie powietrze, dla Ferdynanda II, Wielkiego Księcia Toskanii. Jego termometr wykorzystywał zapieczętowane urządzenie z alkoholem w szkle, z 50-stopniowymi oznaczeniami na trzonie, ale nie używano „stałego punktu” do zerowania skali. Były one nazywane termometrami „spirytusowymi”.
Robert Hook, kurator Royal Society, w 1664 r. użył czerwonego barwnika w alkoholu. Jego skala, w której każdy stopień oznaczał równy przyrost objętości równy około 1/500 części objętości cieczy termometru, wymagała tylko jednego stałego punktu. Wybrał punkt zamarzania wody. Skalując go w ten sposób, Hook wykazał, że można ustalić standardową skalę dla termometrów o różnych rozmiarach. Oryginalny termometr Hooka stał się znany jako standard Gresham College i był używany przez Royal Society do 1709 r.
(Pierwsze zrozumiałe zapisy meteorologiczne używały tej skali). W 1702 roku astronom Ole Roemer z Kopenhagi oparł swoją skalę na dwóch stałych punktach: śniegu (lub pokruszonym lodzie) i temperaturze wrzenia wody, i zapisał dzienne temperatury w Kopenhadze w latach 1708-1709 za pomocą tego termometru.
W 1724 roku Gabriel Fahrenheit, konstruktor instrumentów z Däanzig i Amsterdamu, użył rtęci jako cieczy termometrycznej. Rozszerzalność cieplna rtęci jest duża i dość jednolita, nie przywiera do szkła i pozostaje cieczą w szerokim zakresie temperatur. Jej srebrzysty wygląd ułatwia odczyt.
Fahrenheit opisał, jak skalibrował skalę swojego termometru rtęciowego:
„Umieszczając termometr w mieszance soli amoniaku lub soli morskiej, lodu i wody, na skali zostanie znaleziony punkt oznaczony jako zero. Drugi punkt uzyskuje się, jeśli ta sama mieszanka jest używana bez soli. Oznacz tę pozycję jako 30. Trzeci punkt, oznaczony jako 96, uzyskuje się, jeśli termometr jest umieszczony w ustach tak, aby uzyskać ciepło zdrowego człowieka”.
Na tej skali Fahrenheit zmierzył temperaturę wrzenia wody i ustalił ją na 212. Później skorygował temperaturę zamarzania wody do 32, tak aby odstęp między temperaturą wrzenia i zamarzania wody można było wyrazić bardziej wymierną liczbą 180.
Temperatury mierzone w tej skali są oznaczane jako stopnie Fahrenheita (°F). W 1745 roku Karol Linneusz z Upsuli w Szwecji opisał skalę, w której temperatura zamarzania wody wynosiła zero, a temperatura wrzenia 100, co czyniło ją skalą Celsjusza (sto stopni), każdy stopień nazywano „stopniem”. Anders Celsius (1701-1744) używał odwrotnej skali, w której 100 oznaczało temperaturę zamarzania, a zero temperaturę wrzenia wody, nadal, oczywiście, ze 100 stopniami między dwoma stałymi punktami.
W 1948 roku zaprzestano używania skali Celsjusza na rzecz nowej skali wykorzystującej stopnie Celsjusza (° C). Skala Celsjusza jest definiowana przez następujące dwa elementy, które zostaną omówione później w tym eseju:
- Punkt potrójny wody jest zdefiniowany jako 0,01°
- Jeden stopień Celsjusza to taka sama zmiana temperatury, jak jeden stopień gazu doskonałego
W skali Celsjusza temperatura wrzenia wody przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym wynosi 99,975 C, w przeciwieństwie do 100 stopni definiowanych w skali Celsjusza.
Aby przeliczyć stopnie Celsjusza na stopnie Fahrenheita: pomnóż przez 1,8 i dodaj 32. ° F = 1,8° C + 32 ° K = ° C + 273.
W 1780 r. JAC Charles, francuski lekarz, wykazał, że przy takim samym wzroście temperatury wszystkie gazy wykazują taki sam wzrost objętości. Ponieważ współczynnik rozszerzalności gazów jest prawie taki sam, możliwe jest ustalenie skali temperatury opartej na jednym punkcie stałym, a nie na dwóch skalach punktów stałych, takich jak skala Fahrenheita i Celsjusza. To sprowadza nas z powrotem do termometru, który wykorzystuje gaz jako medium termometryczne.
W termometrze gazowym o stałej objętości duża bańka B gazu, na przykład wodoru, pod ustalonym ciśnieniem łączy się z wypełnionym rtęcią „manometrem” za pomocą rurki o bardzo małej objętości. (Bańka B jest częścią wykrywającą temperaturę i powinna zawierać prawie cały wodór). Podnoszenie lub obniżanie zbiornika rtęci R może regulować poziom rtęci w C. Ciśnienie gazu wodorowego, które jest zmienną „x” w liniowej relacji z temperaturą, jest różnicą między poziomami D i C plus ciśnienie powyżej DPChappuis w 1887 r. przeprowadził obszerne badania termometrów gazowych o stałym ciśnieniu lub o stałej objętości, wykorzystując wodór, azot i dwutlenek węgla jako medium termometryczne. Na podstawie jego wyników Comité International des Poids et Measures przyjął skalę wodoru o stałej objętości opartą na stałych punktach w punkcie lodu (0° C) i punkcie pary (100° C) jako praktyczną skalę dla międzynarodowej meteorologii. Eksperymenty z termometrami gazowymi wykazały, że istnieje bardzo mała różnica w skali temperatury dla różnych gazów. Tak więc możliwe jest ustalenie skali temperatury, która jest niezależna od ośrodka termometrycznego, jeśli jest to gaz o niskim ciśnieniu. W tym przypadku wszystkie gazy zachowują się jak „gaz doskonały” i mają bardzo prostą zależność między swoim ciśnieniem, objętością i temperaturą: pV = (stała) T. Ta temperatura jest nazywana temperaturą termodynamiczną i jest obecnie akceptowana jako podstawowa miara temperatury. Należy zauważyć, że na tej skali istnieje naturalnie zdefiniowane zero – jest to punkt, w którym ciśnienie gazu doskonałego wynosi zero, co powoduje, że temperatura również wynosi zero. Mając to jako jeden punkt na skali, należy zdefiniować tylko jeden inny stały punkt.
W 1933 roku Międzynarodowy Komitet Miar i Wag przyjął ten stały punkt jako potrójny punkt wody, temperaturę, w której woda, lód i para wodna współistnieją w równowadze; jego wartość ustalono na 273,16. Jednostką temperatury w tej skali jest Kelvin, na cześć lorda Kelvina (Williama Thompsona), 1824-1907, a jej symbolem jest K (nie stosuje się symbolu stopnia).
Aby przeliczyć stopnie Celsjusza na Kelwiny, dodaj 273. K = ° C + 273.
Temperatura termodynamiczna jest temperaturą podstawową, jej jednostką jest Kelwin, zdefiniowany jako ułamek 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody.
W 1871 roku Sir William Siemens zaproponował termometr, którego medium termometrycznym jest metaliczny przewodnik, którego rezystancja zmienia się wraz z temperaturą. Pierwiastek platyny nie utlenia się w wysokich temperaturach i ma stosunkowo równomierną zmianę rezystancji wraz z temperaturą w szerokim zakresie. Termometr oporowy platynowy jest obecnie szeroko stosowany jako termometr termoelektryczny i obejmuje zakres temperatur od około -260° C do 1235° C.
Związek między różnymi skalami temperatur
Czasami wymagana jest zmiana lub konwersja wartości temperatury z jednej skali temperatury na inną skalę temperatury, w tym celu wymagany jest związek między różnymi skalami temperatury. Związek między różnymi skalami temperatury jest następujący:
C-0/100 = F-32/180 = K-273/100 = Re-0/80 = Ra-491,67/180
Gdzie C, F, K, Re, Ra oznaczają różne skale temperatur. 0, 32, 273, 0, 491,67 oznaczają dolne punkty stałe różnych skal temperatur, a 100, 180, 100, 80, 180 oznaczają liczbę podziałów w różnych skalach temperatur.
Międzynarodowa Skala Temperatur
Pierwszą międzynarodowo uznaną skalą temperatur była międzynarodowa skala temperaturowa ITS-27 z 1927 r. Jej celem było zdefiniowanie procedur, za pomocą których można było skalibrować określoną, wysokiej jakości, a jednocześnie praktyczną termometrię tak, aby wartości temperatury uzyskane z nich były zwięzłe i spójne od przyrządu do przyrządu i od czujnika do czujnika, a jednocześnie przybliżały się do odpowiednich wartości termodynamicznych w granicach dostępnej technologii. Ten cel pozostaje nienaruszony do dziś. ITS-27 rozciągała się od temperatury tuż poniżej temperatury wrzenia tlenu, -200°C, do temperatury poza temperaturą zamarzania złota, 1065°C. Określono wzory interpolacji dla platynowego termometru oporowego skalibrowanego w temperaturze 0°C i w temperaturach wrzenia tlenu, wody i siarki (445°C). Powyżej 660°C określono do pomiaru termoparę Pt-10% Rh vs. Pt. Powyżej punktu złota zastosowano pirometrię optyczną, a wartości punktów stałych oparto na najlepszych dostępnych w danym dniu danych z termometrii gazowej.
