Temperatura

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigaciju, pretragu
Temperatura idealnog gasa je mera prosečne kinetičke energije molekula.
Toplotne vibracije delova belančevine: amplituda vibracija raste s temperaturom.
Prosečne godišnje temperature na Zemlji.
Prosečna temperatura površine Zemlje je oko 288 K (14 °C).
Temperatura Sunčeve površine (fotosfera) je 5 778 K (5 505 °C).

Температура (загрејаност, топлота; ознака t, T, τ ili θ) je fizička osobina sistema koja leži u suštini našeg osećaja za hladno i toplo, pa se za telo koje ima višu temperaturu kaže da je toplije. Fizički gledano, temperatura je merilo srednje kinetičke energije čestica u materiji, dakle, merilo unutrašnjeg atomskog i molekulskog kretanja u makroskopskim objektima. Iz toga je jasno da se temperatura može definisati samo za veliki broj čestica. Ona je kolektivna osobina makroskopske materije. Temperatura je jedna od osnovnih fizičkih veličina u Međunarodnom sistemu jedinica, koja opisuje toplotno stanje i sposobnost tela ili materije da razmenjuju toplotu s okolinom. Ona zavisi od toga koliko unutrašnje energije sadrži neko telo određene mase i pritiska. Temperatura ne može prelaziti s tela na telo, nego prelazi toplota, a temperature se izjednačavaju.

Temperatura je mera zagrejanosti tela, a proporcionalna je unutarnjoj kinetičkoj energiji.

Empirijska temperatura (oznaka t) određuje se merenjem pojedinih svojstava (na primer dužine stuba žive u staklenoj cevi, zapremine, električne provodljivosti) termometrijskoga tela.[1]

Termodinamička temperatura (oznaka T) određuje se osnovnim zakonima termodinamike.[2][3][4][5][6][7] Merna jedinica termodinamičke temperature je kelvin (K). Za merenje temperaturnih intervala (T2T1) može se koristiti merna jedinica Celzijusov stupanj ( °C) pri čemu je Celzijusova temperatura: t = (T – 273,15 K).

Apsolutna temperatura određuje se polazeći od najniže moguće temperature u prirodi, takozvane apsolutne nule temperature, tako da se nekoj referentnoj temperaturi, koja se može tačno određivati, dogovorom propiše određena vrednost.[8]

Pregled[uredi]

Ispitivanjem svih aspekata temperature bave se termodinamika i statistička mehanika. Temperatura sistema u termodinamičkoj ravnoteži je definisana odnosom beskonačno male količine toplote koju sistem primi beskrajno sporo i time izazvanom promenom entropije sistema :

Nasuprot entropiji i toploti koje se mogu definisati za makroskopski sistem i kada je daleko od termodinamičke ravnoteže, temperatura može da se definiše samo za sistem u termodinamičkoj ravnoteži.

Kada prima toplotu temperatura sistema raste, a opada kada toplotu gubi.

Među sistemima koji su na istoj temperaturi, nema protoka toplote. Međutim, kada se javi temperaturska razlika, toplota počinje da teče iz sistema sa višom temperaturom ka sistemu sa nižom, dok se ne dostigne toplotna ravnoteža.

Temperatura je takođe u vezi sa unutrašnjom energijom i entalpijom sistema. Sa porastom temperature rastu i unutrašnja energija i entalpija.

Temperatura je intenzivna osobina sistema, što znači da ne zavisi od količine materijala u sistemu. (Temperatura cigle ista je kao i njene polovine. Intenzivne osobine su isto pritisak i gustina) Nasuprot temperaturi (i pritisku i gustini), masa i zapremina su ekstenzivne osobine, dakle, osobine koje direktno zavise od količine materije. (Masa polovine cigle duplo je manja od mase cele cigle.)

Pojam toplote i temperature[uredi]

Molekuli u telima ne miruju, nego se nalaze u stalnom kretanju, čija brzina može biti veća ili manja. Na primer, bušenjem, glodanjem, struganjem i rezanjem pomoću alatnih mašina, kao i kod svake obrade materijala alatom, stvara se toplota. Toplota nastaje na osnovu utrošenog mehaničkog rada, a i na račun kinetičke energije. Udarom čekića, koji ima kinetičku energiju, o nakovanj stvara se toplota. Tu se kinetička energija ne pretvara samo u toplotu nego i u energiju zvuka i u mehanički rad potreban za deformaciju tela. Pri sudaru dva tela prenosi se kretanje, to jest kinetička energija s jednog tela na drugo. To ne vredi samo za velika tela nego i za sitne čestice, to jest molekule. Kinetička energija čekića pretvara se u kinetičku energiju molekula, to jest u njihovo nevidljivo kretanje. Toplota je, dakle, kinetička energija molekularnog kretanja.

Što se telo više zagreva, molekuli se sve brže kreću i imaju sve veću kinetičku energiju. Zbog toga se molekuli međusobno udaljavaju, pa čvrsto telo topljenjem prelazi u tečno agregatno stanje. Tečno telo zagrejavanjem prelazi u gasovito agregatno stanje. Na primer molekuli vode daljim zagrevanjem kod tačke ključanja odlaze u vazduh. Voda prelazi u vodenu paru. Para može da ima dovoljnu kinetičku energiju da pokreće parnu mašinu. Koliki je stupanj tog molekularnog kretanja, izražava temperatura. Temperatura je, mera toplotnog stanja tela i od nje je indirektno zavisno agregatno stanje tela.

Onaj deo nauke o toploti koji se bavi toplotom kao jednim od oblika energije i proučava pretvaranje toplotne energije u mehanički rad zove se termodinamika. Budući da je to pretvaranje naročito važno kod gasova, znatna porcija termodinamike se bavi toplotnim promenama kod gasova.[9]

Definicija temperature[uredi]

Pojam temperature može se odrediti na više načina. Može se osetiti kada je neko telo toplije ili hladnije od našeg tela, a uočljive su i fizičke promene zapremine, pritiska i agregatnog stanja koje pri tome nastaju. Na temelju toga određene su iskustvene temperaturne skale, kao što su Celzijusova i Farenhajtova koje se i danas koriste u većini primena. Za njih je svojstveno postojanje negativnih vrednosti temperatura, jer je ishodište skale utvrđeno proizvoljno. U fizici, a posebno termodinamici, temperatura se određuje tako da je ishodište temperaturne skale utvrđeno na temelju fizičkih načela (apsolutna nula). Tako određena temperatura se formalno naziva apsolutna temperatura ili termodinamička temperatura.

U okviru kinetičke teorija gasova apsolutna se temperatura određuje pri razmatranju monoatomnog idealnog gasa.[10][11] U takvom gasu, koji se nalazi u termodinamičkoj ravnoteži, srednja kinetička energija <Ek> čestica u sitemu centra mase ne zavisi od vrste gasa i iznosi:

gde je: - Bolcmanova konstanta, a T - apsolutna temperatura. Ovaj izraz odnosi se na sistem sa tri prostorne dimenzije (tri stepena slobode), pa je srednja kinetička energija za svaki pojedini smer:

Dakle, ovako određena temperatura je mera za srednju energiju mnoštva čestica koje se nalaze u termodinamičkoj ravnoteži i ne može poprimiti negativne vrednosti. Gore navedeni izraz ima uopštenije značenje i naziva se teoremom ekviparticije energije.[12][13][14]

Apsolutna termodinamička temperatura[uredi]

Ovo određivanje temperature polazi od rada povratne (reverzibilne) toplotne mašine, za koju je odnos temperatura toplog i hladnog spremnika jednaka odnosu količine toplote predane iz toplog i primljene u hladni spremnik:

Ovo je univerzalna definicija temperature, stoga što je nezavisna od materijala (supstance) i načina rada toplotne mašine, dokle god je toplotna mašina reverzibilna.[3][15]

Istorija[uredi]

Prvi korak u proučavanju toplote bio je izum termometra koji je omogućivao merenja i upoređivanje toplotnog stanja različitih tela. Taj merni instrument morao je da bude reverzibilan, to jest da se vrati nakon prestanka delovanja toplote u početno stanje, te da pokazuje isti učinak za jednaka toplotna stanja različitih tela. Prvi instrument za merenje temperature, termoskop, izradio je Galileo Galilej početkom 17. veka, a zasnivao se na toplotnom širenju gasa. Prvi termometar, koji je omogućivao preciznija merenja temperature, izumeo je Ferdinando II Mediči 1654. Uskoro se, kako bi se mogla usporediti dva merenja, pojavila potreba za temperaturnom skalom. Pokazalo se najkorisnije da se temperaturni razmak između dva određena toplotna stanja nekoga tela uzme kao osnovica temperaturne skale, koja se onda može podeliti na povoljan broj delova (stupnjeva). Uzimajući dve određene tačke umesto jedne, jednoznačno se određuje merna jedinica iskustvene (empirijske) temperature.

Merne jedinice temperature[uredi]

Postoji više mernih jedinica za temperaturu. U Evropi se temperatura meri u Celzijusovim stupnjevima ( °C), a u SAD-u su uvreženi Farenhajtovi stupnjevi (°F). Jedinica SI za termodinamičku temperaturu je kelvin (K), dok se u SAD-u još koristi i Rankinov stupanj.[2][16]

Jednačine za pretvaranje brojevnih vrednosti uobičajenih temperaturnih skala:

K = °C + 273,15
°C = 5/9 · (°F - 32)
°F = °C/0,55 + 32 ili preciznije: °F = °C/(5/9) + 32

Tabela koja prikazuje neke često korištene temperature s vrednostima izraženim na raznim temperaturnim skalama:

Opis Kelvinova Celzijusova Farenhajtova Rankinova Delilova Njutnova Reomirova Remerova
Apsolutna nula 0 -273,15 -459,67 0 559,725 -90,14 -218,52 -135,90
Farenhajta mešavina leda i soli 255,37 -17,78 0 459,67 176,67 -5,87 -14,22 -1,83
Tačka topljenja leda/ledište vode (pri normalnom pritisku) 273,15 0 32 491,67 150 0 0 7,5
Temperatura ljudskog tela 310,15 37 98,6 558,27 94,5 12,21 29,6 26,925
Tačka ključanja vode 373,15 100 212 671,67 0 33 80 60
Tačka topljenja titanijuma 1941 1668 3034 3494 -2352 550 1334 883

Merni instrumenti[uredi]

Optički pirometar za jerenje temperature u visokoj peći.
Medicinski stakleni termometar.

Za merenje temperature služi merni instrument koji se zove termometar. On se zasniva na pojavama da se fizička tela zagrijavanjem rastežu, a hlađivanjem stežu, i da toplota prelazi s tela više temperature na telo s nižom temperaturom. Živa se upotrebljava za punjenje termometra zbog njenog svojstva da se zagrevanjem jako i pravilno rasteže i da brzo poprima temperaturu okoline. Termometar se sastoji od uske staklene cevi (kapilare) koja je svuda istog prečnika, dok se na donjem kraju proširuje u valjkastu ili kuglastu posudicu. Kod određivanja termometarske skale uzete su kao osnovne: tačka mržnjenja vode, to jest ona temperatura kod koje se voda smrzava, a led topi, i vrelište vode, to jest ona temperatura kod koje voda kod normalnog pritiska vazduha vri (vrelište). Razmak između ove dve osnovne tačke razdeli se na sto jednakih delova i dobije se Celzijusova skala temperature. Ledište vode označava se sa 0 °C, za vrelište + 100 °C. Za merenje nižih temperatura od ledišta vode produžuje se skala ispod nule, a za više temperature od vrelišta vode produžuje se iznad + 100 °C. Temperatura ispod ledišta označava se sa minusom, a iznad ledišta vode sa plusom. U meteorologiji, merni instrumenti za merenje temperature su smešteni u meteorološkim stanicama na 2 metra iznad zemlje radi uklanjanja nepovoljnih uticaja osunčavanja, vetrova i padavina, dok je razmena vazduha spolja stalno moguća.

Merenje temperature pojedinačnim očitavanjem[uredi]

  • običan živin termometar (mokri i suvi),
  • maksimalni živin termometar,
  • minimalni alkoholni termometar,
  • termometar na pritisak,
  • bimetalni termometar,
  • otporni termometar,
  • pirometar,
  • psihrometar.

Temperatura tela[uredi]

Temperatura tela je mera toplotnog stanja organizma; posledica je ravnoteže između stvaranja i izdavanja toplote (termoregulacija). Kod čoveka, kao i kod drugih toplokrvnih (homeotermnih) životinja, temperatura u unutrašnjosti organizma održava se srazmerno stalnom, bez obzira na temperaturu okoline, što je u prvome redu nužno za pravilnu funkciju enzima. Temperatura hladnokrvnih (poikilotermnih) životinja zavisi od temperature okoline. Temperatura se obično meri u ustima (oralna ili sublingvalna temperatura), pod pazuhom (aksilarna temperatura) ili u debelome crevu (rektalna temperatura). Među zdravim pojedincima temperatura pokazuje srazmerno veliku varijabilnost: oralna temperatura iznosi između 36,4 i 37,6 °C, aksilarna temperatura približno je 0,5 °C niža od oralne, a rektalna temperatura približno 0,5 °C viša od oralne. Temperatura je obično niža u jutarnjim satima, a viša u večernjima. Tokom vrlo napornoga mišićnog rada temperatura se privremeno može povisiti i do 40 °C. Kod žena temperatura zavisi od faze menstruacijskoga ciklusa: u drugoj polovini ciklusa ona je približno 0,3 °C viša nego u prvoj polovini. Povišena temperatura (vrućica ili groznica) može imati različite uzroke, a najčešće je posledica upalnih procesa i zaraza. Kod male dece termoregulacija još nije dobro razvijena, pa temperatura može biti povišena i bez patoloških razloga. Umereno povišenje telesne temperature naziva se subfebrilnom temperaturom. Ako se temperatura povisi na 40,0 do 42,0 °C, može nastati toplotni udar, a ako se snizi na približno 25,0 °C (na primer pri boravku u ledenoj vodi), čovek obično umire zbog srčanoga zastoja.

Temperatura vazduha[uredi]

Temperatura vazduha, u meteorologiji, je temperatura u prizemnom sloju atmosfere koja nije uzrokovana toplotnim zračenjem tla i okoline ili Sunčevim zračenjem. Meri se na visini od 2 metra iznad tla. Temperatura vazduha menja se tokom dana i tokom godine. Dnevni hod zavisi od doba dana i veličine i vrste oblačnosti, i može se znatno promeniti pri naglim prodorima toplog ili hladnog vazduha ili pri termički jako izraženim vetrovima, na primer fenu, činuku ili buri. Godišnji hod zavisi od položaja Zemlje prema Suncu, zemljopisnom položaju mesta, te o klimatskim promenama. U našim geografskim širinama u proseku je najhladniji mesec januar, a najtopliji jul. Zbog uticaja toplote tla, uz samo tlo temperatura vazduha naglo se menja, pa razlika između temperature vazduha na 2 metra visine i one pri tlu može iznositi i do 10 stupnjeva. Temperatura vazduha pri tlu meri se termometrima postavljenima 5 centimetara iznad tla. Najniža je do sada izmerena temperatura vazduha – 89,2 °C na stanici Vostok (Antarktika, 1983.), a najviša 57,3 °C u mestu Asisija (Libija, 1923).[17]

Uloga temperature u prirodi[uredi]

Osim u svakodnevnom životu, temperatura igra važnu ulogu u skoro svim prirodnim naukama.

Mnoge fizičke osobine materije, od agregatnog stanja preko gustine, rastvorljivosti, napona pare, eletrične provodljivosti do indeksa prelamanja zavise od temperature. Slično, od temeperature zavisi kojom će se brzinom odvijati neka hemijska reakcija a u složenom sistemu, i koje će reakcije da se odigraju. To je jedan od razloga što kod čoveka postoji nekoliko vrlo složenih mehanizama za održavanje telesne temperature nešto ispod 37 °C, jer je samo nekoliko stepeni odstupanja dovoljno da poremeti optimalno stanje u organizmu. Od temperature takođe zavisi intenzitet toplotnog zračenja koje se emituje sa površine tela. Taj je efekat primenjen u sijalici sa vlaknom u kojoj se električnom strujom podiže temperatura vlakna do temperature na kojoj dolazi do znatne emisije vidljivog zračenja. Na tom principu i Sunce sija — zbog visoke temperature, površina Sunca neprekidno emituje ogromnu količinu energije u vidu elektromagnetnih talasa, velikim delom u vidljivom delu spektra.

Fizičari najčešće za jedinicu uzimaju tzv. apsolutnu temperaturu koja se izražava u stepenima Kelvinove skale, gde nulti podeljak označava teorijski najnižu moguću temperaturu od 0 K — apsolutnu nulu. Na Celzijusovoj skali to je temperatura od -273,15 °C stepeni. Formule za pretvaranje apsolutne temperature u celzijusove stepene i celzijusove skale u Farenhajtove stepene su:

Važna jedinica za merenje temprature u teoretskoj fizici je Plankova temperatura (1,4 × 1032 K)

u fizici plazme, zbog elektromagnetske prirode tog fenomena temperatura se izražava i u elektron voltima (eV) gde je 1 eV = 11,605 K

Reference[uredi]

  1. Middleton, W.E.K. (1966). str. 89.–105.
  2. 2,0 2,1 Truesdell, C.A. , Sections 11 B, 11H,
  3. 3,0 3,1 Mach, E. . Die Principien der Wärmelehre. Historisch-kritisch entwickelt, Johann Ambrosius Barth, Leipzig, section 22,
  4. Maxwell, J.C. (1872). Theory of Heat, third edition, Longmans, Green, London, pages 155-158.
  5. Tait, P.G. (1884). Heat, Macmillan, London, Chapter VII, Section 95, pages 68-69.
  6. Buchdahl, H.A. (1966). str. 73.
  7. Kondepudi, D. (2008). Introduction to Modern Thermodynamics, Wiley, Chichester. 1980. ISBN 978-0-470-01598-8. str. 306–310,320-332. Section 32., pages 106-108.
  8. Temperatura „Hrvatska enciklopedija“, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.
  9. Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.
  10. Quinn, T.J. (1983). str. 61.–83.
  11. Schooley, J.F. (1986). str. 115.–138.
  12. Adkins, C.J. (1968/1983). str. 119–120.
  13. Buchdahl, H.A. (1966). str. 137.–138.
  14. Tschoegl, N.W. (2000). str. 88.
  15. Serrin, J. (1986). Chapter 1, 'An Outline of Thermodynamical Structure', pages 3-32, especially pp. 6, in New Perspectives in Thermodynamics, edited by J. Serrin, Springer, Berlin. 1900. ISBN 3-540-15931-2. str. 56-57.
  16. Quinn, T.J. (1983).
  17. Temperatura vazduha „Hrvatska enciklopedija“, Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.

Literatura[uredi]

  • Chang, Hasok (2004). Inventing Temperature: Measurement and Scientific Progress. Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-517127-3. 
  • Zemansky, Mark Waldo (1964). Temperatures Very Low and Very High. Princeton, N. J.|publisher=Van Nostrand.
  • T. J. Quinn (1983). Temperature. Academic Press, London. 
  • Adkins, C.J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics. (1st edition 1968), third edition 1983, Cambridge University Press, Cambridge UK. ISBN 0-521-25445-0. 
  • Buchdahl, H.A. (1966). The Concepts of Classical Thermodynamics. Cambridge University Press, Cambridge UK. 
  • Middleton, W.E.K. (1966). A History of the Thermometer and its Use in Metrology. Johns Hopkins Press, Baltimore MD. 
  • Miller, J (2013). „Cooling molecules the optoelectric way”. Physics Today. 66 (1): 12—14. doi:10.1063/pt.3.1840. 
  • Partington, J.R. (1949). An Advanced Treatise on Physical Chemistry. volume 1, Fundamental Principles.  The Properties of Gases, Longmans, Green & Co., London. str. 175–177.
  • Pippard, A.B. (1957/1966). Elements of Classical Thermodynamics for Advanced Students of Physics, original publication 1957, reprint 1966, Cambridge University Press, Cambridge UK.
  • Quinn, T.J. (1983). Temperature. Academic Press, London. ISBN 0-12-569680-9. 
  • Schooley, J.F. (1986). Thermometry. CRC Press, Boca Raton. ISBN 0-8493-5833-7. 
  • Roberts, J.K., Miller, A.R. (1928/1960). Heat and Thermodynamics, (first edition 1928), fifth edition, Blackie & Son Limited, Glasgow.
  • Thomson, W. (Lord Kelvin) (1848). On an absolute thermometric scale founded on Carnot's theory of the motive power of heat, and calculated from Regnault's observations, Proc. Cambridge Phil. Soc. (1843/1863) 1, No. 5: 66–71.
  • Thomson, W. (Lord Kelvin) (1851). „On the Dynamical Theory of Heat, with numerical results deduced from Mr Joule’s equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault’s Observations on Steam”. Transactions of the Royal Society of Edinburgh. XX (part II): 261—268; 289—298. 
  • Truesdell, C.A. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics, 1822-1854. Springer, New York. ISBN 0-387-90403-4. 
  • Tschoegl, N.W. (2000). Fundamentals of Equilibrium and Steady-State Thermodynamics. Elsevier, Amsterdam. ISBN 0-444-50426-5. 
  • Zeppenfeld, M.; Englert, B.G.U.; Glöckner, R.; Prehn, A.; Mielenz, M.; Sommer, C.; van Buuren, L.D.; Motsch, M.; Rempe, G. (2012). „Sysiphus cooling of electrically trapped polyatomic molecules”. Nature. 491: 570—573. Bibcode:2012Natur.491..570Z. PMID 23151480. arXiv:1208.0046Slobodan pristup. doi:10.1038/nature11595. 

Spoljašnje veze[uredi]