Термодинамическая температура

Системы

Состояние
Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты
Процессы
Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость
Циклы
Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность

Свойства системы

Примечание: Сопряженные переменные в курсивом

Функции процесса
Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства
Работа Высокая температура
Функции государства
Температура / энтропия ( введение ) Давление / Объем Химический потенциал / число частиц Качество пара Сниженные свойства

Свойства материала

Базы данных недвижимости

Удельная теплоемкость

{\ displaystyle c =}

${\ displaystyle T}$	${\ displaystyle \ partial S}$
${\ displaystyle N}$	${\ displaystyle \ partial T}$

Сжимаемость

{\ displaystyle \ beta = -}

${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle \ partial V}$
${\ displaystyle V}$	${\ displaystyle \ partial p}$

Тепловое расширение

{\ Displaystyle \ альфа =}

${\ displaystyle 1}$	${\ displaystyle \ partial V}$
${\ displaystyle V}$	${\ displaystyle \ partial T}$

Потенциал

Свободная энергия
Свободная энтропия

Внутренняя энергия
${\ Displaystyle U (S, V)}$
Энтальпия
${\ Displaystyle H (S, p) = U + pV}$
Свободная энергия Гельмгольца
${\ Displaystyle А (Т, В) = U-TS}$
Свободная энергия Гиббса
${\ Displaystyle G (T, p) = H-TS}$

История
Культура

История
Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель"
Философия
Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика
Теории
Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации
Ключевые публикации
" Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии гетерогенных веществ » « Размышления о движущей силе огня »
Сроки
Термодинамика Тепловые двигатели
Изобразительное искусство Образование
Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии

Термодинамическая температура - это мера абсолютной температуры , где нулевое значение на температурной шкале обозначает точку, в которой начинается фундаментальное физическое свойство, наполняющее материю температурой, передаваемой кинетической энергией из-за движения атома. Термодинамическая температура - один из основных параметров термодинамики .

В нулевой точке термодинамической температуры, абсолютном нуле , частицы, составляющие материю, имеют минимальное движение и не могут охлаждаться. ^[1]^[2] Материя при абсолютном нуле не имеет оставшейся переносимой средней кинетической энергии, и единственное оставшееся движение частицы связано с постоянно распространяющимся квантово-механическим явлением, называемым энергией нулевой точки . ^[3] Хотя атомы, например, в контейнере с жидким гелием, который находится точно при абсолютном нуле, все еще немного толкаются из-за энергии нулевой точки, тепловая машина с этим гелием в качестве одной из рабочих жидкостей никогда не может иметь какую-либо чистую кинетическую энергию. энергия ( тепловая энергия) поток к другому рабочему телу, и никакой термодинамической работы не может произойти.

Международная система единиц определяет шкалу Кельвина для измерения термодинамической температуры и Кельвин (символ: K) для конкретных значений по шкале, а также для обозначения температурных интервалов (разности между двумя температурами). Температурный интервал в один градус Цельсия равен одному градусу Кельвина. Величина кельвина была пересмотрена в 2019 году в связи с самим физическим свойством, лежащим в основе термодинамической температуры: кинетической энергией движения атомной частицы за пределами нулевой энергии. Новое определение зафиксировало постоянную Больцмана на точном1,380 649 × 10 ^-23 Дж / К . ^[4] Составная единица постоянной Больцмана часто также задается как Дж · К ^-1 , что может показаться абстрактным из-за его отрицательной 1 экспоненты, но это просто другой математический синтаксис, который обозначает ту же меру: джоули (СИ единица измерения энергии , включая кинетическую энергию) на кельвин.

Примечательно, что постоянная Больцмана связывает термодинамическую температуру с определенным подмножеством возможных колебательных движений, которые могут происходить в материи: это включает три поступательные степени свободы , которые могут быть движениями, подобными бильярдному шару, по осям X, Y и Z трехмерного пространства для газов (см. рис. 1 ниже) и фононов в твердых телах (см. рис. 4 ниже). Термодинамическая температура вещества определяется кинетической энергией только трех поступательных степеней свободы. В одноатомные благородные газы , такие как гелий и аргон являются уникальными , поскольку они поглощают кинетическую энергию ( тепло), их точечные одиночные атомы поглощают его исключительно в трех поступательных степенях свободы, тем самым связывая ключевые термодинамические свойства давления и температуры в соответствии с законом идеального газа .

Фиксация постоянной Больцмана на конкретном значении, наряду с другими правилами, позволила точно установить величину единичного интервала термодинамической температуры, кельвина, с точки зрения кинетики. Более того, исходная точка термодинамической температурной шкалы, абсолютный ноль, была подтверждена как точка, в которой в образце остается нулевая средняя кинетическая энергия ; единственное оставшееся движение частицы состоит из случайных колебаний из-за нулевой энергии.

Шкала Ренкина [ править ]

Хотя было много других шкал температуры на протяжении всей истории, существует лишь две шкалы для измерения термодинамической температуры, где абсолютный нуль их точка нуля (0): Шкала Кельвина и шкала Ренкина .

В научном мире, где измерения почти всегда производятся в единицах СИ , термодинамическая температура измеряется в кельвинах (символ: K). Шкала Ренкина использует в качестве единицы градус Ренкина (символ: ° R), который имеет ту же величину, что и градус Фаренгейта (символ: ° F). Ранкин входит в состав английских инженерных подразделений в США и находит применение в определенных инженерных областях.

Температурный интервал в один градус Ренкина ровно в 1,8 раза меньше по величине, чем один кельвин; следовательно, найти градусы Rankines от Кельвина, K · 1,8 = R ° , и найти Кельвины от степени Ренкина, ° R / 1.8 = K . Таким образом, абсолютный ноль равен «0» для обеих шкал, но температура плавления водяного льда (0 ° C и 273,15 K) составляет 491,67 ° R.

Современное переопределение кельвина [ править ]

В течение 65 лет, между 1954 и 2019 переопределением основных единиц СИ , температурный интервал в один кельвин определялся как1/273,16разница между тройной точкой воды и абсолютным нулем. В резолюции 1954 года Международного бюро мер и весов (известной под аббревиатурой BIPM на французском языке), а также в более поздних резолюциях и публикациях, тройная точка воды определяется точно как 273,16 K и признается, что это «обычная практика». из-за предыдущих соглашений (а именно, что 0 ° C долгое время определялось как точка плавления воды и что тройная точка воды долгое время экспериментально определялась как неотличимо близкая к 0,01 ° C), разница между шкалой Цельсия и Шкала Кельвина принята равной 273,15 кельвина; то есть 0 ° C равняется 273,15 кельвина. ^[5]Чистый эффект этого, а также более поздних резолюций был двояким: 1) они определили абсолютный ноль как точно 0 K, и 2) они определили, что тройная точка специальной изотопно-контролируемой воды, называемой Венской стандартной средней океанской водой, была точно 276,16 кельвина и 0,01 ° C. Одним из следствий вышеупомянутых разрешений было то, что температура плавления воды, хотя и была очень близка к 273,15 кельвину и 0 ° C, не была определяющей величиной и подлежала уточнению с помощью более точных измерений.

Стандарт BIPM 1954 года хорошо справился с установлением - в пределах неопределенностей из-за изотопных вариаций между образцами воды - температуры около точки замерзания и тройной точки воды, но требовал, чтобы промежуточные значения между тройной точкой и абсолютным нулем, а также экстраполированные значения от комнатной температуры и выше, подлежит экспериментальному определению с помощью оборудования и процедур в отдельных лабораториях. Этот недостаток был устранен Международной температурной шкалой 1990 г., или ITS ‑ 90, который определил 13 дополнительных точек, от 13,8033 K до 1357,77 K. Будучи определяющим, ITS ‑ 90 имел - и все еще имеет - некоторые проблемы, отчасти потому, что восемь из его экстраполированных значений зависят от точек замерзания или плавления образцы металлов, которые должны оставаться исключительно чистыми, чтобы не повлиять на их температуру плавления или замерзания.

Переопределение базовых единиц СИ в 2019 году было в первую очередь с целью отделения большей части определяющих основ системы СИ от килограмма , который был последним физическим артефактом, определяющим базовую единицу СИ (платиновый / иридиевый цилиндр, хранящийся под тремя вложенными колпаками в сейф, расположенный во Франции), стабильность которого была весьма сомнительной. Решение требовало, чтобы четыре физические константы, включая постоянную Больцмана, были фиксированы по определению.

Присвоение постоянной Больцмана точно определенного значения не имело никакого практического влияния на современную термометрию, за исключением наиболее точных измерений. До переопределения тройная точка воды была точно 273,16 K и 0,01 ° C, а постоянная Больцмана была экспериментально определена как1,380 649 03 (51) × 10 ^-23 Дж / К , где «(51)» обозначает относительную стандартную неопределенность, равную 0,37 ppm. ^[6] Затем, определив постоянную Больцмана как точно1,380 649 × 10 ^-23 Дж / К , неопределенность была перенесена на тройную точку воды, которая стала экспериментально определенным значением 273,1600 ± 0,0001 К (0,0100 ± 0,0001 ° C). То, что тройная точка воды оказалась чрезвычайно близкой к 273,16 K после переопределения SI, не случайно; Окончательное значение постоянной Больцмана было определено, в частности, с помощью хитроумных экспериментов с аргоном и гелием, в которых в качестве ключевой эталонной температуры использовалась тройная точка воды. ^[7] ^[8]

Несмотря на переопределение 2019 года, водные ячейки тройной точки остаются чрезвычайно удобными в качестве эталонов для точной калибровки при 0,01 ° C; это относится к остальной части ITS ‑ 90 (которая имеет тройную точку воды в качестве одной из точек калибровки) в современной термометрии, начиная от тройной точки водорода до точки замерзания меди, что в термодинамике составляет почти стократный диапазон температура.

Взаимосвязь температуры, движения, теплопроводности и тепловой энергии [ править ]

Рисунок 1 поступательное движение элементарных частиц природы , таких как атомы и молекулы имеют непосредственное отношение к температуре. Здесь размер атомов гелия относительно их расстояния показан в масштабе при давлении 1950 атмосфер . Эти атомы при комнатной температуре имеют определенную среднюю скорость (здесь они замедлены в два триллиона раз). Однако в любой данный момент конкретный атом гелия может двигаться намного быстрее, чем в среднем, в то время как другой может быть почти неподвижным. Пять атомов окрашены в красный цвет, чтобы облегчить отслеживание их движения.

Эта анимация иллюстрирует статистическую механику , то есть науку о том, как групповое поведение большой коллекции микроскопических объектов определяется кинетическими свойствами каждого отдельного объекта.

Природа кинетической энергии, поступательного движения и температуры [ править ]

Термодинамическая температура любого объемного количества вещества (статистически значимого количества частиц) прямо пропорциональна средней кинетической энергии определенного вида движения частицы, известного как поступательное движение. Эти простые движения в трех измерениях пространства по осям X, Y и Z означают, что частицы движутся в трех пространственных степенях свободы . Эту особую форму кинетической энергии иногда называют кинетической температурой.Поступательное движение - это всего лишь одна из форм тепловой энергии, которая определяет не только температуру газов, но также их давление и большую часть их объема. Это соотношение между температурой, давлением и объемом газов устанавливаются законом идеального газа «ы формулы Pv = НЮТ и воплощено в газовых законах .

Хотя кинетическая энергия, переносимая исключительно в трех поступательных степенях свободы, составляет термодинамическую температуру вещества, молекулы, как видно на рис. 3 , могут иметь другие степени свободы, все из которых подпадают под три категории: длина связи, валентный угол и вращательный. Все три дополнительные категории не обязательно доступны для всех молекул, и даже для молекул, которые могут испытать все три, некоторые из них могут быть «заморожены» ниже определенной температуры. Тем не менее, все те степени свободы, которые доступны молекулам при определенных условиях, вносят вклад в удельную теплоемкость.вещества; Другими словами, они увеличивают количество тепла (кинетической энергии), необходимое для подъема данного количества вещества на один кельвин или один градус Цельсия.

Отношение кинетической энергии, массы и скорости дается формулой E _к = ¹ / ₂ мв ² . ^[9] Соответственно, частицы с одной единицей массы, движущиеся с одной единицей скорости, имеют точно такую же кинетическую энергию и точно такую же температуру, что и частицы с четырехкратной массой, но с половиной скорости.

Степень, в которой кинетическая энергия поступательного движения отдельного атома или молекулы (частицы) в газе способствует давлению и объему этого газа, является пропорциональной функцией термодинамической температуры, как установлено постоянной Больцмана (символ: k _B ) . Постоянная Больцмана также связывает термодинамическую температуру газа со средней кинетической энергией поступательного движения отдельной частицы следующим образом:

{\ displaystyle {\ tilde {E}} \, = \, {\ frac {3} {2}} k_ {B} T}

куда:

${\ displaystyle \ scriptstyle {\ tilde {E}}}$ средняя кинетическая энергия в джоулях (Дж)
k _B =1,380 649 × 10 ⁻²³ Дж / К
T - термодинамическая температура в кельвинах (K)

Рис. 2 Поступательные движения атомов гелия происходят в широком диапазоне скоростей. Сравните форму этой кривой с кривой Планка на рис. 5 ниже.

Хотя постоянная Больцмана полезна для определения средней кинетической энергии частицы, важно отметить, что даже когда вещество изолировано и находится в термодинамическом равновесии (все части имеют одинаковую температуру, и тепло не входит в него и не выходит из него) поступательное движение отдельных атомов и молекул происходит в широком диапазоне скоростей (см. анимацию на рис. 1 выше). В любой момент доля частиц, движущихся с заданной скоростью в этом диапазоне, определяется вероятностью, как описано распределением Максвелла – Больцмана . График, показанный здесь на рис. 2, показывает распределение скорости атомов гелия 5500 К. У них есть наиболее вероятныйскорость 4,780 км / с (0,2092 с / км). Однако определенная часть атомов в любой данный момент движется быстрее, тогда как другие движутся относительно медленно; некоторые на мгновение фактически останавливаются (с правой стороны оси x ). На этом графике для оси x используется обратная скорость, поэтому форму кривой можно легко сравнить с кривыми на рис. 5 ниже. На обоих графиках ноль на оси x представляет бесконечную температуру. Кроме того, оси x и y на обоих графиках масштабируются пропорционально.

Высокие скорости поступательного движения [ править ]

Хотя для непосредственного обнаружения поступательных движений требуется очень специализированное лабораторное оборудование, возникающие в результате столкновения атомов или молекул с небольшими частицами, взвешенными в жидкости, вызывают броуновское движение, которое можно увидеть в обычный микроскоп. Поступательные движения элементарных частиц очень быстрые ^[10], и для их непосредственного наблюдения требуются температуры, близкие к абсолютному нулю . Например, когда ученые из NIST в 1994 году достигли рекордной температуры холода в 700 нК (миллиардных долей кельвина), они использовали оборудование с оптическим лазером на решетке для адиабатического охлаждения цезия.атомы. Затем они выключили улавливающие лазеры и непосредственно измерили скорости атомов 7 мм в секунду, чтобы вычислить их температуру. ^[11] Формулы для расчета скорости и скорости поступательного движения приведены в следующей сноске. ^[12]

Внутренние движения молекул и внутренняя энергия [ править ]

Рис. 3 Молекулы имеют внутреннюю структуру, потому что они состоят из атомов, которые по-разному перемещаются внутри молекул. Способность хранить кинетическую энергию в этих внутренних степенях свободы способствует удельной теплоемкости или внутренней энергии вещества , позволяя ему содержать больше внутренней энергии при той же температуре.

Как упоминалось выше, помимо трех поступательных степеней свободы, которые наделяют вещества своей кинетической температурой, существуют и другие способы колебания молекул. Как видно на анимации справа, молекулы - сложные объекты; они представляют собой совокупность атомов, и тепловое перемешивание может деформировать их внутренние химические связи тремя различными способами: посредством вращения, длины связи и перемещений угла связи; это все типы внутренних степеней свободы . Это отличает молекулы от одноатомных веществ (состоящих из отдельных атомов), таких как благородные газы гелий и аргон., которые имеют только три поступательные степени свободы (оси X, Y и Z). Кинетическая энергия хранится во внутренних степенях свободы молекул, что придает им внутреннюю температуру. Несмотря на то, что эти движения называются «внутренними», внешние части молекул по-прежнему движутся - скорее, как покачивание неподвижного водяного шара . Это допускает двусторонний обмен кинетической энергией между внутренними движениями и поступательными движениями при каждом столкновении молекул. Соответственно, когда у молекул отводится внутренняя энергия, их кинетическая температура (кинетическая энергия поступательного движения) и их внутренняя температура одновременно уменьшаются в равных пропорциях. Это явление описывается теоремой о равнораспределении, который утверждает, что для любого объемного количества вещества в равновесии кинетическая энергия движения частицы равномерно распределяется между всеми активными степенями свободы, доступными частицам. Поскольку внутренняя температура молекул обычно равна их кинетической температуре, различие обычно представляет интерес только при подробном изучении явлений нелокального термодинамического равновесия (ЛТР), таких как горение , сублимация твердых тел и диффузия горячих газов. в частичном вакууме.

Кинетическая энергия , запасенная в молекулах внутри вызывает вещества , чтобы содержать больше тепловой энергии при любой данной температуре и поглощать дополнительную внутреннюю энергию для заданного повышения температуры. Это связано с тем, что любая кинетическая энергия, которая в данный момент связана во внутреннем движении, в этот же момент не вносит вклад в поступательное движение молекул. ^[13] Эта дополнительная кинетическая энергия просто увеличивает количество внутренней энергии, поглощаемой веществом при заданном повышении температуры. Это свойство известно как удельная теплоемкость вещества .

Различные молекулы поглощают разное количество внутренней энергии для каждого постепенного повышения температуры; то есть они имеют разные удельные теплоемкости. Отчасти высокая удельная теплоемкость возникает из-за того, что молекулы одних веществ обладают большим числом внутренних степеней свободы, чем другие. Например, азот при комнатной температуре , представляющий собой двухатомную молекулу, имеет пять активных степеней свободы: три включают поступательное движение плюс две внутренние вращательные степени свободы. Неудивительно, что в соответствии с теоремой о равнораспределении азот имеет пять третей удельной теплоемкости на моль (определенное количество молекул), как и одноатомные газы. ^[14] Другой пример:бензин (см. таблицу с указанием его удельной теплоемкости). Бензин может поглощать большое количество тепловой энергии на моль при небольшом изменении температуры, потому что каждая молекула состоит в среднем из 21 атома и, следовательно, имеет множество внутренних степеней свободы. Даже более крупные и сложные молекулы могут иметь десятки внутренних степеней свободы.

Распространение тепловой энергии: энтропия, фононы и подвижные электроны проводимости [ править ]

Рис. 4 Поступательное движение частиц в твердых телах, вызванное температурой, принимает форму фононов . Здесь показаны фононы с одинаковыми амплитудами, но с длинами волн от 2 до 12 средних межмолекулярных расстояний ( а ).

Теплопроводность - это диффузия тепловой энергии от горячих частей системы к холодным частям. Система может быть либо одной совокупностью, либо множеством дискретных совокупных объектов. Термин « масса» в этом контексте означает статистически значимое количество частиц (которое может быть микроскопическим). Когда тепловая энергия распространяется внутри изолированной системы, разница температур внутри системы уменьшается (а энтропия увеличивается).

Один конкретный механизм теплопроводности возникает, когда поступательное движение, движение частицы, лежащее в основе температуры, передает импульс от частицы к частице при столкновениях. В газах эти поступательные движения имеют характер, показанный на рис.1 . Как видно из этой анимации, не только импульс (тепло) распространяется по всему объему газа посредством последовательных столкновений, но и целые молекулы или атомы могут двигаться вперед на новую территорию, неся с собой свою кинетическую энергию. Следовательно, разница температур в газах очень быстро выравнивается, особенно для легких атомов или молекул; конвекция еще больше ускоряет этот процесс. ^[15]

Однако поступательное движение в твердых телах принимает форму фононов (см. Рис. 4 справа). Фононы - это ограниченные квантованные волновые пакеты, которые распространяются со скоростью звука данного вещества. Способ взаимодействия фононов внутри твердого тела определяет множество его свойств, включая теплопроводность. В электрически изолирующих твердых телах теплопроводность на основе фононов обычно неэффективна ^[16], и такие твердые тела считаются теплоизоляторами (например, стекло, пластик, резина, керамика и камень). Это связано с тем, что в твердых телах атомы и молекулы заблокированы на месте относительно своих соседей и не могут свободно перемещаться.

Однако металлы не ограничиваются только теплопроводностью на основе фононов. Тепловая энергия проходит через металлы необычайно быстро, потому что вместо прямых столкновений молекул большая часть тепловой энергии передается через очень легкие подвижные электроны проводимости . Вот почему существует почти идеальная корреляция между теплопроводностью металлов и их электропроводностью . ^[17] Электроны проводимости наделяют металлы своей необычайной проводимостью, потому что они делокализованы (т. Е. Не привязаны к конкретному атому) и ведут себя скорее как своего рода квантовый газ из-за эффектов нулевой энергии.(подробнее о ZPE см. Примечание 1 ниже). Кроме того, электроны относительно легкие с массой покоя только ¹ / _{одна тысяча восемьсот тридцать-шесть} , что в виде протона . Это примерно такое же соотношение, как у пули .22 Short (29 гран или 1,88 г ) по сравнению с винтовкой, которая стреляет по ней. Как писал Исаак Ньютон со своим третьим законом движения ,

Закон № 3: Все силы действуют парами, и эти две силы равны по величине и противоположны по направлению.

Однако пуля ускоряется быстрее, чем винтовка при равной силе. Поскольку кинетическая энергия увеличивается пропорционально квадрату скорости, почти вся кинетическая энергия идет в пулю, а не в винтовку, даже если обе испытывают одинаковую силу от расширяющихся пороховых газов. Таким же образом, поскольку они намного менее массивны, тепловая энергия легко переносится подвижными электронами проводимости. Кроме того, поскольку они делокализованы и очень быстрые, кинетическая тепловая энергия чрезвычайно быстро проходит через металлы с большим количеством электронов проводимости.

Распространение тепловой энергии: излучение черного тела [ править ]

Рис. 5 Спектр излучения черного тела имеет форму кривой Планка. Черное тело с температурой 5500 К имеет максимальную длину волны излучения 527 нм. Сравните форму этой кривой с формой распределения Максвелла на рис. 2 выше.

Тепловое излучение - это побочный продукт столкновений, возникающих при различных колебательных движениях атомов. Эти столкновения заставляют электроны атомов испускать тепловые фотоны (известное как излучение черного тела ). Фотоны испускаются всякий раз, когда электрический заряд ускоряется (как это происходит при столкновении электронных облаков двух атомов). Даже отдельные молекулы с внутренней температурой выше абсолютного нуля также испускают излучение черного тела от своих атомов. В любом объеме вещества в состоянии равновесия фотоны черного тела излучаются в диапазоне длин волн в спектре, который имеет форму колоколообразной кривой, называемой кривой Планка (см. График на рис. 5).справа). Вершина кривой Планка ( максимальная длина волны излучения ) находится в определенной части электромагнитного спектра в зависимости от температуры черного тела. Вещества при экстремальных криогенных температурах излучают в длинных радиоволнах, в то время как при чрезвычайно высоких температурах образуются короткие гамма-лучи (см. Таблицу общих температур ).

Излучение черного тела распространяет тепловую энергию по всему веществу, поскольку фотоны поглощаются соседними атомами, передавая при этом импульс. Фотоны черного тела также легко выходят из вещества и могут поглощаться окружающей средой; кинетическая энергия теряется в процессе.

Как установлено законом Стефана – Больцмана , интенсивность излучения черного тела увеличивается в четвертой степени абсолютной температуры. Таким образом, черное тело при 824 К (чуть меньше светящегося тускло-красного цвета) излучает в 60 раз большую мощность излучения, чем при 296 К (комнатная температура). Вот почему так легко можно почувствовать лучистое тепло от горячих предметов на расстоянии. При более высоких температурах, например, в лампах накаливания , излучение черного тела может быть основным механизмом, с помощью которого тепловая энергия покидает систему.

Таблица термодинамических температур [ править ]

Полный диапазон термодинамической шкалы температур от абсолютного нуля до абсолютной высокой температуры и некоторые примечательные точки между ними показаны в таблице ниже.

	кельвин	Пик излучательная длины волны ^[18] из фотонов черного тела
Абсолютный ноль (именно по определению)	0 К	∞ ^[3]
Самая низкая измеренная температура ^[19]	450 пК	6,400 км
Один милликельвин (именно по определению)	0,001 К	2,897 77 м (радио, диапазон FM ) ^[20]
Космическое микроволновое фоновое излучение	2,725 48 (57) К	1,063 мм (пиковая длина волны)
Вода «s тройной точки (именно по определению)	273,16 К	10608,3 нм (длинноволновое ИК-излучение )
Лампа накаливания ^[A]	2500 K ^[B]	1160 нм (ближний инфракрасный ) ^[C]
Видимая поверхность Солнца ^[C]^[21]	5778 К	501,5 нм ( зеленый свет )
Канал молнии	28000 К	100 нм (дальний ультрафиолетовый свет)
Ядро Солнца	16 МК	0,18 нм ( рентгеновские лучи )
Термоядерный взрыв (пиковая температура) ^[22]	350 мк	8,3 × 10 ⁻³ нм ( гамма-лучи )
Z-машина Sandia National Labs ^[D]^[23]	2 ГК	1,4 × ^10-3 нм (гамма-лучи)
Ядро звезды большой массы в ее последний день ^[24]	3 ГК	1 × 10 ⁻³ нм (гамма-лучи)
Система слияния двойной нейтронной звезды ^[25]	350 ГК	8 × 10 ⁻⁶ нм (гамма-лучи)
Прародители гамма-всплесков ^[26] и коллайдер релятивистских тяжелых ионов ^[27]	1 ТЗ	3 × 10 ⁻⁶ нм (гамма-лучи)
Столкновения протонов и ядер в ЦЕРНе ^[28]	10 тк	3 × ^10-7 нм (гамма-лучи)
Вселенная 5.391 × 10 −44 с после Большого взрыва	1,417 × 10 32 К	1,616 × 10 −26 нм (частота Планка) ^[29]

^ Для истинного черного тела (которым не являются вольфрамовые нити). Излучательная способность вольфрамовых нитей выше при более коротких длинах волн, что делает их более белыми.
^ Значение 2500 K является приблизительным.
^ a b Эффективная температура фотосферы.
^ Для истинного черного тела (которым плазма не была). Преобладающее излучение Z-машины происходило от 40 МК электронов (мягкое рентгеновское излучение) в плазме.

Накал фаз [ править ]

Рисунок 6 Лед и вода: две фазы одного и того же вещества

Кинетическая энергия движения частицы составляет лишь один вклад в общую тепловую энергию вещества; другой - фазовые переходы , которые представляют собой потенциальную энергию молекулярных связей, которые могут образовываться в веществе при его охлаждении (например, во время конденсации и замораживания ). Тепловая энергия, необходимая для фазового перехода, называется скрытой теплотой . Это явление легче понять, если рассмотреть его в обратном направлении: скрытая теплота - это энергия, необходимая для разрыва химических связей (например, во время испарения и плавления ). Практически каждый знаком с эффектами фазовых переходов; например,Пар с температурой 100 ° C может вызвать серьезные ожоги намного быстрее, чем воздух с температурой 100 ° C из фена . Это происходит потому, что при конденсации пара на коже в жидкую воду выделяется большое количество скрытой теплоты.

Несмотря на то, что тепловая энергия выделяется или поглощается во время фазовых переходов, чистые химические элементы , соединения и эвтектические сплавы вообще не изменяют температуру, пока они претерпевают эти изменения (см. Рис. 7, справа внизу). Рассмотрим один конкретный тип фазового перехода: плавление. Когда твердое тело плавится, химические связи кристаллической решетки разрушаются; вещество переходит из так называемого более упорядоченного состояния в менее упорядоченное состояние . На рис. 7 таяние льда показано в левом нижнем поле заголовком от синего до зеленого цвета.

Рис. 7 Температура воды не меняется во время фазовых переходов, когда тепло течет внутрь или из нее. Общая теплоемкость моля воды в жидкой фазе (зеленая линия) составляет 7,5507 кДж.

В одной конкретной термодинамической точке, температуре плавления (которая составляет 0 ° C в широком диапазоне давлений в случае воды), все атомы или молекулы в среднем находятся на максимальном энергетическом пороге, которому их химические связи могут выдерживать без разрыва. из решетки. Химические связи - это силы, действующие по принципу «все или ничего»: они либо держатся, либо рвутся; промежуточного состояния нет. Следовательно, когда вещество находится в точке плавления, каждый джоуль добавленной тепловой энергии разрывает связи только определенного количества его атомов или молекул ^[30], превращая их в жидкость точно такой же температуры; кинетическая энергия не добавляется к поступательному движению (что и определяет температуру веществ). Эффект похож на попкорн.: при определенной температуре дополнительная тепловая энергия не может сделать ядра более горячими до тех пор, пока переход (лопание) не завершится. Если процесс обратный (как при замерзании жидкости), тепловая энергия должна быть удалена из вещества.

Как указано выше, тепловая энергия, необходимая для фазового перехода, называется скрытой теплотой. В конкретных случаях плавления и замерзания это называется энтальпией плавления или теплотой плавления. Если молекулярные связи в кристаллической решетке сильны, теплота плавления может быть относительно большой, обычно в диапазоне от 6 до 30 кДж на моль для воды и большинства металлических элементов. ^[31] Если вещество является одним из одноатомных газов (которые имеют небольшую тенденцию к образованию молекулярных связей), теплота плавления будет более скромной, от 0,021 до 2,3 кДж на моль. ^[32]Условно говоря, фазовые переходы могут быть действительно энергетическими событиями. Чтобы полностью растопить лед при 0 ° C в воду при 0 ° C, нужно добавить примерно в 80 раз больше тепловой энергии, чем требуется для повышения температуры той же массы жидкой воды на один градус Цельсия. Соотношение металлов еще больше, обычно в пределах от 400 до 1200 раз. ^[33] И фазовый переход кипения намного энергичнее замерзания. Например, энергия, необходимая для полного кипения или испарения воды (так называемая энтальпия испарения ), примерно в 540 раз больше , чем требуется для увеличения на один градус. ^[34]

Значительная энтальпия испарения воды является причиной того, что кожа может сгореть так быстро, когда на ней конденсируется пар (заголовок от красного к зеленому на рис. 7 выше). В противоположном направлении, вот почему кожа кажется прохладной, когда жидкая вода на ней испаряется (процесс, который происходит при температуре ниже окружающей среды по влажному термометру, которая зависит от относительной влажности ). Высокоэнергетическая энтальпия испарения воды также является важным фактором, определяющим, почему солнечные бассейны покрывают (плавающие, изолированные одеяла, покрывающие бассейны).когда они не используются) настолько эффективны для снижения затрат на отопление: они предотвращают испарение. Например, испарение всего 20 мм воды из бассейна глубиной 1,29 метра охлаждает его воду на 8,4 градуса по Цельсию (15,1 ° F).

Внутренняя энергия [ править ]

Полная энергия поступательного и внутреннего движения всех частиц, включая энергию электронов проводимости, плюс потенциальная энергия фазовых переходов, плюс энергия нулевой точки ^[3], составляют внутреннюю энергию вещества.

Рис. 8 Когда многие химические элементы, такие как благородные газы и металлы платиновой группы , замерзают до твердого состояния - наиболее упорядоченного состояния вещества - их кристаллические структуры имеют плотную упаковку . Это дает максимально возможную плотность упаковки и самое низкое энергетическое состояние.

Внутренняя энергия при абсолютном нуле [ править ]

По мере охлаждения вещества различные формы внутренней энергии и связанные с ними эффекты одновременно уменьшаются по величине: скрытая теплота доступных фазовых переходов высвобождается, когда вещество переходит из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное состояние; уменьшаются поступательные движения атомов и молекул (уменьшается их кинетическая температура); уменьшаются внутренние движения молекул (уменьшается их внутренняя температура); электроны проводимости (если вещество является электрическим проводником) движутся несколько медленнее; ^[35]и максимальная длина волны излучения черного тела увеличивается (энергия фотонов уменьшается). Когда частицы вещества максимально близки к полному покою и сохраняют только квантово-механическое движение, вызванное ZPE, вещество имеет температуру абсолютного нуля ( T = 0).

Рис. 9 Из-за воздействия энергии нулевой точки гелий при атмосферном давлении остается сверхтекучим, даже когда он очень близок к абсолютному нулю; он не замерзнет, если давление не будет ниже 25 бар (~ 25 атмосфер).

Обратите внимание, что в то время как абсолютный ноль - это точка нулевой термодинамической температуры, а также точка, в которой частицы, составляющие материю, имеют минимальное движение, абсолютный ноль не обязательно является точкой, в которой вещество содержит нулевую внутреннюю энергию; нужно быть очень точным в том, что подразумевается под внутренней энергией . Часто все фазовые изменения , которые могут происходить в веществе, будут иметь место к тому времени она достигает абсолютный нуль. Тем не менее, это не всегда так. Примечательно, что гелий T = 0 остается жидким при комнатном давлении ( рис.9 справа) и должен находиться под давлением не менее 25 бар (2,5 МПа).) кристаллизоваться. Это связано с тем, что теплота плавления гелия (энергия, необходимая для плавления гелиевого льда) настолько мала (всего 21 джоуль на моль), что вызывающего движение эффекта нулевой энергии достаточно, чтобы предотвратить его замерзание при более низких давлениях.

Еще одна сложность заключается в том, что многие твердые тела меняют свою кристаллическую структуру на более компактные при чрезвычайно высоких давлениях (до миллионов бар или сотен гигапаскалей). Они известны как фазовые переходы твердое тело - твердое тело, при которых скрытая теплота высвобождается, когда кристаллическая решетка превращается в более термодинамически благоприятную, компактную.

Вышеупомянутые сложности делают довольно громоздкие общие утверждения относительно внутренней энергии в веществах с T = 0. Тем не менее, независимо от давления, можно сказать, что при абсолютном нуле все твердые тела с кристаллической решеткой с наименьшей энергией, такие как твердые тела с наиболее плотной упаковкой (см. Рис. 8, слева вверху), содержат минимальную внутреннюю энергию, сохраняя лишь к вездесущему фону нулевой энергии. ^[3]^[36] Можно также сказать, что для данного вещества при постоянном давлении абсолютный ноль - это точка самой низкой энтальпии (мера рабочего потенциала, которая принимает во внимание внутреннюю энергию, давление и объем). ^[37]Наконец, всегда верно сказать, что все вещества с T = 0 не содержат кинетической тепловой энергии. ^[3]^[12]

Практическое применение термодинамической температуры [ править ]

Термодинамическая температура полезна не только для ученых, она также может быть полезна для непрофессионалов во многих областях, связанных с газами. Выражая переменные в абсолютном выражении и применяя закон пропорциональности температуры / давления Гей-Люссака , решения повседневных проблем становятся простыми; например, расчет того, как изменение температуры влияет на давление внутри автомобильной шины. Если давление в шине составляет 200 кПа , то ее абсолютное давление составляет 300 кПа. ^[38]^[39]^[40] Комнатная температура («холодная» в терминах шин) составляет 296 K. Если температура шины на 20 ° C выше (20 кельвинов), решение рассчитывается как316 К/296 К = На 6,8% выше термодинамическая температура и абсолютное давление; то есть абсолютное давление 320 кПа, что соответствует манометрическому давлению 220 кПа.

Связь с законом об идеальном газе [ править ]

Термодинамическая температура тесно связана с законом идеального газа и его последствиями. Это можно связать также со вторым началом термодинамики. Можно показать, что термодинамическая температура имеет особые свойства, и, в частности, можно увидеть, что она однозначно определена (с точностью до некоторого постоянного мультипликативного множителя) с учетом эффективности идеализированных тепловых двигателей . Таким образом, отношение Т ₂ / Т ₁ двух температур Т ₁ и Т ₂ одинаково во всех абсолютных масштабах.

Строго говоря, температура системы хорошо определена, только если она находится в тепловом равновесии . С микроскопической точки зрения материал находится в тепловом равновесии, если количество тепла между его отдельными частицами сокращается. Существует множество возможных шкал температуры, полученных из различных наблюдений за физическими явлениями.

Грубо говоря, разница температур определяет направление тепла между двумя системами, так что их суммарная энергия максимально распределяется между их самыми низкими возможными состояниями. Мы называем это распределение « энтропией ». Чтобы лучше понять взаимосвязь между температурой и энтропией, рассмотрим взаимосвязь между теплотой, работой и температурой, показанную на тепловом двигателе Карно . Двигатель преобразует тепло в работу, направляя температурный градиент между источником тепла с более высокой температурой T _H и теплоотводом с более низкой температурой T _C через поршень, заполненный газом. Работа, совершаемая за цикл, равна разнице между теплом, подводимым к двигателю за счет T_Н , д _Н , а тепло подают в T _C от двигателя, д _С . КПД двигателя является работа делится на тепловой помещенной в систему или

{\ displaystyle {\ textrm {Efficiency}} = {\ frac {w _ {\ text {cy}}} {q _ {\ text {H}}}} = {\ frac {q _ {\ text {H}} - q_ {\ text {C}}} {q _ {\ text {H}}}} = 1 - {\ frac {q _ {\ text {C}}} {q _ {\ text {H}}}} \ qquad (1 )}

где w _cy - работа, выполненная за цикл. Таким образом, эффективность зависит только от д _С / д _Н .

Теорема Карно утверждает, что все реверсивные двигатели, работающие между одними и теми же тепловыми резервуарами, одинаково эффективны. Таким образом, любой реверсивный тепловой двигатель, работающий между температурами T ₁ и T _2, должен иметь одинаковый КПД, то есть КПД зависит только от температур.

{\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=f(T_{\text{H}},T_{\text{C}})\qquad (2).

Кроме того, реверсивный тепловой двигатель, работающий между температурами T ₁ и T _3, должен иметь такой же КПД, как и двигатель, состоящий из двух циклов, один между T ₁ и другой (промежуточной) температурой T ₂ , а второй - между T ₂ и T ₃ . Если это не так, то энергия (в форме Q ) будет растрачиваться или набираться, что приводит к разной общей эффективности каждый раз, когда цикл разбивается на циклы компонентов; ясно, что цикл может состоять из любого количества меньших циклов.

С таким пониманием Q ₁ , Q ₂ и Q ₃ математически,

f(T_{1},T_{3})={\frac {q_{3}}{q_{1}}}={\frac {q_{2}q_{3}}{q_{1}q_{2}}}=f(T_{1},T_{2})f(T_{2},T_{3}).

Но первая функция НЕ является функцией T ₂ , поэтому произведение двух последних функций ДОЛЖНО привести к удалению T ₂ как переменной. Поэтому единственный способ - определить функцию f следующим образом:

f(T_{1},T_{2})={\frac {g(T_{2})}{g(T_{1})}}.

и

f(T_{2},T_{3})={\frac {g(T_{3})}{g(T_{2})}}.

так что

f(T_{1},T_{3})={\frac {g(T_{3})}{g(T_{1})}}={\frac {q_{3}}{q_{1}}}.

т.е. коэффициент теплообмена является функцией соответствующих температур, при которых они происходят. Мы можем выбрать любую монотонную функцию для нашей ; мы выбираем из соображений удобства и условности . Выбирая затем одну фиксированную эталонную температуру (т.е. тройную точку воды), мы устанавливаем термодинамическую шкалу температур. $g(T)$ $g(T)=T$

Такое определение совпадает с определением идеального газа; Кроме того, именно это определение термодинамической температуры позволяет нам представить эффективность Карно в терминах T _H и T _C и, следовательно, вывести, что (полный) цикл Карно изоэнтропичен:

{\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=f(T_{\text{H}},T_{\text{C}})={\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}.\qquad (3).

Подставляя это обратно в нашу первую формулу для эффективности, получаем соотношение в терминах температуры:

{\textrm {Efficiency}}=1-{\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=1-{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}\qquad (4).

Обратите внимание, что для T _C = 0 эффективность составляет 100%, а эта эффективность становится больше 100% для T _C <0, что нереалистично. Вычитание правой части уравнения 4 из средней части и перестановка дает

{\frac {q_{\text{H}}}{T_{\text{H}}}}-{\frac {q_{\text{C}}}{T_{\text{C}}}}=0,

где отрицательный знак указывает на тепло, выделяемое из системы. Обобщением этого уравнения является теорема Клаузиуса , которая предполагает существование функции состояния S (т. Е. Функции, которая зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния), определяемой (с точностью до аддитивной константы) формулой

dS={\frac {dq_{\mathrm {rev} }}{T}}\qquad (5),

где нижний индекс указывает на теплообмен в обратимом процессе. Функция S соответствует энтропии системы, упомянутой ранее, и изменение S вокруг любого цикла равно нулю (что необходимо для любой функции состояния). Уравнение 5 можно переформулировать, чтобы получить альтернативное определение температуры в терминах энтропии и тепла (чтобы избежать логической петли, мы должны сначала определить энтропию с помощью статистической механики):

T={\frac {dq_{\mathrm {rev} }}{dS}}.

Для системы, в которой энтропия S является функцией S ( E ) ее энергии E , термодинамическая температура T , следовательно, определяется выражением

{\frac {1}{T}}={\frac {dS}{dE}},

так что величина, обратная термодинамической температуре, является скоростью увеличения энтропии с энергией.

История [ править ]

Ca. 485 г. до н. Э .:

Парменид
Парменид в своем трактате «О природе» постулировал существование primum frigidum , гипотетической элементарной субстанции, являющейся источником всего охлаждения или холода в мире. ^[41]
1702–1703:

Гийом Амонтон
Гийом Амонтон(1663–1705) опубликовал две статьи, которые можно использовать, чтобы считать его первым исследователем, который пришел к выводу о существовании фундаментальной (термодинамической) шкалы температур с абсолютным нулем. Он сделал это открытие, пытаясь улучшить используемые в то время воздушные термометры. Его термометры с J-образной трубкой состояли из столбика ртути, который поддерживался фиксированной массой воздуха, захваченной в чувствительной части термометра. С точки зрения термодинамики, его термометры основывались на соотношении объема / температуры газа под постоянным давлением. Его измерения точки кипения воды и точки плавления льда показали, что независимо от массы воздуха, удерживаемого внутри его термометров, или веса ртути, которую воздух поддерживал, уменьшение объема воздуха в точке льда всегда было одинаковым. .Это наблюдение привело его к выводу, что достаточное снижение температуры уменьшит объем воздуха до нуля. Фактически, по его расчетам, абсолютный ноль был эквивалентен –240 ° C - всего на 33,15 градуса меньше истинного значения –273,15 ° C.
1742:

Андерс Цельсий
Андерс Цельсий (1701–1744) создал «обратную» версию современной шкалы температур Цельсия. В исходной шкале Цельсия ноль означал точку кипения воды, а 100 - точку плавления льда. В своей статье « Наблюдения за двумя постоянными градусами на термометре» он рассказал о своих экспериментах, показывающих, что на точку плавления льда не влияет давление. Он также с удивительной точностью определил, как температура кипения воды изменяется в зависимости от атмосферного давления. Он предположил, что ноль на его температурной шкале (точка кипения воды) будет откалиброван при среднем барометрическом давлении на среднем уровне моря.
1744:

Карл Линней
Совпадение со смертью Андерса Цельсия, знаменитый ботаник Карл Линней (1707–1778) эффективно перевернул ^[42] шкалу Цельсия после получения своего первого термометра со шкалой, где ноль представляет точку плавления льда, а 100 - точку кипения воды. Изготовленный на заказ термометр Линнея для использования в его теплицах был изготовлен Даниэлем Экстрёмом, ведущим шведским производителем научных инструментов того времени. В течение следующих 204 лет научные сообщества и сообщества термометров во всем мире называли эту шкалу шкалой Цельсия . Температуры по шкале Цельсия часто указывались просто в градусах или, когда требовалась большая точность, в градусах Цельсия.. Символом для значений температуры на этой шкале был ° C (в нескольких форматах в разные годы). Поскольку этот термин по Цельсию также название на французском языке для единицы измерения угла (одной сотой под прямым углом) и имел подобный оттенок на других языках, термин « сотенная степень » был использован при очень точный, однозначном языке был требуется международными органами по стандартизации, такими как Международное бюро мер и весов ( Bureau International des poids et mesures ) (BIPM). 9-я сессия CGPM ( Генеральная конференция по мерам и весам ( Conférence générale des poids et mesures ) и CIPM ( Международный комитет мер и весов)( Comité International des poids et mesures ) официально принял ^[43] градуса Цельсия (обозначение: ° C) в 1948 году ^[44].
1777:

Иоганн Генрих Ламберт
В своей книге « Пирометрия» (Берлин: Haude & Spener , 1779), завершенной за четыре месяца до его смерти, Иоганн Генрих Ламберт (1728–1777), иногда ошибочно называемый Джозефом Ламбертом, предложил шкалу абсолютных температур, основанную на соотношении давления и температуры фиксированный объем газа. Это отличается от отношения объема / температуры газа под постоянным давлением, которое Гийом Амонтон обнаружил 75 лет назад. Ламберт заявил, что абсолютный ноль - это точка, в которой простая прямолинейная экстраполяция достигает нулевого давления газа и составляет -270 ° C.
Около 1787 г .:

Жак Александр Сезар Шарль
Несмотря на работу Гийома Амонтона 85 лет назад, Жаку Александру Сезару Шарлю (1746–1823) часто приписывают открытие, но не публикацию, что объем газа под постоянным давлением пропорционален его абсолютной температуре. Он создал формулу V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂ .
1802:

Жозеф Луи Гей-Люссак
Джозеф Луи Гей-Люссак (1778–1850) опубликовал работу (признающую неопубликованные лабораторные записи Жака Шарля пятнадцатью годами ранее), описывающую, как объем газа под постоянным давлением изменяется линейно с его абсолютной (термодинамической) температурой. Такое поведение называется законом Чарльза и является одним из законов газа . Это первые известные формулы, в которых число 273 используется для обозначения коэффициента расширения газа относительно точки плавления льда (что указывает на то, что абсолютный ноль эквивалентен -273 ° C).
1848:

Лорд Кельвин
Уильям Томсон , (1824-1907) , также известный как лорд Кельвин, писал в своей статье, по абсолютной шкале Thermometric , потребности в масштабе посредством бесконечного холода (абсолютный нуль) был нулевой точкой шкалы исключительно , и который использовал градус Цельсия для его приращения единицы. Как и Гей-Люссак, Томсон вычислил, что абсолютный ноль был эквивалентен -273 ° C на воздушных термометрах того времени. Эта абсолютная шкала известна сегодня как термодинамическая температурная шкала Кельвина. Примечательно, что значение Томсона -273было фактически получено из 0,00366, что было принятым коэффициентом расширения газа на градус Цельсия относительно точки льда. Значение, обратное -0,00366, выраженное до пяти значащих цифр, равно -273,22 ° C, что очень близко к истинному значению -273,15 ° C.
1859:

Маккорн Ренкин
Маккорн Ренкин (1820–1872) предложил термодинамическую шкалу температуры, аналогичную шкале Уильяма Томсона, но в которой для приращения единицы измерения использовался градус Фаренгейта . Эта абсолютная шкала известна сегодня как термодинамическая температурная шкала Ренкина .
1877–1884:

Людвиг Больцманн
Людвиг Больцманн (1844–1906) внес важный вклад в термодинамику благодаря пониманию роли, которую играют кинетика частиц и излучение черного тела. Его имя теперь прикреплено к нескольким формулам, используемым сегодня в термодинамике.
Примерно 1930-е годы: эксперименты по газовой термометрии, тщательно откалиброванные по температуре плавления льда и температуре кипения воды, показали, что абсолютный ноль эквивалентен -273,15 ° C.
1948: Резолюция 3 9-го ГКБМ (Conférence Générale des Poids et Mesures, также известная как Генеральная конференция по мерам и весам ) зафиксировала тройную точку воды на уровне 0,01 ° C. В настоящее время для тройной точки еще не было формального определения эквивалентного значения в градусах Кельвина, которое, как было заявлено в разрешении, «будет исправлено позднее». Подразумевается, что если значение абсолютного нуля, измеренное в 1930-х годах, действительно составляло -273,15 ° C, то тройная точка воды (0,01 ° C) была эквивалентна 273,16 K. Кроме того, как CIPM (Comité international des poids et mesures) , также известный как Международный комитет мер и весов), и CGPM официально приняли название Celsius дляградус Цельсия и температурная шкала Цельсия . ^[44]
1954: Резолюция 3 10-го ГКГМ дала шкале Кельвина ее современное определение, выбрав тройную точку воды в качестве второй определяющей точки ^{[ требуется пояснение ]} и присвоив ей температуру ровно 273,16 кельвина (что на самом деле было написано 273,16 градуса Кельвина в время). Это, в сочетании с Резолюцией 3 9-й сессии ГКБМ, привело к определению абсолютного нуля как равного нулю кельвина и -273,15 ° C.
1967/1968: Постановление 3 13-го CGPM переименовало единицу приращения термодинамической температуры в кельвин , символ K, заменив градус абсолютного , символ ° K. Кроме того, сочтя полезным более четко определить величину приращения единицы измерения, 13-я ГКГВ также решила в Резолюции 4, что «Кельвин, единица термодинамической температуры, представляет собой долю 1 / 273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. ".
2005: Международный комитет мер и весов (Comité International des Poids et Mesures, также известный как Международный комитет мер и весов ) подтвердил, что для определения температуры тройной точки воды определение термодинамической температурной шкалы Кельвина будет относиться к вода, имеющая изотопный состав, точно равный номинальной спецификации Венской стандартной средней океанической воды .
2019: В ноябре 2018 года 26-я Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM) изменила определение Кельвина, установив постоянную Больцмана на1,380 649 × 10 ⁻²³ при выражении в единицах Дж / К. Это изменение (и другие изменения в определении единиц СИ) вступили в силу к 144-й годовщине Метрической конвенции, 20 мая 2019 г.

См. Также [ править ]

Абсолютно горячий
Абсолютный ноль
Планковская температура
Температура Хагедорна
Адиабатический процесс
Черное тело
Кипячение
Постоянная Больцмана
Броуновское движение
Тепловой двигатель Карно
Химическая связь
Конденсация
Конвекция
Степени свободы
Делокализованный электрон
Распространение
Упругое столкновение
Электрон
Энергия
Эффективность преобразования энергии
Энтальпия
Энтропия
Теорема о равнораспределении
Испарение
Фаренгейт
Первый закон термодинамики
Замораживание
Газовые законы
Высокая температура
Теплопроводность
Тепловой двигатель
Тепловая смерть вселенной
Внутренняя энергия
Международная система количеств
ИТС-90
Закон идеального газа
Джоуль
Кельвин
Кинетическая энергия
Скрытая теплота
Законы термодинамики
Распределение Максвелла – Больцмана
Плавление
Крот
Молекула
По порядку величины (температура)
Фаза перехода
Фонон
Закон планка о излучении черного тела
Потенциальная энергия
Квантовая механика:
- Введение в квантовую механику
- Квантовая механика (основная статья)
Шкала Ренкина
Удельная теплоемкость
Стандартное изменение энтальпии плавления
Стандартное изменение энтальпии испарения
Закон Стефана – Больцмана
Сублимация
Температура
Формулы преобразования температуры
Теплопроводность
Тепловое излучение
Термодинамическая бета
Термодинамические уравнения
Термодинамическое равновесие
Термодинамика
Категория термодинамики (список статей)
Хронология технологии тепловых двигателей
Хронология технологий измерения температуры и давления
Тройная точка
Универсальная газовая постоянная
Венский стандарт средней океанской воды (VSMOW)
Закон смещения Вина
Работа (Механическая)
Работа (термодинамика)
Нулевая энергия

Примечания [ править ]

В следующих примечаниях везде, где числовые равенства показаны в сжатой форме , например1.854 87 (14) × 10 ⁴³ , две цифры в скобках обозначают неопределенность при 1-σ (1 стандартное отклонение , 68% уровень достоверности) в двух наименее значимых цифрах значащей величины .

^ Рэнкин, WJM, "Руководство по паровой машине и другим основным двигателям", Ричард Гриффин и Ко, Лондон (1859 г.), стр. 306–307.
^ Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , «Жара», Адам и Чарльз Блэк, Эдинбург (1880 г.), стр. 39.
^ а б в г д

Отношение абсолютного нуля к нулевой энергии
Хотя ученые достигают температуры, близкой к абсолютному нулю , они не могут полностью достичь состояния нулевой температуры. Однако, даже если бы ученые могли удалить всю кинетическую тепловую энергию из материи, квантовая энергия нулевой точки (ZPE) вызывает движение частиц, которое невозможно устранить. Encyclopdia Britannica Online определяет энергию нулевой точки как «колебательную энергию, которую молекулы сохраняют даже при абсолютном нуле температуры». ZPE является результатом всепроникающих энергетических полей в вакууме между фундаментальными частицами природы; он отвечает за эффект Казимира и другие явления. ВидетьЭнергия нулевой точки и поле нулевой точки . См. Также Твердый гелий, заархивированный 12 февраля 2008 г. на Wayback Machine факультетом физики Университета Альберты, чтобы узнать больше о влиянии ZPE на бозе-эйнштейновские конденсаты гелия.
Хотя абсолютного нуля ( Т = 0) не является состоянием нулевого молекулярного движения, то есть точка нулевой температуры и, в соответствии с постоянной Больцмана, также точка нулевой кинетической энергии частиц и кинетической скорости нулевой.Чтобы понять, как атомы могут иметь нулевую кинетическую скорость и одновременно колебаться из-за ZPE, рассмотрим следующий мысленный эксперимент: два атома гелия с T = 0 в невесомости аккуратно размещены и наблюдаются, что между ними существует среднее расстояние 620 пм (зазор десяти атомных диаметров). Это «среднее» разделение, потому что ZPE заставляет их толкаться в фиксированных позициях. Затем один атом получает кинетический удар ровно в 83 йоктокельвина (1 yK =1 × 10 ⁻²⁴ К ). Это делается таким образом, что вектор скорости этого атома направляется на другой атом. При кинетической энергии 83 мкК между ними промежуток в 620 пм через их общий барицентр закроется со скоростью 719 пм / с, и они столкнутся через 0,862 секунды. Это та же скорость, что и на анимации на рис. 1 выше. Перед тем, как получить кинетический толчок, оба атома с T = 0 имели нулевую кинетическую энергию и нулевую кинетическую скорость, потому что они могли бесконечно существовать в этом состоянии и относительной ориентации, даже если оба атома толкались ZPE. В T= 0, кинетическая энергия недоступна для передачи в другие системы. Постоянная Больцмана и связанные с ней формулы описывают сферу кинетики частиц и векторов скорости, тогда как ZPE - это энергетическое поле, которое толкает частицы способами, описываемыми математикой квантовой механики. При атомных и молекулярных столкновениях в газах ZPE привносит определенную степень хаоса , т. Е. Непредсказуемость, в кинетику отскока; вероятность того, что движение частиц, вызванное ZPE, после данного столкновения будет меньше, чем больше. Эта случайная природа ZPE является причиной того, почему он не оказывает чистого влияния ни на давление, ни на объем любого насыпного количества (статистически значимого количества частиц) газов с T > 0 K. Однако в T= 0 конденсированное вещество ; например, в твердых телах и жидкостях ZPE вызывает межатомное столкновение, где в противном случае атомы были бы совершенно неподвижными. Поскольку реальное воздействие ZPE на вещества может варьироваться при изменении термодинамической системы (например, из-за ZPE гелий не замерзнет, если под давлением не менее 25 бар или 2,5 МПа ), ZPE очень хорош. много формы тепловой энергии и может быть правильно учтен при подсчете внутренней энергии вещества.
Отметим также, что абсолютный ноль служит базовой линией, на которой основаны термодинамика и ее уравнения , поскольку они имеют дело с обменом тепловой энергией между «системами» (множеством частиц и полей, моделируемых как среднее значение). Соответственно, можно исследовать движение частиц, вызванное ZPE, внутри системы, которая находится в абсолютном нуле, но никогда не может быть чистого оттока тепловой энергии из такой системы. Кроме того, пиковая длина волны излучения абсолютно черного тела смещается в бесконечность при абсолютном нуле; действительно, пика больше не существует, и фотоны черного тела больше не могут убежать. Однако из-за ZPE виртуальные фотоны по-прежнему испускаются при T= 0. Такие фотоны называют «виртуальными», потому что их нельзя перехватить и наблюдать. Кроме того, это излучение нулевой точки имеет уникальный спектр нулевой точки. Однако даже несмотря на то, что система T = 0 излучает излучение нулевой точки, чистый тепловой поток Q из такой системы не может происходить, потому что, если температура окружающей среды выше, чем T = 0, тепло будет течь внутрь, и если окружающая среда находится при T = 0, будет равный поток излучения ZP как внутрь, так и наружу. Подобное Q- равновесие существует при T = 0 со спонтанным излучением фотонов, индуцированным ZPE (которое более правильно называетсястимулированное излучение в этом контексте). График в правом верхнем углу показывает отношение абсолютного нуля к энергии нулевой точки. График также помогает понять, как энергия нулевой точки получила свое название: это колебательная энергия, которую материя сохраняет в точке нулевой температуры Кельвина . Получение классического спектра электромагнитного излучения нулевой точки с помощью классической термодинамической операции с участием сил Ван-дер-Ваальса , Дэниел С. Коул, Physical Review A, 42 (1990) 1847.
^ CODATA Значение: постоянная Больцмана . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . Национальный институт стандартов и технологий .
^ "Брошюра SI, раздел 2.1.1.5" . Международное бюро мер и весов . Архивировано из оригинального 26 сентября 2007 года . Проверено 9 мая 2008 года .
^ Ньюэлл, DB; Cabiati, F; Фишер, Дж; Fujii, K; Каршенбойм С.Г .; Марголис, HS; де Мирандес, Э; Mohr, PJ; Nez, F; Пачуки, К; Куинн, Т.Дж.; Тейлор, Б.Н.; Ван, М; Дерево, БМ; Zhang, Z; и другие. (Целевая группа Комитета по данным для науки и технологий (CODATA) по фундаментальным константам) (29 января 2018 г.). «Значения h , e , k и N A в CODATA 2017 для пересмотра SI» . Метрология . 55 (1): L13 – L16. Bibcode : 2018Metro..55L..13N . DOI : 10.1088 / 1681-7575 / aa950a .
^ "Переопределение SI - Кельвин: Константа Больцмана" . Национальный институт стандартов и технологий . Архивировано из оригинального 13 декабря 2020 года . Дата обращения 13 декабря 2020 .
^ «Акустическая термометрия» . Национальный институт стандартов и технологий . Архивировано из оригинального 13 декабря 2020 года . Дата обращения 13 декабря 2020 .
^ При нерелятивистских температурах менее 30 ГК классической механики достаточно для вычисления скорости частиц. При 30 ГК отдельные нейтроны (составляющая нейтронных звезд и один из немногих материалов во Вселенной с температурами в этом диапазоне) имеют 1,0042 γ (гамма- фактор или фактор Лоренца ). Таким образом, классическая формула Ньютона для кинетической энергии имеет ошибку менее половины процента для температур менее 30 ГК.
^ Дажевоздух комнатной температуры имеет среднюю молекулярную поступательную скорость (не изолированную вектором) 1822 км / час. Это относительно быстро для чего-то размером с молекулу, учитывая, что примерно2.42 × 10 ¹⁶ из них умещены в один кубический миллиметр. Допущения: средняя молекулярная масса влажного воздуха = 28,838 г / моль и T = 296,15 К. Основные переменные допущения: высота 194 метра над средним уровнем моря (всемирная медианная высота человеческого жилья), температура в помещении 23 ° C, точка росы 9 ° C (40,85% относительной влажности) и 760 мм рт. Ст. (101,325 кПа) барометрическое давление с поправкой на уровень моря.
^ Образец цитирования: Адиабатическое охлаждение цезия до 700 нК в оптической решетке , A. Kastberg et al. , Physical Review Letters 74 , № 9, 27 февраля 1995 г., стр. 1542. Примечательно, что рекордная низкая температура 450 пК в конденсате Бозе-Эйнштейна из атомов натрия (достигнутая А.Е. Линхардтом и др . Из Массачусетского технологического института ) приравнивается к средней векторно-изолированной скорости атомов 0,4 мм / с и средней скорости. скорость атома 0,7 мм / с.
^ Б The скорости поступательного движения атомов и молекул рассчитывается на основе термодинамической температуры следующим образом :
${\tilde {v}}={\sqrt {\frac {{k_{B} \over 2}\cdot T}{m \over 2}}}$
куда…
${\tilde {v}}$ - векторно изолированная средняя скорость поступательного движения частицы в м / с
k _B ( постоянная Больцмана ) =1,380 649 × 10 ⁻²³ Дж / К
T - термодинамическая температура в кельвинах.
m - молекулярная масса вещества в кг / частица
В приведенной выше формуле молекулярная масса m в кг / частица представляет собой частное от молярной массы вещества (также известной как атомная масса , атомная масса , относительная атомная масса и унифицированные атомные единицы массы ) в г / моль или дальтон, деленная на6,022 141 79 (30) × 10 ²⁶ (что является постоянной Авогадро, умноженной на тысячу). Для двухатомных молекул, таких как H 2 , N 2 и O 2 , умножьте атомный вес на два, прежде чем подставлять его в формулу выше. Средняя скорость (не изолированная вектором скорость) атома или молекулы на любом произвольном пути вычисляется следующим образом:
${\tilde {s}}={\tilde {v}}\cdot {\sqrt {3}}$
куда…
${\tilde {s}}$ - средняя скорость поступательного движения частицы в м / с
Обратите внимание, что средняя энергия поступательных движений частиц, составляющих вещество, коррелирует с их средней скоростью , а не скоростью. Таким образом, подставляя для V в классической формуле для кинетической энергии, Е _к = ¹ / ₂ м • v ² производит точно такое же значение , как это делает Е _{среднее} = 3/2 к _Б Т (как показано в разделе , озаглавленном Природа кинетическая энергия, поступательное движение и температура ) . Примечание ${\tilde {s}}$ Кроме того, постоянная Больцмана и связанные с ней формулы устанавливают, что абсолютный ноль является точкой как нулевой кинетической энергии движения частицы, так и нулевой кинетической скорости (см. также примечание 1 выше).
^ Ввнутренних степеней свободы молекул вызывают их внешние поверхности вибрироватьа также могут производить общие движения прядильных (что может быть приравнено к покачивания и прядение в противном случае стационарного баллона воды). Если исследовать отдельную молекулу, когда она ударяется о стенку контейнера, некоторая кинетическая энергия, переносимая во внутренних степенях свободы молекулы, может конструктивно добавить к ее поступательному движению в момент столкновения, и дополнительная кинетическая энергия будет передана в емкость контейнера. стена. Это привело бы к дополнительному, локализованному, подобному импульсу вкладу в среднее давление на контейнер. Однако, поскольку внутренние движения молекул случайны, они имеют равную вероятность разрушительного воздействия.препятствовать поступательному движению при столкновении со стенками контейнера или другой молекулой. При усреднении по любому объему газа внутренние тепловые движения молекул не оказывают никакого влияния на температуру, давление или объем газа. Внутренние степени свободы молекул просто предоставляют дополнительные места для хранения кинетической энергии. Именно поэтому газы на молекулярной основе обладают большей удельной внутренней емкостью, чем одноатомные газы (где для достижения заданного повышения температуры необходимо добавить дополнительную внутреннюю энергию).
^ Приизмерении при постоянном объеме, поскольку при измерении при постоянном давлении необходимо выполнять разные объемы работы. C _v H азота(100 кПа, 20 ° C) равняется 20,8 Дж моль^–1 К^{–1 по} сравнению с одноатомными газами, что равняется 12,4717 Дж моль^–1 К^–1 . Цитирование: Физическая химия Фримена , часть 3: изменения ( 422 kB PDF, здесь ), Exercise 21.20b, Pg. 787. Также молярная удельная теплота газов в Университете штата Джорджия .
^ Скорость , при которой тепловая энергия уравниваетвсему объему газа происходит очень быстро. Однако, поскольку газы имеют чрезвычайно низкую плотность по сравнению с твердыми телами, тепловой поток (тепловая мощность, проходящая через площадь) через газы сравнительно невелик. Вот почему мертвые пространства в многостекольных окнах обладают изоляционными свойствами.
^ Diamond - заметное исключение. В его жесткой кристаллической решетке возникают сильно квантованные моды колебаний фонона. Следовательно, алмаз не только имеет исключительно низкую удельную теплоемкость , но и исключительно высокую теплопроводность .
^ Корреляция составляет 752 (Вт⋅м⁻¹ ⋅K⁻¹ ) / (МС⋅см), σ = 81, в диапазоне проводимости 7: 1. Значение и стандартное отклонение основаны на данных для Ag, Cu, Au, Al, Ca, Be, Mg, Rh, Ir, Zn, Co, Ni, Os, Fe, Pa, Pt и Sn. Цитирование: данные из CRC Handbook of Chemistry and Physics , 1st Student Edition, и эта ссылка на домашнюю страницу Web Elements.
^ Указанныедлины волн излучения соответствуют истинным черным телам в равновесии. В этой таблице так квалифицируется только солнце. CODATA 2006 рекомендуемое значение 2,897 7685 (51) × 10⁻³ м K, используемое для постоянной закона смещения Вина b .
^ Температурный рекорд холода 450 ± 80 рК в конденсате Бозе-Эйнштейна (БЭК) атомов натрия была достигнута в 2003 году исследователи из MIT . Образец цитирования: Охлаждение конденсатов Бозе – Эйнштейна ниже 500 пикокельвинов , А. Е. Линхардт и др ., Science 301 , 12 сентября 2003 г., стр. 1515. Примечательно, что максимальная длина волны черного тела этого рекорда, равная 6400 км, примерно равна радиусу Земли.
^ Пик излучательная длина волны 2.897 77 м является частота 103.456 МГц
^ Измерениебыло проведено в 2002 году и имеет погрешность ± 3 кельвина. 1989 Измерение производится значение 5777 ± 2,5 К. Образец цитирования: Обзор Солнца (конспектов Глава 1 по солнечной физике Отдел теоретической физики, кафедра физических наук, Университет Хельсинки). Скачать статью (252 kB PDF, архивировано 23 августа 2014 г. в Wayback Machine )
^ Значение350 МК представляет собой максимальную пиковую температуру термоядерного топлива в термоядерном оружии конфигурации Теллера-Улама (широко известном как «водородная бомба»). Пиковые температуры в ядрах бомбы деления типа Gadget (широко известной как «атомная бомба») находятся в диапазоне от 50 до 100 МК. Образец цитирования: Часто задаваемые вопросы о ядерном оружии, 3.2.5 Материя при высоких температурах. Ссылка на соответствующую веб-страницу. Все упомянутые данные были собраны из общедоступных источников.
^ Пиковаятемпература для большого количества вещества была достигнута с помощью импульсной машины, используемой в экспериментах по физике термоядерного синтеза. Термин «объемное количество» отличается от столкновений в ускорителях частиц, в которых высокая «температура» применяется только к обломкам двух субатомных частиц или ядер в любой данный момент. Температура> 2 GK была достигнута за период около десяти наносекунд во время «выстрела Z1137». Фактически, ионы железа и марганца в плазме в среднем составляли 3,58 ± 0,41 ГК (309-35 кэВ) за 3 нс (со 112 по 115 нс). Образец цитирования: Ионно-вязкий нагрев в магнитогидродинамически нестабильном Z-пинче при температуре более 2 × 10 ⁹ Кельвинов , М.Г. Хейнс и др. , Письма о физических проверках 96 , выпуск 7, id. 075003. Ссылка на пресс-релиз Сандии. Архивировано 2 июля 2006 г. в Wayback Machine.
^ Температураядразвезды с большой массой (> 8–11 масс Солнца) после того, как она покидает главную последовательность на диаграмме Герцшпрунга – Рассела и начинает альфа-процесс (который длится один день) плавления кремния-28 в более тяжелые элементы в следующие стадии: сера – 32 → аргон – 36 → кальций – 40 → титан – 44 → хром – 48 → железо – 52 → никель – 56. Через несколько минут после завершения последовательности звезда взрывается как сверхновая типа II. Образец цитирования: Звездная эволюция: жизнь и смерть наших светящихся соседей (Артур Холланд и Марк Уильямс из Мичиганского университета). Ссылка на веб-сайт . Более информативные ссылки можно найти здесь, и здесь. Архивировано 14 августа 2011 г. в Wayback Machine , а краткий трактат НАСА о звездах находится здесь . Архивировано 20 июля 2015 года в Wayback Machine.
^ На основена компьютерной модели, которая предсказывала пиковую внутреннюю температуру 30 МэВ (350 ГК) во время слияния двойной системы нейтронных звезд (которое вызывает гамма-всплеск). Нейтронные звезды в модели имели массу 1,2 и 1,6 солнечных соответственно, были примерно 20 км в диаметре и вращались вокруг своего барицентра (общего центра масс) с частотой около 390 Гц в течение последних нескольких миллисекунд, прежде чем они полностью слились. Участок 350 GK представлял собой небольшой объем, расположенный в развивающемся общем ядре пары, и варьировался от примерно 1 до 7 км в поперечнике в течение примерно 5 мс. Представьте себе два объекта невообразимой плотности размером с город, вращающиеся вокруг друг друга с той же частотой, что и музыкальная нота G4 (28-я белая клавиша на фортепиано). Также примечательно, что на 350 ГК,средний нейтрон имеет колебательную скорость 30% скорости света и релятивистскую массу (m ) на 5% больше, чем его масса покоя ( m ₀ ). Образец цитирования: Oechslin, R .; Янка, Х.-Т. (2006). «Формирование тора при слиянии нейтронных звезд и хорошо локализованных коротких гамма-всплесках». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 368 (4): 1489–1499. arXiv : astro-ph / 0507099v2 . Bibcode : 2006MNRAS.368.1489O . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2006.10238.x . S2CID 15036056 . Чтобы просмотреть сводку исследования в браузере, щелкните здесь .
^ NewScientist: Восемь крайностей: Самая горячая вещь во Вселенной , 7 марта 2011,котором говорится«то время как детали этого процесса в настоящее время неизвестно, она должна включатьсебя огненный шар релятивистских частицнагретых до чегото в районе триллиона Кельвина [с ] »
↑ Результатыисследований Стефана Бате с использованиемдетектора PHENIX на коллайдере релятивистских тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, Нью-Йорк, США. Бат изучал столкновения золото-золото, дейтрон-золото и протон-протон, чтобы проверить теорию квантовой теории. хромодинамика, теория сильного взаимодействия, удерживающего атомные ядра вместе. Ссылка на пресс-релиз.
^ Образец цитирования: Как физики изучают частицы? Архивировано 2007-10-11 в Wayback Machine по ЦЕРН .
^ Частота Планка равна 1,854 87 (14) × 10⁴³ Гц (которая является обратной один раз Планка). Фотоны на планковской частоте имеют длину волны, равную одной планковской длине. Планковская температура 1,416 79 (11) × 10³² К соответствует расчетнойдлине волны b / T = λ_max 2,045 31 (16) × 10^-26 нм. Однако фактическая длина волны пикового излучения квантуется до планковской длины 1,616 24 (12) × 10^-26 нм.
^ Энтальпия плавления воды (0 ° C, 101,325 кПа) равна0,062 284 эВ на молекулу, поэтому добавление одного джоуля тепловой энергии к водяному льду 0 ° C вызывает1.0021 × 10 ²⁰ молекул воды вырвутся из кристаллической решетки и станут жидкими.
^ Энтальпия плавления воды составляет 6,0095 кДж моль^-1 K^-1 (0 ° C, 101,325 кПа). Образец цитирования: Структура воды и наука, свойства воды, энтальпия плавления, (0 ° C, 101,325 кПа) (Лондонский университет Саут-Бэнк). Ссылка на веб-сайт. Единственные металлы с энтальпиями плавления, не находящимися в диапазоне 6–30 Дж моль^-1 K^-1, это (в верхней части): Ta, W и Re; и (на стороне низкого уровня) большинство металлов группы 1 (щелочные) плюс Ga, In, Hg, Tl, Pb и Np. Цитата: Эта ссылка на домашнюю страницу Web Elements.
^ Цитирование значения ксенона: Эта ссылка на данные WebElements по ксенону (доступные значения находятся в диапазоне от 2,3 до 3,1 кДж / моль). Также следует отметить, что теплота плавления гелия, составляющая всего 0,021 кДж / моль, настолько слаба для силы связи, что энергия нулевой точки предотвращает замерзание гелия, если он не находится под давлением не менее 25 атмосфер.
^ Справочник CRC по химии и физике , 1-е студенческое издание и веб-элементы .
^ H₂ Удельная теплоемкость, C _p = 0,075327 кДж моль^-1 K^-1 (25 ° C); Энтальпия плавления = 6,0095 кДж / моль (0 ° C, 101,325 кПа); Энтальпия испарения (жидкость) = 40,657 кДж / моль (100 ° C). Образец цитирования: Структура и наука воды, Свойства воды (Лондонский университет Южного берега). Ссылка на веб-сайт.
^ Мобильные электроны проводимости делокализованы, то есть не привязаны к конкретному атому, и ведут себя скорее как своего рода квантовый газ из-за эффектов нулевой энергии. Следовательно, даже при абсолютном нуле электроны проводимости все еще движутся между атомами со скоростью Ферми около1,6 × 10 ⁶ м / с . Кинетическая тепловая энергия увеличивает эту скорость, а также заставляет делокализованные электроны перемещаться дальше от ядер.
^ Никакая другая кристаллическая структура не может превышать плотность упаковки наиболее плотно упакованной структуры 74,048% . В природе встречаются две регулярные кристаллические решетки с такой плотностью: гексагональная плотноупакованная (ГЦП) и гранецентрированная кубическая (ГЦК). Эти регулярные решетки находятся в самом низком энергетическом состоянии. Алмаз - это структура с наиболее плотной упаковкой с ГЦК кристаллической решеткой. Отметим также, что подходящие кристаллические химические соединения , хотя обычно состоят из атомов разного размера, могут рассматриваться как структуры с наиболее плотной упаковкой, если рассматривать их на молекулярном уровне. Одним из таких соединений является обычный минерал, известный как алюминий магний.шпинель (MgAl₂ O₄ ). Он имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку, и никакое изменение давления не может создать решетку с более низким энергетическим состоянием.
^ Почти половина из 92 природных химических элементов, которые могут замерзнуть в вакууме, также имеют плотноупакованную кристаллическую решетку. Этот набор включает бериллий , осмий , неон и иридий (но исключает гелий) и, следовательно, имеет нулевую скрытую теплоту фазовых переходов для вклада во внутреннюю энергию (символ: U) . При расчете энтальпии (формула: H = U + pV ) внутренняя энергия может исключать различные источники тепловой энергии (особенно ZPE) в зависимости от характера анализа. Соответственно, все T = 0 плотноупакованная материя в идеальном вакууме имеет минимальную или нулевую энтальпию, в зависимости от характера анализа. Использование преобразований Лежандра в химической термодинамике , Роберт А. Олберти, Pure Appl.Chem., 73 (2001) 1349.
^ Давление также должно быть абсолютным. Воздух, все еще находящийся в шине при манометрическом давлении 0 кПа, также расширяется при нагревании. Инженеры нередко упускают из виду, что при компенсации температуры необходимо работать с абсолютным давлением. Например, ведущий производитель авиационных шин опубликовал документ о температурной компенсации давления в шинах, в формуле которого использовалось избыточное давление. Однако высокое избыточное давление (180 фунтов на кв. Дюйм; 12,4 бар; 1,24 МПа) означает, что ошибка будет довольно небольшой. В автомобильных шинах низкого давления, где манометрическое давление обычно составляет около 2 бар (200 кПа), неспособность приспособиться к абсолютному давлению приводит к значительной ошибке. Ссылочный документ: Рейтинги авиационных шин ( PDF, 155 КБ, здесь ).
^ Что касается написания «манометр» по сравнению с «манометром» в контексте давления, измеряемого относительно атмосферного давления, предпочтительное написание варьируется в зависимости от страны и даже отрасли. Кроме того, оба написания часто используются в определенной отрасли или стране. Предприятия в британских англоязычных странах обычно используют написание «манометрическое давление», чтобы отличить его от прибора для измерения давления, которым в Великобритании пишется « манометр» . По той же причине многие из крупнейших американских производителей датчиков давления и контрольно-измерительных приборов используют орфографическое обозначение « манометрическое давление» (используемое здесь обозначение) в своей официальной документации, чтобы отличить его от прибора, который пишется как манометр .Страницу часто задаваемых вопросов Honeywell-Sensotec и страницу поиска продукции корпорации Fluke ).
^ Здесь используется разница в 100 кПа вместо значения 101,325 кПа для одной стандартной атмосферы . В 1982 году Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) рекомендовал, чтобы для целей определения физических свойств веществ стандартное давление(атмосферное давление) должно быть точно определено как 100 кПа (≈ 750,062 торр). Помимо того, что это круглое число, это имело очень практический эффект: относительно немного людей живут и работают именно на уровне моря; 100 кПа соответствует среднему давлению на высоте около 112 метров, что ближе к 194-метровой всемирной медианной высоте проживания людей. Для работы с особенно низким давлением или высокой точностью необходимо измерить истинное атмосферное давление. Образец цитирования: IUPAC.org, Золотая книга, Стандартное давление
Перейти ↑ Absolute Zero and the Conquest of Cold , Shachtman, Tom., Mariner Books, 1999.
^ Краткая история измерения температуры и; Уппсальский университет (Швеция), термометр Линнея
^ bipm.org
^ a b
Согласно Оксфордскому английскому словарю (OED), термин «термометр Цельсия» использовался, по крайней мере, еще в 1797 году. Кроме того, термин «термометр Цельсия или Цельсия» снова использовался в отношении определенного типа термометр, по крайней мере, еще в 1850 году. OED также цитирует это сообщение 1928 года о температуре: «Моя высота была около 5800 метров, температура была 28 ° по Цельсию». Однако словари стремятся найти наиболее раннее использование слова или термина и не являются полезным источником терминологии, используемой на протяжении всей истории науки. Согласно нескольким записям д-ра Терри Куинна CBE FRS, директора BIPM (1988–2004),включая температурные шкалы с первых дней термометрии до 21 века (148 kB PDF, здесь ), а также температура (2nd Edition / 1990 / Academic Press / 0125696817), термин Цельсий в связи со шкалой Цельсия вообще не использовался научным сообществом или сообществом термометров до тех пор, пока CIPM и CGPM не приняли этот термин в 1948 году. BIPM даже не знал, что градус Цельсия использовался спорадически, ненаучно. Также примечательно, что в двенадцатитомном издании OED 1933 года даже не было перечисления для слова Цельсия (но были списки как по Цельсию, так и по сотым в контексте измерения температуры). Принятие Celsius в 1948 году позволило решить три задачи:
1. Все общие температурные шкалы будут иметь свои единицы, названные в честь кого-то, кто с ними тесно связан; а именно Кельвина, Цельсия, Фаренгейта, Реомюра и Ренкина.
2. Несмотря на важный вклад Линнея, который придал шкале Цельсия ее современную форму, имя Цельсия было очевидным выбором, потому что оно начиналось с буквы C. Таким образом, символ ° C, который веками использовался в сочетании с названием по Цельсию, мог продолжаться до будет использоваться и одновременно унаследует интуитивную ассоциацию с новым именем.
3. Новое название устранило двусмысленность термина по Цельсию , позволив ему относиться исключительно к французскому названию единицы измерения угла.

Внешние ссылки [ править ]

Кинетическая молекулярная теория газов. Объяснение (с интерактивной анимацией) кинетического движения молекул и того, как оно влияет на материю. Дэвид Н. Blauch, Химический факультет , Davidson College .
Энергия нулевой точки и поле нулевой точки. Веб-сайт с подробным объяснением множества квантовых эффектов. Автор: Бернард Хейш из Института калфизики .

[21] Для истинного черного тела (которым не являются вольфрамовые нити). Излучательная способность вольфрамовых нитей выше при более коротких длинах волн, что делает их более белыми.

[22] Значение 2500 K является приблизительным.

[Photosphere-23] Эффективная температура фотосферы.

[26] Для истинного черного тела (которым плазма не была). Преобладающее излучение Z-машины происходило от 40 МК электронов (мягкое рентгеновское излучение) в плазме.

[1] Рэнкин, WJM, "Руководство по паровой машине и другим основным двигателям", Ричард Гриффин и Ко, Лондон (1859 г.), стр. 306–307.

[2] Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , «Жара», Адам и Чарльз Блэк, Эдинбург (1880 г.), стр. 39.

[T0-3] а б в г д

Отношение абсолютного нуля к нулевой энергии
Хотя ученые достигают температуры, близкой к абсолютному нулю , они не могут полностью достичь состояния нулевой температуры. Однако, даже если бы ученые могли удалить всю кинетическую тепловую энергию из материи, квантовая энергия нулевой точки (ZPE) вызывает движение частиц, которое невозможно устранить. Encyclopdia Britannica Online определяет энергию нулевой точки как «колебательную энергию, которую молекулы сохраняют даже при абсолютном нуле температуры». ZPE является результатом всепроникающих энергетических полей в вакууме между фундаментальными частицами природы; он отвечает за эффект Казимира и другие явления. ВидетьЭнергия нулевой точки и поле нулевой точки . См. Также Твердый гелий, заархивированный 12 февраля 2008 г. на Wayback Machine факультетом физики Университета Альберты, чтобы узнать больше о влиянии ZPE на бозе-эйнштейновские конденсаты гелия.
Хотя абсолютного нуля ( Т = 0) не является состоянием нулевого молекулярного движения, то есть точка нулевой температуры и, в соответствии с постоянной Больцмана, также точка нулевой кинетической энергии частиц и кинетической скорости нулевой.Чтобы понять, как атомы могут иметь нулевую кинетическую скорость и одновременно колебаться из-за ZPE, рассмотрим следующий мысленный эксперимент: два атома гелия с T = 0 в невесомости аккуратно размещены и наблюдаются, что между ними существует среднее расстояние 620 пм (зазор десяти атомных диаметров). Это «среднее» разделение, потому что ZPE заставляет их толкаться в фиксированных позициях. Затем один атом получает кинетический удар ровно в 83 йоктокельвина (1 yK =1 × 10 ⁻²⁴ К ). Это делается таким образом, что вектор скорости этого атома направляется на другой атом. При кинетической энергии 83 мкК между ними промежуток в 620 пм через их общий барицентр закроется со скоростью 719 пм / с, и они столкнутся через 0,862 секунды. Это та же скорость, что и на анимации на рис. 1 выше. Перед тем, как получить кинетический толчок, оба атома с T = 0 имели нулевую кинетическую энергию и нулевую кинетическую скорость, потому что они могли бесконечно существовать в этом состоянии и относительной ориентации, даже если оба атома толкались ZPE. В T= 0, кинетическая энергия недоступна для передачи в другие системы. Постоянная Больцмана и связанные с ней формулы описывают сферу кинетики частиц и векторов скорости, тогда как ZPE - это энергетическое поле, которое толкает частицы способами, описываемыми математикой квантовой механики. При атомных и молекулярных столкновениях в газах ZPE привносит определенную степень хаоса , т. Е. Непредсказуемость, в кинетику отскока; вероятность того, что движение частиц, вызванное ZPE, после данного столкновения будет меньше, чем больше. Эта случайная природа ZPE является причиной того, почему он не оказывает чистого влияния ни на давление, ни на объем любого насыпного количества (статистически значимого количества частиц) газов с T > 0 K. Однако в T= 0 конденсированное вещество ; например, в твердых телах и жидкостях ZPE вызывает межатомное столкновение, где в противном случае атомы были бы совершенно неподвижными. Поскольку реальное воздействие ZPE на вещества может варьироваться при изменении термодинамической системы (например, из-за ZPE гелий не замерзнет, если под давлением не менее 25 бар или 2,5 МПа ), ZPE очень хорош. много формы тепловой энергии и может быть правильно учтен при подсчете внутренней энергии вещества.
Отметим также, что абсолютный ноль служит базовой линией, на которой основаны термодинамика и ее уравнения , поскольку они имеют дело с обменом тепловой энергией между «системами» (множеством частиц и полей, моделируемых как среднее значение). Соответственно, можно исследовать движение частиц, вызванное ZPE, внутри системы, которая находится в абсолютном нуле, но никогда не может быть чистого оттока тепловой энергии из такой системы. Кроме того, пиковая длина волны излучения абсолютно черного тела смещается в бесконечность при абсолютном нуле; действительно, пика больше не существует, и фотоны черного тела больше не могут убежать. Однако из-за ZPE виртуальные фотоны по-прежнему испускаются при T= 0. Такие фотоны называют «виртуальными», потому что их нельзя перехватить и наблюдать. Кроме того, это излучение нулевой точки имеет уникальный спектр нулевой точки. Однако даже несмотря на то, что система T = 0 излучает излучение нулевой точки, чистый тепловой поток Q из такой системы не может происходить, потому что, если температура окружающей среды выше, чем T = 0, тепло будет течь внутрь, и если окружающая среда находится при T = 0, будет равный поток излучения ZP как внутрь, так и наружу. Подобное Q- равновесие существует при T = 0 со спонтанным излучением фотонов, индуцированным ZPE (которое более правильно называетсястимулированное излучение в этом контексте). График в правом верхнем углу показывает отношение абсолютного нуля к энергии нулевой точки. График также помогает понять, как энергия нулевой точки получила свое название: это колебательная энергия, которую материя сохраняет в точке нулевой температуры Кельвина . Получение классического спектра электромагнитного излучения нулевой точки с помощью классической термодинамической операции с участием сил Ван-дер-Ваальса , Дэниел С. Коул, Physical Review A, 42 (1990) 1847.

[Accessible_k-4] CODATA Значение: постоянная Больцмана . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . Национальный институт стандартов и технологий .

[BIPMbrocure-5] "Брошюра SI, раздел 2.1.1.5" . Международное бюро мер и весов . Архивировано из оригинального 26 сентября 2007 года . Проверено 9 мая 2008 года .

[codata2017-6] Ньюэлл, DB; Cabiati, F; Фишер, Дж; Fujii, K; Каршенбойм С.Г .; Марголис, HS; де Мирандес, Э; Mohr, PJ; Nez, F; Пачуки, К; Куинн, Т.Дж.; Тейлор, Б.Н.; Ван, М; Дерево, БМ; Zhang, Z; и другие. (Целевая группа Комитета по данным для науки и технологий (CODATA) по фундаментальным константам) (29 января 2018 г.). «Значения h , e , k и N A в CODATA 2017 для пересмотра SI» . Метрология . 55 (1): L13 – L16. Bibcode : 2018Metro..55L..13N . DOI : 10.1088 / 1681-7575 / aa950a .

[7] "Переопределение SI - Кельвин: Константа Больцмана" . Национальный институт стандартов и технологий . Архивировано из оригинального 13 декабря 2020 года . Дата обращения 13 декабря 2020 .

[8] «Акустическая термометрия» . Национальный институт стандартов и технологий . Архивировано из оригинального 13 декабря 2020 года . Дата обращения 13 декабря 2020 .

[9] При нерелятивистских температурах менее 30 ГК классической механики достаточно для вычисления скорости частиц. При 30 ГК отдельные нейтроны (составляющая нейтронных звезд и один из немногих материалов во Вселенной с температурами в этом диапазоне) имеют 1,0042 γ (гамма- фактор или фактор Лоренца ). Таким образом, классическая формула Ньютона для кинетической энергии имеет ошибку менее половины процента для температур менее 30 ГК.

[10] Дажевоздух комнатной температуры имеет среднюю молекулярную поступательную скорость (не изолированную вектором) 1822 км / час. Это относительно быстро для чего-то размером с молекулу, учитывая, что примерно2.42 × 10 ¹⁶ из них умещены в один кубический миллиметр. Допущения: средняя молекулярная масса влажного воздуха = 28,838 г / моль и T = 296,15 К. Основные переменные допущения: высота 194 метра над средним уровнем моря (всемирная медианная высота человеческого жилья), температура в помещении 23 ° C, точка росы 9 ° C (40,85% относительной влажности) и 760 мм рт. Ст. (101,325 кПа) барометрическое давление с поправкой на уровень моря.

[11] Образец цитирования: Адиабатическое охлаждение цезия до 700 нК в оптической решетке , A. Kastberg et al. , Physical Review Letters 74 , № 9, 27 февраля 1995 г., стр. 1542. Примечательно, что рекордная низкая температура 450 пК в конденсате Бозе-Эйнштейна из атомов натрия (достигнутая А.Е. Линхардтом и др . Из Массачусетского технологического института ) приравнивается к средней векторно-изолированной скорости атомов 0,4 мм / с и средней скорости. скорость атома 0,7 мм / с.

[Boltzmann-12] Б The скорости поступательного движения атомов и молекул рассчитывается на основе термодинамической температуры следующим образом :
${\tilde {v}}={\sqrt {\frac {{k_{B} \over 2}\cdot T}{m \over 2}}}$
куда…
${\tilde {v}}$ - векторно изолированная средняя скорость поступательного движения частицы в м / с
k _B ( постоянная Больцмана ) =1,380 649 × 10 ⁻²³ Дж / К
T - термодинамическая температура в кельвинах.
m - молекулярная масса вещества в кг / частица
В приведенной выше формуле молекулярная масса m в кг / частица представляет собой частное от молярной массы вещества (также известной как атомная масса , атомная масса , относительная атомная масса и унифицированные атомные единицы массы ) в г / моль или дальтон, деленная на6,022 141 79 (30) × 10 ²⁶ (что является постоянной Авогадро, умноженной на тысячу). Для двухатомных молекул, таких как H 2 , N 2 и O 2 , умножьте атомный вес на два, прежде чем подставлять его в формулу выше. Средняя скорость (не изолированная вектором скорость) атома или молекулы на любом произвольном пути вычисляется следующим образом:
${\tilde {s}}={\tilde {v}}\cdot {\sqrt {3}}$
куда…
${\tilde {s}}$ - средняя скорость поступательного движения частицы в м / с
Обратите внимание, что средняя энергия поступательных движений частиц, составляющих вещество, коррелирует с их средней скоростью , а не скоростью. Таким образом, подставляя для V в классической формуле для кинетической энергии, Е _к = ¹ / ₂ м • v ² производит точно такое же значение , как это делает Е _{среднее} = 3/2 к _Б Т (как показано в разделе , озаглавленном Природа кинетическая энергия, поступательное движение и температура ) . Примечание ${\tilde {s}}$ Кроме того, постоянная Больцмана и связанные с ней формулы устанавливают, что абсолютный ноль является точкой как нулевой кинетической энергии движения частицы, так и нулевой кинетической скорости (см. также примечание 1 выше).

[13] Ввнутренних степеней свободы молекул вызывают их внешние поверхности вибрироватьа также могут производить общие движения прядильных (что может быть приравнено к покачивания и прядение в противном случае стационарного баллона воды). Если исследовать отдельную молекулу, когда она ударяется о стенку контейнера, некоторая кинетическая энергия, переносимая во внутренних степенях свободы молекулы, может конструктивно добавить к ее поступательному движению в момент столкновения, и дополнительная кинетическая энергия будет передана в емкость контейнера. стена. Это привело бы к дополнительному, локализованному, подобному импульсу вкладу в среднее давление на контейнер. Однако, поскольку внутренние движения молекул случайны, они имеют равную вероятность разрушительного воздействия.препятствовать поступательному движению при столкновении со стенками контейнера или другой молекулой. При усреднении по любому объему газа внутренние тепловые движения молекул не оказывают никакого влияния на температуру, давление или объем газа. Внутренние степени свободы молекул просто предоставляют дополнительные места для хранения кинетической энергии. Именно поэтому газы на молекулярной основе обладают большей удельной внутренней емкостью, чем одноатомные газы (где для достижения заданного повышения температуры необходимо добавить дополнительную внутреннюю энергию).

[14] Приизмерении при постоянном объеме, поскольку при измерении при постоянном давлении необходимо выполнять разные объемы работы. C _v H азота(100 кПа, 20 ° C) равняется 20,8 Дж моль^–1 К^{–1 по} сравнению с одноатомными газами, что равняется 12,4717 Дж моль^–1 К^–1 . Цитирование: Физическая химия Фримена , часть 3: изменения ( 422 kB PDF, здесь ), Exercise 21.20b, Pg. 787. Также молярная удельная теплота газов в Университете штата Джорджия .

[15] Скорость , при которой тепловая энергия уравниваетвсему объему газа происходит очень быстро. Однако, поскольку газы имеют чрезвычайно низкую плотность по сравнению с твердыми телами, тепловой поток (тепловая мощность, проходящая через площадь) через газы сравнительно невелик. Вот почему мертвые пространства в многостекольных окнах обладают изоляционными свойствами.

[16] Diamond - заметное исключение. В его жесткой кристаллической решетке возникают сильно квантованные моды колебаний фонона. Следовательно, алмаз не только имеет исключительно низкую удельную теплоемкость , но и исключительно высокую теплопроводность .

[17] Корреляция составляет 752 (Вт⋅м⁻¹ ⋅K⁻¹ ) / (МС⋅см), σ = 81, в диапазоне проводимости 7: 1. Значение и стандартное отклонение основаны на данных для Ag, Cu, Au, Al, Ca, Be, Mg, Rh, Ir, Zn, Co, Ni, Os, Fe, Pa, Pt и Sn. Цитирование: данные из CRC Handbook of Chemistry and Physics , 1st Student Edition, и эта ссылка на домашнюю страницу Web Elements.

[18] Указанныедлины волн излучения соответствуют истинным черным телам в равновесии. В этой таблице так квалифицируется только солнце. CODATA 2006 рекомендуемое значение 2,897 7685 (51) × 10⁻³ м K, используемое для постоянной закона смещения Вина b .

[recordcold-19] Температурный рекорд холода 450 ± 80 рК в конденсате Бозе-Эйнштейна (БЭК) атомов натрия была достигнута в 2003 году исследователи из MIT . Образец цитирования: Охлаждение конденсатов Бозе – Эйнштейна ниже 500 пикокельвинов , А. Е. Линхардт и др ., Science 301 , 12 сентября 2003 г., стр. 1515. Примечательно, что максимальная длина волны черного тела этого рекорда, равная 6400 км, примерно равна радиусу Земли.

[20] Пик излучательная длина волны 2.897 77 м является частота 103.456 МГц

[24] Измерениебыло проведено в 2002 году и имеет погрешность ± 3 кельвина. 1989 Измерение производится значение 5777 ± 2,5 К. Образец цитирования: Обзор Солнца (конспектов Глава 1 по солнечной физике Отдел теоретической физики, кафедра физических наук, Университет Хельсинки). Скачать статью (252 kB PDF, архивировано 23 августа 2014 г. в Wayback Machine )

[25] Значение350 МК представляет собой максимальную пиковую температуру термоядерного топлива в термоядерном оружии конфигурации Теллера-Улама (широко известном как «водородная бомба»). Пиковые температуры в ядрах бомбы деления типа Gadget (широко известной как «атомная бомба») находятся в диапазоне от 50 до 100 МК. Образец цитирования: Часто задаваемые вопросы о ядерном оружии, 3.2.5 Материя при высоких температурах. Ссылка на соответствующую веб-страницу. Все упомянутые данные были собраны из общедоступных источников.

[27] Пиковаятемпература для большого количества вещества была достигнута с помощью импульсной машины, используемой в экспериментах по физике термоядерного синтеза. Термин «объемное количество» отличается от столкновений в ускорителях частиц, в которых высокая «температура» применяется только к обломкам двух субатомных частиц или ядер в любой данный момент. Температура> 2 GK была достигнута за период около десяти наносекунд во время «выстрела Z1137». Фактически, ионы железа и марганца в плазме в среднем составляли 3,58 ± 0,41 ГК (309-35 кэВ) за 3 нс (со 112 по 115 нс). Образец цитирования: Ионно-вязкий нагрев в магнитогидродинамически нестабильном Z-пинче при температуре более 2 × 10 ⁹ Кельвинов , М.Г. Хейнс и др. , Письма о физических проверках 96 , выпуск 7, id. 075003. Ссылка на пресс-релиз Сандии. Архивировано 2 июля 2006 г. в Wayback Machine.

[28] Температураядразвезды с большой массой (> 8–11 масс Солнца) после того, как она покидает главную последовательность на диаграмме Герцшпрунга – Рассела и начинает альфа-процесс (который длится один день) плавления кремния-28 в более тяжелые элементы в следующие стадии: сера – 32 → аргон – 36 → кальций – 40 → титан – 44 → хром – 48 → железо – 52 → никель – 56. Через несколько минут после завершения последовательности звезда взрывается как сверхновая типа II. Образец цитирования: Звездная эволюция: жизнь и смерть наших светящихся соседей (Артур Холланд и Марк Уильямс из Мичиганского университета). Ссылка на веб-сайт . Более информативные ссылки можно найти здесь, и здесь. Архивировано 14 августа 2011 г. в Wayback Machine , а краткий трактат НАСА о звездах находится здесь . Архивировано 20 июля 2015 года в Wayback Machine.

[29] На основена компьютерной модели, которая предсказывала пиковую внутреннюю температуру 30 МэВ (350 ГК) во время слияния двойной системы нейтронных звезд (которое вызывает гамма-всплеск). Нейтронные звезды в модели имели массу 1,2 и 1,6 солнечных соответственно, были примерно 20 км в диаметре и вращались вокруг своего барицентра (общего центра масс) с частотой около 390 Гц в течение последних нескольких миллисекунд, прежде чем они полностью слились. Участок 350 GK представлял собой небольшой объем, расположенный в развивающемся общем ядре пары, и варьировался от примерно 1 до 7 км в поперечнике в течение примерно 5 мс. Представьте себе два объекта невообразимой плотности размером с город, вращающиеся вокруг друг друга с той же частотой, что и музыкальная нота G4 (28-я белая клавиша на фортепиано). Также примечательно, что на 350 ГК,средний нейтрон имеет колебательную скорость 30% скорости света и релятивистскую массу (m ) на 5% больше, чем его масса покоя ( m ₀ ). Образец цитирования: Oechslin, R .; Янка, Х.-Т. (2006). «Формирование тора при слиянии нейтронных звезд и хорошо локализованных коротких гамма-всплесках». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 368 (4): 1489–1499. arXiv : astro-ph / 0507099v2 . Bibcode : 2006MNRAS.368.1489O . DOI : 10.1111 / j.1365-2966.2006.10238.x . S2CID 15036056 . Чтобы просмотреть сводку исследования в браузере, щелкните здесь .

[30] NewScientist: Восемь крайностей: Самая горячая вещь во Вселенной , 7 марта 2011,котором говорится«то время как детали этого процесса в настоящее время неизвестно, она должна включатьсебя огненный шар релятивистских частицнагретых до чегото в районе триллиона Кельвина [с ] »

[31] Результатыисследований Стефана Бате с использованиемдетектора PHENIX на коллайдере релятивистских тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, Нью-Йорк, США. Бат изучал столкновения золото-золото, дейтрон-золото и протон-протон, чтобы проверить теорию квантовой теории. хромодинамика, теория сильного взаимодействия, удерживающего атомные ядра вместе. Ссылка на пресс-релиз.

[32] Образец цитирования: Как физики изучают частицы? Архивировано 2007-10-11 в Wayback Machine по ЦЕРН .

[33] Частота Планка равна 1,854 87 (14) × 10⁴³ Гц (которая является обратной один раз Планка). Фотоны на планковской частоте имеют длину волны, равную одной планковской длине. Планковская температура 1,416 79 (11) × 10³² К соответствует расчетнойдлине волны b / T = λ_max 2,045 31 (16) × 10^-26 нм. Однако фактическая длина волны пикового излучения квантуется до планковской длины 1,616 24 (12) × 10^-26 нм.

[34] Энтальпия плавления воды (0 ° C, 101,325 кПа) равна0,062 284 эВ на молекулу, поэтому добавление одного джоуля тепловой энергии к водяному льду 0 ° C вызывает1.0021 × 10 ²⁰ молекул воды вырвутся из кристаллической решетки и станут жидкими.

[35] Энтальпия плавления воды составляет 6,0095 кДж моль^-1 K^-1 (0 ° C, 101,325 кПа). Образец цитирования: Структура воды и наука, свойства воды, энтальпия плавления, (0 ° C, 101,325 кПа) (Лондонский университет Саут-Бэнк). Ссылка на веб-сайт. Единственные металлы с энтальпиями плавления, не находящимися в диапазоне 6–30 Дж моль^-1 K^-1, это (в верхней части): Ta, W и Re; и (на стороне низкого уровня) большинство металлов группы 1 (щелочные) плюс Ga, In, Hg, Tl, Pb и Np. Цитата: Эта ссылка на домашнюю страницу Web Elements.

[36] Цитирование значения ксенона: Эта ссылка на данные WebElements по ксенону (доступные значения находятся в диапазоне от 2,3 до 3,1 кДж / моль). Также следует отметить, что теплота плавления гелия, составляющая всего 0,021 кДж / моль, настолько слаба для силы связи, что энергия нулевой точки предотвращает замерзание гелия, если он не находится под давлением не менее 25 атмосфер.

[37] Справочник CRC по химии и физике , 1-е студенческое издание и веб-элементы .

[38] H₂ Удельная теплоемкость, C _p = 0,075327 кДж моль^-1 K^-1 (25 ° C); Энтальпия плавления = 6,0095 кДж / моль (0 ° C, 101,325 кПа); Энтальпия испарения (жидкость) = 40,657 кДж / моль (100 ° C). Образец цитирования: Структура и наука воды, Свойства воды (Лондонский университет Южного берега). Ссылка на веб-сайт.

[39] Мобильные электроны проводимости делокализованы, то есть не привязаны к конкретному атому, и ведут себя скорее как своего рода квантовый газ из-за эффектов нулевой энергии. Следовательно, даже при абсолютном нуле электроны проводимости все еще движутся между атомами со скоростью Ферми около1,6 × 10 ⁶ м / с . Кинетическая тепловая энергия увеличивает эту скорость, а также заставляет делокализованные электроны перемещаться дальше от ядер.

[40] Никакая другая кристаллическая структура не может превышать плотность упаковки наиболее плотно упакованной структуры 74,048% . В природе встречаются две регулярные кристаллические решетки с такой плотностью: гексагональная плотноупакованная (ГЦП) и гранецентрированная кубическая (ГЦК). Эти регулярные решетки находятся в самом низком энергетическом состоянии. Алмаз - это структура с наиболее плотной упаковкой с ГЦК кристаллической решеткой. Отметим также, что подходящие кристаллические химические соединения , хотя обычно состоят из атомов разного размера, могут рассматриваться как структуры с наиболее плотной упаковкой, если рассматривать их на молекулярном уровне. Одним из таких соединений является обычный минерал, известный как алюминий магний.шпинель (MgAl₂ O₄ ). Он имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку, и никакое изменение давления не может создать решетку с более низким энергетическим состоянием.

[41] Почти половина из 92 природных химических элементов, которые могут замерзнуть в вакууме, также имеют плотноупакованную кристаллическую решетку. Этот набор включает бериллий , осмий , неон и иридий (но исключает гелий) и, следовательно, имеет нулевую скрытую теплоту фазовых переходов для вклада во внутреннюю энергию (символ: U) . При расчете энтальпии (формула: H = U + pV ) внутренняя энергия может исключать различные источники тепловой энергии (особенно ZPE) в зависимости от характера анализа. Соответственно, все T = 0 плотноупакованная материя в идеальном вакууме имеет минимальную или нулевую энтальпию, в зависимости от характера анализа. Использование преобразований Лежандра в химической термодинамике , Роберт А. Олберти, Pure Appl.Chem., 73 (2001) 1349.

[42] Давление также должно быть абсолютным. Воздух, все еще находящийся в шине при манометрическом давлении 0 кПа, также расширяется при нагревании. Инженеры нередко упускают из виду, что при компенсации температуры необходимо работать с абсолютным давлением. Например, ведущий производитель авиационных шин опубликовал документ о температурной компенсации давления в шинах, в формуле которого использовалось избыточное давление. Однако высокое избыточное давление (180 фунтов на кв. Дюйм; 12,4 бар; 1,24 МПа) означает, что ошибка будет довольно небольшой. В автомобильных шинах низкого давления, где манометрическое давление обычно составляет около 2 бар (200 кПа), неспособность приспособиться к абсолютному давлению приводит к значительной ошибке. Ссылочный документ: Рейтинги авиационных шин ( PDF, 155 КБ, здесь ).

[43] Что касается написания «манометр» по сравнению с «манометром» в контексте давления, измеряемого относительно атмосферного давления, предпочтительное написание варьируется в зависимости от страны и даже отрасли. Кроме того, оба написания часто используются в определенной отрасли или стране. Предприятия в британских англоязычных странах обычно используют написание «манометрическое давление», чтобы отличить его от прибора для измерения давления, которым в Великобритании пишется « манометр» . По той же причине многие из крупнейших американских производителей датчиков давления и контрольно-измерительных приборов используют орфографическое обозначение « манометрическое давление» (используемое здесь обозначение) в своей официальной документации, чтобы отличить его от прибора, который пишется как манометр .Страницу часто задаваемых вопросов Honeywell-Sensotec и страницу поиска продукции корпорации Fluke ).

[44] Здесь используется разница в 100 кПа вместо значения 101,325 кПа для одной стандартной атмосферы . В 1982 году Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) рекомендовал, чтобы для целей определения физических свойств веществ стандартное давление(атмосферное давление) должно быть точно определено как 100 кПа (≈ 750,062 торр). Помимо того, что это круглое число, это имело очень практический эффект: относительно немного людей живут и работают именно на уровне моря; 100 кПа соответствует среднему давлению на высоте около 112 метров, что ближе к 194-метровой всемирной медианной высоте проживания людей. Для работы с особенно низким давлением или высокой точностью необходимо измерить истинное атмосферное давление. Образец цитирования: IUPAC.org, Золотая книга, Стандартное давление

[45] Перейти ↑ Absolute Zero and the Conquest of Cold , Shachtman, Tom., Mariner Books, 1999.

[46] Краткая история измерения температуры и; Уппсальский университет (Швеция), термометр Линнея

[47] .org

[°CName-48] Согласно Оксфордскому английскому словарю (OED), термин «термометр Цельсия» использовался, по крайней мере, еще в 1797 году. Кроме того, термин «термометр Цельсия или Цельсия» снова использовался в отношении определенного типа термометр, по крайней мере, еще в 1850 году. OED также цитирует это сообщение 1928 года о температуре: «Моя высота была около 5800 метров, температура была 28 ° по Цельсию». Однако словари стремятся найти наиболее раннее использование слова или термина и не являются полезным источником терминологии, используемой на протяжении всей истории науки. Согласно нескольким записям д-ра Терри Куинна CBE FRS, директора BIPM (1988–2004),включая температурные шкалы с первых дней термометрии до 21 века (148 kB PDF, здесь ), а также температура (2nd Edition / 1990 / Academic Press / 0125696817), термин Цельсий в связи со шкалой Цельсия вообще не использовался научным сообществом или сообществом термометров до тех пор, пока CIPM и CGPM не приняли этот термин в 1948 году. BIPM даже не знал, что градус Цельсия использовался спорадически, ненаучно. Также примечательно, что в двенадцатитомном издании OED 1933 года даже не было перечисления для слова Цельсия (но были списки как по Цельсию, так и по сотым в контексте измерения температуры). Принятие Celsius в 1948 году позволило решить три задачи:
Все общие температурные шкалы будут иметь свои единицы, названные в честь кого-то, кто с ними тесно связан; а именно Кельвина, Цельсия, Фаренгейта, Реомюра и Ренкина.
Несмотря на важный вклад Линнея, который придал шкале Цельсия ее современную форму, имя Цельсия было очевидным выбором, потому что оно начиналось с буквы C. Таким образом, символ ° C, который веками использовался в сочетании с названием по Цельсию, мог продолжаться до будет использоваться и одновременно унаследует интуитивную ассоциацию с новым именем.
Новое название устранило двусмысленность термина по Цельсию , позволив ему относиться исключительно к французскому названию единицы измерения угла.

[49] Все общие температурные шкалы будут иметь свои единицы, названные в честь кого-то, кто с ними тесно связан; а именно Кельвина, Цельсия, Фаренгейта, Реомюра и Ренкина.

[50] Несмотря на важный вклад Линнея, который придал шкале Цельсия ее современную форму, имя Цельсия было очевидным выбором, потому что оно начиналось с буквы C. Таким образом, символ ° C, который веками использовался в сочетании с названием по Цельсию, мог продолжаться до будет использоваться и одновременно унаследует интуитивную ассоциацию с новым именем.

[51] Новое название устранило двусмысленность термина по Цельсию , позволив ему относиться исключительно к французскому названию единицы измерения угла.

[52] Все общие температурные шкалы будут иметь свои единицы, названные в честь кого-то, кто с ними тесно связан; а именно Кельвина, Цельсия, Фаренгейта, Реомюра и Ренкина.

[53] Несмотря на важный вклад Линнея, который придал шкале Цельсия ее современную форму, имя Цельсия было очевидным выбором, потому что оно начиналось с буквы C. Таким образом, символ ° C, который веками использовался в сочетании с названием по Цельсию, мог продолжаться до будет использоваться и одновременно унаследует интуитивную ассоциацию с новым именем.

[54] Новое название устранило двусмысленность термина по Цельсию , позволив ему относиться исключительно к французскому названию единицы измерения угла.