Cada persona se enfrenta al concepto de temperatura todos los días. El término ha entrado firmemente en nuestra vida cotidiana: calentamos alimentos en el microondas o cocinamos alimentos en el horno, nos interesa el clima exterior o averiguar si el agua del río está fría, todo esto está estrechamente relacionado con este concepto. ¿Y qué es la temperatura, qué significa este parámetro físico, de qué manera se mide? Responderemos a estas y otras preguntas en el artículo.
Cantidad física
Consideremos qué es la temperatura desde el punto de vista de un sistema aislado en equilibrio termodinámico. El término proviene del latín y significa "mezcla adecuada", "estado normal", "proporcionalidad". Este valor caracteriza el estado de equilibrio termodinámico de cualquier sistema macroscópico. En el caso de que un sistema aislado esté fuera de equilibrio, con el tiempo se produce una transición de energía de los objetos más calientes a los menos calientes. El resultado es una igualación (cambio) de temperatura en todo el sistema. Este es el primer postulado (principio cero) de la termodinámica.
La temperatura determinadistribución de las partículas constituyentes del sistema por niveles de energía y velocidades, el grado de ionización de las sustancias, las propiedades de la radiación electromagnética de equilibrio de los cuerpos, la densidad volumétrica total de la radiación. Dado que para un sistema que está en equilibrio termodinámico, los parámetros enumerados son iguales, por lo general se denominan temperatura del sistema.
Plasma
Además de los cuerpos en equilibrio, existen sistemas en los que el estado se caracteriza por varios valores de temperatura que no son iguales entre sí. El plasma es un buen ejemplo. Se compone de electrones (partículas cargadas ligeras) e iones (partículas cargadas pesadas). Cuando chocan, la energía se transfiere rápidamente de electrón a electrón y de ión a ión. Pero entre elementos heterogéneos hay una transición lenta. El plasma puede estar en un estado en el que los electrones e iones individualmente estén cerca del equilibrio. En este caso, se pueden tomar temperaturas separadas para cada tipo de partículas. Sin embargo, estos parámetros diferirán entre sí.
Imanes
En cuerpos en los que las partículas tienen un momento magnético, la transferencia de energía suele ocurrir lentamente: de grados de libertad traslacionales a magnéticos, que están asociados con la posibilidad de cambiar las direcciones del momento. Resulta que hay estados en los que el cuerpo se caracteriza por una temperatura que no coincide con el parámetro cinético. Corresponde al movimiento de traslación de las partículas elementales. La temperatura magnética determina parte de la energía interna. Puede ser positivo onegativo. Durante el proceso de alineación, la energía se transferirá de las partículas con un valor más alto a las partículas con un valor de temperatura más bajo si ambas son positivas o negativas. De lo contrario, este proceso procederá en la dirección opuesta: la temperatura negativa será "más alta" que la positiva.
¿Por qué es necesario?
La paradoja radica en el hecho de que la persona promedio, para llevar a cabo el proceso de medición tanto en la vida cotidiana como en la industria, ni siquiera necesita saber qué temperatura es. Le bastará con entender que este es el grado de calentamiento de un objeto o ambiente, sobre todo porque conocemos estos términos desde la infancia. De hecho, la mayoría de los dispositivos prácticos diseñados para medir este parámetro en realidad miden otras propiedades de las sustancias que cambian con el nivel de calentamiento o enfriamiento. Por ejemplo, presión, resistencia eléctrica, volumen, etc. Además, dichas lecturas se convierten manual o automáticamente al valor deseado.
Resulta que para determinar la temperatura no es necesario estudiar física. La mayor parte de la población de nuestro planeta vive según este principio. Si el televisor está encendido, entonces no es necesario comprender los procesos transitorios de los dispositivos semiconductores, estudiar de dónde proviene la electricidad en el tomacorriente o cómo llega la señal a la antena parabólica. La gente está acostumbrada al hecho de que en cada campo hay especialistas que pueden arreglar o depurar el sistema. El profano no quiere forzar su cerebro, porque ¿dónde es mejor ver una telenovela o fútbol en la "caja" mientras se toma un sorbo?cerveza fría.
Quiero saber
Pero hay personas, en su mayoría estudiantes, que, ya sea por curiosidad o por necesidad, se ven obligadas a estudiar física y determinar qué temperatura es realmente. Como resultado, en su búsqueda caen en la naturaleza de la termodinámica y estudian sus leyes cero, primera y segunda. Además, una mente inquisitiva tendrá que comprender los ciclos de Carnot y la entropía. Y al final de su viaje, seguramente admitirá que la definición de temperatura como parámetro de un sistema térmico reversible, que no depende del tipo de sustancia de trabajo, no aportará claridad al sentimiento de este concepto. Y de todos modos, la parte visible serán unos grados aceptados por el sistema internacional de unidades (SI).
Temperatura como energía cinética
Más "tangible" es el enfoque que se llama teoría cinética molecular. Forma la idea de que el calor se considera como una de las formas de energía. Por ejemplo, la energía cinética de las moléculas y los átomos, un parámetro promediado sobre un gran número de partículas que se mueven al azar, resulta ser una medida de lo que comúnmente se llama la temperatura de un cuerpo. Así, las partículas de un sistema calentado se mueven más rápido que las de uno frío.
Dado que el término bajo consideración está estrechamente relacionado con la energía cinética promedio de un grupo de partículas, sería bastante natural usar el joule como unidad de temperatura. Sin embargo, esto no sucede, lo que se explica por el hecho de que la energía del movimiento térmico de elementospartículas es muy pequeña en relación con el julio. Por lo tanto, su uso es inconveniente. El movimiento térmico se mide en unidades derivadas de julios mediante un factor de conversión especial.
Unidades de temperatura
Hoy en día, se utilizan tres unidades básicas para mostrar este parámetro. En nuestro país, la temperatura suele medirse en grados centígrados. Esta unidad de medida se basa en el punto de congelación del agua, un valor absoluto. Ella es el punto de partida. Es decir, la temperatura del agua a la que comienza a formarse hielo es cero. En este caso, el agua sirve como medida ejemplar. Esta convención ha sido adoptada por conveniencia. El segundo valor absoluto es la temperatura del vapor, es decir, el momento en que el agua pasa del estado líquido al estado gaseoso.
La siguiente unidad es Kelvin. El punto de referencia de este sistema se considera el punto del cero absoluto. Entonces, un grado Kelvin es igual a un grado Celsius. La diferencia es solo el comienzo de la cuenta regresiva. Obtenemos que el cero en Kelvin será igual a menos 273,16 grados centígrados. En 1954, en la Conferencia General de Pesos y Medidas, se decidió sustituir el término "grado Kelvin" para la unidad de temperatura por "kelvin".
La tercera unidad de medida común es Fahrenheit. Hasta 1960, fueron ampliamente utilizados en todos los países de habla inglesa. Sin embargo, hoy en día en la vida cotidiana en los Estados Unidos se utiliza esta unidad. El sistema es fundamentalmente diferente de los descritos anteriormente. Tomado como punto de partidapunto de congelación de una mezcla de sal, amoníaco y agua en una proporción de 1:1:1. Entonces, en la escala Fahrenheit, el punto de congelación del agua es más 32 grados y el punto de ebullición es más 212 grados. En este sistema, un grado es igual a 1/180 de la diferencia entre estas temperaturas. Entonces, el rango de 0 a +100 grados Fahrenheit corresponde al rango de -18 a +38 Celsius.
Temperatura cero absoluto
Veamos qué significa este parámetro. El cero absoluto es la temperatura límite a la cual la presión de un gas ideal se desvanece en un volumen fijo. Este es el valor más bajo en la naturaleza. Como predijo Mikhailo Lomonosov, "este es el mayor o último grado de frío". De aquí se sigue la ley química de Avogadro: volúmenes iguales de gases a la misma temperatura y presión contienen el mismo número de moléculas. ¿Qué se sigue de esto? Hay una temperatura mínima de un gas a la cual su presión o volumen desaparece. Este valor absoluto corresponde a cero Kelvin, o 273 grados Celsius.
Algunos datos interesantes sobre el sistema solar
La temperatura en la superficie del Sol alcanza los 5700 Kelvin, y en el centro del núcleo - 15 millones de Kelvin. Los planetas del sistema solar son muy diferentes entre sí en cuanto al nivel de calentamiento. Entonces, la temperatura del núcleo de nuestra Tierra es aproximadamente la misma que en la superficie del Sol. Júpiter es considerado el planeta más caliente. La temperatura en el centro de su núcleo es cinco veces mayor que en la superficie del Sol. Y aquí está el valor más bajo del parámetro.registrado en la superficie de la luna - era sólo 30 kelvins. Este valor es incluso más bajo que en la superficie de Plutón.
Datos de la Tierra
1. La temperatura más alta registrada por una persona fue de 4 mil millones de grados centígrados. Este valor es 250 veces mayor que la temperatura del núcleo del Sol. El récord lo estableció el Laboratorio Natural Brookhaven de Nueva York en el colisionador de iones, que tiene unos 4 kilómetros de largo.
2. La temperatura en nuestro planeta tampoco es siempre ideal y cómoda. Por ejemplo, en la ciudad de Verkhnoyansk en Yakutia, la temperatura en invierno baja a menos 45 grados centígrados. Pero en la ciudad etíope de Dallol, la situación se invierte. Allí, la temperatura media anual es de más de 34 grados.
3. Las condiciones más extremas en las que trabaja la gente se registran en las minas de oro de Sudáfrica. Los mineros trabajan a una profundidad de tres kilómetros a una temperatura de más de 65 grados centígrados.
