La temperatura

La temperatura
$\T$ , $\ \Theta$
Dimensión	Θ
Unidades
SI	A
SGA	A

La temperatura (del lat. temperatura - mezcla adecuada, estado normal ) es una cantidad física escalar que caracteriza un sistema termodinámico y expresa cuantitativamente el concepto intuitivo de grados variables de calentamiento de cuerpos.

Los seres vivos somos capaces de percibir las sensaciones de calor y frío directamente, con la ayuda de los sentidos. Sin embargo, la determinación precisa de la temperatura requiere que la temperatura se mida objetivamente, con la ayuda de instrumentos. Dichos dispositivos se llaman termómetros y miden la llamada temperatura empírica . En la escala empírica de temperatura se establece un punto de referencia y el número de divisiones entre ellos - así es como se introdujeron las escalas Celsius , Fahrenheit y otras que se utilizan actualmente. La temperatura absoluta medida en Kelvin se ingresa en un punto de referencia [1] , teniendo en cuenta el hecho de que en la naturaleza existe un valor de temperatura límite mínimo: el cero absoluto . El valor de temperatura superior está limitado por la temperatura de Planck .

Si el sistema está en equilibrio térmico, entonces la temperatura de todas sus partes es la misma. De lo contrario, el sistema transfiere energía de las partes más calentadas del sistema a las menos calentadas, lo que conduce a la igualación de temperaturas en el sistema, y se habla de una distribución de temperatura en el sistema o un campo de temperatura escalar . En termodinámica , la temperatura es una cantidad termodinámica intensa .

Junto con la termodinámica, se pueden introducir otras definiciones de temperatura en otras ramas de la física. La teoría cinética molecular muestra que la temperatura es proporcional a la energía cinética promedio de las partículas del sistema. La temperatura determina la distribución de las partículas del sistema por niveles de energía (consulte las estadísticas de Maxwell-Boltzmann ), la distribución de la velocidad de las partículas (consulte la distribución de Maxwell ), el grado de ionización de la materia (consulte la ecuación de Saha ), la densidad de radiación espectral (consulte la fórmula de Planck ), la densidad volumétrica total. densidad de radiación (ver ley de Stefan-Boltzmann ), etc. La temperatura incluida como parámetro en la distribución de Boltzmann a menudo se denomina temperatura de excitación, en la distribución de Maxwell - temperatura cinética, en la fórmula de Saha - temperatura de ionización, en la distribución de Stefan-Boltzmann ley - temperatura de radiación. Para un sistema en equilibrio termodinámico, todos estos parámetros son iguales entre sí, y se denominan simplemente temperatura del sistema [2] .

En el Sistema Internacional de Cantidades ( English International System of Quantities , ISQ), la temperatura termodinámica se elige como una de las siete cantidades físicas básicas del sistema. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) , basado en el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de esta temperatura, el kelvin , es una de las siete unidades básicas del SI [3] . En el sistema SI y en la práctica también se utiliza la temperatura Celsius , su unidad es el grado Celsius (°C), igual en tamaño al kelvin [4] . Esto es conveniente, ya que la mayoría de los procesos climáticos en la Tierra y los procesos en la vida silvestre están asociados con un rango de -50 a +50 °С.

La temperatura como parámetro local. Campo de temperatura

La física de continuos considera la temperatura como una variable macroscópica local, es decir, una cantidad que caracteriza un área mentalmente distinguida (volumen elemental) de un medio continuo (continuum), cuyas dimensiones son infinitamente pequeñas en comparación con las heterogeneidades del medio e infinitamente grandes en relación con los tamaños de partículas (átomos, iones, moléculas, etc.) de este medio [5] . El valor de la temperatura puede variar de un punto a otro (de un volumen elemental a otro); La distribución de la temperatura en el espacio en un momento dado viene dada por un campo de temperatura escalar ( temperature field ) [6] . El campo de temperatura puede ser no estacionario (cambiando en el tiempo) o estacionario independiente del tiempo. Un medio con la misma temperatura en todos sus puntos se llama térmicamente homogéneo. Matemáticamente, el campo de temperatura se describe mediante la ecuación de la dependencia de la temperatura de las coordenadas espaciales (a veces la consideración se limita a una o dos coordenadas) y del tiempo. Para sistemas térmicamente homogéneos $T$ ${\mathrm {graduado}}\,T=0.$

Termodinámica definición

Historia del enfoque termodinámico

La palabra "temperatura" surgió en un momento en que la gente creía que los cuerpos más calientes contenían una mayor cantidad de una sustancia especial: calórica que los menos calientes .[7] .

En un estado de equilibrio , la temperatura tiene el mismo valor para todas las partes macroscópicas del sistema. Si dos cuerpos en un sistema tienen la misma temperatura, entonces no hay transferencia de energía cinética de partículas ( calor ) entre ellos. Si hay una diferencia de temperatura, entonces el calor pasa de un cuerpo con una temperatura más alta a un cuerpo con una temperatura más baja.

La temperatura también está asociada con las sensaciones subjetivas de "calor" y "frío" asociadas con si el tejido vivo emite calor o lo recibe.

Algunos sistemas mecánicos cuánticos (por ejemplo, el cuerpo de trabajo de un láser , en el que hay niveles inversamente poblados ) pueden estar en un estado en el que la entropía no aumenta, sino que disminuye con la adición de energía, lo que formalmente corresponde a un negativo. temperatura absoluta. Sin embargo, tales estados no están "por debajo del cero absoluto", sino "por encima del infinito", ya que cuando un sistema de este tipo entra en contacto con un cuerpo con una temperatura positiva, la energía se transfiere del sistema al cuerpo, y no al revés (para más detalles, ver Temperatura absoluta negativa ).

Las propiedades de la temperatura son estudiadas por la rama de la física - termodinámica . La temperatura también juega un papel importante en muchas áreas de la ciencia, incluidas otras ramas de la física, así como la química y la biología .

Temperaturas de equilibrio y no equilibrio

Un sistema en equilibrio termodinámico tiene un campo de temperatura estacionario. Si no hay particiones adiabáticas (herméticas a la energía) en dicho sistema, entonces todas las partes del sistema tienen la misma temperatura. En otras palabras, la temperatura de equilibrio de un sistema térmicamente homogéneo no depende explícitamente del tiempo (pero puede cambiar en procesos cuasiestáticos ). Un sistema de no equilibrio generalmente tiene un campo de temperatura no estacionario, en el que cada volumen elemental del medio tiene su propia temperatura de no equilibrio , que depende explícitamente del tiempo.

La temperatura en la termodinámica fenomenológica

La definición de temperatura en la termodinámica fenomenológica depende de la forma en que se construye el aparato matemático de la disciplina (ver Axiomática de la termodinámica ).

Las diferencias en las definiciones formales de temperatura termodinámica en varios sistemas para construir la termodinámica no significan que algunos de estos sistemas sean más obvios que otros, porque en todos estos sistemas, en primer lugar, en una definición descriptiva, la temperatura se considera como una medida de calentamiento/ enfriamiento de un cuerpo, y, en primer lugar, en segundo lugar, las definiciones significativas que establecen la relación entre la temperatura termodinámica y las escalas de temperatura utilizadas para medirla coinciden.

En la termodinámica racional , que inicialmente rechaza la división de esta disciplina en termodinámica de equilibrio y termodinámica de no equilibrio (es decir, no distingue entre temperaturas de equilibrio y de no equilibrio), la temperatura es la variable indefinida inicial, descrita solo por propiedades tales que se puede expresar en el lenguaje de las matemáticas [8] . Los conceptos de energía, temperatura, entropía y potencial químico se introducen al mismo tiempo en la termodinámica racional; es fundamentalmente imposible determinarlos por separado. La técnica para introducir estos conceptos muestra que se pueden considerar muchas temperaturas diferentes, correspondientes a diferentes flujos de energía. Por ejemplo, se pueden introducir las temperaturas de los movimientos de traslación y espinor, la temperatura de radiación, etc. [9] .

El principio (ley) cero introduce en la termodinámica del equilibrio el concepto de temperatura empírica [10] [11] [12] [13] como parámetro de estado, cuya igualdad en todos los puntos es la condición de equilibrio térmico en un sistema sin adiabática. particiones

En el enfoque de la construcción de la termodinámica, utilizado por los seguidores de R. Clausius [14] , los parámetros del estado de equilibrio - temperatura termodinámica y entropía - se establecen por medio de un parámetro termodinámico que caracteriza el proceso termodinámico . A saber, $T$ $S$

\delta Q=TdS,

(Temperatura termodinámica y entropía según Clausius)

donde es la cantidad de calor recibido o emitido por un sistema cerrado en un proceso de equilibrio elemental (infinitamente pequeño) . Además, el concepto de temperatura termodinámica según Clausius se extiende a sistemas abiertos y estados y procesos de no equilibrio , normalmente sin estipular específicamente que estamos hablando de incluir axiomas adicionales en el conjunto de leyes termodinámicas utilizadas. $\ delta Q$

En la axiomática de Carathéodory [15] [16] , se considera la forma diferencial de Pfaff , y la temperatura termodinámica de equilibrio se considera como el divisor integrante de esta forma diferencial [17] . $\ delta Q$

En el sistema de axiomas de A. A. Gukhman [18] [19] , el cambio en la energía interna del sistema en un proceso de equilibrio elemental se expresa a través de los potenciales de interacción y las coordenadas de estado : $tu$ $Paquete}$ $x_{k}$

dU=\sum_{k}P_{k}dx_{k},

(ecuación de Guchmann)

además, el potencial térmico es la temperatura termodinámica y la coordenada térmica es la entropía ; la presión (con el signo opuesto) juega el papel del potencial de interacción de deformación mecánica para líquidos y gases isotrópicos, y el volumen es la coordenada asociada a la presión; en las transformaciones químicas y de fase , las coordenadas de estado y los potenciales son las masas de los componentes y sus potenciales químicos conjugados. En otras palabras, en la axiomática de Guchmann, la temperatura, la entropía y los potenciales químicos se introducen en la termodinámica de equilibrio simultáneamente a través de la ecuación fundamental de Gibbs . El término coordenadas de estado utilizado por Guchman y sus seguidores , cuya lista, junto con variables geométricas, mecánicas y electromagnéticas, incluye entropía y masas de componentes, elimina la ambigüedad asociada con el término coordenadas termodinámicas generalizadas : algunos autores se refieren a coordenadas generalizadas, entre otras variables, la entropía y los componentes de masas [20] , mientras que otras se limitan a variables geométricas, mecánicas y electromagnéticas [21] .) $T$ $S$

En la termodinámica de Gibbs , la temperatura de equilibrio se expresa en términos de energía interna y entropía [22] [23] [24]

T\equiv \left({\frac {\U parcial}{\S parcial}}\right)_{{\{x_{i}\}}},

(Temperatura termodinámica según Gibbs)

donde es un conjunto (sin entropía) de variables naturales de energía interna, consideradas como funciones características de . La igualdad de temperaturas en todos los puntos de un sistema sin deflectores adiabáticos como condición de equilibrio térmico en la termodinámica de Gibbs se deriva de las propiedades extremas de la energía interna y la entropía en un estado de equilibrio termodinámico. ${\{x_{i}\))$

La axiomática de Falk y Young [25] al definir la entropía no distingue entre estados de equilibrio y de no equilibrio, por lo que la definición de temperatura dada en este sistema de axiomas a través de la entropía y la energía interna es igualmente aplicable a cualquier sistema térmicamente homogéneo:

T\equiv \left[\left({\frac {\S parcial}{\U parcial}}\right)_({\{x_{i}\}}}\right]^{{-1}},

(Temperatura termodinámica según Falk y Young)

donde es un conjunto (que no incluye la energía interna) de variables de entropía independientes. ${\{x_{i}\))$

El principio de equilibrio local permite que los sistemas que no están en equilibrio tomen prestada la definición de temperatura de la termodinámica de equilibrio y utilicen esta variable como una temperatura de no equilibrio de un volumen elemental de un medio [26] .

En la termodinámica de no equilibrio extendida (RNT), basada en el rechazo del principio de equilibrio local, la temperatura de no equilibrio viene dada por una relación similar a la utilizada en la axiomática de Falk y Young (ver Temperatura termodinámica según Falk y Young ), pero con un conjunto diferente de variables independientes para la entropía [27 ] . La temperatura termodinámica de equilibrio local según Gibbs también difiere de la temperatura de no equilibrio PNT en la elección de variables independientes para la entropía [27] .

En la axiomática de N. I. Belokon [28] . La definición inicial de temperatura se deriva del postulado de Belokon, que lleva el nombre: el postulado de la segunda ley de la termostática. La temperatura es la única función del estado de los cuerpos que determina la dirección del intercambio de calor espontáneo entre estos cuerpos, es decir, los cuerpos en equilibrio térmico tienen la misma temperatura en cualquier escala de temperatura. De ello se deduce que dos cuerpos que no tienen contacto térmico entre sí, pero cada uno de los cuales está en equilibrio térmico con el tercero (dispositivo de medición), tienen la misma temperatura.

Temperaturas empíricas, absolutas y termodinámicas

La temperatura no se puede medir directamente. Un cambio en la temperatura se juzga por un cambio en otras propiedades físicas de los cuerpos ( volumen , presión , resistencia eléctrica , EMF , intensidad de radiación , etc.), asociadas únicamente con él (las llamadas propiedades termométricas). Cuantitativamente, la temperatura se determina indicando el método de medición con uno u otro termómetro. Tal definición aún no fija ni el origen ni la unidad de temperatura, por lo tanto, cualquier método de medición de temperatura está asociado con la elección de la escala de temperatura . La temperatura empírica es la temperatura medida en la escala de temperatura seleccionada.

Las definiciones de temperatura termodinámica dadas por la termodinámica fenomenológica no dependen de la elección de la propiedad termométrica utilizada para medirla; la unidad de temperatura se ajusta utilizando una de las escalas termodinámicas de temperatura .

En termodinámica se acepta como axioma, basado en la experiencia, que la temperatura termodinámica de equilibrio es una cantidad que está limitada por un lado para todos los sistemas, y la temperatura correspondiente a este límite es la misma para todos los sistemas termodinámicos y, por lo tanto, , se puede utilizar como punto de referencia natural de la escala de temperatura. Si a este punto de referencia se le asigna un valor de temperatura igual a cero, entonces las temperaturas en la escala basada en este punto de referencia tendrán siempre el mismo signo [29] . Al asignar un valor de temperatura positivo al segundo punto de referencia, se obtiene una escala de temperatura absoluta con temperaturas positivas; la temperatura medida desde el cero absoluto se llama temperatura absoluta [30] . En consecuencia, la temperatura termodinámica medida desde el cero absoluto se denomina temperatura termodinámica absoluta (ver escala de temperatura Kelvin ). Un ejemplo de una escala de temperatura empírica con una lectura de temperatura desde el cero absoluto es la escala práctica internacional de temperatura .

La escala de temperatura Celsius no es absoluta.

Algunos autores entienden por absolutismo de la temperatura no su lectura desde el cero absoluto, sino la independencia de la temperatura de la elección de la propiedad termométrica utilizada para medirla [31] [32] .

Temperaturas absolutas negativas

La temperatura absoluta termodinámica de equilibrio siempre es positiva (consulte Temperaturas empíricas, absolutas y termodinámicas ). El uso de temperaturas negativas (en la escala Kelvin) es una técnica matemática conveniente para describir sistemas que no están en equilibrio con propiedades especiales [33] . Esta técnica consiste en separar mentalmente los objetos con propiedades especiales que forman parte del sistema físico en un subsistema independiente, y considerar por separado el subsistema parcial resultante . En otras palabras, se considera que el mismo volumen de espacio está ocupado simultáneamente por dos o más subsistemas parciales que interactúan débilmente entre sí.

Un ejemplo del uso de este enfoque es la consideración de espines nucleares de un cristal ubicado en un campo magnético como un sistema débilmente dependiente de las vibraciones térmicas de la red cristalina. Con un cambio rápido en la dirección del campo magnético al contrario, cuando los espines no tienen tiempo de seguir el campo cambiante, el sistema de espines nucleares tendrá una temperatura de fuera de equilibrio negativa por algún tiempo [34] , es decir, desde desde un punto de vista formal, en este momento en la misma región espacial habrá dos sistemas interactuando débilmente con diferentes temperaturas [35] . Debido a la interacción que todavía tiene lugar, las temperaturas de ambos sistemas se igualarán después de algún tiempo.

El formalismo de la termodinámica fenomenológica clásica se puede complementar con ideas sobre temperaturas absolutas negativas [36] [35] . De acuerdo con el postulado de Tisza , la energía interna de cualquier sistema está acotada por abajo, y esta frontera corresponde al cero absoluto de temperatura [37] . En los sistemas que tienen no solo un límite inferior, sino también un límite superior de energía interna, al aumentar la temperatura, la energía interna aumenta y alcanza su valor límite; un mayor aumento de la temperatura ya no conduce a un aumento de la energía interna, sino a una disminución de la entropía del sistema ( at ) [35] . De acuerdo con las fórmulas de la termodinámica, esto corresponde a una transición de la región de temperaturas positivas a través de un punto con temperatura (puntos con temperaturas y son físicamente idénticos [38] ) hacia un punto con un valor de temperatura límite inalcanzable igual a [39] [35] . $T$ $S$ $S\flecha derecha 0$ $T\flecha derecha -0$ $\pm \infty$ $T=+\infty$ $T=-\infty$ $-0$

cinética molecular definición

En la teoría cinética molecular , la temperatura se define como una cantidad que caracteriza la energía cinética promedio de las partículas de un sistema macroscópico, que se encuentra en un estado de equilibrio termodinámico , por un grado de libertad .

... la medida de la temperatura no es el movimiento en sí, sino la aleatoriedad de este movimiento. La aleatoriedad del estado de un cuerpo determina su estado de temperatura, y esta idea (que fue desarrollada por primera vez por Boltzmann) de que cierto estado térmico de un cuerpo no está determinado en absoluto por la energía del movimiento, sino por la aleatoriedad de este movimiento , es el nuevo concepto en la descripción de los fenómenos térmicos que debemos utilizar...PL Kapitsa [40]

Definición de temperatura en física estadística

En física estadística , la temperatura se define como la derivada de la energía de un sistema con respecto a su entropía:

T = \frac{dE}{dS}

donde es la entropía , es la energía del sistema termodinámico. El valor así introducido es el mismo para diferentes cuerpos en equilibrio termodinámico. Cuando dos cuerpos entran en contacto, el cuerpo de mayor valor cederá energía al otro. $S$ $mi$ $T$ $T$

Medición de temperatura

Para medir la temperatura termodinámica , se selecciona un determinado parámetro termodinámico de una sustancia termométrica. Un cambio en este parámetro se asocia inequívocamente con un cambio en la temperatura. Un ejemplo clásico de un termómetro termodinámico es un termómetro de gas , en el que la temperatura se determina midiendo la presión de un gas en un cilindro de volumen constante. También se conocen termómetros de radiación absoluta, de ruido y acústicos.

Los termómetros termodinámicos son dispositivos muy complejos que no pueden utilizarse con fines prácticos. Por lo tanto, la mayoría de las mediciones se realizan con termómetros prácticos, que son secundarios, ya que no pueden relacionar directamente alguna propiedad de una sustancia con la temperatura. Para obtener la función de interpolación se deben calibrar en puntos de referencia de la escala internacional de temperatura.

Para medir la temperatura de un cuerpo, suelen medir algún parámetro físico relacionado con la temperatura, por ejemplo, dimensiones geométricas (ver Dilatómetro ) para gases - volumen o presión , velocidad del sonido , conductividad eléctrica , absorción electromagnética o espectros de radiación (por ejemplo, pirómetros y medir la temperatura de las fotosferas y atmósferas de las estrellas -en este último caso, por ensanchamiento Doppler de las líneas espectrales de absorción o emisión).

En la práctica diaria, la temperatura generalmente se mide con dispositivos especiales: termómetros de contacto . En este caso, el termómetro se pone en contacto térmico con el cuerpo en estudio y, después de que se establece el equilibrio termodinámico del cuerpo y el termómetro, sus temperaturas se igualan, la temperatura del cuerpo se juzga por cambios en algunos físicos medibles. parámetro del termómetro. El contacto térmico entre el termómetro y el cuerpo debe ser suficiente para que la igualación de temperatura ocurra más rápido, además, la aceleración de la igualación de temperatura se logra al reducir la capacidad calorífica del termómetro en comparación con el cuerpo en estudio, generalmente al reducir el tamaño de el termómetro Una disminución en la capacidad calorífica del termómetro también distorsiona menos los resultados de la medición , ya que una parte menor del calor del cuerpo investigado se sustrae o se transfiere al termómetro. Un termómetro ideal tiene capacidad calorífica cero [41] .

Los instrumentos de medición de temperatura a menudo se gradúan en escalas relativas: Celsius o Fahrenheit.

En la práctica, la temperatura también se usa para medir

El termómetro práctico más preciso es el termómetro de resistencia de platino [42] . Se han desarrollado los últimos métodos para medir la temperatura basados en la medición de los parámetros de la radiación láser [43] .

Unidades y escala de medida de temperatura

Dado que la temperatura es una medida de la energía cinética promedio del movimiento térmico de las partículas del sistema [44] , sería más natural medirla en unidades de energía (es decir, en el sistema SI en joules ; ver también eV ) . Basado en la relación de temperatura y energía de las partículas en un gas ideal monoatómico Ekin = 3 ⁄ 2 kT [ 45 ] . En unidades de temperatura, 1 eV corresponde a 11 604,518 12 K [46] (véase la constante de Boltzmann ) [47] .

Sin embargo, la medición de la temperatura comenzó mucho antes de la creación de la teoría cinética molecular , por lo que todas las escalas prácticas miden la temperatura en unidades arbitrarias: grados.

temperatura absoluta. Escala de temperatura Kelvin

El concepto de temperatura absoluta fue introducido por W. Thomson (Kelvin) , en relación con el cual la escala de temperatura absoluta se denomina escala Kelvin o escala de temperatura termodinámica. La unidad de temperatura absoluta es el kelvin (K).

La escala de temperatura absoluta se llama así porque la medida del estado fundamental del límite inferior de temperatura es el cero absoluto , es decir, la temperatura más baja posible a la que, en principio, es imposible extraer energía térmica de una sustancia.

El cero absoluto se define como 0 K, que es -273,15 °C y -459,67 °F.

La escala de temperatura Kelvin es una escala que se mide a partir del cero absoluto .

De gran importancia es el desarrollo sobre la base de la escala termodinámica Kelvin de escalas prácticas internacionales basadas en puntos de referencia: transiciones de fase de sustancias puras, determinadas por métodos de termometría primaria. La primera escala internacional de temperatura fue la ITS-27 adoptada en 1927. Desde 1927, la escala se ha redefinido varias veces (MTSh-48, MPTSh-68, MTSh-90): las temperaturas de referencia y los métodos de interpolación han cambiado, pero el principio sigue siendo el mismo: la base de la escala es un conjunto de fases. transiciones de sustancias puras con ciertos valores de temperaturas termodinámicas e instrumentos de interpolación graduados en estos puntos. La escala ITS-90 está actualmente en vigor. El documento principal (Reglamento sobre la escala) establece la definición de Kelvin, los valores de las temperaturas de transición de fase (puntos de referencia) [48] y los métodos de interpolación.

Las escalas de temperatura utilizadas en la vida cotidiana, tanto Celsius como Fahrenheit (utilizadas principalmente en los EE . UU .), no son absolutas y, por lo tanto, son inconvenientes cuando se realizan experimentos en condiciones en las que la temperatura cae por debajo del punto de congelación del agua, por lo que la temperatura debe ser expresó un número negativo. Para tales casos, se introdujeron escalas de temperatura absoluta.

Una de ellas se llama escala de Rankin , y la otra se llama escala termodinámica absoluta (escala Kelvin); las temperaturas se miden, respectivamente, en grados Rankine (°Ra) y kelvins (K). Ambas escalas comienzan en el cero absoluto. Se diferencian en que el precio de una división en la escala Kelvin es igual al precio de división en la escala Celsius, y el precio de división en la escala Rankine es equivalente al precio de división de los termómetros en la escala Fahrenheit. El punto de congelación del agua a la presión atmosférica estándar corresponde a 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

La escala de la escala Kelvin estaba ligada al punto triple del agua (273,16 K), mientras que de él dependía la constante de Boltzmann . Esto creó problemas con la precisión de la interpretación de las mediciones de alta temperatura. Por lo tanto, en 2018-2019, como parte de los cambios en el SI , se introdujo una nueva definición de kelvin, basada en fijar el valor numérico de la constante de Boltzmann, en lugar de vincularlo a la temperatura del punto triple [49] .

Escala Celsius

En ingeniería, medicina, meteorología y en la vida cotidiana, la escala Celsius se utiliza como unidad de temperatura . Actualmente, en el sistema SI, la escala Celsius termodinámica se determina a través de la escala Kelvin [4] : t(°C) = T(K) - 273,15 (exactamente), es decir, el precio de una división en Celsius escala es igual al precio de división de la escala Kelvin. En la escala Celsius, la temperatura del punto triple del agua es de aproximadamente 0,008 °C, [50] y, por lo tanto, el punto de congelación del agua a una presión de 1 atm está muy cerca de 0 °C. El punto de ebullición del agua, originalmente elegido por Celsius como el segundo punto fijo con un valor, por definición igual a 100 °C, ha perdido su estatus como uno de los puntos de referencia. Según estimaciones modernas, el punto de ebullición del agua a la presión atmosférica normal en la escala termodinámica Celsius es de unos 99,975 °C. La escala Celsius es muy conveniente desde un punto de vista práctico, ya que el agua y sus condiciones son comunes y extremadamente importantes para la vida en la Tierra . El cero en esta escala es un punto especial para la meteorología , ya que está asociado con la congelación del agua atmosférica. La escala fue propuesta por Anders Celsius en 1742.

Escala Fahrenheit

En Inglaterra, y especialmente en los Estados Unidos, se utiliza la escala Fahrenheit. Cero grados Celsius son 32 grados Fahrenheit y 100 grados Celsius son 212 grados Fahrenheit.

La definición actual de la escala Fahrenheit es la siguiente: es una escala de temperatura, 1 grado (1 °F) de la cual es igual a 1/180 de la diferencia entre el punto de ebullición del agua y el derretimiento del hielo a presión atmosférica, y el punto de fusión del hielo es +32 °F. La temperatura en la escala Fahrenheit está relacionada con la temperatura en la escala Celsius (t ° C) por la relación t ° C \u003d 5/9 (t ° F - 32), t ° F \u003d 9/5 t ° C + 32. Propuesto por G. Fahrenheit en el año 1724.

Escala de Réaumur

Propuesto en 1730 por R. A. Reaumur , quien describió el termómetro de alcohol que inventó.

La unidad es el grado Réaumur (°Ré), 1 °Ré es igual a 1/80 del intervalo de temperatura entre los puntos de referencia - la temperatura de fusión del hielo (0 °Ré) y el punto de ebullición del agua (80 °Ré)

1°Ré = 1,25°C.

En la actualidad, la escala ha caído en desuso, se conservó durante más tiempo en Francia , en la tierra natal del autor.

La energía del movimiento térmico en el cero absoluto

A medida que la materia se enfría, muchas formas de energía térmica y sus efectos asociados disminuyen simultáneamente en magnitud. La materia pasa de un estado menos ordenado a un estado más ordenado.

... el concepto moderno de cero absoluto no es el concepto de reposo absoluto, por el contrario, en el cero absoluto puede haber movimiento - y lo es, pero es un estado de orden completo...PL Kapitsa [40]

El gas se convierte en líquido y luego cristaliza en sólido (el helio permanece en estado líquido a presión atmosférica incluso en el cero absoluto). El movimiento de átomos y moléculas se ralentiza, su energía cinética disminuye. La resistencia de la mayoría de los metales cae debido a una disminución en la dispersión de electrones por parte de los átomos de la red cristalina que vibran con una amplitud menor. Así, incluso en el cero absoluto , los electrones de conducción se mueven entre los átomos a una velocidad de Fermi del orden de 10 6 m/s.

La temperatura a la cual las partículas de materia tienen una cantidad mínima de movimiento, que se conserva solo debido al movimiento mecánico cuántico , es la temperatura del cero absoluto (T = 0K).

No se pueden alcanzar temperaturas de cero absoluto. La temperatura más baja (450±80)⋅10 −12 K del condensado de átomos de sodio de Bose-Einstein fue obtenida en 2003 por investigadores del MIT [51] . En este caso, el pico de radiación térmica está en la región de longitudes de onda del orden de 6400 km, es decir, aproximadamente el radio de la Tierra.

Temperatura y radiación

La energía emitida por un cuerpo es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura. Así, a 300 K, se emiten hasta 450 vatios por metro cuadrado de superficie . Esto explica, por ejemplo, el enfriamiento nocturno de la superficie terrestre por debajo de la temperatura del aire ambiente. La energía de radiación de un cuerpo negro se describe mediante la ley de Stefan-Boltzmann

Transiciones de diferentes escalas

Conversión de temperatura entre escalas principales

Escala	Símbolo	de Celsius (°C)	a Celsius
Fahrenheit	(°F)	[°F] = [°C] × 9⁄5 + 32	[°C] = ([°F] − 32) × 5⁄9
Kelvin	(K)	[K] = [°C] + 273,15	[°C] = [K] − 273,15
clasificación (clasificación)	(°R)	[°R] = ([°C] + 273,15) × 9⁄5	[°C] = ([°R] − 491,67) × 5⁄9
Delisle_ _	(°D o °De)	[°De] = (100 − [°C]) × 3⁄2	[°C] = 100 - [°De] × 2⁄3
Newton _	(°N)	[°N] = [°C] × 33⁄100	[°C] = [°N] × 100⁄33
Reaumur _	(°Re, °Re, °R)	[°Ré] = [°C] × 4⁄5	[°C] = [°Ré] × 5⁄4
Romer _	(°Ro)	[°Rø] = [°C] × 21⁄40 + 7,5	[°C] = ([°Rø] − 7,5) × 40⁄21

Comparación de escalas de temperatura

Descripción	Kelvin	Celsius	Fahrenheit	Clasificación	Delisle	newton	Réaumur	Romer
cero absoluto	0	−273,15	−459,67	0	559.725	−90,14	−218,52	−135,90
Punto de fusión de una mezcla Fahrenheit ( sal , hielo y cloruro de amonio ) [52]	255.37	−17,78	0	459.67	176.67	−5,87	−14,22	−1,83
Punto de congelación del agua ( Condiciones de referencia )	273.15	0	32	491.67	150	0	0	7.5
Temperatura promedio del cuerpo humano¹	309.75	36.6	98.2	557.9	94.5	12.21	29.6	26.925
Punto de ebullición del agua ( Condiciones normales )	373.15	100	212	671.67	0	33	80	60
derretir titanio	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
dom²	5800	5526	9980	10440	−8140	1823	4421	2909

¹ La temperatura promedio normal del cuerpo humano es de +36,6 °C ±0,7 °C o +98,2 °F ±1,3 °F. El valor comúnmente citado de +98,6 °F es una conversión exacta en grados Fahrenheit del valor alemán del siglo XIX de +37 °C. Sin embargo, este valor no está dentro del rango de la temperatura promedio normal del cuerpo humano, ya que la temperatura de las diferentes partes del cuerpo es diferente. [53]

² Algunos valores de esta tabla son valores redondeados. Por ejemplo, la temperatura de la superficie del Sol está muy cerca de 5800 Kelvin. Sin embargo, para el resto de escalas de temperatura, ya se ha dado el resultado exacto de convertir 5800 kelvins a esta escala.

Caracterización de las transiciones de fase

Para describir los puntos de transición de fase de varias sustancias, se utilizan los siguientes valores de temperatura:

Temperatura de fusión
Temperatura de ebullición
Temperatura de recocido
Temperatura de sinterización
Temperatura de síntesis
temperatura del suelo
temperatura homóloga
triple punto
Temperatura Debye (Temperatura característica)
Temperatura curie
Neel temperatura

Psicología de la percepción

Como muestran los resultados de numerosos experimentos, la sensación de frío o calor depende no solo de la temperatura y la humedad del ambiente, sino también del estado de ánimo. Entonces, si el sujeto se siente solo, por ejemplo, está en una habitación con personas que no comparten sus puntos de vista o valores, o simplemente está lejos de otras personas, entonces la habitación se vuelve más fría para él, y viceversa [54] .

Datos interesantes

La temperatura más alta creada por el hombre, ~ 10⋅10 12 K (que es comparable a la temperatura del Universo en los primeros segundos de su vida) se alcanzó en 2010 durante la colisión de iones de plomo acelerados a velocidades cercanas a la luz . El experimento se llevó a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones [55] .
La temperatura teóricamente más alta posible es la temperatura de Planck . Una temperatura más alta, según los conceptos físicos modernos, no puede existir, ya que dar energía adicional a un sistema calentado a tal temperatura no aumenta la velocidad de las partículas, sino que solo genera nuevas partículas en las colisiones, mientras que el número de partículas en el sistema crece. , y la masa del sistema también crece. . Podemos suponer que esta es la temperatura de "ebullición" del vacío físico. Es aproximadamente igual a 1.41679(11)⋅10 32 K (aproximadamente 142 nonillion K).
La superficie del Sol tiene temperaturas alrededor de 6000 K, y el núcleo solar tiene temperaturas alrededor de 15,000,000 K.
A muy baja temperatura, obtenido en 1995 por Eric Cornell y Carl Wiman de EE. UU., se obtuvo un condensado de Bose-Einstein mediante el enfriamiento de átomos de rubidio [56] [57] . La temperatura era de 170 mil millonésimas de kelvin (1,7⋅10 −7 K) por encima del cero absoluto .
La temperatura más baja obtenida en el experimento es la temperatura de 50 picokelvins (5⋅10 −11 K), obtenida por un grupo de la Universidad de Stanford en 2015 [58] .
La temperatura mínima récord en la superficie de la Tierra -89,2 °C se registró en la estación científica interior soviética Vostok, en la Antártida (altitud 3488 m sobre el nivel del mar) el 21 de julio de 1983 [59] [60] . En junio de 2018, apareció información sobre una temperatura de -98 °C registrada en la Antártida [61] .
El 9 de diciembre de 2013, en una conferencia de la Unión Geofísica Estadounidense , un grupo de investigadores estadounidenses informó que el 10 de agosto de 2010, la temperatura del aire en uno de los puntos de la Antártida descendió a −135,8 °F (−93,2 °С) . Esta información fue revelada como resultado del análisis de datos satelitales de la NASA [62] . Según Ted Scambos, quien habló con el mensaje, el valor obtenido no se registrará como un registro, ya que fue determinado como resultado de mediciones satelitales, y no con un termómetro [63] .
El récord de temperatura del aire cerca de la superficie de la tierra +56,7 ˚C se registró el 10 de julio de 1913 en Greenland Ranch en Death Valley ( California , EE. UU.) [64] [65] .
Las semillas de plantas superiores siguen siendo viables después de enfriarlas a -269 °C.

Véase también

Notas

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Enlaces

Mapa actual de temperaturas superficiales globales
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diccionarios y enciclopedias

En catálogos bibliográficos
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