Концепции современного естествознания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ



Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

Институт промышленного менеджмента, экономики и торговли

Направление «Менеджмент»







РЕФЕРАТ

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

на тему «Температура и её измерение»








Выполнил:
студент 1 курса
группы №137332/0004
Колодяжный Е. С.

 

Научный руководитель:
канд. физико-математических наук, доцент
Бабаева М. А.





Санкт-Петербург

2017

Содержание



Введение…………………………………………………………………………...3

1 Физический смысл понятия температуры. ……………………………………4

2 Термодинамическое определение температуры…………………..…………..4

   2.1 История термодинамического подхода……………………………………4

   2.2 Термодинамическое равновесие …………………………………………..5

3 Молекулярно – кинетическое определение температуры……………………6

4 Определение температуры в статистической физике………………………...7

5 Измерение температуры………………………………………………………..7

   5.1 История изобретения термометра………………………………………….8

   5.2 Современные термометры………………………………………………….9

6 Единицы измерения температуры……………………………………………..9

7 Температурные шкалы………………………………………………...………10

   7.1 Шкала Фаренгейта…………………………………………………..……..10

   7.2 Шкала Цельсия…………………………………………………………….10

   7.3 Абсолютная температура. Шкала температур Кельвина……………….11 

   7.4 Шкала Реомюра……………………………………………………………12

8 Сравнение температурных шкал…………………………………………..…12

Заключение……………………………………………………………………….13

Список используемых источников…………………………………………......14













Введение



Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тел.                В окружающем нас мире происходят различные явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел. Их называют тепловыми явлениями. Так, при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей; вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается и т. д. Степень нагретости тела, или его тепловое состояние, мы обозначаем словами «теплый», «холодный», «горячий». Для количественной оценки этого состояния и служит температура. 

Температура — один из макроскопических параметров системы. В физике тела, состоящие из очень большого числа атомов или молекул, называют макроскопическими. Размеры макроскопических тел во много раз превышают размеры атомов. Все окружающие тела — от стола или газа в воздушном шарике до песчинки — макроскопические тела. Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами. К ним относятся объем, давление, температура, концентрация частиц, масса, плотность и  т. д. Температура — один из важнейших макроскопических параметров системы. 

Если система находится в тепловом равновесии, то температура всех её частей одинакова. В противном случае в системе происходит передача энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым, приводящая к выравниванию температур в системе, и говорят о распределении температуры в системе или скалярном поле температур.







1 Физический смысл понятия температуры



Объясняет природу тепла кинетическая теория теплоты, согласно ей тепловые явления объясняются движением атомов, составляющих тела. Чем быстрее движутся атомы (выше их кинетическая энергия), тем выше температура тела. Температура —  мера средней кинетической энергии теплового движения молекул в веществе. Это физический смысл понятия температуры. С изменением средней кинетической энергии движения молекул тела изменяется степень его нагретости, а вместе с тем изменяются также физические свойства тела. При данной температуре кинетическая энергия каждой отдельной молекулы тела может значительно отличаться от его средней кинетической энергии. Поэтому понятие температуры является статистическим и применимо только к телу, состоящему из достаточно большого числа молекул; в применении к отдельной молекуле оно бессмысленно.

2 Термодинамическое определение температуры



Существование равновесного состояния называют первым исходным положением термодинамики. Вторым исходным положением термодинамики называют утверждение о том, что равновесное состояние характеризуется некоторой величиной, которая при тепловом контакте двух равновесных систем становится для них одинаковой в результате обмена энергией. Физическая величина, одинаковая для всех тел системы, находящихся в состоянии теплового равновесия, называется температурой этой системы.

2.1 История термодинамического подхода



В естествознании долго доминировала вещественная теория теплоты, которая связывала тепловые явления с протеканием от тела к телу особой невесомой жидкости - «теплорода». 

Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами. Однако позже в опытах было доказано, что тепловой жидкости – теплорода – не существует.

История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как стандартизированной шкалы у него еще не было.

2.2 Термодинамическое равновесие



Термодинамическим равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что не меняются объем и давление в системе, не происходят фазовые превращения, не меняется температура. Система, находящаяся в состоянии термодинамического равновесия, имеет стационарное температурное поле. Если в такой системе отсутствуют адиабатические (энергонепроницаемые) перегородки, то все части системы имеют одну и ту же температуру. Иначе говоря, равновесная температура термически однородной системы не зависит явно от времени. Однако микроскопические процессы при тепловом равновесии не прекращаются: скорости молекул меняются, они перемещаются, сталкиваются.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел — термодинамическая система — может находиться в различных состояниях теплового равновесия. В каждом из этих состояний температура имеет свое вполне определенное значение. Другие величины могут иметь разные (но постоянные) значения. Например, давление сжатого газа в баллоне будет отличаться от давления в помещении и при температурном равновесии всей системы тел в этом помещении.

Если два тела имеют одинаковую температуру, между ними не происходит теплообмен, если разную — теплообмен происходит, причем тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до полного выравнивания температур.

 Неравновесная система в общем случае имеет нестационарное температурное поле, в котором каждый элементарный объём среды имеет собственную неравновесную температуру, в явном виде зависящую от времени.

3 Молекулярно – кинетическое определение температуры



В молекулярно-кинетической теории показывается, что температура пропорциональна средней кинетической энергии частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия. 

«... мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться…»  

П. Л. Капица [3. С. 156]

4 Определение температуры в статистической физике



В статистической физике температура определяется как производная от энергии системы по её энтропии:

,

где S — энтропия, E — энергия термодинамической системы. Введённая таким образом величина T является одинаковой для различных тел при термодинамическом равновесии. 

5 Измерение температуры



Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдаёт ли живая ткань тепло или получает его. Живые существа способны воспринимать ощущения тепла и холода непосредственно, с помощью органов чувств. Однако точное определение температуры требует, чтобы температура измерялась объективно, с помощью приборов. Такие приборы называются термометрами  и измеряют так называемую эмпирическую температуру. Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (объема, давления и т.д.) от температуры. Термодинамические термометры — это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. В повседневной практике температуру обычно измеряют с помощью специальных приборов — контактных термометров. При измерении температуры термометр приводят в тепловой контакт с телом, температура которого измеряется, и после того, как установится тепловое равновесие (показания термометра перестанут меняться), считывается показание термометра. Тепловой контакт между термометром и телом должен быть достаточным, чтобы выравнивание температур происходило быстрее, также, ускорение выравнивания температур достигается снижением теплоёмкости термометра по сравнению с исследуемым телом, обычно, уменьшением размеров  термометра. Снижение теплоёмкости термометра  также меньше искажает результаты измерения, так как меньшая часть теплоты исследуемого тела отбирается или передаётся термометру. Идеальный термометр имеет нулевую теплоёмкость.

5.1 История изобретения термометра



В XVII веке воздушный термоскоп Галилея был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Э.Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании. Показания этого прибора не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.

Термометр современной формы, наиболее пригодной для бытового применения, с точной шкалой измерения создал немецкий физик Габриель Фаренгейт. В 1714 году Фаренгейт  разработал первый современный термометр — ртутный термометр с более точными измерениями. Известно, что ртуть расширяется или сжимается при изменении температуры. На шкале Фаренгейт обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32° – температура замерзания солевого раствора, 98,2° – температура тела человека, верхняя  212° – температура кипения воды. Это можно считать первым современным ртутным термометром со стандартизированной шкалой. Уже в середине XVIII века термометры  стали  предметом  торговли, и изготавливались они  ремесленниками.



5.2 Современные термометры

Простейшим видом термометра является обычный ртутный градусник, который сегодня имеется в каждом доме. Однако ртутные градусники, бывшие когда-то ярким открытием учёных, сегодня постепенно уходят в прошлое как небезопасные. В настоящее время в качестве альтернативы ртутным термометрам постепенно начинаются использоваться цифровые приспособления. Последние производят измерение температуры окружающей среды за счет работы встроенного электронного датчика. Что касается последних изобретений, ими являются одноразовые термополоски и бесконтактные  инфракрасные градусники. Измерение температуры при их помощи является очень удобным. Скорость измерения температуры такими термометрами очень высока. При этом возможная погрешность минимальна. Также на сегодняшний день известны термометры жидкостные, механические, электронные, оптические и газовые.



6 Единицы измерения температуры

Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (то есть в системе СИ в джоулях). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах. В Международной системе величин термодинамическая температура выбрана в качестве одной из семи основных физических величин системы. В Международной системе единиц (СИ) единица этой температуры — кельвин (K) — является одной из семи основных единиц СИ. В системе СИ и на практике используется также температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия (°С). Единицы по шкале Кельвина имеют тот же размер, как и у шкалы Цельсия, за исключением того, что шкала Кельвина устанавливает самую низкую возможную температуру 0.

7 Температурные шкалы

7.1 Шкала Фаренгейта

Градус  Фаренгейта (°F) — единица измерения температуры. Назван в честь немецкого учёного Габриеля Фаренгейта, предложившего в 1724 году шкалу для измерения температуры. Долгое время шкала Фаренгейта была основной в англоговорящих странах, но в конце 1960-х — начале 1970-х годов она была практически вытеснена шкалой Цельсия. Фаренгейт это стандарт, используемый для измерения температуры в США, Багамах, Белизе и Палау.

На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F, а точка кипения воды +212 °F (при нормальном атмосферном давлении). При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Диапазон 0°…+100° по шкале Фаренгейта примерно соответствует диапазону ?18°…+38° по шкале Цельсия. Ноль по шкале Фаренгейта определяется по температуре замерзания смеси воды, соли  и  нашатыря в соотношении 1:1:1 (соответствует примерно -17,8 °C). Нормальная температура человеческого тела по шкале Фаренгейта равна  +97,9 °F.



7.2 Шкала Цельсия

Вскоре после открытия Фаренгейта шведский астроном Андерс Цельсий в 1742 году озвучил свою шкалу, которая упоминается как Цельсия. Она делится на 100 градусов, отделяющих точку  кипения и замерзания. Оригинальный масштаб, установленный Цельсием  0°   в качестве точки кипения воды и 100°  в качестве точки замерзания, был изменен вскоре после изобретения шкалы и стал: 0° C – замерзания, 100° C – точка кипения.

Градус Цельсия (°C) — широко распространённая единица измерения температуры, применяется в большинстве стран мира кроме США.

Первоначальное определение градуса Цельсия зависело от определения стандартного атмосферного давления, потому что и температура кипения воды, и температура таяния льда зависят от давления. Это не очень удобно для стандартизации единицы измерения. Поэтому после принятия кельвина (K), в качестве основной единицы измерения температуры, определение градуса Цельсия было пересмотрено.

Согласно современному определению, градус Цельсия равен одному кельвину (K), а ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. 



7.3 Абсолютная температура. Шкала температур Кельвина

Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином) в 1848 году, в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры — кельвин (К).

Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры — абсолютный ноль, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.

Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно ?273,15 °C и ?459,67 °F.

Шкала температур Кельвина — это шкала, в которой начало отсчёта ведётся от абсолютного нуля. Шкала Кельвина широко используется в научных приложениях. Используемые в быту температурные шкалы — как Цельсия, так и Фаренгейта — не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Для таких случаях используют абсолютную шкалу температур.

7.4 Шкала Реомюра

Предложена в 1730 году французским физиком Р. А. Реомюром, который описал изобретённый им спиртовой термометр. В настоящее время шкала вышла из употребления, дольше всего она сохранялась во Франции, на родине автора.

Единица — градус Реомюра (°Re), 1 °Re равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °Re) и кипения воды (80 °Re). 1°Re = 1,25 °C.



8 Сравнение температурных шкал

Описание



Кельвин

Цельсий

Фаренгейт

Ранкин

Делиль  

Ньютон

Реомюр

Абсолютный нуль



0

?273,15

?459,67

0

559,725

?90,14

?218,52

Температура таяния смеси Фаренгейта (соль и лёд в равных количествах)



255,37

?17,78

0

459,67

176.67

?5,87

?14,22

Температура замерзания воды (нормальные условия)









273,15

0

32

491,67

150

0

0



















Средняя температура человеческого тела 



310,0

36,6

98,2

557,9

94.5

12.21

29,6

Температура кипения воды (нормальные условия)









373,15

100

212

671,67

0

33

80



















Плавление титана



1941

1668

3034

3494

?2352

550

1334

Солнце



5800

5526

9980

10440

?8140

1823

4421

Заключение



Температура оказывает существенное влияние на протекание жизненных процессов в организме и на его физиологическую активность. Физико-химической основой этого влияния является изменение скорости протекания химических реакций, благодаря которым происходит энтропическое превращение всех видов энергии в тепловую. Температура изменяет скорость протекания физико-химических реакций в клетках, а это отражается на росте, развитии, поведении и размножении живых организмов. Также температура непосредственно влияет на скорость и характер протекания реакций обмена веществ в организмах. Согласно правилу Вант-Гоффа скорость химических реакций возрастает в 2-3 раза каждый раз при повышении температуры на 10°С, а по достижении оптимальной – начинает снижаться. При выходе изменений температуры за пределы выносливости организмов происходит их массовая гибель, так как происходит свертывание белка и разрушение ферментов и т.д.

Возможность процессов жизнедеятельности ограничена узким диапазоном температуры внутренней среды, в котором могут происходить основные ферментативные реакции. Для человека снижение температуры тела ниже 25°С и её увеличение выше 42°С, как правило, смертельно. Особенно чувствительны к изменениям температуры нервные клетки.

Температурный фактор оказывает влияние на любые процессы, протекающие в организме. С чем это связано, понять нетрудно. При температуре выше абсолютного нуля, то есть выше ?273,15 °C, молекулы любых веществ находятся в беспрерывном движении. Кинетическая активность, или частота соударений молекул, в результате которых происходит их разрушение или образование новых, пропорциональны абсолютной температуре. Не удивительно, что температурный фактор определяет жизненную активность живых организмов. Это в равной мере касается и физиологических процессов и всех форм поведения: от переваривания пищи до двигательной активности. 

Список используемых источников



Базаров И. П. Термодинамика. — 5-е изд. — СПб.— М.—Краснодар: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1003-3.

Белоконь Н. И. Основные принципы термодинамики. — М.: Недра, 1968. — 112 с.

Капица П. Л. Письма о науке. 1930-1980. — М.: Московский рабочий, 1989. — 400 с. — ISBN 5-239-00269-X.

	Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — 5- е изд. — М.: Физматлит, 2002. — 616 с. — (Теоретическая физика в 10 томах. Том 5). — ISBN 5-9221-0054-8.

Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — М.: Физматлит, 2005. — 544 с. — ISBN 5-9221-0601-5.

Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — С. 741. — 944 с.

https://ru.wikipedia.org

https://studopedia.ru

























7.......................