Температура та її вимірювання

6

Поняття температури

Температура - це досить важлива характеристика термодинамічної системи. Вона визначає ступінь нагрітості тіл і є мірою інтенсивності теплового руху.

Внутрішні параметри системи поділяються на інтенсивні та екстенсивні. Параметри термодинамічної системи, які не залежать від маси або числа частинок в системі, називають інтенсивними.

Температура виражає стан внутрішнього руху рівноважної системи незалежно від кількості частинок в них.

Тому температура є інтенсивним параметром. І в цьому розумінні вона є мірою інтенсивності теплового руху.

Ексенсивні термодинамічні параметри - це параметри, які пропорційні масі або числу частинок даної термодинамічної системи.

Їхнє значення дорівнює сумі значень таких самих параметрів окремих частин системи. До таких параметрів належать об'єм, енергія та інші.

Абсолютна термодинамічна шкала

Абсолютна термодинамічна шкала є основною температурною шкалою у фізиці. Вона побудована на основі другого закону термодинаміки. Цю шкалу називають також шкалою Кельвіна. Одиницею термодинамічної шкали є кельвін. В СІ умовились шкалу температур визначати за одною реперною, за яку взято потрійну точку води. Температуру потрійної точки води прийнято вважати такою, що дорівнюе 273,16 К. Кельвін - це 1\273,16 частина термодинамічної температури потрійної точки води.

Отже, одиниця температури визначається як 1\273,16 температурного інтервалу між потрійною точкою води і точкою абсолютного нуля температур, яка не є реперною, а є температурою на 273,16 К нижчою від температури потрійної точки води.

Експериментальні утруднення вимірювання температур за абсолютною термодинамічною шкалою привели до необхідності створення Міжнародної температурної шкали (1968 р.).

Вона основана на одинадцяти температурних точках, що добре відтворюються, яким приписуються конкретні значення температур (первинні реперні точки). Між первинними реперними точками температурна шкала встановлюється за допомогою інтерполяційних формул, які виражають співвідношення між температурою і показами стандартних термометрів (платиновий термометр, платиново-родієва термопара, оптичний пірометр), які градуйовані по цих реперних точках. Вся область температур, яка охоплюється Міжнародною практичною шкалою, поділяється на ряд інтервалів, в кожному з яких рекомендується свої методи відтворення температур і свої інтерполяційні формули.

Температура Цельсія визначається виразом t = T - T₀, де Т₀=273,16 К.

Одиниця, яка використовується для вимірювання температури Цельсія, є градус Цельсія (С⁰). Різницю температур виражають у кельвінах; її можна визначати також у градусах Цельсія.

Абсолютний нуль

Для того щоб у даній системі могла відбуватись певна хімічна реакція, в ній повинні бути належні передумови суто хімічного роду та перебування її у відповідному фізичному стані. Сукупність фізичних та хімічних умов, які створюють можливість хімічної реакції в даній системі називають хімічною спорідненістю. Для практичних цілей цьому суто якісному визначенню треба поставити у відповідність певну величину,яка була б кількісною мірою хімічної спорідненості так, щоб її числове значення характеризувало інтенсивність хімічної реакції, а її знак - напрям. Першу спробу знайти міру хімічної спорідненості зробив К.Ю. Томсен у 1853 році. Він припустив, що за таку міру слід брати тепловий ефект реакції. Вант-Гофф з'ясував, що справжньою мірою хімічної спорідненості є не теплота реакції , що дорівнює зменшенню внутрішньої енергії системи, а максимальна робота, виконувана хімічними взаємодіями в оборотному процесі. Оскільки хімічні взаємодії, як показує дослід, залежать від температури, то ця робота однозначно визначатиметься тільки при умові сталої температури, тобто вона дорівнює зменшенню вільної енергії системи.

Аналізуючи результати експериментальних досліджень поведінки речовини при низьких температурах, В.Г. Нернст сформулював третій закон термодинаміки так: при наближенні температури до абсолютного нуля ентропія будь-якої рівноважної системи при ізотермічних процесах перестає залежати від термодинамічних параметрів стану і при Т - > 0 набуває ту саму сталу для всіх систем, яку можна вважати такою, що дорівнює нулю. М. Планк припустив, що поблизу абсолютного нуля має місце не тільки незмінність ентропії в довільному ізотермічному процесі, а й що сама ентропія перетворюється в нуль при абсолютному нулі температур,тобто

lim S = 0 Т - > 0

При цьому М. Планк поширив це твердження з випадку конденсованих систем, які тільки і розглядав В.Г. Нернст, на довільні системи. Вказана формула - це найбільш загальне вираження третього закону термодинаміки.

З третього закону термодинаміки випливає безпосередньо положення про недосяжність абсолютного нуля температур. Це положення випливає з того факту, що всі фізичні методи одержання наднизьких температур грунтується на застосуванні адіабатних процесів, які приводять до охолодження систем, що виконують ці процеси. Проте при наближенні до абсолютного нуля відмінність між діабатними й ізотермічними процесами дедалі зменшується і в точці абсолютного нуля зовсім зникає. Таким чином, з наближенням до абсолютного нуля ефект адіабатного охолодження стає все нижчим, поки зовсім не зникає. Отже, можна тільки асимпотично наближатися до абсолютного нуля, ніколи його не досягаючи.

Застосування низької температури в біології

Низькі температури в біології застосовуються зокрема при вивченні будови клітин та їх органел, а саме в електронній мікроскопії під час так званого відколювання.

Фрагмент тканини швидко заморожують при дуже низькій температурі ( близько -100 С⁰ ) , потім розморожується , після цього за допомогою надзвичайно тонкого леза тканина розколюється впродовж слабо з'єднаних частин, якими часто являються клітинні мембрани. Препарат витримують вхолоді в умовах високого розрідження ( вакуумі ) ; в цих умовах лід відганяється залишаючи сколоту поверхню.

Репліку цієї поверхні створюють шляхом осадження на неї шару вуглецю. На цю репліку з вуглецю напиляється важкий метал , а тканини під реплікою руйнуються, як правило дією сильних кислот при нормальному атмосферному тиску. Цей метод е дуже зручним при вивченні структури мембрани клітин . Його зручність полягає в тому , що живі тканини швидко відмирають , не піддаючись хімічній обробці, що може пошкодити її структуру. Дуже можливо, що такі клітини зберігають свою попередню ( прижиттєву форму ) тим самим підтверджуючи дані, отримані за допомогою загальновживаних гістологічних методик.

Низькі температури в електроніці

Було досліджено, що деякі характерні неметали за певних умов можуть проявляти металічні властивості. А саме при наднизькій температурі та високому тиску, наприклад , червоний фосфор набуває металічних властивостей. Не менш цікаві результати були отримані для кремнія та вуглецю. Якщо ці неметали піддати високому тиску ,( близько 10000 МРа ) то вони обидва переходять до металічного стану.

Особливо цікавими є припущення про металічні властивості водню. Як відомо, за нормальних умов водень - газ, при температурі -253⁰ він зріджується, а при 259⁰ переходить до твердого стану .Проте у всіх трьох станах водень - явний неметал. Проте, згідно з сучасною теорією твердого тіла, при достатньо високому тиску та низькій температурі всі речовини переходять до металічного стану. Відомі також умови при яких повинен відбутись такий перехід у водню: тиск (біля 200000МРа ) і температура - 260⁰. Ще зовсім недавно такі умови були за межею експерементальних можливостей. За цих умов водень є надпровідником (йогоелектричний опір рівний нулеві). Якби надпровідність можна було зберегти при нормальних умовах , то надпровідники можна було б використовувати для передачі енергії без втрат, що безперечно призвело б до революційних змін в електроніці.

Використана література:

Молекулярна біологія клітини Р. Грін, Н. Стаут, О. Тейлор

Загальна фізика В. Дущенко, М.Кучерук

Prof. Dr. sc. tecn. Manfred Beckert Welt der metalle