Termodynamika - wstęp

Teoria kinetyczno - cząsteczkowa
..Ruchy Browna
..Dyfuzja
Temperatura
Energia wewnętrzna
Ciepło
Praca w termodynamice
I zasada termodynamiki

Temperatura

Spis treści rozdziału:
Temperatura - wstęp
Kelwin - jednostka temperatury w układzie SI
Stopień Celsjusza
Skala Celsjusza, a skala bezwzględna (Kelwina)
Interpretacja mikroskopowa temperatury

Temperatura - wstęp

Podstawową wielkością charakteryzującą zjawiska cieplne jest temperatura. Wielkość tę odczytujemy z termometru, dzięki czemu dowiadujemy się czy jest ciepło, czy zimno. Ale od odczucia ciepła i zimna, do poprawnego określenia wielkości fizycznej droga nie jest prosta.

Jeszcze w XIX wieku uważano, że zjawiska cieplne wiążą się z przepływem specjalnego fluidu zwanego cieplikiem. Dzisiaj wiemy, że żaden cieplik nie istnieje, chociaż obserwacja takich zjawisk jak ogrzewanie, czy oziębianie dość wyraźnie sugeruje, że jest „coś”, co przepływając od ciał ciepłych do zimnych, powoduje ogrzanie tych ostatnich. Co to jest owo tajemnicze „coś”?
Od razu pospieszę z częściową odpowiedzią, że to nie temperatura przepływa od rozgrzanej płyty kuchenki do postawionego na niej garnka. Przepływającym medium jest energia, (a ta przepływająca energia nazywana jest po prostu ciepłem). Za to:

Temperatura wskazuje kierunek przepływu energii cieplnej.

Gorące ciało (czyli ciało o wyższej temperaturze) ma energię „na wyższym poziomie”, niż ciało chłodne. A ponieważ poziomy energetyczne dążą do wyrównywania się, to:

samorzutny przepływ energii zachodzi zawsze od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze.

To wydaje się oczywiste, bo przecież nikt nigdy nie zauważył by zimny lód ogrzał cieplejszego niż on człowieka, jednak warto mieć świadomość, że fakt ten jest podstawą dla pojęcia temperatury. W ten sposób temperatura szereguje wszystkie ciała w zależności od ich możliwości samorzutnego oddawania, lub przyjmowania ciepła.

Kelwin - jednostka temperatury w układzie SI

Jednostką temperatury w układzie SI jest kelwin.
Definicja tej jednostki jest dość skomplikowana i dlatego w tym rozdziale nie będzie omawiana. Ważne jest tu jednak, że kelwin wywodzi się z innej jednostki, częściej używanej na co dzień - stopnia Celsjusza (°C).

Stopień Celsjusza

Stopień Celsjusza jest jednostką powstałą z podzielenia pewnego uzgodnionego zakresu temperatur na 100 równych części.

	temperatura początkowa (dolna) wspomnianego zakresu temperatur jest równa jest temperaturze topnienia lodu pod ciśnieniem normalnym. Jest to 0 °C.
	temperatura końcowa (górna) wspomnianego zakresu temperatur jest równa jest temperaturze wrzenia wody pod ciśnieniem normalnym. Jest to 100 °C.

Po podzieleniu zakresu na 100 równych odcinków, każdy z nich będzie wyznaczał różnicę temperatur równą 1°C.

Skala Celsjusza, a skala bezwzględna (Kelwina)

Pomiędzy skalą Celsjusza, a skalą Kelwina zachodzi podobieństwo.
Bo różnica temperatur jest w obu skalach identyczna, czyli jeśli pomiędzy dwoma punktami temperaturowymi jest różnica temperatur 15°C, to znaczy że w tym przypadku mamy też różnicę 15 K (kelwinów).

Odmienność obu skal temperaturowych polega na wybraniu innych punktów stanowiących "zero" - równych 0.

	0 stopni Celsjusza odpowiada temperaturze topnienia lodu, podczas gdy w skali Kelwina jest to już 273,15 K.
	0 kelwinów to tzw. zero bezwzględne (także "zero absolutne"), czyli najniższa w ogóle możliwa do osiągnięcia temperatura. W skali Celsjusza jest - 273,15°C.

Interpretacja mikroskopowa temperatury

To, czym jest temperatura najlepiej wyjaśnia się w oparciu o teorię kinetyczno molekularną. Wynika z niej, że temperatura jest tym wyższa, im szybciej poruszają się cząsteczki/ atomy danego ciała. W temperaturze zera bezwzględnego cząsteczki nie poruszają się wcale.

Temperatura gazów (rozrzedzonych) jest wprost proporcjonalna do średniej energii kinetycznej cząsteczek ciała.

A jak jest z temperaturą ciał stałych i cieczy?

W przypadku cieczy, a jeszcze bardziej ciał stałych temperatura nie jest już w tak prosty (jak w przypadku gazów) sposób zależna od energii kinetycznej ruchu cząsteczek. Bo znaczący wkład do energii wnoszą tu wiązania międzycząsteczkowe. One jakby przejmują na siebie dodatkową energię, co powoduje, że pozostające równowadze termodynamicznej gaz i ciało stałe (czyli mające tę samą temperaturę), będą miały różne średnie energie kinetyczne ruchu cząsteczek.

Uwaga - temperatura, a energia wewnętrzna

Tu warto dodać, ze ważnym pojęciem ściśle powiązanym z temperaturą jest energia wewnętrzna.
Jednak pomiędzy tymi pojęciami występują istotne różnice. W szczególności energia wewnętrzna rośnie wraz z ilością substancji, a temperatura jest wyznaczana jest wielkością lokalną - wyznaczaną prawie w punkcie, a przynajmniej w niewielkim obszarze zawierającym próbkę materii. Temperatura nie zależy wiec od ilości cząsteczek, tylko od "średniego" zachowania się w danym obszarze.

Ostatnie zmiany - Michał Dyszyński 22 listopada 2013