Температура

Из Википедије, слободне енциклопедије
Температура идеалног гаса је мера просечне кинетичке енергије молекула.
Топлотне вибрације делова беланчевине: амплитуда вибрација расте с температуром.
Просечне годишње температуре на Земљи.
Просечна температура површине Земље је око 288 K (14 °C).
Температура Сунчеве површине (фотосфера) је 5 778 K (5 505 °C).

Температура (загрејаност, топлота; ознака t, T, τ или θ) је физичка особина система која лежи у суштини нашег осећаја за хладно и топло, па се за тело које има вишу температуру каже да је топлије. Физички гледано, температура је мерило средње кинетичке енергије честица у материји, дакле, мерило унутрашњег атомског и молекулског кретања у макроскопским објектима. Из тога је јасно да се температура може дефинисати само за велики број честица. Она је колективна особина макроскопске материје. Температура је једна од основних физичких величина у Међународном систему јединица, која описује топлотно стање и способност тела или материје да размењују топлоту с околином. Она зависи од тога колико унутрашње енергије садржи неко тело одређене масе и притиска. Температура не може прелазити с тела на тело, него прелази топлота, а температуре се изједначавају.

Температура је мера загрејаности тела, а пропорционална је унутарњој кинетичкој енергији.

Емпиријска температура (ознака t) одређује се мерењем појединих својстава (на пример дужине стуба живе у стакленој цеви, запремине, електричне проводљивости) термометријскога тела.[1]

Термодинамичка температура (ознака T) одређује се основним законима термодинамике.[2][3][4][5][6][7] Мерна јединица термодинамичке температуре је келвин (K). За мерење температурних интервала (T2T1) може се користити мерна јединица Целзијусов ступањ ( °C) при чему је Целзијусова температура: t = (T – 273,15 K).

Апсолутна температура одређује се полазећи од најниже могуће температуре у природи, такозване апсолутне нуле температуре, тако да се некој референтној температури, која се може тачно одређивати, договором пропише одређена вредност.[8]

Преглед[уреди]

Испитивањем свих аспеката температуре баве се термодинамика и статистичка механика. Температура система у термодинамичкој равнотежи је дефинисана односом бесконачно мале количине топлоте коју систем прими бескрајно споро и тиме изазваном променом ентропије система :

Насупрот ентропији и топлоти које се могу дефинисати за макроскопски систем и када је далеко од термодинамичке равнотеже, температура може да се дефинише само за систем у термодинамичкој равнотежи.

Када прима топлоту температура система расте, а опада када топлоту губи.

Међу системима који су на истој температури, нема протока топлоте. Међутим, када се јави температурска разлика, топлота почиње да тече из система са вишом температуром ка систему са нижом, док се не достигне топлотна равнотежа.

Температура је такође у вези са унутрашњом енергијом и енталпијом система. Са порастом температуре расту и унутрашња енергија и енталпија.

Температура је интензивна особина система, што значи да не зависи од количине материјала у систему. (Температура цигле иста је као и њене половине. Интензивне особине су исто притисак и густина) Насупрот температури (и притиску и густини), маса и запремина су екстензивне особине, дакле, особине које директно зависе од количине материје. (Маса половине цигле дупло је мања од масе целе цигле.)

Појам топлоте и температуре[уреди]

Молекули у телима не мирују, него се налазе у сталном кретању, чија брзина може бити већа или мања. На пример, бушењем, глодањем, стругањем и резањем помоћу алатних машина, као и код сваке обраде материјала алатом, ствара се топлота. Топлота настаје на основу утрошеног механичког рада, а и на рачун кинетичке енергије. Ударом чекића, који има кинетичку енергију, о наковањ ствара се топлота. Ту се кинетичка енергија не претвара само у топлоту него и у енергију звука и у механички рад потребан за деформацију тела. При судару два тела преноси се кретање, то јест кинетичка енергија с једног тела на друго. То не вреди само за велика тела него и за ситне честице, то јест молекуле. Кинетичка енергија чекића претвара се у кинетичку енергију молекула, то јест у њихово невидљиво кретање. Топлота је, дакле, кинетичка енергија молекуларног кретања.

Што се тело више загрева, молекули се све брже крећу и имају све већу кинетичку енергију. Због тога се молекули међусобно удаљавају, па чврсто тело топљењем прелази у течно агрегатно стање. Течно тело загрејавањем прелази у гасовито агрегатно стање. На пример молекули воде даљим загревањем код тачке кључања одлазе у ваздух. Вода прелази у водену пару. Пара може да има довољну кинетичку енергију да покреће парну машину. Колики је ступањ тог молекуларног кретања, изражава температура. Температура је, мера топлотног стања тела и од ње је индиректно зависно агрегатно стање тела.

Онај део науке о топлоти који се бави топлотом као једним од облика енергије и проучава претварање топлотне енергије у механички рад зове се термодинамика. Будући да је то претварање нарочито важно код гасова, знатна порција термодинамике се бави топлотним променама код гасова.[9]

Дефиниција температуре[уреди]

Појам температуре може се одредити на више начина. Може се осетити када је неко тело топлије или хладније од нашег тела, а уочљиве су и физичке промене запремине, притиска и агрегатног стања које при томе настају. На темељу тога одређене су искуствене температурне скале, као што су Целзијусова и Фаренхајтова које се и данас користе у већини примена. За њих је својствено постојање негативних вредности температура, јер је исходиште скале утврђено произвољно. У физици, а посебно термодинамици, температура се одређује тако да је исходиште температурне скале утврђено на темељу физичких начела (апсолутна нула). Тако одређена температура се формално назива апсолутна температура или термодинамичка температура.

У оквиру кинетичке теорија гасова апсолутна се температура одређује при разматрању моноатомног идеалног гаса.[10][11] У таквом гасу, који се налази у термодинамичкој равнотежи, средња кинетичка енергија <Ek> честица у ситему центра масе не зависи од врсте гаса и износи:

где је: - Болцманова константа, а T - апсолутна температура. Овај израз односи се на систем са три просторне димензије (три степена слободе), па је средња кинетичка енергија за сваки поједини смер:

Дакле, овако одређена температура је мера за средњу енергију мноштва честица које се налазе у термодинамичкој равнотежи и не може попримити негативне вредности. Горе наведени израз има уопштеније значење и назива се теоремом еквипартиције енергије.[12][13][14]

Апсолутна термодинамичка температура[уреди]

Ово одређивање температуре полази од рада повратне (реверзибилне) топлотне машине, за коју је однос температура топлог и хладног спремника једнака односу количине топлоте предане из топлог и примљене у хладни спремник:

Ово је универзална дефиниција температуре, стога што је независна од материјала (супстанце) и начина рада топлотне машине, докле год је топлотна машина реверзибилна.[3][15]

Историја[уреди]

Први корак у проучавању топлоте био је изум термометра који је омогућивао мерења и упоређивање топлотног стања различитих тела. Тај мерни инструмент морао је да буде реверзибилан, то јест да се врати након престанка деловања топлоте у почетно стање, те да показује исти учинак за једнака топлотна стања различитих тела. Први инструмент за мерење температуре, термоскоп, израдио је Галилео Галилеј почетком 17. века, а заснивао се на топлотном ширењу гаса. Први термометар, који је омогућивао прецизнија мерења температуре, изумео је Фердинандо II Медичи 1654. Ускоро се, како би се могла успоредити два мерења, појавила потреба за температурном скалом. Показало се најкорисније да се температурни размак између два одређена топлотна стања некога тела узме као основица температурне скале, која се онда може поделити на повољан број делова (ступњева). Узимајући две одређене тачке уместо једне, једнозначно се одређује мерна јединица искуствене (емпиријске) температуре.

Мерне јединице температуре[уреди]

Постоји више мерних јединица за температуру. У Европи се температура мери у Целзијусовим ступњевима ( °C), а у САД-у су уврежени Фаренхајтови ступњеви (°F). Јединица СИ за термодинамичку температуру је келвин (K), док се у САД-у још користи и Ранкинов ступањ.[2][16]

Једначине за претварање бројевних вредности уобичајених температурних скала:

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

Табела која приказује неке често кориштене температуре с вредностима израженим на разним температурним скалама:

Опис Келвинова Целзијусова Фаренхајтова Ранкинова Делилова Њутнова Реомирова Ремерова
Апсолутна нула 0 -273,15 -459,67 0 559,725 -90,14 -218,52 -135,90
Фаренхајта мешавина леда и соли 255,37 -17,78 0 459,67 176,67 -5,87 -14,22 -1,83
Тачка топљења леда/ледиште воде (при нормалном притиску) 273,15 0 32 491,67 150 0 0 7,5
Температура људског тела 310,15 37 98,6 558,27 94,5 12,21 29,6 26,925
Тачка кључања воде 373,15 100 212 671,67 0 33 80 60
Тачка топљења титанијума 1941 1668 3034 3494 -2352 550 1334 883

Мерни инструменти[уреди]

Оптички пирометар за јерење температуре у високој пећи.
Медицински стаклени термометар.

За мерење температуре служи мерни инструмент који се зове термометар. Он се заснива на појавама да се физичка тела загријавањем растежу, а хлађивањем стежу, и да топлота прелази с тела више температуре на тело с нижом температуром. Жива се употребљава за пуњење термометра због њеног својства да се загревањем јако и правилно растеже и да брзо поприма температуру околине. Термометар се састоји од уске стаклене цеви (капиларе) која је свуда истог пречника, док се на доњем крају проширује у ваљкасту или кугласту посудицу. Код одређивања термометарске скале узете су као основне: тачка мржњења воде, то јест она температура код које се вода смрзава, а лед топи, и врелиште воде, то јест она температура код које вода код нормалног притиска ваздуха ври (врелиште). Размак између ове две основне тачке раздели се на сто једнаких делова и добије се Целзијусова скала температуре. Ледиште воде означава се са 0 °C, за врелиште + 100 °C. За мерење нижих температура од ледишта воде продужује се скала испод нуле, а за више температуре од врелишта воде продужује се изнад + 100 °C. Температура испод ледишта означава се са минусом, а изнад ледишта воде са плусом. У метеорологији, мерни инструменти за мерење температуре су смештени у метеоролошким станицама на 2 метра изнад земље ради уклањања неповољних утицаја осунчавања, ветрова и падавина, док је размена ваздуха споља стално могућа.

Мерење температуре појединачним очитавањем[уреди]

  • обичан живин термометар (мокри и суви),
  • максимални живин термометар,
  • минимални алкохолни термометар,
  • термометар на притисак,
  • биметални термометар,
  • отпорни термометар,
  • пирометар,
  • психрометар.

Температура тела[уреди]

Температура тела је мера топлотног стања организма; последица је равнотеже између стварања и издавања топлоте (терморегулација). Код човека, као и код других топлокрвних (хомеотермних) животиња, температура у унутрашњости организма одржава се сразмерно сталном, без обзира на температуру околине, што је у првоме реду нужно за правилну функцију ензима. Температура хладнокрвних (поикилотермних) животиња зависи од температуре околине. Температура се обично мери у устима (орална или сублингвална температура), под пазухом (аксиларна температура) или у дебеломе цреву (ректална температура). Међу здравим појединцима температура показује сразмерно велику варијабилност: орална температура износи између 36,4 и 37,6 °C, аксиларна температура приближно је 0,5 °C нижа од оралне, а ректална температура приближно 0,5 °C виша од оралне. Температура је обично нижа у јутарњим сатима, а виша у вечерњима. Током врло напорнога мишићног рада температура се привремено може повисити и до 40 °C. Код жена температура зависи од фазе менструацијскога циклуса: у другој половини циклуса она је приближно 0,3 °C виша него у првој половини. Повишена температура (врућица или грозница) може имати различите узроке, а најчешће је последица упалних процеса и зараза. Код мале деце терморегулација још није добро развијена, па температура може бити повишена и без патолошких разлога. Умерено повишење телесне температуре назива се субфебрилном температуром. Ако се температура повиси на 40,0 до 42,0 °C, може настати топлотни удар, а ако се снизи на приближно 25,0 °C (на пример при боравку у леденој води), човек обично умире због срчанога застоја.

Температура ваздуха[уреди]

Температура ваздуха, у метеорологији, је температура у приземном слоју атмосфере која није узрокована топлотним зрачењем тла и околине или Сунчевим зрачењем. Мери се на висини од 2 метра изнад тла. Температура ваздуха мења се током дана и током године. Дневни ход зависи од доба дана и величине и врсте облачности, и може се знатно променити при наглим продорима топлог или хладног ваздуха или при термички јако израженим ветровима, на пример фену, чинуку или бури. Годишњи ход зависи од положаја Земље према Сунцу, земљописном положају места, те о климатским променама. У нашим географским ширинама у просеку је најхладнији месец јануар, а најтоплији јул. Због утицаја топлоте тла, уз само тло температура ваздуха нагло се мења, па разлика између температуре ваздуха на 2 метра висине и оне при тлу може износити и до 10 ступњева. Температура ваздуха при тлу мери се термометрима постављенима 5 центиметара изнад тла. Најнижа је до сада измерена температура ваздуха – 89,2 °C на станици Восток (Антарктика, 1983.), а највиша 57,3 °C у месту Асисија (Либија, 1923).[17]

Улога температуре у природи[уреди]

Осим у свакодневном животу, температура игра важну улогу у скоро свим природним наукама.

Многе физичке особине материје, од агрегатног стања преко густине, растворљивости, напона паре, елетричне проводљивости до индекса преламања зависе од температуре. Слично, од темепературе зависи којом ће се брзином одвијати нека хемијска реакција а у сложеном систему, и које ће реакције да се одиграју. То је један од разлога што код човека постоји неколико врло сложених механизама за одржавање телесне температуре нешто испод 37 °C, јер је само неколико степени одступања довољно да поремети оптимално стање у организму. Од температуре такође зависи интензитет топлотног зрачења које се емитује са површине тела. Тај је ефекат примењен у сијалици са влакном у којој се електричном струјом подиже температура влакна до температуре на којој долази до знатне емисије видљивог зрачења. На том принципу и Сунце сија — због високе температуре, површина Сунца непрекидно емитује огромну количину енергије у виду електромагнетних таласа, великим делом у видљивом делу спектра.

Физичари најчешће за јединицу узимају тзв. апсолутну температуру која се изражава у степенима Келвинове скале, где нулти подељак означава теоријски најнижу могућу температуру од 0 K — апсолутну нулу. На Целзијусовој скали то је температура од -273,15 °C степени. Формуле за претварање апсолутне температуре у целзијусове степене и целзијусове скале у Фаренхајтове степене су:

Важна јединица за мерење темпратуре у теоретској физици је Планкова температура (1,4 × 1032 K)

у физици плазме, због електромагнетске природе тог феномена температура се изражава и у електрон волтима (eV) где је 1 eV = 11,605 K

Референце[уреди]

  1. Middleton, W.E.K. (1966). стр. 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). стр. 73.
  7. Kondepudi, D. (2008). Introduction to Modern Thermodynamics, Wiley, Chichester. 1980. ISBN 978-0-470-01598-8. стр. 306–310,320-332. Section 32., pages 106-108.
  8. Температура „Хрватска енциклопедија“, Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.enciklopedija.hr, 2016.
  9. Велимир Круз: "Техничка физика за техничке школе", "Школска књига" Загреб, 1969.
  10. Quinn, T.J. (1983). стр. 61.–83.
  11. Schooley, J.F. (1986). стр. 115.–138.
  12. Adkins, C.J. (1968/1983). стр. 119–120.
  13. Buchdahl, H.A. (1966). стр. 137.–138.
  14. Tschoegl, N.W. (2000). стр. 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. стр. 56-57.
  16. Quinn, T.J. (1983).
  17. Температура ваздуха „Хрватска енциклопедија“, Лексикографски завод Мирослав Крлежа, www.enciklopedija.hr, 2016.

Литература[уреди]

  • 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. стр. 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:1208.0046Слободан приступ. doi:10.1038/nature11595. 

Спољашње везе[уреди]