Temperatura w fizyce
Temperatura - co to jest? Jaka jest definicja temperatury? Czym jest równowaga termodynamiczna?
1. Temperatura. Definicja
Temperatura jest podstawową wielkością charakteryzującą zjawiska cieplne. Jest to jeden z głównych parametrów fizycznych, cechujący stan układu termodynamicznego. Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej, powstałej na skutek drgań i ruchu wszystkich cząsteczek wchodzących w skład danego układu.
Zależy od ruchu i drgań cząsteczek, z których złożone jest ciało. Temperatura rośnie, kiedy wzrasta energia tych ruchów. Ruch może być związany z przemieszczaniem się cząsteczki oraz z drganiami atomów.
Przykładowo prędkość atomów w ruchu termicznym w temperaturze zbliżonej do pokojowej, jest duża, ale już w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego prędkość osiąga minimalne wartości.
Temperatura to jedna z siedmiu podstawowych wielkości układu jednostek SI, czyli Międzynarodowego Układu Jednostek Miar, który został znormalizowany w 1960 roku.
Podstawową jednostką temperatury w układzie SI jest Kelvin – powszechnie stosuje się również skale Celsjusza i Fahrenheita.
## Równowaga termodynamiczna
Według definicji Jamesa Clerka Maxwella (1831 – 1879), szkockiego fizyka i matematyka, temperatura ciała jest jego stanem cieplnym rozpatrywanym w odniesieniu do jego zdolności przekazywania ciepła innym ciałom.
Na czym to polega, możemy doświadczyć poprzez dotknięcie lub zbliżenie się do przedmiotów, lub ciał materialnych. Gdy dwa ciała o różnej temperaturze się zbliżą, zachodzi zjawisko przekazywania energii z obiektu o wyższej temperaturze do obiektu z niższą temperaturą.
Przekazywanie odbywa się do momentu wyrównania temperatury u obu obiektów. Takie zjawisko nazywa się równowagą termodynamiczną. Dobrym przykładem tego zjawiska jest przytulanie zmarzniętej osoby. Jest to nic innego jak przekazywanie jej ciepła.
2. Rozszerzalność temperaturowa substancji
Rozszerzalność temperaturowa ciał stałych jest zjawiskiem polegającym na wzroście objętości ciała wraz ze wzrostem temperatury.
Podnosząc temperaturę jakiegoś przedmiotu, powodujemy ruch cząsteczek, z których zbudowane jest to ciało. Im wyższa temperatura, tym ruch jest gwałtowniejszy, co powoduje, że atomy "rozpychają" się, oddalając się od siebie. Skutkiem tego jest zwiększenie objętości ciała.
Rozszerzalność temperaturową substancji możemy zobaczyć, obserwując druty linii wysokiego napięcia – w zimie są one naprężone między słupami. Z kolei latem zwisają luźno.
3. Rozszerzalność temperaturowa gazów
Gazy są najbardziej podatne na zjawisko rozszerzalności temperaturowej ze względu na ich budowę.
W gazach ruch cząsteczek jest szybki, a oddziaływania międzycząsteczkowe bardzo słabe. Podniesienie temperatury gazu spowoduje jeszcze szybszy ruch cząsteczek i zwiększenie odległości między nimi.
Dlatego na opakowaniach aerozoli lub gazów zawsze widnieje ostrzeżenie przed przegrzaniem. Ogrzany gaz, zwiększając swoją objętość, mógłby spowodować eksplozję pojemnika.
4. Rozszerzalność temperaturowa cieczy
Rozszerzalność cieplna wpływa na ciecze tak samo, jak na ciała stałe oraz gazy. Pod wpływem rosnącej temperatury ciecz będzie zwiększać swoją objętość.
Sztandarowym i powszechnym przykładem wykorzystania tego zjawiska jest termometr cieczowy. Im wyższa temperatura, tym objętość alkoholu w termometrze rośnie, wskazując coraz wyższe wartości.
5. Pomiar temperatury
Temperatura to jedna z siedmiu podstawowych wielkości układu jednostek SI, czyli Międzynarodowego Układu Jednostek Miar, który został znormalizowany w 1960 roku.
Proces definiowania skali temperatur odbywa się w odniesieniu do pewnego powtarzalnego oraz zależnego od temperatury zjawiska fizycznego, któremu przypisuje się pewną wartość temperatury. Przykładem takiego zjawiska może być stała temperatura zamarzania lub topnienia.
Takie zjawisko fizyczne nosi nazwę stałego punktu standardowego. Przykładem takiego punktu jest punkt potrójny wody, czyli kiedy trzy stany skupienia woda, lód i para są w równowadze w temperaturze 0,01 st. Celsjusza lub 273,15 Kelwina i ciśnieniu 611,73 Pa.
Temperatura punktu potrójnego została ustalona na mocy międzynarodowego i jest wykorzystywana do kalibracji termometrów. Na świecie w głównie używa się trzy skale do pomiaru temperatur - Kelvin, Celsjusz, Fahrenheit.