Әр адам күн сайын температура ұғымымен бетпе-бет келеді. Бұл термин біздің күнделікті өмірімізге мықтап енді: біз тағамды микротолқынды пеште қыздырамыз немесе пеште тамақ пісіреміз, бізді сырттағы ауа-райы қызықтырады немесе өзендегі судың суық екенін білеміз - мұның бәрі осы ұғыммен тығыз байланысты. Ал температура дегеніміз не, бұл физикалық параметр нені білдіреді, ол қандай жолмен өлшенеді? Осы және басқа сұрақтарға мақалада жауап береміз.
Физикалық шама
Термодинамикалық тепе-теңдіктегі оқшауланған жүйе тұрғысынан температураның қандай екенін қарастырайық. Термин латын тілінен шыққан және «дұрыс араластыру», «қалыпты жағдай», «пропорционалдық» дегенді білдіреді. Бұл шама кез келген макроскопиялық жүйенің термодинамикалық тепе-теңдік күйін сипаттайды. Оқшауланған жүйе тепе-теңдік күйінен шыққан жағдайда, уақыт өте келе энергияның көп қызатын заттардан азырақ қыздырылғанға ауысуы жүреді. Нәтиже - бүкіл жүйедегі температураның теңестірілуі (өзгеруі). Бұл термодинамиканың бірінші постулаты (нөлдік принцип).
Температура анықтайдыжүйені құрайтын бөлшектердің энергия деңгейлері мен жылдамдықтары бойынша таралуы, заттардың иондану дәрежесі, денелердің тепе-теңдік электромагниттік сәулеленуінің қасиеттері, сәулеленудің жалпы көлемдік тығыздығы. Термодинамикалық тепе-теңдікте тұрған жүйе үшін аталған параметрлер тең болғандықтан, олар әдетте жүйенің температурасы деп аталады.
Плазма
Тепе-теңдік денелерден басқа, күй бір-біріне тең емес бірнеше температуралық мәндермен сипатталатын жүйелер бар. Плазма - жақсы мысал. Ол электрондардан (жеңіл зарядталған бөлшектер) және иондардан (ауыр зарядталған бөлшектер) тұрады. Олар соқтығысқан кезде энергия электроннан электронға және ионнан ионға жылдам ауысады. Бірақ гетерогенді элементтер арасында баяу ауысу жүреді. Плазма электрондар мен иондар жеке тепе-теңдікке жақын болатын күйде болуы мүмкін. Бұл жағдайда бөлшектердің әр түрі үшін бөлек температураларды алуға болады. Дегенмен, бұл параметрлер бір-бірінен ерекшеленеді.
Магниттер
Бөлшектерінің магниттік моменті бар денелерде энергияның берілуі әдетте баяу жүреді: ілгерілемелістен магниттік еркіндік дәрежесіне дейін, олар моменттің бағыттарын өзгерту мүмкіндігімен байланысты. Дене кинетикалық параметрмен сәйкес келмейтін температурамен сипатталатын күйлер бар екен. Ол элементар бөлшектердің ілгерілемелі қозғалысына сәйкес келеді. Магниттік температура ішкі энергияның бір бөлігін анықтайды. Бұл оң немесе болуы мүмкінтеріс. Түзету процесі кезінде энергия мәні жоғары бөлшектерден температура мәні төмен бөлшектерге, егер олардың екеуі де оң немесе теріс болса, тасымалданады. Әйтпесе, бұл процесс қарама-қарсы бағытта жүреді – теріс температура оңға қарағанда «жоғары» болады.
Бұл не үшін қажет?
Парадокс мынада: қарапайым адам күнделікті өмірде де, өндірісте де өлшеу процесін жүргізу үшін температураның қандай екенін білудің де қажеті жоқ. Оның бұл заттың немесе қоршаған ортаның жылыту дәрежесі екенін түсіну жеткілікті болады, әсіресе біз бұл терминдермен бала кезімізден таныс болғандықтан. Шынында да, осы параметрді өлшеуге арналған практикалық құрылғылардың көпшілігі іс жүзінде қыздыру немесе салқындату деңгейіне байланысты өзгеретін заттардың басқа қасиеттерін өлшейді. Мысалы, қысым, электр кедергісі, көлем және т.б.. Әрі қарай, мұндай көрсеткіштер қолмен немесе автоматты түрде қажетті мәнге түрлендіріледі.
Температураны анықтау үшін физиканы оқудың қажеті жоқ екен. Біздің планета тұрғындарының көпшілігі осы қағида бойынша өмір сүреді. Теледидар қосулы болса, жартылай өткізгіш құрылғылардың өтпелі процестерін түсінудің, розеткадан электр тогының қайдан келетінін немесе спутниктік антеннаға сигналдың қалай келетінін зерттеудің қажеті жоқ. Адамдар әр салада жүйені түзететін немесе жөндеуге болатын мамандар бар екеніне үйренген. Қарапайым адам миын ауыртқысы келмейді, өйткені «қораптағы» сериалды немесе футболды жұтып отырғанда көрген жақсысуық сыра.
Білгім келеді
Бірақ адамдар бар, көбіне студенттер, олар өздерінің қызығушылығынан немесе қажеттіліктен физиканы оқуға және шын мәнінде температураның қандай екенін анықтауға мәжбүр болады. Нәтижесінде, олар өздерінің ізденістері кезінде термодинамиканың жабайы табиғатына түсіп, оның нөлдік, бірінші және екінші заңдарын зерттейді. Сонымен қатар, ізденімпаз ақыл Карно циклдары мен энтропияны түсінуі керек. Ал өз сапарының соңында ол жұмысшы заттың түріне байланысты емес қайтымды жылу жүйесінің параметрі ретінде температураны анықтау бұл ұғымның сезіміне айқындық қоспайтынын сөзсіз мойындайды. Және бәрібір, көрінетін бөлік халықаралық бірліктер жүйесі (SI) қабылдаған кейбір дәрежелер болады.
Температура кинетикалық энергия ретінде
Молекулярлық-кинетикалық теория деп аталатын әдіс неғұрлым «материалды» болып табылады. Ол жылу энергия түрлерінің бірі ретінде қарастырылады деген ойды қалыптастырады. Мысалы, молекулалар мен атомдардың кинетикалық энергиясы, кездейсоқ қозғалатын бөлшектердің үлкен саны бойынша орташа алынған параметр, әдетте дене температурасы деп аталатын өлшем болып шығады. Осылайша, қыздырылған жүйенің бөлшектері суыққа қарағанда жылдамырақ қозғалады.
Қарастырылып отырған термин бөлшектер тобының орташа кинетикалық энергиясымен тығыз байланысты болғандықтан, температура бірлігі ретінде джоульді пайдалану әбден заңды болар еді. Алайда бұл болмайды, бұл элементардың жылулық қозғалысының энергиясымен түсіндіріледібөлшектер джоульге қатысты өте аз. Сондықтан оны пайдалану ыңғайсыз. Жылулық қозғалыс арнайы түрлендіру коэффициенті арқылы джоульден алынған бірліктермен өлшенеді.
Температура бірліктері
Бүгінгі таңда бұл параметрді көрсету үшін үш негізгі бірлік пайдаланылады. Біздің елде температура әдетте Цельсий градусымен өлшенеді. Бұл өлшем бірлігі судың қату нүктесіне негізделген - абсолютті мән. Ол бастапқы нүкте. Яғни, мұз қалыптаса бастаған судың температурасы нөлге тең. Бұл жағдайда су үлгілі шара ретінде қызмет етеді. Бұл конвенция ыңғайлы болу үшін қабылданған. Екінші абсолютті мән - бу температурасы, яғни судың сұйық күйден газ күйіне ауысу сәті.
Келесі бірлік – Кельвин. Бұл жүйенің тірек нүктесі абсолютті нөлдік нүкте болып саналады. Сонымен, бір градус Кельвин Цельсий бойынша бір градусқа тең. Айырмашылық кері санаудың басы ғана. Кельвиндегі нөл минус 273,16 Цельсий градусына тең болады. 1954 жылы Салмақтар мен өлшемдер жөніндегі Бас конференцияда температура бірлігі үшін «Кельвин дәрежесі» терминін «кельвинге» ауыстыру туралы шешім қабылданды.
Үшінші ортақ өлшем бірлігі - Фаренгейт. 1960 жылға дейін олар ағылшын тілінде сөйлейтін барлық елдерде кеңінен қолданылды. Дегенмен, бүгінде Америка Құрама Штаттарында бұл құрылғыны күнделікті өмірде пайдаланады. Жүйе жоғарыда сипатталғандардан түбегейлі ерекшеленеді. Бастапқы нүкте ретінде алынған1:1:1 қатынасында тұз, аммиак және су қоспасының қату температурасы. Сонымен, Фаренгейт шкаласы бойынша судың қату температурасы плюс 32 градус, қайнау температурасы плюс 212 градус. Бұл жүйеде бір градус осы температуралар арасындағы айырмашылықтың 1/180 бөлігіне тең. Сонымен, Фаренгейттің 0-ден +100 градусқа дейінгі диапазоны -18 мен +38 Цельсий диапазонына сәйкес келеді.
Абсолютті нөлдік температура
Бұл параметрдің нені білдіретінін түсінейік. Абсолюттік нөл – белгіленген көлемде идеал газдың қысымы жойылатын шекті температура. Бұл табиғаттағы ең төменгі мән. Михайло Ломоносов болжағандай, «бұл суықтың ең үлкен немесе соңғы дәрежесі». Бұдан Авогадроның химиялық заңы шығады: бірдей температура мен қысымдағы бірдей көлемдегі газдарда молекулалар саны бірдей болады. Бұдан не шығады? Газдың қысымы немесе көлемі жойылатын минималды температурасы бар. Бұл абсолютті мән нөл Кельвинге немесе Цельсий бойынша 273 градусқа сәйкес келеді.
Күн жүйесі туралы кейбір қызықты деректер
Күн бетіндегі температура 5700 Кельвинге, ал ядроның ортасында 15 миллион Кельвинге жетеді. Күн жүйесінің планеталары бір-бірінен қызу деңгейі бойынша өте ерекшеленеді. Сонымен, біздің Жердің ядросының температурасы Күннің бетіндегі температурамен бірдей. Юпитер ең ыстық планета болып саналады. Оның ядросының орталығындағы температура Күннің бетіндегіден бес есе жоғары. Міне, параметрдің ең төменгі мәніайдың бетінде жазылған - бұл бар болғаны 30 кельвин болды. Бұл мән Плутон бетіндегіден де төмен.
Жер фактілері
1. Адамның ең жоғары температурасы Цельсий бойынша 4 миллиард градус болды. Бұл көрсеткіш Күн ядросының температурасынан 250 есе жоғары. Рекордты Нью-Йорк Брукхавен табиғи зертханасы ұзындығы шамамен 4 шақырым болатын иондық коллайдерде орнатты.
2. Біздің планетамыздағы температура да әрқашан қолайлы және қолайлы емес. Мысалы, Якутияның Верхноянск қаласында қыста ауа температурасы минус 45 градусқа дейін төмендейді. Бірақ Эфиопияның Даллол қаласында жағдай керісінше. Онда жылдық орташа температура плюс 34 градус.
3. Адамдар жұмыс істейтін ең төтенше жағдайлар Оңтүстік Африкадағы алтын кеніштерінде тіркелген. Кеншілер үш шақырым тереңдікте 65 градус Цельсий температурасында жұмыс істейді.
