Յուրաքանչյուր մարդ ամեն օր բախվում է ջերմաստիճանի հասկացության հետ: Տերմինը հաստատապես մտել է մեր առօրյա կյանք. մենք սնունդը տաքացնում ենք միկրոալիքային վառարանում կամ կերակուր ենք պատրաստում ջեռոցում, մեզ հետաքրքրում է դրսի եղանակը կամ պարզում, թե արդյոք գետի ջուրը սառն է, այս ամենը սերտորեն կապված է այս հայեցակարգի հետ: Իսկ ի՞նչ է ջերմաստիճանը, ի՞նչ է նշանակում այս ֆիզիկական պարամետրը, ինչպե՞ս է այն չափվում։ Այս և այլ հարցերի կպատասխանենք հոդվածում։
Ֆիզիկական քանակ
Եկեք դիտարկենք, թե ինչ է ջերմաստիճանը թերմոդինամիկական հավասարակշռության մեջ գտնվող մեկուսացված համակարգի տեսանկյունից: Տերմինը գալիս է լատիներենից և նշանակում է «պատշաճ խառնում», «նորմալ վիճակ», «համաչափություն»։ Այս արժեքը բնութագրում է ցանկացած մակրոսկոպիկ համակարգի թերմոդինամիկական հավասարակշռության վիճակը: Այն դեպքում, երբ մեկուսացված համակարգը գտնվում է հավասարակշռությունից դուրս, ժամանակի ընթացքում տեղի է ունենում էներգիայի անցում ավելի տաքացած առարկաներից դեպի ավելի քիչ տաքացած: Արդյունքը ամբողջ համակարգում ջերմաստիճանի հավասարեցում (փոփոխություն) է: Սա թերմոդինամիկայի առաջին պոստուլատն է (զրոյական սկզբունք):
Ջերմաստիճանը որոշում էհամակարգի բաղկացուցիչ մասնիկների բաշխումն ըստ էներգիայի մակարդակների և արագությունների, նյութերի իոնացման աստիճանի, մարմինների հավասարակշռության էլեկտրամագնիսական ճառագայթման հատկությունների, ճառագայթման ընդհանուր ծավալային խտության։ Քանի որ թերմոդինամիկական հավասարակշռության մեջ գտնվող համակարգի համար թվարկված պարամետրերը հավասար են, դրանք սովորաբար կոչվում են համակարգի ջերմաստիճան։
Պլազմա
Բացի հավասարակշռության մարմիններից, կան համակարգեր, որոնցում վիճակը բնութագրվում է մի քանի ջերմաստիճանի արժեքներով, որոնք միմյանց հավասար չեն: Պլազման լավ օրինակ է: Այն բաղկացած է էլեկտրոններից (թեթև լիցքավորված մասնիկներ) և իոններից (ծանր լիցքավորված մասնիկներ)։ Երբ դրանք բախվում են, էներգիան արագորեն փոխանցվում է էլեկտրոնից էլեկտրոն և իոնից իոն։ Բայց տարասեռ տարրերի միջև դանդաղ անցում է տեղի ունենում: Պլազման կարող է լինել այնպիսի վիճակում, երբ էլեկտրոններն ու իոնները առանձին-առանձին մոտ են հավասարակշռությանը: Այս դեպքում յուրաքանչյուր տեսակի մասնիկների համար կարելի է առանձին ջերմաստիճաններ ընդունել: Այնուամենայնիվ, այս պարամետրերը կտարբերվեն միմյանցից:
Մագնիսներ
Այն մարմիններում, որտեղ մասնիկներն ունեն մագնիսական մոմենտ, էներգիայի փոխանցումը սովորաբար տեղի է ունենում դանդաղ՝ թարգմանականից դեպի մագնիսական ազատության աստիճաններ, որոնք կապված են պահի ուղղությունները փոխելու հնարավորության հետ: Պարզվում է, որ կան վիճակներ, որոնցում մարմնին բնորոշ է ջերմաստիճանը, որը չի համընկնում կինետիկ պարամետրի հետ։ Այն համապատասխանում է տարրական մասնիկների թարգմանական շարժմանը։ Մագնիսական ջերմաստիճանը որոշում է ներքին էներգիայի մի մասը: Դա կարող է լինել կամ դրական, կամբացասական. Հավասարեցման գործընթացում էներգիան ավելի բարձր արժեք ունեցող մասնիկներից կփոխանցվի ավելի ցածր ջերմաստիճանի արժեք ունեցող մասնիկներին, եթե դրանք երկուսն էլ դրական են կամ բացասական: Հակառակ դեպքում այս գործընթացը կշարունակվի հակառակ ուղղությամբ՝ բացասական ջերմաստիճանը «ավելի բարձր» կլինի, քան դրականը։
Ինչու է դա անհրաժեշտ:
Պարադոքսը կայանում է նրանում, որ միջին մարդը, թե՛ առօրյա կյանքում, թե՛ արդյունաբերության մեջ չափումների գործընթացն իրականացնելու համար, նույնիսկ կարիք չունի իմանալու, թե ինչ է ջերմաստիճանը։ Բավական կլինի, որ նա հասկանա, որ սա օբյեկտի կամ միջավայրի տաքացման աստիճանն է, մանավանդ, որ այդ տերմիններին ծանոթ ենք դեռ մանկուց։ Իրոք, այս պարամետրը չափելու համար նախատեսված գործնական սարքերի մեծ մասը իրականում չափում է նյութերի այլ հատկություններ, որոնք փոխվում են ջեռուցման կամ հովացման մակարդակի հետ: Օրինակ՝ ճնշումը, էլեկտրական դիմադրությունը, ծավալը և այլն: Ավելին, նման ցուցանիշները ձեռքով կամ ավտոմատ կերպով փոխարկվում են ցանկալի արժեքին:
Պարզվում է, որ ջերմաստիճանը որոշելու համար ֆիզիկա ուսումնասիրելու կարիք չկա։ Մեր մոլորակի բնակչության մեծ մասն ապրում է այս սկզբունքով։ Եթե հեռուստացույցը միացված է, ապա կարիք չկա հասկանալ կիսահաղորդչային սարքերի անցողիկ գործընթացները, ուսումնասիրել, թե որտեղից է էլեկտրականությունը գալիս վարդակից կամ ինչպես է ազդանշանը հասնում արբանյակային ալեհավաքին։ Մարդիկ սովոր են, որ յուրաքանչյուր ոլորտում կան մասնագետներ, ովքեր կարող են շտկել կամ կարգաբերել համակարգը։ Աշխարհականը չի ուզում լարել ուղեղը, քանի որ որտեղ է ավելի լավ սերիալ կամ ֆուտբոլ դիտել «տուփի» վրա՝ կում անելիս.սառը գարեջուր.
Ուզում եմ իմանալ
Բայց կան մարդիկ, ամենից հաճախ՝ ուսանողներ, ովքեր կամ իրենց հետաքրքրության չափով, կամ անհրաժեշտությունից դրդված ստիպված են ուսումնասիրել ֆիզիկան և որոշել, թե ինչ է իրականում ջերմաստիճանը։ Արդյունքում, իրենց որոնումների ընթացքում նրանք ընկնում են թերմոդինամիկայի վայրի բնությունը և ուսումնասիրում դրա զրոյական, առաջին և երկրորդ օրենքները։ Բացի այդ, հետաքրքրասեր միտքը պետք է ըմբռնի Կարնո ցիկլերը և էնտրոպիան: Եվ իր ճանապարհորդության վերջում նա անպայման կխոստովանի, որ ջերմաստիճանի սահմանումը որպես շրջելի ջերմային համակարգի պարամետր, որը կախված չէ աշխատանքային նյութի տեսակից, պարզություն չի ավելացնի այս հայեցակարգի զգացողությանը: Եվ միևնույն է, տեսանելի մասը կլինի միավորների միջազգային համակարգի (SI) կողմից ընդունված որոշ աստիճաններ։
Ջերմաստիճանը որպես կինետիկ էներգիա
Ավելի «շոշափելի» է այն մոտեցումը, որը կոչվում է մոլեկուլային-կինետիկ տեսություն: Այն ձևավորում է այն գաղափարը, որ ջերմությունը համարվում է էներգիայի ձևերից մեկը: Օրինակ, մոլեկուլների և ատոմների կինետիկ էներգիան, պարամետրը, որը միջինում գնահատվում է պատահականորեն շարժվող մեծ թվով մասնիկների վրա, պարզվում է, որ չափիչ է այն, ինչը սովորաբար կոչվում է մարմնի ջերմաստիճան: Այսպիսով, տաքացվող համակարգի մասնիկները ավելի արագ են շարժվում, քան սառը:
Քանի որ դիտարկվող տերմինը սերտորեն կապված է մի խումբ մասնիկների միջին կինետիկ էներգիայի հետ, միանգամայն բնական կլիներ օգտագործել ջուլը որպես ջերմաստիճանի միավոր: Սակայն դա տեղի չի ունենում, ինչը բացատրվում է նրանով, որ տարրականի ջերմային շարժման էներգիանմասնիկները շատ փոքր են Ջոուլի համեմատ: Հետեւաբար, դրա օգտագործումը անհարմար է: Ջերմային շարժումը չափվում է ջոուլներից ստացված միավորներով՝ հատուկ փոխակերպման գործակցի միջոցով:
Ջերմաստիճանի միավոր
Այսօր այս պարամետրը ցուցադրելու համար օգտագործվում են երեք հիմնական միավոր: Մեզ մոտ սովորաբար ջերմաստիճանը չափվում է Ցելսիուսի աստիճաններով։ Այս չափման միավորը հիմնված է ջրի սառեցման կետի վրա՝ բացարձակ արժեք: Նա մեկնարկային կետն է: Այսինքն՝ ջրի ջերմաստիճանը, որտեղ սկսում է սառույցի առաջանալ, զրոյական է։ Այս դեպքում ջուրը ծառայում է որպես օրինակելի միջոց։ Այս կոնվենցիան ընդունվել է հարմարության համար։ Երկրորդ բացարձակ արժեքը գոլորշու ջերմաստիճանն է, այսինքն՝ այն պահը, երբ ջուրը հեղուկ վիճակից անցնում է գազային վիճակի։
Հաջորդ միավորը Քելվինն է: Այս համակարգի հղման կետը համարվում է բացարձակ զրոյի կետը։ Այսպիսով, Կելվինի մեկ աստիճանը հավասար է Ցելսիուսի մեկ աստիճանի։ Տարբերությունը հետհաշվարկի միայն սկիզբն է։ Մենք ստանում ենք, որ զրոն Կելվինում հավասար կլինի մինուս 273,16 աստիճան Ցելսիուսի։ 1954 թվականին Կշիռների և չափումների գլխավոր կոնֆերանսում որոշվեց ջերմաստիճանի միավորի «աստիճան Կելվին» տերմինը փոխարինել «կելվինով»:
Չափման երրորդ ընդհանուր միավորը Ֆարենհայթն է: Մինչեւ 1960 թվականը դրանք լայնորեն կիրառվում էին բոլոր անգլախոս երկրներում։ Այնուամենայնիվ, այսօր Միացյալ Նահանգների առօրյա կյանքում օգտագործեք այս միավորը: Համակարգը սկզբունքորեն տարբերվում է վերը նկարագրվածներից: Ընդունված որպես ելակետաղի, ամոնիակի և ջրի խառնուրդի սառեցման կետը 1։1։1 հարաբերակցությամբ։ Այսպիսով, Ֆարենհեյթի սանդղակի վրա ջրի սառեցման կետը գումարած 32 աստիճան է, իսկ եռմանը՝ գումարած 212 աստիճան: Այս համակարգում մեկ աստիճանը հավասար է այս ջերմաստիճանների տարբերության 1/180-ին։ Այսպիսով, 0-ից +100 աստիճան Ֆարենհայթի միջակայքը համապատասխանում է -18-ից +38 Ցելսիուսի միջակայքին։
Բացարձակ զրոյական ջերմաստիճան
Եկեք հասկանանք, թե ինչ է նշանակում այս պարամետրը: Բացարձակ զրոն այն սահմանափակող ջերմաստիճանն է, որի դեպքում իդեալական գազի ճնշումը անհետանում է ֆիքսված ծավալով: Սա բնության մեջ ամենացածր արժեքն է: Ինչպես կանխատեսել է Միխայիլո Լոմոնոսովը, «սա ցրտի ամենամեծ կամ վերջին աստիճանն է»։ Դրանից բխում է Ավոգադրոյի քիմիական օրենքը՝ նույն ջերմաստիճանում և ճնշման տակ գտնվող գազերի հավասար ծավալները պարունակում են նույն թվով մոլեկուլներ։ Ի՞նչ է բխում սրանից։ Գազի նվազագույն ջերմաստիճան կա, որի դեպքում նրա ճնշումը կամ ծավալը անհետանում է: Այս բացարձակ արժեքը համապատասխանում է զրո Կելվինին կամ 273 աստիճան Ցելսիուսին։
Մի քանի հետաքրքիր փաստ Արեգակնային համակարգի մասին
Արեգակի մակերեսի ջերմաստիճանը հասնում է 5700 Կելվինի, իսկ միջուկի կենտրոնում՝ 15 միլիոն Կելվինի։ Արեգակնային համակարգի մոլորակները տաքացման մակարդակով շատ են տարբերվում միմյանցից։ Այսպիսով, մեր Երկրի միջուկի ջերմաստիճանը մոտավորապես նույնն է, ինչ Արեգակի մակերեսին: Յուպիտերը համարվում է ամենաշոգ մոլորակը։ Նրա միջուկի կենտրոնում ջերմաստիճանը հինգ անգամ ավելի բարձր է, քան Արեգակի մակերեսին։ Եվ ահա պարամետրի ամենացածր արժեքըարձանագրվել է լուսնի մակերևույթի վրա՝ ընդամենը 30 կելվին: Այս արժեքը նույնիսկ ավելի ցածր է, քան Պլուտոնի մակերեսին։
Երկրի փաստեր
1. Մարդու կողմից գրանցված ամենաբարձր ջերմաստիճանը եղել է 4 միլիարդ աստիճան Ցելսիուս: Այս արժեքը 250 անգամ բարձր է Արեգակի միջուկի ջերմաստիճանից։ Ռեկորդը սահմանվել է Նյու Յորքի Բրուքհավենի բնական լաբորատորիայի կողմից իոնային բախիչում, որի երկարությունը մոտ 4 կիլոմետր է։
2. Մեր մոլորակի ջերմաստիճանը նույնպես միշտ չէ, որ իդեալական է և հարմարավետ։ Օրինակ, Յակուտիայի Վերխնոյանսկ քաղաքում ձմռանը ջերմաստիճանը իջնում է մինչև մինուս 45 աստիճան Ցելսիուս։ Սակայն Եթովպիայի Դալոլ քաղաքում իրավիճակը հակառակ է. Այնտեղ միջին տարեկան ջերմաստիճանը +34 աստիճան է։
3. Ամենածայրահեղ պայմանները, որոնցում մարդիկ աշխատում են, գրանցվել են Հարավային Աֆրիկայի ոսկու հանքերում։ Հանքափորներն աշխատում են երեք կիլոմետր խորության վրա՝ +65 աստիճան Ցելսիուսի ջերմաստիճանում։
