Harorat (Temperatura)

Harorat - bu issiqlik va sovuqlikni miqdoriy jihatdan ifodalovchi fizik miqdor. Harorat termometr yordamida oʻlchanadi .

Termometrlar turli xil harorat shkalalarida sozlanadi, ular tarixan aniqlash uchun turli mos yozuvlar nuqtalari va termometrik moddalarga tayangan. Eng keng tarqalgan shkalalar birlik belgisi boʻlgan Selsiy shkalasi °C (avval santigrad deb ataladigan), Farengeyt shkalasi (°F) va Kelvin shkalasi (K), ikkinchisi asosan ilmiy maqsadlarda qoʻllanadi. Kelvin Xalqaro birliklar tizimidagi (SI) ettita asosiy birlikdan biri hisoblanadi.

Mutlaq nol, yaʼni nol kelvin yoki -273,15 °C, termodinamik harorat shkalasidagi eng past nuqta hisoblanadi. Eksperimental ravishda, termodinamikaning uchinchi qonunida taʼkidlanganidek, unga juda yaqin yondashish mumkin, lekin aslida erishilmaydi. Bunday haroratda tanadan issiqlik sifatida energiya olish mumkin emas.

Harorat tabiiy fanlarning barcha sohalarida, jumladan fizika, kimyo, astronomiya, tibbiyot, biologiya, ekologiya, materialshunoslik, metallurgiya, mashinasozlik va geografiya, shuningdek, kundalik hayotning koʻpgina jabhalarida muhim ahamiyatga ega.

Effektlar

Inson tanasi haroratining o'rtacha kunlik o'zgarishi

Koʻpgina fizik jarayonlar harorat bilan bogʻliq boʻladi; ulardan baʼzilari quyida keltirilgan:

faza ( qattiq, suyuq, gazsimon yoki plazma ), zichlik, eruvchanlik, bug 'bosimi, elektr o'tkazuvchanligi, qattiqlik, aşınma qarshilik, issiqlik o'tkazuvchanligi, korroziyaga chidamlilik, kuch, jumladan, materiallarning fizik xususiyatlari;
kimyoviy reaksiyalarning tezligi va darajasi ^[1]
jism yuzasidan chiqadigan termal nurlanish miqdori va xossalari
havo harorati barcha tirik organizmlarga ta'sir qiladi
gazdagi mutlaq haroratning kvadrat ildiziga mutanosib bo'lgan tovush tezligi ^[2]

Shkalalar

Ikkita termometr haroratni Selsiy va Farengeytda ko'rsatadi

Tselsiy shkalasi (°C) dunyoning aksariyat mamlakatlarida umumiy haroratni oʻlchash uchun ishlatiladi. Bu tarixan rivojlangan empirik shkala boʻlib, uning nol nuqtasi 7002273149999999999♠0 °C ga olib keldi. 7002273149999999999♠0 °C suvning muzlash nuqtasi sifatida belgilanadi va 7002373150000000000♠100 °C suvning qaynash nuqtasi sifatida, ham dengiz sathida atmosfera bosimida. 100 graduslik interval tufayli u santigrad shkalasi deb ataldi. ^[3] Kelvin xalqaro birliklar tizimida standartlashtirilgandan beri u Kelvin shkalasi boʻyicha ekvivalent nuqtalar nuqtai nazaridan qayta aniqlandi, shuning uchun haroratning bir daraja Selsiyga koʻtarilishi bir kelvin oʻsishi bilan bir xil boʻladi. Raqamli shkalalar 273,15 ga aniq ofset bilan farqlanadi.

Farengeyt shkalasi Amerika Qoʻshma Shtatlarda keng tarqalgan. Suv 7002273149999999999♠32 °F da muzlaydi7002273149999999999♠32 °F va 7002373150000000000♠212 °F da qaynatiladi7002373150000000000♠212 °FDengiz darajasidagi atmosfera bosimida 7002373150000000000♠212 °F .

Mutlaq nol

Mutlaq nol haroratda materiyadan issiqlik sifatida hech qanday energiya olib tashlanishi mumkin emas, bu termodinamikaning uchinchi qonunida ifodalangan. Bu haroratda moddada makroskopik issiqlik energiyasi mavjud emas, lekin noaniqlik printsipi tomonidan bashorat qilinganidek, kvant-mexanik nol nuqta energiyasiga ega, garchi bu mutlaq harorat taʼrifiga kirmaydi. Eksperimental ravishda mutlaq nolga faqat juda yaqin yondashish mumkin; unga hech qachon erishib boʻlmaydi (tajriba natijasida erishilgan eng past harorat 38 ga teng). pK). ^[4] Nazariy jihatdan, mutlaq nol haroratdagi jismda uning zarralarining barcha klassik harakati toʻxtagan va ular bu klassik maʼnoda toʻliq harakat qila olmaydilar. Mutlaq nol, 5000000000000000000♠0 K sifatida belgilangan 5000000000000000000♠0 K, aynan 5000000000000000000♠−273.15 °C ga teng5000000000000000000♠−273.15 °C yoki 5000000000000000000♠−459.67 °F .

Kelvin shkalasi

Koʻpgina ilmiy oʻlchovlar Kelvin harorat shkalasidan foydalanadi (birlik belgisi: K), uni birinchi marta aniqlagan fizik sharafiga nomlangan. Bu mutlaq o'lchovdir. Uning raqamli nol nuqtasi, 5000000000000000000♠0 K, haroratning mutlaq nol darajasida. 2019-yil may oyidan boshlab kelvin zarralar kinetik nazariyasi va statistik mexanika orqali aniqlandi. Xalqaro birliklar tizimida (SI) kelvinning kattaligi Boltsman doimiyligi bo'yicha aniqlanadi, uning qiymati xalqaro konventsiya bilan belgilanadi. ^[5] ^[6]

Empirik shkalalar

Empirik asoslangan harorat oʻlchovlari toʻgʻridan-toʻgʻri materiallarning oddiy makroskopik fizik xususiyatlarini oʻlchashga tayanadi. Misol uchun, shisha devorli kapillyar naychada joylashgan simob ustunining uzunligi asosan haroratga bogʻliq va juda foydali simobli shisha termometrining asosi hisoblanadi. Bunday tarozilar faqat qulay harorat oraligʻida amal qiladi. Misol uchun, simobning qaynash nuqtasidan yuqorida, simobli shisha termometrni qoʻllash mumkin emas. Koʻpgina materiallar haroratning oshishi bilan kengayadi, lekin baʼzi materiallar, masalan, suv, haroratning maʼlum bir diapazonda oshishi bilan qisqaradi va keyinchalik ular termometr sifatida deyarli qoʻllanilmaydi. Materialdan oʻzining faza oʻzgarishi haroratidan biriga, masalan, qaynash nuqtasiga yaqin termometr sifatida foydalanilmaydi.

Nazariy koʻrsatgichlar

Nazariy jihatdan asoslangan harorat shkalalari bevosita nazariy dalillarga, ayniqsa kinetik nazariya va termodinamika qonunlariga asoslangan. Ular amaliy jihatdan mumkin boʻlgan fizik qurilmalar va materiallarda koʻproq yoki kamroq ideal tarzda amalga oshiriladi. Nazariy jihatlarga asoslangan harorat oʻlchovlari amaliy empirik asoslangan termometrlar uchun sozlash standartlarini taʼminlash uchun ishlatiladi.

Ideal gaz

Makroskopik jihatdan aniqlangan harorat shkalasi asoslanishi mumkin boʻlgan material ideal gazdir. Ideal gazning qattiq hajmi va massasi tomonidan taʼsir qiladigan bosim uning haroratiga toʻgʻridan-toʻgʻri proportsionaldir. Baʼzi tabiiy gazlar mos harorat oraligʻida shunchalik deyarli ideal xususiyatlarga egaki, ular termometriya uchun ishlatilishi mumkin; bu termodinamikaning rivojlanishi davrida muhim boʻlgan va bugungi kunda ham amaliy ahamiyatga ega. Biroq, ideal gaz termometri nazariy jihatdan termodinamika uchun mukammal emas. Buning sababi shundaki, ideal gazning mutlaq nol haroratidagi entropiyasi musbat yarim aniq miqdor emas, bu gazni termodinamikaning uchinchi qonunini buzishga olib keladi. Haqiqiy materiallardan farqli oʻlaroq, ideal gaz qanchalik sovuq boʻlishidan qatʼi nazar, suyuqlanmaydi va qotib qolmaydi. Shu bilan bir qatorda fikrlash, ideal gaz qonuni, cheksiz yuqori harorat va nol bosim chegarasiga ishora qiladi; bu shartlar tarkibiy molekulalarning interaktiv boʻlmagan harakatlarini ifoda etadi.

Agar issiqlik sigʻimi aniq belgilangan miqdordagi modda uchun oʻlchanadigan boʻlsa, oʻziga xos issiqlik bunday birlik miqdorining haroratini bir birlik haroratga oshirish uchun zarur boʻladigan issiqlik miqdori oʻlchovidir. Masalan, suv haroratini bir kelvinga (bir daraja Selsiyga teng) oshirish uchun har bir kilogramm (J/kg) 4186 joul energiya kerak boʻladi.

Oʻlchov

Selsiy bo'yicha odatiy termometr qishki kunning harorati −17 °C ni o'lchaydi.

Tarixiy oʻlchovlar

Kelvin shkalasi
Tselsiy shkalasi
Farengeyt shkalasi
Rankine shkalasi
Delisle shkalasi
Nyuton shkalasi
Réaumur shkalasi
Romer shkalasi

Gazlarning kinetik nazariyasi

Maksvell va Boltsman kinetik nazariyani ishlab chiqadi, bu esa gazlardagi haroratni tubdan tushunish imkonini beradi. ^[7] Bu nazariya, shuningdek, ideal gaz qonunini va bir atomli (yoki "asl" ) gazlarning kuzatilgan issiqlik sigʻimini tushuntiradi. ^[8] ^[9] ^[10]

Mutlaq nolga ekstrapolyatsiya qilingan uch xil gaz namunalari uchun bosim va harorat grafigi

Ideal gaz qonuni bosim ( p ), hajm ( V ) va harorat ( T ) oʻrtasidagi kuzatilgan empirik munosabatlarga asoslanadi va gazlarning kinetik nazariyasi ishlab chiqilishidan ancha avval tan olingan (qarang Boyl va Charlz qonunlari). Ideal gaz qonunida aytiladi: ^[11]

pV=nRT,

E_{\text{k}}={\frac {1}{2}}mv_{\text{rms}}^{2}={\frac {3}{2}}k_{\text{B}}T,

Eslatmalar va havolalar

↑ Agency, International Atomic Energy. Thermal discharges at nuclear power stations: their management and environmental impacts: a report prepared by a group of experts as the result of a panel meeting held in Vienna, 23–27 October 1972. International Atomic Energy Agency, 1974.
↑ Watkinson, John. The Art of Digital Audio. Taylor & Francis, 2001. ISBN 978-0-240-51587-8.
↑ Middleton, W.E.K. (1966), pp. 89–105.
↑ Joanna Thompson. „Scientists just broke the record for the coldest temperature ever recorded in a lab“ (en). livescience.com (2021-yil 14-oktyabr). Qaraldi: 2023-yil 28-aprel.
↑ Cryogenic Society (Wayback Machine saytida 2020-11-07 sanasida arxivlangan) (2019).
↑ Draft Resolution A "On the revision of the International System of Units (SI)" to be submitted to the CGPM at its 26th meeting (2018) (PDF), 2018-04-29da asl nusxadan (PDF) arxivlandi, qaraldi: 2019-10-20
↑ Swendsen, Robert (March 2006). "Statistical mechanics of colloids and Boltzmann's definition of entropy". American Journal of Physics 74 (3): 187–190. doi:10.1119/1.2174962. Archived from the original on 2020-02-28. https://web.archive.org/web/20200228234741/https://pdfs.semanticscholar.org/ff7b/6750c54750d9b13fa4d9adaeaf4b046bc7e6.pdf.
↑ Balescu, R. (1975). Equilibrium and Nonequilibrium Statistical Mechanics, Wiley, New York, ISBN 0-471-04600-0, pp. 148–154.
↑ Kittel, Charles. Thermal Physics, 2nd, W.H. Freeman Company, 1980 — 391–397-bet. ISBN 978-0-7167-1088-2.
↑ Kondepudi, D.K. (1987). "Microscopic aspects implied by the second law". Foundations of Physics 17 (7): 713–722. doi:10.1007/BF01889544.
↑ The Feynman Lectures on Physics. 39–5 The ideal gas law

[1] Agency, International Atomic Energy. Thermal discharges at nuclear power stations: their management and environmental impacts: a report prepared by a group of experts as the result of a panel meeting held in Vienna, 23–27 October 1972. International Atomic Energy Agency, 1974.

[2] Watkinson, John. The Art of Digital Audio. Taylor & Francis, 2001. ISBN 978-0-240-51587-8.

[3] Middleton, W.E.K. (1966), pp. 89–105.

[4] Joanna Thompson. „Scientists just broke the record for the coldest temperature ever recorded in a lab“ (en). livescience.com (2021-yil 14-oktyabr). Qaraldi: 2023-yil 28-aprel.

[Boltzmann_constant-5] Cryogenic Society (Wayback Machine saytida 2020-11-07 sanasida arxivlangan) (2019).

[draft-resolution-A-6] Draft Resolution A "On the revision of the International System of Units (SI)" to be submitted to the CGPM at its 26th meeting (2018) (PDF), 2018-04-29da asl nusxadan (PDF) arxivlandi, qaraldi: 2019-10-20

[7] Swendsen, Robert (March 2006). "Statistical mechanics of colloids and Boltzmann's definition of entropy". American Journal of Physics 74 (3): 187–190. doi:10.1119/1.2174962. Archived from the original on 2020-02-28. https://web.archive.org/web/20200228234741/https://pdfs.semanticscholar.org/ff7b/6750c54750d9b13fa4d9adaeaf4b046bc7e6.pdf.

[8] Balescu, R. (1975). Equilibrium and Nonequilibrium Statistical Mechanics, Wiley, New York, ISBN 0-471-04600-0, pp. 148–154.

[K&K_391_397-9] Kittel, Charles. Thermal Physics, 2nd, W.H. Freeman Company, 1980 — 391–397-bet. ISBN 978-0-7167-1088-2.

[10] Kondepudi, D.K. (1987). "Microscopic aspects implied by the second law". Foundations of Physics 17 (7): 713–722. doi:10.1007/BF01889544.

[11] The Feynman Lectures on Physics. 39–5 The ideal gas law

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]