Определение температуры: «абсолютная» температура и линейные зависимости между температурой и термометрическими свойствами.

Я запутался в определении температуры, и я хотел бы прояснить некоторые моменты, так как не нашел объяснения.

Во-первых, я слышал о трех прилагательных, касающихся температуры (шкалы): эмпирический , абсолютный и термодинамический .

Кажется, я понял разницу между эмпирическим и термодинамическим, но что именно подразумевается под абсолютным ?

Это то же самое, что «независимо от конкретной системы, используемой для измерения температуры», или это прилагательное указывает на то, что шкала может иметь только положительные числа, с 0 К помещены, действительно, в абсолютный ноль ?

Например, идеальный газовый термометр постоянного объема дает абсолютную температуру, потому что на измерение не влияет использование различных газов, если они идеальны? Или потому что в определении

Т "=" л я м п 0 − > 0 273,16 п п 0 К

подразумевается, что Т "=" 0 К температура, которая может быть достигнута, только если п "=" 0 п а (предельное условие) и, следовательно, шкала имеет ноль в совершенно определенном месте, которого нельзя достичь?

Мой второй вопрос касается самого термометра идеального газа: в предыдущем определении используется тот факт, что «для идеального газа Т ∝ п при постоянном объеме». Так учебник знакомит с термометром идеального газа.

Чего я не понимаю, так это того, как мы можем использовать отношение Т ∝ п в идеальных газах, прежде чем даже узнать, что такое температура, т. е. определить (что значит измерить) саму температуру?

Я не понимаю, если отношение Т ∝ п налагается определением температуры, чтобы облегчить задачу или если за этим стоит что-то, что гарантирует, что, даже не зная, как измерить температуру, температура пропорциональна давлению при постоянном объеме . Этот последний вариант не имеет большого смысла, поэтому, если это так, я, безусловно, неправильно понял причину использования термометра идеального газа.

И это верно также для любого термометрического свойства Икс , где отношение для получения температуры θ от собственности Икс сам, скажи θ ( Икс ) предполагается линейным, что означает

θ ( Икс ) "=" С Икс

Действительно ли это предположение , в том смысле, что оно навязано, чтобы быть истинным, или каким-то образом известно до определения θ ?

1. «Абсолютная температура» — это то же самое, что и «термодинамическая температура» — это температура, измеренная в таких единицах, что 0 — это абсолютный ноль. Как вы думаете, почему есть разница? Как вы думаете, почему ваш предел там определяет температуру? 2. Как вы думаете, почему термометр используется для определения температуры? Это не так, и вся ваша проблема, кажется, исходит из того, что вы думаете, что вы не можете говорить о температуре без термометра.
Спасибо за ответ! Насчет 2. Я просто думаю, что экспериментальным путем узнать, что п ∝ Т Я думаю, мне нужно устройство для измерения Т (и еще один для измерения п конечно), а также я должен был уже определить шкалу температур, чтобы классифицировать то, что я измеряю. Так что я согласен с тем, что понятие температуры может быть определено вообще без термометра (его определяет нулевой закон), но я упускаю проход, через который я могу узнать, что п ∝ Т Прежде чем знать, как измерить Т , с экспериментальной точки зрения

Ответы (3)

Позвольте мне сначала организовать ваши вопросы, чтобы каждый мог легче ориентироваться в этом посте. Если у вас есть дополнительные вопросы или я неправильно истолковал ваши вопросы, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать, чтобы я мог редактировать.

ВОПРОСЫ

  1. Что именно подразумевается под абсолютом в абсолютной температурной шкале?
  2. Как мы можем использовать Т ∝ п чтобы построить термометры, если у нас нет определения самой температуры или мы не знаем, что значит измерять температуру?
  3. Откуда берется упомянутая пропорциональность?
  4. Как вывести виды различных зависимостей термодинамических параметров?

ОТВЕТЫ

Начну с ответа на вопрос №2, так как он мне кажется самым фундаментальным.

  1. Скажем, я мастер-кузнец, и мне надоело не знать, сколько мне нужно нагреть материал, чтобы расплавить его. Температурных шкал нет, и в моё время и в моём возрасте нет таких шкал, но у меня есть интуитивное знание того, что такое горячее и холодное, основанное на моём осязании, и я также знаю, что, например, кипящая вода очень горячая, а лед довольно холодный. Итак, чтобы узнать, сколько мне нужно нагреть что-то, чтобы расплавить его, я сначала должен придумать, как измерить тепло. Хм, тепло звучит странно, позвольте мне назвать это температурой. Таким образом, в самых простых и интуитивно понятных терминах я придумал существительное, означающее «насколько горячо что-то» — температура.
                    Теперь, как я собираюсь описать эту температурную вещь, чтобы, когда я говорю своим друзьям-кузнецам, насколько что-то горячее, они точно знали, о чем я говорю. Хм, давайте попробуем числа. Итак, я знаю, что лед холодный, а кипящая вода горячая, позвольте мне присвоить значение 0 температуре льда и 100 температуре кипящей воды. Хорошо, теперь я знаю, что температурный диапазон воды, когда она переходит из льда в пар, составляет 100, но как я могу знать, насколько горячей является обычная жидкая вода, ведь я чувствую разницу между холодной и горячей жидкой водой. Эврика! Я должен измерить это! Подожди, а как я буду это измерять? Что значит измерить «насколько что-то горячее»? Позвольте мне посоветоваться с моим очень умным другом. Он говорит мне, что существует такая штука, как давление. Он сказал, что это сопротивление жидкости, это то, что описывает, насколько сильно жидкость давит на вас, если вы в ней находитесь. Да, я помню, как однажды, когда я плыл и немного углубился, я почувствовал, что меня что-то давит - должно быть, это давление! Но подождите, он же сказал, что кое-что узнал. Он обнаружил, что если вы возьмете контейнер, а затем наполните его водой, поместите поршень поверх воды, а затем нагреете воду, поршень в конечном итоге поднимется! Вода начинает давить сильнее - давление увеличивается! Еще одна Эврика! и поставить поршень поверх воды, а потом нагреть воду, поршень в итоге поднимется! Вода начинает давить сильнее - давление увеличивается! Еще одна Эврика! и поставить поршень поверх воды, а потом нагреть воду, поршень в итоге поднимется! Вода начинает давить сильнее - давление увеличивается! Еще одна Эврика!
                    Ну, я знаю, как я могу измерить жар, простите, температуру. Измеряя давление! Я измерю давление воды при 0 и 100, а затем я смогу найти любую другую температуру между ними или даже меньше 0 или выше 100 косвенно, измеряя давление напрямую! Я буду использовать для этого воду. Я настроил свой прибор, я начинаю с воды при 0 и измеряю давление, чтобы получить значение п 1 затем я поручаю своим работникам развести огонь, который медленно нагревает воду, более горячей — более высокой температуры. Пока они это делают, я считываю давление с манометра и записываю его в свой блокнот. Хорошо, я закончил эксперимент, я измерил все давления и отмечу, что если я нарисую линии на графике, где ось y — измеренное давление, а ось x — время, я увижу, что могу нарисовать приблизительно прямая линия, проходящая через точки, и поскольку я знаю, что огонь медленно нагревался на протяжении всего эксперимента, тогда это, несомненно, означает, что температура как функция давления является линейной функцией. У меня есть значения давления от 0 до 100, и я могу провести прямую линию, что означает, интерполируя график, я могу найти температуру, просто взглянув на давление. п / Т то это тоже постоянно. Что приводит меня к

    п 1 / Т 1 "=" п 2 / Т 2 "=" с о н с т .

  2. Предыдущий ответ показывает, как можно перейти от ничего не зная о температуре к построению температурной шкалы и даже термометра. Теперь проблема, связанная с температурной шкалой, подобной той, что была описана в первом ответе (температурная шкала Цельсия), заключается в том, что существуют вещи, которые холоднее 0 градусов, и для этого вы должны использовать отрицательные температуры. Теперь, поскольку более естественно иметь температурную шкалу, в которой не используются отрицательные значения, Кельвин попытался придумать абсолютную температурную шкалу, в которой не используются отрицательные значения. Он сделал это, используя термометры с различными жидкостями в них, и обнаружил, что когда вы рисуете все эти п ( Т ) линии для различных кривых все они пересекаются в одной точке, которая Т "=" − 273,15 ∘ С "=" 0   К , в основном говоря, что единственная возможная температура, при которой вы можете иметь нулевое давление независимо от жидкости, используемой в термометре, 0   К и на основе функции преобразования Т ( К ) "=" 273,15 + Т ( С ) он установил абсолютную термодинамическую шкалу.

  3. Т ∝ п происходит от закона Гей-Люссака или закона Амонтона. С точки зрения кинетической теории газов это имеет смысл, поскольку в этой теории температура определяется как параметр, описывающий величину движения отдельных молекул, а в газах известно, что давление возникает из-за того, что молекулы накапливаются или отскакивают от стенок. контейнера, в котором он находится, поэтому, если температура выше - молекулы движутся больше (у них больше скорости и, следовательно, импульсы) - поскольку они ударяются о стенки контейнера с большими скоростями - давление увеличивается.

  4. Термодинамика — это такая область, где большинство используемых функций получены эмпирическим путем. Это просто огромное количество молекул, каждая из которых действует по-своему, поэтому очень сложно вывести общие уравнения, особенно исходя только из теоретического подхода.

Заключительное примечание: эмпирические температурные шкалы - это шкалы Цельсия или Фаренгейта, вы присваиваете значение температуры для некоторого характерного процесса и интерполируете/экстраполируете оттуда. Проблема с ними в том, что они используют отрицательные температуры. Чтобы избежать этого, вы используете абсолютные температурные шкалы, такие как Кельвин и Ранкин. Проблема с ними заключается в том, что они получаются путем измерения одного свойства, зависящего от температуры (например, давления или объема) в диапазоне всех температур, что является проблемой, поскольку эти зависимости не являются линейными для всего диапазона температур. Чтобы избежать этого, вы используете термодинамическийтемпературные шкалы, которые используют правильные типы термометров для соответствующих диапазонов температур и часто также учитывают систематические ошибки, возникающие в этих термометрах (например, пары жидкости внутри самого термометра, которые вызывают определенное отклонение от истинного значения давления, если такой термометр используется, что, в свою очередь, вызывает ошибки в значениях температуры).

Надеюсь, я помог.

Обратите внимание, что абсолютная и термодинамическая температурные шкалы различаются только в том случае, если вы измеряете только очень высокие или очень низкие температуры. Во всех остальных случаях они одинаковы. Вопрос только в использовании правильного оборудования, масштабы технически одинаковые.

Вы совершенно правы, беспокоясь об определении температуры с точки зрения закона идеального газа — есть два более фундаментальных подхода. Мне жаль, что это будет только частичный ответ, я недостаточно хорошо разбираюсь, чтобы дать полный.

Сначала мы можем говорить о классическом термодинамическом определении температуры. Чтобы определить его, нам понадобится формулировка Клаузиуса 2-го закона термодинамики: «Невозможен ни один процесс, единственным результатом которого является передача тепла от более холодного тела к более горячему». Это позволяет нам определять «более холодные» и «более горячие» тела следующим образом: А горячее В тогда и только тогда, когда не существует процесса, единственным результатом которого является передача тепла от В к А. Если мы объединим это утверждение с нулевой закон термодинамики: «если две термодинамические системы находятся в тепловом равновесии каждая с третьей, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом». можно было бы назвать «степенью жаркости». Степень нагрева определяется таким образом, что если А имеет большую степень нагрева, чем В, процесс может передавать тепло от А к В в качестве единственного результата, и наоборот. Если А имеет ту же степень жаркости, что и Б, то передача может идти в обе стороны.

Имея в руках эту «степень накала», мы можем попытаться построить меру накала, которая окажется функцией этой «степени накала» и фактически будет температурной шкалой Кельвина. Доказать, что эта температура обладает всеми свойствами, которые вы ожидаете (например, доказать, что она представляет собой Т в законе идеального газа), и должным образом обосновать ее определение — долгая задача, которую я должен опустить — она требует от вас быть знакомым с аргументами, касающимися тепловых двигателей. Хорошее краткое изложение этого можно найти в книге Энрико Ферми «Термодинамика». В качестве альтернативы вы можете попробовать главу по классической термодинамике в этом тексте:

http://www.damtp.cam.ac.uk/user/tong/statphys/sp.pdf

Я хочу подчеркнуть, что абсолютная/термодинамическая температура имеет более глубокую основу, чем законы идеального газа. Это то, что можно строго определить и показать, что оно имеет смысл только на основе законов термодинамики.

Альтернативный подход к определению температуры дается в статистической механике. В этом случае температура определяется как компромисс между энергией и энтропией. Это определение может быть показано с помощью статистических аргументов, чтобы быть эквивалентным первому - аргумент также довольно длинный. Однако я думаю, что классического термодинамического понятия температуры, основанного на законах термодинамики, должно быть для вас достаточно.

Вам нужно навести порядок. Температура сначала определяется в учебнике (т.е. термостат с 0°C для смеси ледяной воды, 100°C для кипящей воды и линейной шкалой). Тестируя, люди заметили, что T пропорциональна P для газа. Это можно сделать, нагревая газ постоянного объема и измеряя как T, так и P. Температура не зависит (не является производной) от этого соотношения для идеального газа.

Определение температуры: «абсолютная» температура и линейные зависимости между температурой и термометрическими свойствами.
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v