Температура

Існує декілька визначень температури.

1. На побутовому рівні температура пов'язана із суб'єктивним сприйняттям «тепла» і «холоду». Наші відчуття дозволяють розрізняти якісні градації нагріву тіл: теплий, холодний, гарячий. Але придатна для науки кількісна міра ступеня нагріву не може бути виміряна за допомогою відчуттів. Простий експеримент підтверджує це. Якщо потримати одну руку у холодній воді, а другу — у гарячій, а потім обидві помістити у теплу воду, то рука, яка була у холодній воді буде відчувати тепло, а рука, що була у гарячій — холод. Крім того, за допомогою відчуттів ми можемо оцінювати ступінь нагріву чи охолодження у дуже вузькому діапазоні. Таким чином, необхідним є пов'язати кількісне вимірювання температури і побудову температурної шкали з об'єктивними фізичними явищами.

2. У класичній термодинаміці поняття емпіричної температури тісно пов'язане з рівновагою ізольованих систем, а саме — з тепловою рівновагою. Якщо дві ізольовані від навколишнього середовища рівноважні системи ${\displaystyle A}$ ; і ${\displaystyle B}$ ; ввести у тепловий контакт, який забезпечує особливий вид передачі енергії — прямий теплообмін між двома системами, то стан цих систем почне змінюватись до тих пір, поки між ними не настане стан рівноваги. Цей вид рівноваги, що не пов'язаний з масообміном, зміною тиску, концентрації або з хімічними перетвореннями, називається тепловою або термічною рівновагою. Теплова рівновага — це такий стан, який допускає можливість здійснення оборотного теплообміну між системами необмежено довго без зміни їх стану.

Вихідне визначення температури формулюється так:

Температура є єдиною функцією стану термодинамічної системи, яка вказує на напрям самовільного теплообміну між системами.

Звідси випливає, по-перше, що вищезгадані системи ${\displaystyle A}$ ; і ${\displaystyle B}$ , які перебувають між собою у стані теплової рівноваги мають однакову температуру у будь-якій температурній шкалі, а, по друге, — дві системи, які не знаходяться одна з одною у тепловому контакті, але кожна з них нарізно знаходиться у тепловій рівновазі з третьою системою (вимірювальний прилад) мають однакову температуру^[2][3]. Останнє твердження має назву властивість транзитивності термодинамічної рівноваги^[4]. Деякі автори (Р. Фаулер і Е. Гуггенгейм^[5]) вважають цю властивість, яка почерпнута з загальнолюдського досвіду, нульовим законом термодинаміки.

Безпосереднє вимірювання температури є неможливим. У приладах для вимірювання температури (термометрах) використовують термометричне тіло, яке вводять у тепловий контакт з тілом, температуру якого потрібно виміряти. Фізична величина, яка знаходиться у функціональній залежності від температури і є її індикатором, має назву — термометрична величина. Наприклад, у рідинних термометрах термометричним тілом є рідина у резервуарі термометра, а термометричною величиною — об'єм рідини. У термометрах опору термометричним тілом є металеві дроти або напівпровідники, а термометричною величиною — їх електричні опори. Докладніше: Термометрія

Температура, що вимірюється термометрами називається емпіричною температурою. Строго кажучи, покази термометрів з різними термометричними тілами різняться між собою і збігаються лише в реперних точках. Наступним недоліком емпіричної температури є відсутність безперервної термометричної шкали, тому що жодне термометричне тіло неспроможне виконувати своє призначення у всьому діапазоні можливих температур.

Другий закон термодинаміки, а саме його частина — принцип існування абсолютної температури і ентропії (${\displaystyle \delta Q^{*}=TdS}$ ), усуває цей недолік і дозволяє встановити термодинамічну шкалу, незалежну від термометричного тіла. Температура, виміряна за цією шкалою, є абсолютною або термодинамічною температурою.

3. Поряд з термодинамічним, в інших розділах фізики можуть вводитись й інші визначення температури. На мікроскопічному рівні температура пов'язана із тепловим рухом атомів та молекул, із яких складаються фізичні тіла, а саме — з їх середньою кінетичною енергією. Тому у молекулярно-кінетичній теорії справедливим буде таке визначення:

Температу́ра — скалярна фізична величина, яка характеризує середню кінетичну енергію частинок макроскопічної системи, що припадає на один ступінь вільності.

За словами П. Л. Капиці:

	…мірилом температури є не сам рух, а хаотичність цього руху. Хаотичність стану тіла визначає його температурний стан, і ця ідея (яка вперше була розроблена Больцманом), що певний температурний стан тіла зовсім не визначається енергією руху, але є хаотичністю цього руху, і це те нове поняття в описі температурних явищ, яким ми повинні користуватися…
— Капица П. Л. Свойства жидкого гелия // Природа. — 1997. — № 12.

За ДСТУ 3518-97^[6]: Температура — фізична величина, що є мірою інтенсивності теплового руху атомів і молекул.

Температуру, що входить як параметр у розподіл Больцмана, часто називають температурою збудження, у розподіл Максвелла — кінетичною температурою, у формулу Саха — іонізаційною температурою, у закон Стефана — Больцмана — радіаційною температурою. Для системи, що перебуває у термодинамічній рівновазі, усі ці параметри рівні між собою, і їх називають просто температурою системи^[7].

Температурні шкали

Для однозначного визначення температури різними методами й на основі зміни різних властивостей термометричних тіл, термометри необхідно градуювати. Для цього використовуються температурні шкали. В основі температурних шкал — особливі реперні точки, яким присвоюється певне значення температури. Історично склалися різні температурні шкали, що використовують різні реперні точки, які пов'язані з певними фізичними явищами, що відбуваються за певних температур.

В Міжнародній системі одиниць (SI) одиниця вимірювання термодинамічної температури належить до семи основних одиниць і виражається у кельвінах. До одиниць SI, які мають спеціальну назву, належить градус Цельсія^[8] для вимірювання температури за шкалою Цельсія. На практиці часто застосовують градуси Цельсія через історичну прив'язку до важливих характеристик води — температури танення льоду (0 °C) і температури кипіння (100 °C). Це зручно, оскільки більшість кліматичних процесів, процесів у живій природі, тощо пов'язані з цим діапазоном. Зміна температури на один градус Цельсія тотожна зміні температури на один Кельвін. Тому після введення в 1967 році нового визначення Кельвіна, температура кипіння води перестала грати роль незмінної реперної точки і, як показують точні вимірювання, вона вже не дорівнює 100 °C, а близька до 99,975 °C^[9].

У Міжнародній системі одиниць (SI) для вимірювання температури застосовується шкала Кельвіна і символ ${\displaystyle K}$ (за цієї умови знак градусу ° відсутній). Широкий вжиток також мають системи Цельсія і Фаренгейта.

За шкалою Кельвіна

0 градусів відповідають абсолютному нулю, тобто повній відсутності руху молекул. Інша реперна точка — потрійна точка води. Її температура 273,16 К вибрана так, щоб один кельвін відповідав одному градусу за шкалою Цельсія. Температура за шкалою Кельвіна називається абсолютною температурою. Вона позначається великою латинською літерою T. Шкала Кельвіна використовується у фізиці. Її називають термодинамічною шкалою, оскільки вона найкраще визначена. Наприклад, потрійна точка води на відміну від температури замерзання, не залежить від тиску.

За шкалою Цельсія

0 °C відповідає температура замерзання води, 100 °C — температура кипіння води (під дією тиску в 1 атмосферу). Здебільшого температура за шкалою Цельсія позначається маленькою латинською літерою t.

За шкалою Фаренгейта

замерзання і кипіння води розділяють 180 °F. Один градус за Фаренгейтом дорівнює 5/9 кельвіна або градуса Цельсія. Вода замерзає за 32 °F, а кипить за 212 °F.

Існували також інші системи вимірювання температури, які тепер вийшли з ужитку, такі як

• шкала Ранкіна
• шкала Деліля
• шкала Ньютона
• шкала Реомюра
• шкала Ремера

Формули для визначення відповідності між основними шкалами:

За Цельсієм${\displaystyle \Longleftrightarrow }$ за Кельвіном${\displaystyle \Longleftrightarrow }$ за Фаренгейтом:

${\displaystyle {\frac {T_{Celsius}-0}{100}}={\frac {T_{Kelvin}-273,15}{100}}={\frac {T_{Fahrenheit}-32}{180}}\,}$

За Цельсієм${\displaystyle \Longleftrightarrow }$ за Реомюром${\displaystyle \Longleftrightarrow }$ за Ранкіном:

${\displaystyle {\frac {T_{Celsius}-0}{100}}={\frac {T_{Reaumur}-0}{80}}={\frac {T_{Rankine}-32-459,67}{180}}\,}$

За Кельвіном${\displaystyle \Longleftrightarrow }$ за Цельсієм:

${\displaystyle T_{Celsius}=T_{Kelvin}-273,15\,}$

${\displaystyle T_{Kelvin}=T_{Celsius}+273,15\,}$

За Кельвіном${\displaystyle \Longleftrightarrow }$ за Фаренгейтом:

${\displaystyle T_{Fahrenheit}={\frac {9}{5}}\cdot T_{Kelvin}-459,67}$

${\displaystyle T_{Kelvin}={\frac {5}{9}}\cdot (T_{Fahrenheit}+459,67)}$

За Цельсієм${\displaystyle \Longleftrightarrow }$ за Фаренгейтом:

${\displaystyle T_{Fahrenheit}=32+{\frac {9}{5}}\cdot T_{Celsius}}$

${\displaystyle T_{Celsius}={\frac {5}{9}}\cdot (T_{Fahrenheit}-32)}$

Зіставлення температурних шкал

¹ За шкалою Фаренгейта традиційно нормальною температурою людського тіла вважається 98,6 °F, а отже термометри враховують цю неточність.

² Деякі значення були заокруглені.

Слово «температура» виникло в часи, коли люди вважали, що в більш нагрітих тілах міститься більша кількість особливої речовини — теплецю, ніж в менш нагрітих. Тому температура сприймалась як міцність суміші тіла і теплецю. Внаслідок цього одиниці вимірювання міцності спиртних напоїв та температури називаються однаково — градусами.

• Найвища температура, досягнута за участі людини, ~ 10 трлн К (що є порівнянним з температурою Всесвіту у перші секунди його існування) була досягнута у 2010 році під час зіткнення іонів свинцю, прискорених до світлових швидкостей. Експеримент було проведено на Великому адронному колайдері^[10].
• Найвища теоретично можлива температура — планківська температура. Вища температура за сучасними фізичними уявленнями не може існувати, оскільки надання додаткової енергії системі, нагрітої до такої температури, не збільшує швидкості частинок, а лише породжує у зіткненнях нові частки, за цієї обставини кількість частинок у системі зростає й зростає маса системи. Вище за планківську температуру гравітаційні сили між частинками стають порівняними із силами решти фундаментальних взаємодій. Можна вважати, що це температура «кипіння» фізичного вакууму. Вона приблизно дорівнює 1.41679(11)× 10³² K (~ 142 нонільйони K).
• Поверхня Сонця має температуру близько 6000 K, а сонячне ядро — близько 15 000 000 K.
• Найнижча температура, яка досягнута людиною, була отримана у 1995 році Еріком Корнеллом та Карлом Віманом із США під час охолодження атомів рубідію^[11][12]. Вона перевищувала абсолютний нуль менше ніж на 1/170 мільярдну частку кельвіна (5,9× 10⁻¹² K).
• Рекордно низьку температуру на поверхні Землі −89.2 °С було зареєстровано на радянській внутрішньоконтинентальній науковій станції «Восток», Антарктида (висота розташування 3488 м над рівнем моря) 21 червня 1983 року^[13][14].
• 9 грудня 2013 року на конференції Американського геофізичного союзу група американських дослідників повідомила про те, що 10 серпня 2010 року температура повітря в одній з точок Антарктиди опускалась до −135,8 °F (-93,2 °С). Цю інформацію було отримано за результатами аналізу супутникових даних НАСА^[15]. На думку автора повідомлення Т. Скамбоса (англ. Ted Scambos) отримане значення не підлягає реєстрації як рекордне, оскільки визначене у результаті супутникових вимірювань, а не за допомогою термометра^[16].
• Рекордно високу температуру повітря поблизу земної поверхні +56,7 ˚C було зареєстровано 10 липня 1913 року на ранчо Грінленд у долині Смерті (штат Каліфорнія, США). За іншими даними рекорд максимальної температури повітря на Землі в тіні досягнув позначки +72 °С в Іранській пустелі Деште-Лут в 2005 році.^[17][18].
• Насіння наземних рослин зберігають здатність проростати навіть після охолодження до −269 °C (наприклад мохи, папоротеподібні).

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1 // Теоретическая физика. — М. : Физматлит, 2005. — Т. 5. — 616 с. — ISBN 5-9221-0054-8.
• Вукалович М. П., Новиков И. И. Техническая термодинамика. — М. : Энергия, 1968. — 497 с.
• Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механик / Отв. ред. Д. Н. Зубарев. — М. : Наука, 1982. — 584 с. — (Классики науки)
• Гухман А. А. Об основаниях термодинамики. — М. : Энергоатомиздат, 1986. — 384 с.
• Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Теория поля и вариационные принципы. — М. : Мир, 1974. — 304 с.
• Залевски К. Феноменологическая и статистическая термодинамика: Краткий курс лекций / Пер. с польск. под. ред. Л. А. Серафимова. — М. : Мир, 1973. — 168 с.
• Зоммерфельд А. Термодинамика и статистическая физика / Пер. с нем. — М. : Изд-во иностр. лит-ры, 1955. — 480 с.
• Клаузиус Р. Механическая теория тепла // Второе начало термодинамики. — М.—Л.: Гостехиздат, 1934, с. 70—158.
• Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М. : Большая Российская энциклопедия, 1998. — 741 с..
• Белоконь Н. И. Термодинамика. — М. : Госэнергоиздат, 1954.
• Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — М. : Недра, 1968.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — М. : ФИЗМАТЛИТ, 2005. — ISBN 5-9221-0601-5.
• Базаров И. П. Термодинамика. — М. : Высшая школа, 1991. — ISBN 5-06-000626-3.

• Температура; Температурні шкали // Універсальний словник-енциклопедія. — 4-те вид. — К. : Тека, 2006.