Dari persamaan (2.4)

maka tekanan gas ideal sebanding dengan massa jenisnya (massa jenis gas ditentukan oleh jumlah molekul per satuan volume) dan energi kinetik rata-rata gerak translasi molekul. Pada konstan dan oleh karena itu pada volume V gas yang konstan (di mana adalah jumlah molekul dalam bejana), tekanan gas hanya bergantung pada energi kinetik rata-rata molekul.

Sedangkan dari pengalaman diketahui bahwa pada volume tetap tekanan suatu gas hanya dapat diubah dengan satu cara: dengan memanaskan atau mendinginkannya; Ketika gas dipanaskan, tekanannya meningkat, dan ketika didinginkan, tekanannya berkurang. Gas yang dipanaskan dan didinginkan, seperti benda apa pun, dicirikan oleh suhunya - nilai khusus yang telah lama digunakan dalam sains, teknologi, dan kehidupan sehari-hari. Oleh karena itu, harus ada hubungan antara suhu dan energi kinetik rata-rata molekul.

Sebelum kita memahami hubungan ini, mari kita lihat apa itu suhu sebagai besaran fisika.

Dalam kehidupan sehari-hari, suhu bagi kita merupakan nilai yang membedakan “panas” dengan “dingin”. Dan gagasan pertama tentang suhu muncul dari sensasi panas dan dingin. Kita dapat menggunakan sensasi familiar ini untuk mengetahui ciri utama suhu sebagai besaran fisika.

Mari kita ambil tiga kapal. Tuangkan air panas ke salah satunya, air dingin ke dalam yang lain, dan campuran air panas dan dingin ke dalam yang ketiga. Mari kita masukkan satu tangan, misalnya tangan kanan, ke dalam bejana berisi air panas, dan tangan kiri ke dalam bejana berisi air dingin. Setelah memegang tangan kami selama beberapa waktu di bejana ini, kami akan memindahkannya ke bejana ketiga. Apa yang sensasi kita katakan tentang air di bejana ini? Tangan kanan akan terasa seperti air

dingin, dan yang kiri bilang hangat. Namun “kesenjangan” ini akan hilang jika Anda memegang kedua tangan di bejana ketiga lebih lama. Setelah beberapa waktu, kedua tangan akan mulai merasakan sensasi yang persis sama, sesuai dengan suhu air di bejana ketiga.

Intinya tangan yang pertama kali dimasukkan ke dalam bejana berisi air panas dan dingin memiliki suhu yang berbeda, berbeda satu sama lain dan dengan suhu di wadah ketiga. Dan diperlukan beberapa waktu agar suhu masing-masing tangan menjadi sama dengan suhu air yang dibenamkannya. Maka suhu tangan akan menjadi sama. Sensasinya akan sama. Seperti yang mereka katakan, keseimbangan termal perlu dibangun dalam sistem benda "tangan kanan - tangan kiri - air".

Eksperimen sederhana ini menunjukkan bahwa suhu adalah besaran yang mencirikan keadaan kesetimbangan termal: benda-benda yang berada dalam keadaan kesetimbangan termal mempunyai suhu yang sama. Sebaliknya, benda-benda dengan suhu yang sama berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Dan jika dua benda berada dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka kedua benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Pernyataan penting ini adalah salah satu hukum dasar alam. Dan kemungkinan mengukur suhu didasarkan pada hal itu. Dalam percobaan yang dijelaskan, misalnya, kita berbicara tentang kesetimbangan termal kedua tangan, setelah masing-masing tangan berada dalam kesetimbangan termal dengan air.

Jika suatu benda atau sistem benda tidak berada dalam keadaan kesetimbangan termal dan jika sistem tersebut terisolasi (tidak berinteraksi dengan benda lain), maka setelah beberapa waktu keadaan kesetimbangan termal akan terbentuk dengan sendirinya. Keadaan kesetimbangan termal adalah keadaan yang dilalui oleh setiap sistem terisolasi. Setelah keadaan tersebut tercapai, keadaan tersebut tidak lagi berubah dan tidak ada perubahan makroskopis yang terjadi dalam sistem. Salah satu tanda keadaan kesetimbangan termal adalah persamaan suhu seluruh bagian benda atau seluruh benda dalam sistem. Diketahui bahwa dalam proses pembentukan kesetimbangan termal, yaitu ketika suhu dua benda disamakan, panas berpindah dari satu benda ke benda lainnya. Oleh karena itu, dari sudut pandang eksperimen, suhu suatu benda adalah besaran yang menentukan apakah benda tersebut akan memindahkan panas ke benda lain yang suhunya berbeda atau menerima panas darinya.

Suhu menempati tempat khusus di antara besaran fisis. Hal ini tidak mengherankan jika kita menganggap bahwa pada era munculnya besaran ini dalam ilmu pengetahuan, belum diketahui secara pasti proses internal apa dalam materi yang menimbulkan sensasi panas dan dingin.

Keunikan suhu sebagai besaran fisika terutama terletak pada kenyataan bahwa, tidak seperti besaran lainnya,

bukan aditif. Artinya jika Anda secara mental membagi suatu benda menjadi beberapa bagian, maka suhu seluruh tubuh tidak sama dengan jumlah suhu bagian-bagiannya. Dengan cara ini, suhu berbeda dari, misalnya, besaran seperti panjang, volume, massa, yang nilainya untuk seluruh benda terdiri dari nilai besaran yang sesuai untuk bagian-bagiannya.

Akibatnya, suhu tubuh tidak dapat diukur secara langsung, karena panjang atau massa diukur, yaitu dengan membandingkannya dengan standar. Jika suatu batang dapat dikatakan panjangnya berkali-kali lipat panjang batang yang lain, maka pertanyaan tentang berapa kali suatu suhu terkandung dalam suhu lain tidak masuk akal.

Untuk mengukur suhu, telah lama digunakan bahwa ketika suhu suatu benda berubah, sifat-sifatnya juga berubah. Akibatnya, besaran yang mencirikan sifat-sifat ini berubah. Oleh karena itu, untuk membuat alat yang mengukur suhu, yaitu termometer, dipilih suatu zat (zat termometrik) dan besaran tertentu yang mencirikan sifat-sifat zat (besaran termometri). Pilihan keduanya sepenuhnya sewenang-wenang. Pada termometer rumah tangga misalnya, zat termometrinya adalah air raksa, dan besaran termometrinya adalah panjang kolom air raksa.

Agar nilai suhu dapat dikaitkan dengan nilai numerik tertentu, perlu juga ditentukan satu atau lain ketergantungan nilai termometri pada suhu. Pilihan ketergantungan ini juga sewenang-wenang: lagipula, meskipun tidak ada termometer, tidak mungkin untuk menetapkan ketergantungan ini secara eksperimental! Dalam kasus termometer air raksa, misalnya, ketergantungan linier panjang kolom air raksa (volume air raksa) pada suhu dipilih.

Tetap menetapkan satuan suhu - derajat (walaupun pada prinsipnya dapat dinyatakan dalam satuan yang sama di mana nilai termometrik diukur, misalnya, menggunakan termometer air raksa - dalam sentimeter!). Nilai derajat juga dipilih secara sewenang-wenang (seperti halnya zat termometri, nilai termometri, dan jenis fungsi yang menghubungkan nilai termometri dengan suhu). Ukuran derajat diatur sebagai berikut. Mereka memilih, sekali lagi secara sewenang-wenang, dua suhu (disebut titik referensi) - biasanya ini adalah suhu pencairan es dan air mendidih pada tekanan atmosfer - dan membagi interval suhu ini menjadi sejumlah bagian yang sama (juga sewenang-wenang) - derajat, dan salah satu dari dua suhu ini diberi nilai numerik tertentu. Ini menentukan nilai suhu kedua dan suhu perantara. Dengan cara ini diperoleh skala suhu. Jelas bahwa dengan menggunakan prosedur yang dijelaskan, dimungkinkan untuk memperoleh termometer dan skala suhu berbeda yang tak terhitung jumlahnya,

Termometri modern didasarkan pada skala gas ideal, yang ditentukan menggunakan termometer gas. Pada dasarnya termometer gas adalah sebuah bejana tertutup berisi gas ideal dan dilengkapi dengan alat pengukur tekanan untuk mengukur tekanan gas tersebut. Artinya zat termometri pada termometer tersebut adalah gas ideal, dan besaran termometri adalah tekanan gas pada volume tetap. Ketergantungan tekanan pada suhu diasumsikan (diterima secara tepat!) bersifat linier. Asumsi ini mengarah pada fakta bahwa rasio tekanan pada suhu air mendidih dan es yang mencair sama dengan rasio suhu itu sendiri:

Sikapnya mudah ditentukan dari pengalaman. Berbagai pengukuran telah menunjukkan hal itu

Oleh karena itu, ini adalah nilai rasio suhu:

Besaran derajat dipilih dengan membagi selisihnya menjadi seratus bagian:

Dari dua persamaan terakhir maka suhu leleh es pada skala yang kita pilih adalah 273,15 derajat, dan titik didih air Tk adalah 373,15 derajat. Untuk mengukur suhu suatu benda dengan menggunakan termometer gas, tubuh perlu dikontakkan dengan termometer gas tersebut dan setelah menunggu kesetimbangan, ukur tekanan gas dalam termometer tersebut. Kemudian suhu tubuh ditentukan dengan rumus

dimana tekanan gas dalam termometer yang ditempatkan pada es yang mencair.

Dalam praktiknya, termometer gas sangat jarang digunakan. Ini dipercayakan dengan peran yang lebih bertanggung jawab - semua termometer bekas dikalibrasi sesuai dengan itu.

Temperatur yang sama dengan nol pada skala kita jelas merupakan temperatur dimana tekanan gas ideal akan menjadi nol. (Ini tidak berarti bahwa gas ideal dapat didinginkan sedemikian rupa sehingga tekanannya menjadi nol.) Jika pada skala suhu nol besaran termometri menjadi nol, maka skala tersebut disebut skala absolut, dan suhu diukur pada skala seperti itu disebut suhu absolut. Skala termometer gas yang dijelaskan di sini adalah mutlak. Sering juga disebut skala Kelvin,

dan satuan suhu dalam skala ini adalah derajat Kelvin atau sederhananya kelvin (simbol: K).

Dalam teknologi dan kehidupan sehari-hari, skala suhu sering digunakan, yang berbeda dengan skala suhu yang dijelaskan di mana suhu pencairan es diberi nilai nol (pada ukuran derajat yang sama). Skala ini disebut skala Celsius. Suhu yang diukur pada skala ini berhubungan dengan suhu absolut melalui hubungan yang jelas:

Berikut ini kita akan menggunakan skala Kelvin.

Dari apa yang telah dikatakan di sini, maka suhu mencirikan kesetimbangan termal benda: ketika beralih ke keadaan setimbang, suhu benda menjadi rata, dan dalam keadaan setimbang, suhu seluruh bagian benda atau sistem benda adalah sama. Prosedur untuk mengukur suhu itu sendiri berhubungan dengan ini. Memang, untuk mengukur nilai besaran termometrik pada suhu es yang mencair dan air mendidih, termometer harus berada dalam keadaan setimbang dengan es yang mencair dan air mendidih, dan untuk mengukur suhu suatu benda, perlu untuk memastikan kemungkinan terciptanya keseimbangan termal antara termometer dan benda . Dan hanya ketika keseimbangan tersebut tercapai kita dapat menganggap bahwa suhu tubuh sama dengan suhu yang diukur dengan termometer.

Jadi, suhu inilah yang menyamakan kedudukan dalam proses terciptanya kesetimbangan dalam sistem. Namun konsep penyelarasan berarti sesuatu dipindahkan dari satu bagian sistem ke bagian lain. Persamaan (2.4) yang kita peroleh untuk tekanan gas ideal akan memungkinkan kita memahami apa itu “sesuatu” itu.

Mari kita bayangkan sebuah silinder terisolasi dengan gas ideal yang kesetimbangan termalnya telah tercapai, sehingga suhu di semua bagian volume gas adalah sama. Mari kita asumsikan bahwa, tanpa mengganggu kesetimbangan, sebuah piston yang dapat bergerak ditempatkan di dalam silinder, membagi volume gas menjadi dua bagian (Gbr. 3, a). Pada kondisi setimbang, piston akan diam. Artinya pada kesetimbangan, tidak hanya temperatur, tetapi juga tekanan pada kedua sisi piston adalah sama. Menurut persamaan (2.4), besarannya juga sama

Sekarang mari kita pecahkan sementara insulasi tabung gas kita dan panaskan salah satu bagiannya, misalnya yang ada di sisi kiri piston, setelah itu kita akan mengembalikan insulasi tersebut kembali. Sekarang gas di dalam silinder tidak berada dalam kesetimbangan - suhu di kompartemen kiri lebih tinggi daripada di kanan (Gbr. 3, b). Tapi gasnya terisolasi, dan transisi ke keadaan setimbang akan dimulai dengan sendirinya. Pada saat yang sama, kita akan melihat piston mulai bergerak dari kiri ke kanan. Ini berarti bahwa usaha telah dilakukan dan, oleh karena itu, energi dipindahkan dari gas di ruang kiri ke gas di ruang kanan melalui piston. Artinya yang berpindah dalam proses pembentukan kesetimbangan termal adalah energi. Setelah beberapa waktu, pergerakan piston akan berhenti. Namun piston akan berhenti setelah serangkaian getaran. Dan itu akan berhenti di tempat yang sama sebelum kompartemen silinder kiri dipanaskan. Keadaan keseimbangan kembali terbentuk di dalam tabung gas. Namun kini suhu dan tekanan gas tentu saja lebih tinggi dibandingkan sebelum dipanaskan.

Karena piston berhenti di tempat yang sama, konsentrasi molekul (yaitu jumlah molekul per satuan volume) tetap sama. Artinya akibat pemanasan gas, hanya energi kinetik rata-rata molekulnya yang berubah. Oleh karena itu, pemerataan suhu berarti pemerataan energi kinetik rata-rata molekul di kedua sisi piston. Selama transisi menuju kesetimbangan, energi berpindah dari satu bagian gas ke bagian lain, tetapi yang disamakan bukanlah energi seluruh gas secara keseluruhan, melainkan energi kinetik rata-rata per molekul. Ini adalah energi kinetik rata-rata suatu molekul yang berperilaku sebagai suhu.

Kedua besaran ini juga serupa karena energi kinetik rata-rata, seperti halnya suhu, bukanlah besaran tambahan; melainkan sama untuk seluruh gas dan untuk setiap bagiannya (mengandung sejumlah besar molekul). Energi seluruh gas, tentu saja, merupakan besaran tambahan - terdiri dari energi bagian-bagiannya.

Kita tidak boleh berpikir bahwa alasan kita hanya berlaku pada kasus ketika gas di dalam silinder dibagi menjadi dua bagian oleh piston. Dan tanpa piston, molekul akan bertukar energi selama tumbukan satu sama lain dan energi tersebut akan berpindah dari bagian yang lebih panas ke bagian yang kurang panas, sehingga energi kinetik rata-rata molekul akan menjadi seimbang. Piston hanya membuat perpindahan energi tampak terlihat, karena pergerakannya berhubungan dengan kinerja kerja.

Alasan sederhana di atas, meskipun tidak terlalu teliti, menunjukkan bahwa besaran yang dikenal sebagai suhu sebenarnya mewakili energi kinetik rata-rata dari gerak translasi molekul. Fakta bahwa kita memperoleh hasil ini untuk kasus gas ideal tidak berubah

Ketika diterapkan pada gas ideal, akan lebih mudah untuk mengasumsikan bahwa suhu sama dengan dua pertiga energi kinetik rata-rata molekul, karena ini akan menyederhanakan bentuk rumus (2.4) untuk tekanan gas. Setelah menetapkan suhu yang ditentukan dengan cara ini dengan sebuah huruf, kita dapat menulis:

Maka persamaan (2.4) akan mengambil bentuk sederhana:

Dengan definisi suhu ini, tentunya harus diukur dalam satuan energi (dalam sistem SI - dalam joule, dalam sistem satuan CGS - dalam erg). Namun, dalam praktiknya, menggunakan satuan suhu seperti itu tidak nyaman. Bahkan satuan energi sekecil itu pun terlalu besar untuk dijadikan satuan suhu. Saat menggunakannya, suhu yang biasa ditemui akan dinyatakan dalam angka yang sangat kecil. Misalnya, suhu leleh es adalah . Selain itu, mengukur suhu yang dinyatakan dalam erg akan sangat sulit.

Oleh karena itu, dan juga karena nilai suhu telah digunakan jauh sebelum konsep kinetika molekuler dikembangkan, yang menjelaskan arti sebenarnya dari suhu, nilai tersebut masih diukur dalam satuan lama - derajat, meskipun satuan ini lazim.

Namun jika Anda mengukur suhu dalam derajat, maka Anda perlu memasukkan koefisien yang sesuai yang mengubah satuan energi dan derajat. Biasanya dilambangkan dengan huruf. Maka hubungan antara suhu, diukur dalam derajat, dan energi kinetik rata-rata dinyatakan dengan persamaan:

Mari kita ingat kembali bahwa rumus (3.1) mengacu pada molekul, yang kita sepakati untuk dianggap mirip dengan suatu titik. Energi kinetiknya adalah energi kinetik gerak translasi yang kecepatannya dapat diuraikan menjadi tiga komponen. Karena sifat pergerakan molekul yang kacau, dapat diasumsikan bahwa energi

molekul didistribusikan secara merata pada ketiga komponen kecepatan, sehingga masing-masing komponen menyumbang energi

Faktor yang menyatakan hubungan antara satuan energi dan satuan suhu - kelvin - disebut konstanta Boltzmann. Jelas bahwa nilai numeriknya harus ditentukan secara eksperimental. Karena pentingnya konstanta ini, maka konstanta ini telah ditentukan dengan banyak metode. Kami menyajikan nilai paling akurat dari konstanta ini hingga saat ini. Dalam satuan SI

Dalam sistem satuan GHS

Dari rumus (3.1) dapat disimpulkan bahwa suhu nol adalah suhu di mana energi kinetik rata-rata pergerakan acak molekul adalah nol, yaitu suhu di mana pergerakan kacau molekul berhenti. Ini adalah nol mutlak, awal dari suhu absolut, yang disebutkan di atas.

Hal ini juga mengikuti rumus (3.1) bahwa tidak boleh ada suhu negatif, karena energi kinetik pada dasarnya adalah besaran positif. Namun, di bawah, di Bab. VI, akan ditunjukkan bahwa untuk sistem tertentu dimungkinkan untuk secara formal memperkenalkan konsep suhu negatif. Namun, tidak dapat dikatakan bahwa suhu tersebut berada di bawah nol mutlak dan berhubungan dengan keadaan setimbang sistem.

Karena suhu ditentukan oleh energi rata-rata gerak molekul, seperti tekanan, suhu merupakan besaran statistik. Anda tidak dapat berbicara tentang “suhu” dari satu atau beberapa molekul, atau tentang molekul “panas” atau “dingin”. Misalnya, tidak masuk akal untuk membicarakan suhu gas di luar angkasa, di mana jumlah molekul per satuan volume sangat kecil sehingga tidak membentuk gas seperti biasanya, dan hal ini tidak mungkin. untuk berbicara tentang energi rata-rata gerak molekul.

Energi yang terkait dengan pergerakan kacau partikel gas sangatlah kecil. Dari rumus (3.1) dan dari nilai konstanta Boltzmann yang diberikan, jelas bahwa suhu 1 K sama dengan energi yang sama dengan Pada suhu terendah yang dicapai hingga saat ini (sekitar 10 6 K), energi rata-rata molekul adalah sekitar 109 joule. Bahkan suhu tertinggi yang diperoleh secara artifisial - sekitar 100 juta derajat, yang berkembang selama ledakan bom nuklir - setara dengan energi partikel yang dapat diabaikan.

Karena suhu memainkan peran yang sangat penting dalam fisika dan teknologi, maka bersama dengan panjang, massa dan waktu, suhu termasuk dalam besaran dasar satuan sistem SI, dan satuan suhu, kelvin, adalah salah satu besaran dasar. satuan dasar sistem ini (dimensi suhu dilambangkan dengan huruf ).

Dalam SI, satuan suhu (kelvin) ditetapkan bukan berdasarkan interval suhu "suhu lelehan es - suhu air mendidih", tetapi berdasarkan interval "nol mutlak - suhu titik tripel air ”. Titik tripel air adalah suhu di mana air, uap air, dan es berada dalam kesetimbangan (lihat § 130). Suhu titik tripel air diberi nilai 273,16 K (tepat).

Jadi, 1 kelvin sama dengan bagian interval suhu dari suhu nol mutlak hingga suhu titik tripel air.

Karena suhu titik tripel air adalah 0,01 °C, maka derajat Celcius dan Kelvin adalah sama dan suhu apa pun dapat dinyatakan dalam derajat Celcius atau kelvin.

Konverter panjang dan jarak Konverter massa Konverter ukuran volume produk curah dan produk makanan Konverter luas Konverter volume dan satuan pengukuran dalam resep kuliner Konverter suhu Konverter tekanan, tegangan mekanik, modulus Young Konverter energi dan kerja Konverter daya Konverter gaya Konverter waktu Konverter kecepatan linier Sudut datar Konverter efisiensi termal dan efisiensi bahan bakar Konverter angka dalam berbagai sistem bilangan Konverter satuan pengukuran kuantitas informasi Nilai tukar mata uang Ukuran pakaian dan sepatu wanita Ukuran pakaian dan sepatu pria Konverter kecepatan sudut dan kecepatan rotasi Konverter akselerasi Konverter percepatan sudut Konverter massa jenis Konverter volume spesifik Konverter momen inersia Konverter momen gaya Konverter torsi Konverter panas spesifik pembakaran (berdasarkan massa) Kepadatan energi dan panas spesifik pembakaran konverter (berdasarkan volume) Konverter perbedaan suhu Koefisien konverter ekspansi termal Konverter tahanan termal Konverter Konduktivitas Termal Konverter Kapasitas Panas Spesifik Paparan Energi dan Radiasi Termal Konverter Daya Konverter Kerapatan Fluks Panas Konverter Koefisien Perpindahan Panas Konverter Laju Aliran Volume Konverter Laju Aliran Massa Konverter Laju Aliran Molar Konverter Kepadatan Aliran Massa Konverter Konsentrasi Molar Konverter Konsentrasi Massa Dalam Larutan Dinamis (mutlak) konverter viskositas Konverter viskositas kinematik Konverter tegangan permukaan Konverter permeabilitas uap Konverter permeabilitas uap dan laju transfer uap Konverter tingkat suara Konverter sensitivitas mikrofon Konverter Tingkat Tekanan Suara (SPL) Konverter Tingkat Tekanan Suara dengan Tekanan Referensi yang Dapat Dipilih Konverter Luminance Konverter Intensitas Cahaya Konverter Penerangan Konverter Resolusi Grafis Komputer Konverter Frekuensi dan Panjang Gelombang Daya Diopter dan Panjang Fokus Daya Diopter dan Pembesaran Lensa (×) Konverter muatan listrik Konverter massa jenis muatan linier Konverter massa jenis muatan permukaan Konverter massa jenis muatan volume Konverter arus listrik Konverter massa jenis arus linier Konverter massa jenis arus permukaan Konverter kuat medan listrik Potensi elektrostatik dan konverter tegangan Konverter hambatan listrik Konverter resistivitas listrik Konverter konduktivitas listrik Konverter konduktivitas listrik Kapasitansi listrik Konverter induktansi Konverter pengukur kawat Amerika Tingkat dalam dBm (dBm atau dBm), dBV (dBV), watt, dll. satuan Konverter gaya gerak magnet Konverter kekuatan medan magnet Konverter fluks magnet Konverter induksi magnetik Radiasi. Pengonversi laju dosis radiasi pengion yang diserap Radioaktivitas. Konverter peluruhan radioaktif Radiasi. Konverter dosis paparan Radiasi. Konverter dosis serapan Konverter awalan desimal Transfer data Konverter tipografi dan unit pemrosesan gambar Konverter satuan volume kayu Perhitungan massa molar Tabel periodik unsur kimia D. I. Mendeleev

Nilai awal

Nilai yang dikonversi

kelvin derajat Celsius derajat Fahrenheit derajat Rankine derajat Suhu Reaumur Planck

Lebih lanjut tentang suhu

Informasi umum

Apakah Anda kesulitan menerjemahkan satuan ukuran dari satu bahasa ke bahasa lain? Rekan-rekan siap membantu Anda. Kirimkan pertanyaan di TCTerms dan dalam beberapa menit Anda akan menerima jawabannya.

Paradoksnya adalah untuk mengukur suhu dalam kehidupan sehari-hari, industri, dan bahkan dalam ilmu terapan, Anda tidak perlu mengetahui apa itu “suhu”. Gagasan yang agak kabur bahwa “suhu adalah derajat pemanas tubuh." Memang benar, sebagian besar instrumen praktis untuk mengukur suhu sebenarnya mengukur sifat-sifat lain dari zat yang bervariasi berdasarkan derajat pemanasan, seperti tekanan, volume, hambatan listrik, dan lain-lain. Kemudian pembacaannya secara otomatis atau manual diubah menjadi satuan suhu.

Orang-orang dan pelajar yang penasaran ingin atau terpaksa mencari tahu berapa suhu biasanya termasuk dalam unsur termodinamika dengan hukum nol, pertama dan kedua, siklus Carnot dan entropi. Harus diakui bahwa definisi suhu sebagai parameter mesin kalor reversibel ideal, tidak tergantung pada zat kerjanya, biasanya tidak menambah kejelasan pengertian kita tentang konsep “suhu”.

Yang lebih “nyata” tampaknya adalah pendekatan yang disebut teori kinetik molekuler, yang darinya terbentuk gagasan bahwa panas dapat dianggap secara sederhana sebagai salah satu bentuk energi, yaitu energi kinetik atom dan molekul. Nilai ini, yang dirata-ratakan pada sejumlah besar partikel yang bergerak secara acak, ternyata merupakan ukuran dari apa yang disebut suhu tubuh. Partikel benda yang dipanaskan bergerak lebih cepat dibandingkan partikel benda dingin.

Karena konsep suhu berkaitan erat dengan energi kinetik rata-rata partikel, maka wajar jika menggunakan joule sebagai satuan pengukurannya. Namun, energi gerak termal partikel sangat kecil dibandingkan dengan joule, sehingga penggunaan besaran ini merepotkan. Gerakan termal diukur dalam satuan lain, yang diturunkan dari joule menggunakan faktor konversi "k".

Jika suhu T diukur dalam kelvin (K), maka hubungannya dengan energi kinetik rata-rata gerak translasi atom-atom gas ideal berbentuk

ek = (3/2) kT, (1)

Di mana k- faktor konversi yang menentukan berapa banyak joule yang terkandung dalam satu kelvin. Besarnya k disebut konstanta Boltzmann.

Mengingat tekanan juga dapat dinyatakan dalam energi rata-rata gerak molekul

p=(2/3)n Ek (2)

Di mana n = T/V, V- volume yang ditempati oleh gas, N- jumlah total molekul dalam volume ini

Persamaan keadaan gas ideal adalah:

p = n kT

Jika jumlah total molekul direpresentasikan sebagai N = μN A, Di mana µ - jumlah mol gas, tidak ada- Bilangan Avagadro, yaitu jumlah partikel per mol, Anda dapat dengan mudah mendapatkan persamaan Clapeyron-Mendeleev yang terkenal:

hal = µ RT, dimana R - konstanta gas molar R= N A .k

atau untuk satu mol hal = TIDAK. kT(3)

Jadi, suhu adalah parameter yang dimasukkan secara artifisial ke dalam persamaan keadaan. Dengan menggunakan persamaan keadaan, suhu termodinamika T dapat ditentukan jika semua parameter dan konstanta lainnya diketahui. Dari definisi suhu ini jelas bahwa nilai T akan bergantung pada konstanta Boltzmann. Bisakah kita memilih nilai sembarang untuk koefisien proporsionalitas ini dan kemudian mengandalkannya? TIDAK. Bagaimanapun, kita dapat memperoleh nilai sembarang untuk titik tripel air, sedangkan kita harus memperoleh nilai 273,16 K! Timbul pertanyaan - mengapa tepatnya 273,16 K?

Alasannya murni bersifat historis, bukan fisik. Faktanya adalah bahwa dalam skala suhu pertama, nilai pasti diambil untuk dua keadaan air sekaligus - titik pemadatan (0 °C) dan titik didih (100 °C). Ini adalah nilai sewenang-wenang yang dipilih untuk kenyamanan. Mengingat satu derajat Celcius sama dengan satu derajat Kelvin dan mengukur suhu termodinamika dengan termometer gas yang dikalibrasi pada titik-titik ini, kami memperoleh nilai nol mutlak (0 °K) dengan ekstrapolasi - 273,15 °C. Tentu saja nilai ini hanya dapat dianggap akurat jika pengukuran dengan termometer gas benar-benar akurat. Ini salah. Oleh karena itu, dengan menetapkan nilai 273,16 K untuk titik tripel air, dan mengukur titik didih air dengan termometer gas yang lebih maju, Anda dapat memperoleh nilai titik didih yang sedikit berbeda dari 100 ° C. Misalnya, sekarang nilai paling realistis adalah 99,975 °C. Dan ini hanya karena penelitian awal dengan termometer gas memberikan nilai nol mutlak yang salah. Jadi, kita dapat menetapkan nol mutlak atau interval 100 °C antara titik beku dan titik didih air. Jika kita menetapkan intervalnya dan mengulangi pengukuran untuk mengekstrapolasi ke nol mutlak, kita mendapatkan -273,22 °C.

Pada tahun 1954, CIPM mengadopsi resolusi tentang transisi ke definisi baru Kelvin, yang tidak ada hubungannya dengan interval 0 -100 °C. Ini sebenarnya menetapkan nilai 273,16 K (0,01 °C) pada titik tripel air dan “membiarkan titik didih air mengapung bebas” pada suhu sekitar 100 °C. Alih-alih "derajat Kelvin" untuk satuan suhu, hanya "kelvin" yang diperkenalkan.

Dari rumus (3) dapat disimpulkan bahwa dengan menetapkan nilai tetap sebesar 273,16 K ke T dalam keadaan sistem yang stabil dan dapat direproduksi dengan baik seperti titik tripel air, nilai konstanta k dapat ditentukan secara eksperimental. Sampai saat ini, nilai eksperimental paling akurat dari konstanta Boltzmann k diperoleh dengan metode gas yang sangat dijernihkan.

Ada metode lain untuk memperoleh konstanta Boltzmann, berdasarkan penggunaan hukum yang menyertakan parameter kT.

Ini adalah hukum Stefan-Boltzmann, yang menyatakan bahwa energi total radiasi termal E(T) adalah fungsi pangkat keempat dari CT.
Persamaan yang menghubungkan kuadrat cepat rambat bunyi dalam gas ideal dengan 0 2 ketergantungan linier dengan CT.
Persamaan kuadrat rata-rata tegangan derau pada hambatan listrik V 2, juga bergantung linier pada CT.

Instalasi untuk menerapkan metode penentuan di atas CT disebut instrumen termometri absolut atau termometri primer.

Oleh karena itu, terdapat banyak konvensi dalam menentukan nilai suhu dalam kelvin, bukan dalam joule. Yang utama adalah koefisien proporsionalitas itu sendiri k antara satuan suhu dan energi tidak konstan. Hal ini bergantung pada keakuratan pengukuran termodinamika yang dapat dicapai saat ini. Pendekatan ini sangat tidak sesuai untuk termometer primer, terutama yang beroperasi pada kisaran suhu yang jauh dari titik tripel. Pembacaannya akan bergantung pada perubahan nilai konstanta Boltzmann.

Setiap perubahan skala suhu internasional praktis merupakan hasil penelitian ilmiah oleh pusat metrologi di seluruh dunia. Pengenalan skala suhu edisi baru mempengaruhi kalibrasi semua alat ukur suhu.

Cerita

Kata "suhu" muncul pada masa ketika orang percaya bahwa benda yang lebih panas mengandung lebih banyak zat khusus - kalori - daripada benda yang lebih sedikit panasnya. Oleh karena itu, suhu dianggap sebagai kekuatan campuran materi tubuh dan kalori. Oleh karena itu, satuan pengukuran kekuatan minuman beralkohol dan suhu disebut sama - derajat.

Karena suhu adalah energi kinetik molekul, jelas bahwa cara paling alami untuk mengukurnya dalam satuan energi (yaitu dalam sistem SI dalam joule). Namun, pengukuran suhu dimulai jauh sebelum terciptanya teori kinetik molekuler, sehingga skala praktis mengukur suhu dalam satuan konvensional - derajat.

Skala Kelvin

Termodinamika menggunakan skala Kelvin, yang mana suhu diukur dari nol mutlak (keadaan yang sesuai dengan energi internal minimum yang mungkin secara teoritis suatu benda), dan satu kelvin sama dengan 1/273,16 jarak dari nol mutlak ke titik tripel dari air (keadaan di mana pasangan es, air, dan air berada dalam kesetimbangan). Konstanta Boltzmann digunakan untuk mengubah kelvin menjadi satuan energi. Satuan turunan juga digunakan: kilokelvin, megakelvin, miliklvin, dll.

Celsius

Dalam kehidupan sehari-hari digunakan skala Celcius yang mana 0 adalah titik beku air dan 100° adalah titik didih air pada tekanan atmosfer. Karena titik beku dan titik didih air tidak dapat ditentukan dengan jelas, skala Celcius saat ini ditentukan menggunakan skala Kelvin: satu derajat Celcius sama dengan satu kelvin, nol mutlak dianggap −273,15 °C. Skala Celcius praktis sangat berguna karena air sangat umum di planet kita dan kehidupan kita didasarkan pada air. Nol Celcius adalah titik khusus untuk meteorologi, karena pembekuan air di atmosfer mengubah segalanya secara signifikan.

Fahrenheit

Di Inggris dan khususnya di Amerika, skala Fahrenheit digunakan. Skala ini membagi interval suhu musim dingin terdingin di kota tempat tinggal Fahrenheit hingga suhu tubuh manusia menjadi 100 derajat. Nol derajat Celsius sama dengan 32 derajat Fahrenheit, dan satu derajat Fahrenheit sama dengan 5/9 derajat Celsius.

Definisi skala Fahrenheit saat ini adalah sebagai berikut: skala suhu yang 1 derajat (1 °F) sama dengan 1/180 perbedaan antara titik didih air dan suhu leleh es pada tekanan atmosfer, dan titik leleh es adalah +32 °F. Suhu Fahrenheit berhubungan dengan suhu Celcius (t °C) dengan perbandingan t °C = 5/9 (t °F - 32), yaitu perubahan suhu 1 °F sama dengan perubahan 5/9 ° C. Diusulkan oleh G. Fahrenheit pada tahun 1724.

Skala Reaumur

Diusulkan pada tahun 1730 oleh R. A. Reaumur, yang mendeskripsikan termometer alkohol yang ia temukan.

Satuannya adalah derajat Reaumur (°R), 1 °R sama dengan 1/80 interval suhu antara titik acuan - suhu leleh es (0 °R) dan titik didih air (80 °R)

1 °R = 1,25 °C.

Saat ini, skala tersebut sudah tidak digunakan lagi; skala ini bertahan paling lama di Prancis, tanah air penulis.

Perbandingan skala suhu

¹ Suhu tubuh manusia normal adalah 36,6 °C ±0,7 °C, atau 98,2 °F ±1,3 °F. Nilai 98,6 °F yang umum dikutip adalah konversi yang tepat ke Fahrenheit dari nilai Jerman abad ke-19 sebesar 37 °C. Karena nilai ini tidak berada dalam kisaran suhu normal menurut konsep modern, kita dapat mengatakan bahwa nilai ini mengandung akurasi yang berlebihan (salah). Beberapa nilai dalam tabel ini telah dibulatkan.

Perbandingan skala Fahrenheit dan Celcius

(dari- skala Fahrenheit, oC- Skala Celcius)

Untuk mengubah derajat Celsius ke Kelvin, Anda harus menggunakan rumus T=t+T 0 dimana T adalah suhu dalam kelvin, t adalah suhu dalam derajat Celcius, T 0 =273,15 kelvin. Besaran satu derajat Celcius sama dengan Kelvin.