Back

ⓘ Температура




                                               

Бернардо де Иригојен (град)

Бернардо де Иригојен је град у провинцији Мисионес у Аргентини. Према попису становништва из 2001. године има 10.889 становника и главни је град Генералног департмана Мануел Белграно. Носи име истакнутог политичара и дипломате Бернарда де Иригојена.

                                               

Клима Турске

Обална подручја Турске која се граниче са Егејским и Средоземним морем имају топлу медитеранску климу, са врућим, сувим летима и благим до хладним, влажним зимама. Обална подручја Турске која се граниче са Црним морем имају умерену океанску климу са топлим, влажним летима и хладним, влажним зимама. Црноморска обала има највећу количину падавина и једини је регион Турске који има велике падавине током целе године. Источни део те обале у просеку годишње износи 2500 милиметара, што је највише падавина у земљи. Обална подручја Турске која се граниче са Мраморним морем укључујући Истанбул, која ...

Температура
                                     

ⓘ Температура

Температура је мера загрејаности тела. Температура је физичка особина система која лежи у суштини нашег осећаја за хладно и топло, те се за тело које има вишу температуру каже да је топлије, за тело које има нижу температуру каже да је хладније.

Физичка макроскопска дефиниција температуре је да температура физичка величина која одређује ток топлоте између два објекта који се налазе у термалном контакту, односно два објекта која нису изолована за размену топлоте. 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. Сама температура не може прелазити с тела на тело, прелази топлота, а последица тога је да се температуре та два тела изједначавају.

Физичка микроскопска дефиниција температуре је да је температура мерило средње кинетичке енергије честица у материји по степену слободе. Дакле, температура даје информацију о унутрашњем атомском и молекулском кретању мноштва честица које чине макроскопски систем. Из тога је јасно да се температура може дефинисати само за велики број честица. Она је колективна особина макроскопске материје. Без обзира на то да се температура налази међу основним физичким величинама у Међународном систему јединица, температура није фундаментална величина због тога што се њена вредност добија из усредњавања кинетичке енергије честица које чине макроскопски систем.

Емпиријска температура ознака t одређује се мерењем појединих својстава термометријског тела.

Термодинамичка температура ознака T одређује се основним законима термодинамике. Мерна јединица термодинамичке температуре јеКелвин K. Келвинова скала за мерење температуре се назива апсолутна скала, а постоји велики број других мерних скала које су се историјски користиле за мерење температуре. Данас су се у свакодневном животу задржала Целзијусова мерна скала са Целзијусовим степеном °C као мерном јединицом, и Фаренхајтова мерна скала у САД и на Јамајци са мерном јединицом Фаренхајтовим степеном ° F.

Апсолутна температура одређује се полазећи од најниже могуће температуре у природи, температуре апсолутне нуле, тако да се некој референтној температури, која се може тачно одређивати, договором пропише одређена вредност. Температура апсолутне нуле је дефинисана као температура на којој је ентропија система нула.

У макроскопском смислу, 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, маса и запремина су екстензивне особине, дакле, особине које директно зависе од количине материје. Маса половине цигле дупло је мања од масе целе цигле.

                                     

1. Дефиниција

Температура у свом најосновнијем смислу је дефинисана микроскопски помоћу термодинамике и статистичке механике.

Молекули у телима не мирују, него се налазе у сталном кретању, чија брзина може бити варирати од великих до малих брзина. Молекули које чине систем који се налази у чврстом агрегатном стању се слабо се крећу, док се молекули гаса крећу врло великим брзинама. Што се тело више загрева, молекули се све брже крећу и имају све већу кинетичку енергију. Због тога се молекули међусобно удаљавају, па се чврсто тело загревањем топи и прелази у течно агрегатно стање. Течно тело загрејавањем прелази у гасовито агрегатно стање, као што на пример вода прелази у водену пару.

                                     

1.1. Дефиниција Клаузијусова релација

Инверз температуре система који се налази у термодинамичкој равнотежи је дефинисан Клаузијусовом релацијом као промена ентропије система d S {\displaystyle dS} изазвана инфинитезималне променом топлоте система δ Q {\displaystyle \delta Q} у процесу који је реверзибилан и квази-статичан:

d S = δ Q T {\displaystyle d{S}={\frac {\delta Q}{T}}}

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 који се налази у термодинамичкој равнотежи.

Клаузијусова релација је историјски прва статистичка дефиниција температуре. Клаузијусова релација има значење микроскопски или диференцијално формулисаног Другог закона термодинамике. Инверз температуре има улогу интеграционог фактора у интегралном облику Другог закона термодинамике:

S = Q T {\displaystyle S={\frac {Q}{T}}}

                                     

1.2. Дефиниција Фундаментална једначина

Температура система који се налази у термодинамичкој равнотежи се може изразити и променом унутрашње енергије система d U {\displaystyle dU} којом се изазове промена ентропије система d S {\displaystyle dS}, при непромењеном броју честица које сачињавају систем и на фиксној запремини:

1 T = ∂ S ∂ U N, V {\displaystyle {\frac {1}{T}}=\left{\frac {\partial S}{\partial U}}\right_{N,V}}

Ова једначина се назива фундаменталном релацијом у термодинамици и повезује три функције стања система: температуру, унутрашњу енергију система и ентропију.

Из фундаменталне једначине се види да пораст унутрашње енергије доводи до пораста температуре. У системима са фиксном температуром и фиксном запремином у којима се дефинише физичка величина енталпија, већа фиксна вредност температуре пропорционална је и већој енталпији.

Макроскопски гледано, 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.



                                     

2. Историја

Први корак у дефинисању температуре 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 који је водио ка мерењу температуре био је термоскоп, кога је осмислио и направио Галилео Галилеј 1592. године. Термоскоп није прави термометар зато што нема мерну скалу за одређивање вредности температуре. Рад термоскопа се заснива на топлотном ширењу гаса. Галилејевом открићу термоскопа претходило је интересовање житеља његовог краја за новооткривену појаву да се у посуди у облику слова "Ј" напуњеном течношћу и затвореном на једном крају, ниво течности подиже и спушта током дана. То кретање течности у води је приписано утицају Месеца на исти начин на који Месец делује на појаву плиме и осеке. Галилео Галилеј је у ствари схватио и показао конструишући термоскоп да се ниво течности воде подиже и спушта услед подизања и спуштања температуре. Неки документи показују да Галилеј у ствари није сам ни конструисао термоскоп, већ да га је прилагодио од колеге Санторија из Падове, читајући дело Пнеуматици од инжењера Херона Александријског који је живео у 1. веку н. е. Санторијо из Падове је писао о потреби изума термометра, уређаја за мерење вредности температуре са одговарајућом скалом.

У идућим годинама разматрала се потреба универзалне температурне скале како би се могла упоредити два мерења. Проблем је представљала разлика притисака на различитим местима у зависности од географског положаја. 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.

Иако је постојала само десетак година, кључна институција у историји термометара била је институција Академија Експеримената ита. Accademia del Cimento у Фиренци. Посетиоци институције су забележили да су у Академији разни термометри били изложени као уметничка дела у галерији. Први термометар, који је омогућивао прецизнија мерења температуре, изумео је Фердинандо II Медичи 1654. године као један од чланова Академије Експеримената. Термометар је био направљен од стакла и имао је 360 подеока, за мерну јединицу за температуру узет је степен. Овакву скалу Фердинандо је увео по угледу на пун круг који има 360 степени. Као радно тело у већини стаклених термометара направљених у то време користио се дестиловани алкохол. Овакви термометри нису најбоље радили на крајевима скале, због тога што су код алкохола и тачка кључања и тачка мржњења нижи него код воде. Додатни проблем у мерењу оваквим термометром је био у томе што је густина алкохола варирала од једног до другог термометара. Упркос недостацима, због квалитетне производње, Медичијеви стаклени термометри са алкохолом као радним телом, раширили су се и користили широм Европе. Иако су чланови Академије радили на превазилажењу техничких недостатака код актуелних термометара, због политичке ситуације Академија је затворена 1668. године.

Роберт Хук који је покушавао да унапреди стаклени алкохолни термометар, предложио је и тачку мржњења воде као референтну тачку за мерење температуре. У то време овакав предлог јесте био револуционаран, зато што су и велики научници као астроном Едмунд Халеј по ком је названа Халејева комета сматрали да вода мрзне на различитим температурама у различитим местима. Питање фиксних тачака за мерење температуре сматрало се за врло важним научним питањем тог доба и привукло је пажњу многих научника, између осталог и Исака Њутна.

Иако је имао доста погрешних схватања о температурној скали сматрао је на пример да се референтна тачка уопште не може дефинисати, већ да се може дефинисати само интервал између две температуре, Исак Њутн је значајно допринео развоју термометара по питању радног тела. Њутнов термометар је као радно тело користио ланено уље и није био једноставан за коришћење, али допринео је развоју термометара по питању радне супстанце. Интересантно је да су и Фердинанд || Медичи и Роберт Хук покушавали да замене алкохол за течном живом као радним телом у термометру, али су обојица одбацила ове идеје и наставили да раде са алкохолом. Касније ће се показати да је управо овај корак замене алкохола са живом био кључан за конструкцију прецизнијег и поузданијег термометра.

Даљи развој термометара унапредио је француски физичар Гијом Амонтон који је био глув од рођења. Он је привукао пажњу тадашњих угледних научника Краљевског друштва у Лондону када је 1687. године предложио термометре са две различите радне течности како би се вредност температуре одредила репродуцибилније. Његов главни допринос развоју термометара је било откриће да када топлотом од ватре угреје гас у термометру, настаће топлотно ширење гаса до тачно одређене запремине, а такође је показао да је тачка температуре кључања воде била независна од односа запремине воде и гаса у стакленој посуди, те је та температура била добра референтна вредност за фиксну тачку термометра. Како разлика притисака на различитим географским положајима не би довела до разлике у мерењу, Гијом Амонтон је први пут направио термометар са запечаћеним стаклом. Он је допринео разумевању рада термометра и оштром критиком анонимног рада Прелази објављеног 1701. године испред Краљевског друштва који се испоставио да је рад Исака Њутна. Амонтон је размишљао о томе како би се течност понашала на драстично нижим температурама и 1703. године је објавио рад у којем је показао пропорционалност:

p V ∼ T {\displaystyle pV\sim T}

која је у ствари једначина стања идеалног гаса и на основу које је закључио да је потпуно одсуство топлоте немогуће, што је данашња верзија Трећег принципа термодинамике. Он је температуру апсолутне нуле схватио као теоретску и недостижну вредност, као што је и данас разумемо.

                                     

3. Мерне јединице температуре

Постоји више мерних јединица за температуру. Историјски је постојао велики број различитих температурних скала, као што су Келвинова, Целзијусова, Фаренхајтова, Ранкинова, Делилиова, Њутнова, Реамурова, Ромерова, итд. Међу њима, данас су се у свакодневном животу задржале Фаренхајтова скала која се данас користи у САД и на Јамајци, а била је коришћена у већини земаља енглеског говорног подручја до и Целзијусова скала која се данас користи у остатку света.

Претварање бројевних вредности уобичајених температурних скала су дате следећим формулама:

K = °C + 273.15 °C = 5/9 °F - 32 °F = °C/5/9 + 32
                                     

3.1. Мерне јединице температуре Фаренхајтова скала

Фарентхајтова скала је названа по Данијелу Фаренхајту који се бавио производњом термометара. Он је историјски био први који је у својим термометрима су за мерење температуре користио живу у течном агрегатном стању која има висок коефицијент експанзије. Своју температурну мерну скалу је предложио 1724. године. У односу на до тада велико одступање међу постојећим термометарским скалама, Фаренхајт је помоћу живиног термометра квалитетне продукције могао да постигне већу прецизност мерења и бољу репродуцибилност скале, што је довело до широког прихватања његове температурне мерне скале. На његовој скали 0° F означава највећу зиму која је забележена у Гдањску 1709. године. Тачка мржњења воде је одређена вредношћу од 32 °F, а тачка кључања воде је на 212 °F. Разлика између тачке мржњења и кључања воде од 180 °F није случајна, већ је одабрана намерно. Мржњење и кључање као два супротна појма одвојена су бројем од 180 степени који одговара углом између две најудаљеније тачке на кругу.



                                     

3.2. Мерне јединице температуре Целзијусова скала

Андерс Целзијус је 1742. године предложио температурну скалу која данас по њему носи име. Интересантно је да је он предложио да нула температуре на његовој скали буде температура на којој вода кључа, да 100 степени буде вредност температуре на којој се вода леди. Временом скала је прихваћена, али су додељене вредности температуре 0 и 100 преокренуте, те сада је општеприхваћено да по Целзијусовој скали вода кључа на 100 степени, а леди се на 0.

                                     

3.3. Мерне јединице температуре Апсолутна или Келвинова скала

Температурна скала која се универзално користи у науци је термодинамичка скала или апсолутна скала или Келвинова скала. Названа ја по Вилијаму Томсону, 1. барону Келвин који се залагао за дефиницију апсолутне скале која би мерила температуру независно од особина одређених термометријских супстанци термометра. Међународним договором, Келвинова скала је дефинисана двема тачкама: апсолутном нулом и тројном тачком Бечке Стандардне Средње Океанске Воде која је на Келвиновој скали дефинисана на 273.16 K.

Тачка апсолутне нуле је дефинисана као температура на којој би ентропија система нула, а вредност температуре апсолутне нуле је одређена екстраполацијом измерених вредности температуре и ентропије на вредност на којој би ентропија била нула.

Бечка Стандардна Средња Океанска Вода енгл. Vienna Standard Mean Ocean Water је стандард за одређену изотопску смешу свеже воде. Врло чиста и пажљиво дестилована, представља стандард воде за производљу термометара високе прецизности.

Изотопски састав Бечке Стандардне Средње Океанске Воде дат је са:

  • 3 H/ 1 H = 1.85 ± 0.36 × 10 −11 ppm однос приближно 1:5.41 × 10 16
  • 17 O/ 16 O = 379.9 ± 1.6 ppm однос приближно 1:2632
  • 18 O/ 16 O = 2005.20 ± 0.43 ppm однос приближно 1:498.7
  • 2 H/ 1 H = 155.76 ± 0.1 ppm однос приближно 1:6420
                                     

3.4. Мерне јединице температуре Однос између температурних скала

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

Табела која приказује однос између разних температурних скала:

                                     

4. Мерни инструменти

За мерење температуре служи мерни инструмент који се зове термометар.

Живин термометар се заснива на појави да се физичка тела загријавањем растежу, а хлађењем стежу. Као радна супстанца се некад користио алкохол, а данас се скоро једино користи жива у течном агрегатном стању због свог високог коефицијента експанзије. При додиру са околином, термометар брзо размењује топлоту те се лако прати брзо растезање или сажимање живе у њему.

Термометар се састоји од уске стаклене цеви капиларе која је дуж термометра свугде истог пречника, док се на доњем крају проширује у ваљкасту или кугласту посудицу.

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.

Данас постоје неколико стандардизованих начина за мерење температуре, као што су гасни термометри, акустични гасни термометри, термометри који се заснивају на мерењу електричног шума проводника, термометри који се заснивају на мерењу укупног зрачења црног тела.



                                     

4.1. Мерни инструменти Примарни термометри

Примарни термометрису термометри чији се рад заснива на добро проученом физичком принципу и који су врло поуздани, у смислу да имају велику репродуцибилност мерења резултат се врло добро репродукује поновљеним мерењем. Особина примарних термометара је да се једначина стања која описује термометар може написати без увођења неких других температурно-зависних величина.

Примарни термометри могу бити:

  • термометри који одређују температуру мерењем укупног зрачења црног тела
  • акустични гасни термометри који одређују температуру преко мерења брзине звука који се креће кроз гасни медијум нпр. хелијум
  • гасни термометри са гасом као радним телом на пример хелијумом који се понаша скоро као идеалан гас код којих се мери притисак по благо коригованој једначини стања за идеалан гас p V = n R T {\displaystyle pV=nRT}
  • термометри који мере електрични шум отпорника који је директно пропорционалан температури V 2 ¯ = 4 k B T R Δ ν {\displaystyle {\overline {V^{2}}}=4k_{B}TR\Delta \nu }, где је k B {\displaystyle k_{B}} Планкова константа, а Δ ν {\displaystyle \Delta \nu } је распон фреквенције
                                     

4.2. Мерни инструменти Секундарни термометри

Секундарни термометри, за разлику од примарних, нису толико поуздани. Код њих се добијени резултат мора калибрисати преко дефинисаних температурних фиксних тачака, због тога што величине које се мере додатно зависе од температуре. За разлику од примарних термометара, особина секундарних термометара је да се једначина стања код њих не може написати без увођења неких других температурно-зависних величина. Предност секундарних термометара и њихова заступљеност у пракси је у томе што су примарни термометри често непрактични због величине, брзине или цене.

Међу секундарним термометрима користе се:

  • метални позитивни сензори који су врло репродуцибилни, али нису превише осетљиви на ниским температурама
  • термометри који раде на принципу мерења отпора
  • полупроводни негативни сензори су врло остљиви али захтевају додатну калибрацију због тога што температурно зависна отпорност R T {\displaystyle RT} зависи и од нечистоћа у полупроводнику
  • термометри који раде на принципу капацитивности - имају најмању грешку на мерење температуре у присуству магнетног поља, али нису репродуцибилни те је увек потребно мерити уз присуство контролног сензора
  • термопари или термоелементи који - раде на принципу термоелектричног ефекта, тешко је очитавати температуру, али могу да мере широк опсег температуре и погодни су због тога што су пасивни сензори
  • који раде на принципу диода - лако је очитавати температуру, али нису тако прецизни и репродуцибилни као термометри који ради на принципу отпорника

Актуелне дефинисане и интернационално прихваћене тепературне скале за коришћење секундарних термометара су ITS-90 и PLTS-2000.

                                     

4.3. Мерни инструменти Важне практичне карактеристике термометара

  • репродуцибилност мерења колико сличан резултат се добија понављањем мерења
  • једноставност коришћења
  • јединственост калибрације
  • тачност термометра која је одређена осетљивошћу и резолуцијом инструмента
  • .
  • цена
  • осетљивост на магнетно поље
                                     

5. Улога температуре у природи

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, електричне проводности 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, на пример, 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.

k B {\displaystyle k_{B}}

Уобичајена јединица за мерење темпратуре у физици је конвенционална температура τ {\displaystyle \tau } која се изражава преко стандардне температуре T {\displaystyle T} и Планкове константе k B {\displaystyle k_{B}}:

τ = k B T {\displaystyle \tau =k_{B}T}

Мерна јединица конвенционалне температуре је димензије енергије, као што је џул или електронволт.

                                     

5.1. Улога температуре у природи Температура тела

Температура тела је мера топлотног стања организма; последица је равнотеже између апсорпције и зрачења 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 дебелом 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.

                                     

5.2. Улога температуре у природи Температура ваздуха

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.