čo je teplota? čo je teplota? Jednotky teploty sú stupne. Teplota pary a plynu Teplota je fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje stav

Plán:

Úvod

• 1 Termodynamická definícia
  • 1.1 História termodynamického prístupu
• 2 Stanovenie teploty v štatistickej fyzike
• 3 Meranie teploty
• 4 Jednotky teploty a stupnica
  • 4.1 Kelvinova teplotná stupnica
  • Stupnica 4,2 Celzia
  • 4.3 Fahrenheita
• 5 Energia tepelného pohybu pri absolútnej nule
  • 5.1 Teplota a žiarenie
  • 5.2 Reaumurova stupnica
• 6 Prechody z rôznych mierok
• 7 Porovnanie teplotných stupníc
• 8 Charakteristika fázových prechodov
• 9 Zaujímavosti
Poznámky
Literatúra

Úvod

Teplota(z lat. teplota- správne premiešanie, normálny stav) je skalárna fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje priemernú kinetickú energiu častíc makroskopického systému v stave termodynamickej rovnováhy na jeden stupeň voľnosti.

Meradlom teploty nie je samotný pohyb, ale chaotický charakter tohto pohybu. Náhodnosť stavu telesa určuje jeho teplotný stav a táto myšlienka (ktorá bola prvýkrát vyvinutá Boltzmannom), že určitý teplotný stav telesa nie je vôbec určený energiou pohybu, ale náhodnosťou tohto pohybu. , je nový koncept v popise teplotných javov, ktorý musíme použiť...

(P. L. Kapitsa)

V medzinárodnom systéme jednotiek (SI) je termodynamická teplota jednou zo siedmich základných jednotiek a vyjadruje sa v kelvinoch. Medzi odvodené veličiny SI, ktoré majú špeciálny názov, patrí Celziova teplota, meraná v stupňoch Celzia. V praxi sa často používajú stupne Celzia kvôli ich historickej súvislosti s dôležitými charakteristikami vody - bod topenia ľadu (0 °C) a bod varu (100 °C). To je výhodné, pretože väčšina klimatických procesov, procesov vo voľnej prírode atď. je spojená s týmto rozsahom. Zmena teploty o jeden stupeň Celzia sa rovná zmene teploty o jeden Kelvin. Preto po zavedení novej definície Kelvina v roku 1967 bod varu vody prestal hrať úlohu stáleho referenčného bodu a ako ukazujú presné merania, už sa nerovná 100 °C, ale blíži sa k 99,975. °C.

Existujú aj stupnice Fahrenheit a niektoré ďalšie.

1. Termodynamická definícia

Existencia rovnovážneho stavu sa nazýva prvá počiatočná poloha termodynamiky. Druhou východiskovou polohou termodynamiky je tvrdenie, že rovnovážny stav je charakterizovaný určitou veličinou, ktorá sa pri tepelnom kontakte dvoch rovnovážnych sústav pre ne stáva v dôsledku výmeny energie rovnakou. Táto veličina sa nazýva teplota.

1.1. História termodynamického prístupu

Slovo „teplota“ vzniklo v tých časoch, keď ľudia verili, že viac zahrievané telá obsahujú väčšie množstvo špeciálnej látky – kalorickej – ako menej zahrievané. Preto bola teplota vnímaná ako sila zmesi telesnej hmoty a kalórií. Z tohto dôvodu sa jednotky merania sily alkoholických nápojov a teploty nazývajú rovnaké - stupne.

V rovnovážnom stave má teplota rovnakú hodnotu pre všetky makroskopické časti systému. Ak majú dve telesá v systéme rovnakú teplotu, tak medzi nimi nedochádza k prenosu kinetickej energie častíc (tepla). Ak je teplotný rozdiel, tak sa teplo presúva z telesa s vyššou teplotou do telesa s nižšou, pretože celková entropia sa zvyšuje.

Teplota je tiež spojená so subjektívnymi pocitmi „tepla“ a „chladu“, ktoré súvisia s tým, či živé tkanivo teplo vydáva alebo prijíma.

Niektoré kvantovo-mechanické systémy môžu byť v stave, v ktorom sa entropia nezväčšuje, ale s pridaním energie klesá, čo formálne zodpovedá negatívnej absolútnej teplote. Takéto stavy však nie sú „pod absolútnou nulou“, ale „nad nekonečnom“, keďže pri kontakte takéhoto systému s telesom s kladnou teplotou sa energia prenáša zo systému do tela a nie naopak (napr. viac podrobností pozri Kvantová termodynamika).

Vlastnosti teploty študuje odvetvie fyziky - termodynamika. Teplota zohráva dôležitú úlohu aj v mnohých oblastiach vedy, vrátane iných odvetví fyziky, ako aj chémie a biológie.

2. Stanovenie teploty v štatistickej fyzike

V štatistickej fyzike sa teplota určuje podľa vzorca

kde S je entropia, E je energia termodynamického systému. Takto zavedená hodnota T je rovnaká pre rôzne telesá v termodynamickej rovnováhe. Keď sa dve telesá dostanú do kontaktu, teleso s veľkou hodnotou T odovzdá energiu tomu druhému.

3. Meranie teploty

Na meranie termodynamickej teploty sa volí určitý termodynamický parameter termometrickej látky. Zmena tohto parametra je jednoznačne spojená so zmenou teploty. Klasickým príkladom termodynamického teplomeru je plynový teplomer, v ktorom sa teplota zisťuje meraním tlaku plynu vo valci s konštantným objemom. Známe sú aj absolútne žiarenie, hluk a akustické teplomery.

Termodynamické teplomery sú veľmi zložité jednotky, ktoré nemožno použiť na praktické účely. Preto sa väčšina meraní vykonáva pomocou praktických teplomerov, ktoré sú sekundárne, pretože nemôžu priamo spájať žiadnu vlastnosť látky s teplotou. Na získanie interpolačnej funkcie musia byť kalibrované v referenčných bodoch medzinárodnej teplotnej stupnice. Najpresnejší praktický teplomer je platinový odporový teplomer. Prístroje na meranie teploty sú často kalibrované na relatívnych mierkach - Celzia alebo Fahrenheita.

V praxi sa meria aj teplota

• kvapalinové a mechanické teplomery,
• termočlánok,
• odporový teplomer,

• plynový teplomer,
• pyrometer.

Boli vyvinuté najnovšie metódy merania teploty, založené na meraní parametrov laserového žiarenia.

4. Jednotky a stupnica merania teploty

Keďže teplota je kinetická energia molekúl, je jasné, že najprirodzenejšie je ju merať v energetických jednotkách (teda v sústave SI v jouloch). Meranie teploty však začalo dávno pred vytvorením molekulárnej kinetickej teórie, takže praktické váhy merajú teplotu v konvenčných jednotkách – stupňoch.

4.1. Kelvinova teplotná stupnica

Pojem absolútnej teploty zaviedol W. Thomson (Kelvin), a preto sa stupnica absolútnej teploty nazýva Kelvinova stupnica alebo termodynamická teplotná stupnica. Jednotkou absolútnej teploty je kelvin (K).

Absolútna teplotná stupnica sa tak nazýva, pretože mierou základného stavu spodnej hranice teploty je absolútna nula, teda najnižšia možná teplota, pri ktorej v zásade nie je možné odobrať tepelnú energiu z látky.

Absolútna nula je definovaná ako 0 K, čo sa rovná -273,15 °C (presne).

Kelvinova teplotná stupnica je stupnica, ktorá začína na absolútnej nule.

Veľký význam má vývoj, na základe Kelvinovej termodynamickej škály, medzinárodných praktických škál založených na referenčných bodoch - fázových prechodoch čistých látok určených metódami primárnej termometrie. Prvá medzinárodná teplotná stupnica bola prijatá v roku 1927 ITS-27. Od roku 1927 bola stupnica niekoľkokrát predefinovaná (MTSh-48, MPTS-68, MTSh-90): zmenili sa referenčné teploty a interpolačné metódy, ale princíp zostáva rovnaký - základom stupnice je súbor fázových prechodov čistých látok s určitými hodnotami termodynamických teplôt a interpolačné prístroje kalibrované v týchto bodoch. V súčasnosti je v platnosti stupnica ITS-90. Hlavný dokument (Nariadenia o stupnici) stanovuje definíciu Kelvina, hodnoty teplôt fázového prechodu (referenčné body) a interpolačné metódy.

Teplotné stupnice používané v každodennom živote - Celzia aj Fahrenheita (používané hlavne v USA) - nie sú absolútne, a preto nepohodlné pri vykonávaní experimentov v podmienkach, keď teplota klesá pod bod mrazu vody, preto musí byť teplota vyjadrená záporne. číslo. Pre takéto prípady boli zavedené absolútne teplotné stupnice.

Jedna z nich sa nazýva Rankinova stupnica a druhá je absolútna termodynamická stupnica (Kelvinova stupnica); ich teploty sa merajú v stupňoch Rankina (°Ra) a kelvinoch (K). Obe stupnice začínajú pri absolútnej nulovej teplote. Líšia sa tým, že cena jedného dielika na Kelvinovej stupnici sa rovná cene dielika na Celziovej stupnici a cena jedného dielika na Rankinovej stupnici je ekvivalentná cene dielika teplomerov s Fahrenheitovou stupnicou. Bod tuhnutia vody pri štandardnom atmosférickom tlaku zodpovedá 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Kelvinova stupnica je viazaná na trojitý bod vody (273,16 K) a závisí od nej Boltzmannova konštanta. To spôsobuje problémy s presnosťou interpretácie meraní vysokej teploty. BIPM teraz zvažuje možnosť prechodu na novú definíciu Kelvina a fixáciu Boltzmannovej konštanty namiesto odkazu na teplotu trojitého bodu. .

4.2. Celzia

V technike, medicíne, meteorológii a v každodennom živote sa používa stupnica Celzia, v ktorej je teplota trojitého bodu vody 0,008 °C, a teda bod tuhnutia vody pri tlaku 1 atm je 0 °C. C. V súčasnosti sa Celziova stupnica určuje pomocou Kelvinovej stupnice: cena jedného dielika na Celziovej stupnici sa rovná cene dielika na Kelvinovej stupnici, t(°C) = T(K) - 273,15. Bod varu vody, pôvodne zvolený Celziom ako referenčný bod 100 ° C, teda stratil svoj význam a moderné odhady uvádzajú bod varu vody pri normálnom atmosférickom tlaku asi 99,975 ° C. Celziova stupnica je prakticky veľmi pohodlné, keďže voda je na našej planéte veľmi rozšírená a náš život je na nej založený. Nula Celzia je pre meteorológiu špeciálny bod, pretože súvisí so zamŕzaním atmosférickej vody. Stupnicu navrhol Anders Celsius v roku 1742.

4.3. Fahrenheita

V Anglicku a najmä v USA sa používa stupnica Fahrenheit. Nula stupňov Celzia je 32 stupňov Fahrenheita a stupeň Fahrenheita je 9/5 stupňov Celzia.

Súčasná definícia stupnice Fahrenheit je nasledovná: je to teplotná stupnica, v ktorej sa 1 stupeň (1 °F) rovná 1/180 rozdielu medzi bodom varu vody a teplotou topenia ľadu pri atmosférickom tlaku a teplota topenia ľadu je +32 °F. Teplota na Fahrenheitovej stupnici súvisí s teplotou na Celziovej stupnici (t °C) pomerom t °C = 5/9 (t °F - 32), t °F = 9/5 t °C + 32. od G. Fahrenheita v roku 1724 .

5. Energia tepelného pohybu pri absolútnej nule

Keď sa hmota ochladzuje, množstvo foriem tepelnej energie a s nimi spojené účinky súčasne klesajú. Hmota sa presúva z menej usporiadaného stavu do usporiadanejšieho.

... moderný koncept absolútnej nuly nie je konceptom absolútneho pokoja, naopak, pri absolútnej nule môže nastať pohyb - a ten existuje, ale je to stav úplného poriadku...

P. L. Kapitsa (Vlastnosti tekutého hélia)

Plyn sa mení na kvapalinu a potom kryštalizuje na pevnú látku (hélium aj pri absolútnej nule zostáva pri atmosférickom tlaku v kvapalnom stave). Pohyb atómov a molekúl sa spomaľuje, ich kinetická energia klesá. Odolnosť väčšiny kovov klesá v dôsledku zníženia rozptylu elektrónov na atómoch kryštálovej mriežky vibrujúcich s nižšou amplitúdou. Teda aj pri absolútnej nule sa vodivé elektróny pohybujú medzi atómami Fermiho rýchlosťou rádovo 1 × 10 6 m/s.

Teplota, pri ktorej častice hmoty majú minimálny pohyb, zachovaný len vďaka kvantovo mechanickému pohybu, je teplota absolútnej nuly (T = 0K).

Nie je možné dosiahnuť absolútnu nulovú teplotu. Najnižšiu teplotu (450 ± 80) × 10 −12 K Bose-Einsteinovho kondenzátu atómov sodíka získali v roku 2003 výskumníci z MIT. V tomto prípade sa vrchol tepelného žiarenia nachádza v oblasti vlnových dĺžok rádovo 6400 km, čo je približne polomer Zeme.

5.1. Teplota a žiarenie

Energia vyžarovaná telesom je úmerná štvrtej mocnine jeho teploty. Takže pri 300 K sa zo štvorcového metra povrchu vyžaruje až 450 wattov. To vysvetľuje napríklad ochladzovanie zemského povrchu v noci pod okolitú teplotu. Energiu žiarenia absolútne čierneho telesa popisuje Stefan-Boltzmannov zákon

5.2. Reaumurova stupnica

Navrhol ho v roku 1730 R. A. Reaumur, ktorý opísal liehový teplomer, ktorý vynašiel.

Jednotkou je stupeň Reaumur (°R), 1°R sa rovná 1/80 teplotného intervalu medzi referenčnými bodmi - teplota topenia ľadu (0°R) a bod varu vody (80°R)

1 °R = 1,25 °C.

V súčasnosti sa stupnica prestala používať, najdlhšie prežila vo Francúzsku, v domovine autora.

6. Prechody z rôznych mierok

7. Porovnanie teplotných stupníc

¹ Normálna priemerná teplota ľudského tela je 36,6 °C ±0,7 °C alebo 98,2 °F ±1,3 °F. Bežne uvádzaná hodnota 98,6 °F je presným prepočtom na nemeckú hodnotu Fahrenheita z 19. storočia 37 °C. Táto hodnota však nie je v rozmedzí normálnej priemernej teploty ľudského tela, pretože teplota rôznych častí tela je rozdielna.

Niektoré hodnoty v tejto tabuľke boli zaokrúhlené.

8. Charakteristika fázových prechodov

Na opis bodov fázového prechodu rôznych látok sa používajú tieto hodnoty teploty:

• Teplota topenia
• Teplota varu
• Teplota žíhania
• Teplota spekania
• Teplota syntézy
• Teplota vzduchu
• Teplota pôdy
• Homológna teplota
• Trojitý bod
• Debyeova teplota (charakteristická teplota)
• Curieova teplota

9. Zaujímavé fakty

Najnižšia teplota na Zemi do roku 1910 −68, Verchojansk

• Najvyššia teplota vytvorená človekom, ~ 10 biliónov. K (ktorá je porovnateľná s teplotou vesmíru v prvých sekundách jeho života) bola dosiahnutá v roku 2010 pri zrážke iónov olova zrýchlených na rýchlosť takmer svetla. Experiment sa uskutočnil na veľkom hadrónovom urýchľovači
• Najvyššia teoreticky možná teplota je Planckova teplota. Vyššia teplota nemôže existovať, pretože všetko sa mení na energiu (všetky subatomárne častice sa zrútia). Táto teplota je približne 1,41679(11)×1032 K (približne 142 biliónov K).
• Najnižšiu teplotu vytvorenú človekom získali v roku 1995 Eric Cornell a Carl Wieman z USA ochladzovaním atómov rubídia. . Bola nad absolútnou nulou o menej ako 1/170 miliardtiny zlomku K (5,9 × 10 -12 K).
• Povrch Slnka má teploty okolo 6000 K.
• Semená vyšších rastlín zostávajú životaschopné aj po ochladení na -269 °C.

Poznámky

1. GOST 8.417-2002. JEDNOTKY MNOŽSTVA - nolik.ru/systems/gost.htm
2. Pojem teploty - teploty.ru/mtsh/mtsh.php?page=1
3. I. P. Bazarov. Termodynamika, M., Vyššia škola, 1976, s. 13-14.
4. Platinum - teploty.ru/mtsh/mtsh.php?page=81 odporový teplomer - hlavné zariadenie MTSH-90.
5. Laserová termometria - teploty.ru/newmet/newmet.php?page=0
6. Referenčné body MTSH-90 - teploty.ru/mtsh/mtsh.php?page=3
7. Vývoj novej definície Kelvina - teplotná stránka.ru/kelvin/kelvin.php?page=2
8. D. A. Parshin, G. G. Zegrya Kritický bod. Vlastnosti látky v kritickom stave. Trojitý bod. Fázové prechody druhého druhu. Metódy na získanie nízkych teplôt. - edu.ioffe.spb.ru/edu/thermodinamics/lect11h.pdf. Štatistická termodynamika. Prednáška 11. Petrohradská akademická univerzita.
9. O rôznych meraniach telesnej teploty - hypertextbook.com/facts/LenaWong.shtml (anglicky)
10. BBC News – Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) generuje „mini-Veľký tresk“ – www.bbc.co.uk/news/science-environment-11711228
11. Všetko o všetkom. Teplotné záznamy - tem-6.narod.ru/weather_record.html
12. Zázraky vedy - www.seti.ee/ff/34gin.swf

Literatúra

• B. I. Spassky Dejiny fyziky I. časť - osnovanija.narod.ru/History/Spas/T1_1.djvu. - Moskva: „Vyššia škola“, 1977.
• Sivukhin D.V. Termodynamika a molekulová fyzika. - Moskva: „Veda“, 1990.

Paradoxom je, že na meranie teploty v každodennom živote, priemysle a dokonca aj v aplikovanej vede nepotrebujete vedieť, čo je „teplota“. Pomerne vágna predstava, že „teplota je stupeň kúrenie telá." Väčšina praktických prístrojov na meranie teploty skutočne meria iné vlastnosti látok, ktoré sa menia s týmto stupňom ohrevu, ako je tlak, objem, elektrický odpor atď. Potom sa ich hodnoty automaticky alebo manuálne prevedú na jednotky teploty.

Zvedaví ľudia a študenti, ktorí buď chcú alebo sú nútení prísť na to, aká je teplota, zvyčajne spadajú do elementu termodynamiky s jej nultým, prvým a druhým zákonom, Carnotovým cyklom a entropiou. Treba priznať, že definícia teploty ako parametra ideálneho reverzibilného tepelného motora, nezávislého na pracovnej látke, zvyčajne nezvýši jasnosť nášho chápania pojmu „teplota“.

„Hmatateľnejším“ sa zdá byť prístup nazývaný molekulárna kinetická teória, z ktorého sa vytvorila myšlienka, že teplo možno jednoducho považovať za jednu z foriem energie, konkrétne za kinetickú energiu atómov a molekúl. Táto hodnota, spriemerovaná pre obrovský počet náhodne sa pohybujúcich častíc, sa ukazuje ako miera toho, čo sa nazýva telesná teplota. Častice zahriateho telesa sa pohybujú rýchlejšie ako častice studeného telesa.

Keďže pojem teplota úzko súvisí s priemernou kinetickou energiou častíc, bolo by prirodzené použiť ako mernú jednotku joule. Energia tepelného pohybu častíc je však v porovnaní s joulom veľmi malá, preto je použitie tejto veličiny nepohodlné. Tepelný pohyb sa meria v iných jednotkách, ktoré sú odvodené z joulov pomocou prevodného faktora „k“.

Ak sa teplota T meria v kelvinoch (K), potom jej vzťah s priemernou kinetickou energiou translačného pohybu atómov ideálneho plynu má tvar

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

Kde k- konverzný faktor, ktorý určuje, aká časť joulu je obsiahnutá v kelvine. Rozsah k nazývaná Boltzmannova konštanta.

Vzhľadom na to, že tlak môže byť vyjadrený aj ako priemerná energia molekulárneho pohybu

p=(2/3)n E k (2)

Kde n = N/V, V- objem zaberaný plynom, N- celkový počet molekúl v tomto objeme

Stavová rovnica ideálneho plynu bude:

p = n kT

Ak je celkový počet molekúl reprezentovaný ako N = µN A, Kde µ - počet mólov plynu, N A- Avagadro číslo, t.j. počet častíc na mól, môžete ľahko získať známou Clapeyronovou-Mendelejevovou rovnicou:

pV = µ RT, kde R - molárna plynová konštanta R= N A.k

alebo pre jedného krtka pV = N A. kT(3)

Teplota je teda parameter umelo zavedený do stavovej rovnice. Pomocou stavovej rovnice možno určiť termodynamickú teplotu T, ak sú známe všetky ostatné parametre a konštanty. Z tejto definície teploty je zrejmé, že hodnoty T budú závisieť od Boltzmannovej konštanty. Môžeme pre tento koeficient proporcionality zvoliť ľubovoľnú hodnotu a potom sa na ňu spoliehať? Nie Môžeme tak získať ľubovoľnú hodnotu pre trojitý bod vody, pričom by sme mali dostať hodnotu 273,16 K! Vynára sa otázka - prečo práve 273,16 K?

Dôvody sú čisto historické, nie fyzické. Faktom je, že v prvých teplotných stupniciach boli prijaté presné hodnoty pre dva stavy vody naraz - bod tuhnutia (0 ° C) a bod varu (100 ° C). Boli to ľubovoľné hodnoty zvolené pre pohodlie. Vzhľadom na to, že stupeň Celzia sa rovná stupňu Kelvina a meranie termodynamickej teploty plynovým teplomerom kalibrovaným v týchto bodoch, sme extrapolačnou metódou získali hodnotu 273,15 °C pre absolútnu nulu (0 °K). Samozrejme, túto hodnotu možno považovať za presnú len vtedy, ak boli merania plynovým teplomerom absolútne presné. Toto je nesprávne. Preto stanovením hodnoty 273,16 K pre trojitý bod vody a meraním bodu varu vody pokročilejším plynovým teplomerom môžete získať mierne inú hodnotu pre var od 100 ° C. Napríklad teraz je najreálnejšia hodnota 99,975 °C. A to len preto, že skorá práca s plynovým teplomerom dala chybnú hodnotu absolútnej nuly. Teda buď zafixujeme absolútnu nulu, alebo interval 100 °C medzi bodmi tuhnutia a varu vody. Ak zafixujeme interval a zopakujeme merania, aby sme extrapolovali na absolútnu nulu, dostaneme -273,22 °C.

V roku 1954 prijala CIPM rezolúciu o prechode na novú definíciu Kelvina, ktorá nemala nič spoločné s intervalom 0 -100 °C. V skutočnosti priradila hodnotu 273,16 K (0,01 °C) trojitému bodu vody a „nechala teplotu varu vody voľne plávať“ pri teplote asi 100 °C. Namiesto „stupňa Kelvin“ pre jednotku teploty bol zavedený jednoducho „kelvin“.

Zo vzorca (3) vyplýva, že priradením pevnej hodnoty 273,16 K k T v takom stabilnom a dobre reprodukovateľnom stave systému, akým je trojitý bod vody, možno experimentálne určiť hodnotu konštanty k. Až donedávna sa najpresnejšie experimentálne hodnoty Boltzmannovej konštanty k získavali metódou extrémne riedkych plynov.

Existujú aj iné metódy na získanie Boltzmannovej konštanty, založené na použití zákonov, ktoré zahŕňajú parameter kT.

Ide o Stefanov-Boltzmannov zákon, podľa ktorého je celková energia tepelného žiarenia E(T) štvrtou mocninovou funkciou CT.
Rovnica vzťahujúca druhú mocninu rýchlosti zvuku v ideálnom plyne k 0 2 lineárna závislosť s CT.
Rovnica pre stredné napätie štvorcového šumu na elektrickom odpore V 2, tiež lineárne závislé od CT.

Zariadenia na implementáciu vyššie uvedených metód stanovenia CT sa nazývajú absolútna termometria alebo primárne termometrické prístroje.

Existuje teda veľa konvencií pri určovaní hodnôt teploty v kelvinoch a nie v jouloch. Hlavná vec je, že samotný koeficient proporcionality k medzi jednotkou teploty a energie nie je konštantná. Závisí to od presnosti termodynamických meraní, ktoré je v súčasnosti možné dosiahnuť. Tento prístup nie je veľmi vhodný pre primárne teplomery, najmä tie, ktoré pracujú v teplotnom rozsahu ďaleko od trojitého bodu. Ich hodnoty budú závisieť od zmien hodnoty Boltzmannovej konštanty.

Každá zmena praktickej medzinárodnej teplotnej stupnice je výsledkom vedeckého výskumu metrologických centier po celom svete. Zavedenie novej edície teplotnej stupnice ovplyvňuje kalibráciu všetkých prístrojov na meranie teploty.

Každý človek sa s pojmom teplota stretáva každý deň. Pojem pevne vstúpil do nášho každodenného života: ohrievame jedlo v mikrovlnnej rúre alebo varíme jedlo v rúre, zaujímame sa o počasie vonku alebo zisťujeme, či je voda v rieke studená - to všetko úzko súvisí s týmto pojmom . Čo je to teplota, čo znamená tento fyzikálny parameter, ako sa meria? Na tieto a ďalšie otázky odpovieme v článku.

Fyzikálne množstvo

Pozrime sa, aká je teplota z pohľadu izolovanej sústavy v termodynamickej rovnováhe. Termín pochádza z latinčiny a znamená „správna zmes“, „normálny stav“, „proporcionalita“. Táto veličina charakterizuje stav termodynamickej rovnováhy akéhokoľvek makroskopického systému. V prípade, že izolovaný systém nie je v rovnováhe, časom dochádza k prechodu energie z viac vyhrievaných predmetov na menej vyhrievané. Výsledkom je vyrovnanie (zmena) teploty v celom systéme. Toto je prvý postulát (nulový zákon) termodynamiky.

Teplota určuje rozloženie častíc sústavy podľa energetických hladín a rýchlostí, stupňa ionizácie látok, vlastností rovnovážneho elektromagnetického žiarenia telies a celkovej objemovej hustoty žiarenia. Keďže pre systém, ktorý je v termodynamickej rovnováhe, sú uvedené parametre rovnaké, zvyčajne sa nazývajú teplota systému.

Plazma

Okrem rovnovážnych telies existujú systémy, v ktorých je stav charakterizovaný niekoľkými hodnotami teploty, ktoré sa navzájom nerovnajú. Dobrým príkladom je plazma. Skladá sa z elektrónov (ľahké nabité častice) a iónov (ťažko nabité častice). Keď sa zrazia, dôjde k rýchlemu prenosu energie z elektrónu na elektrón a z iónu na ión. Ale medzi heterogénnymi prvkami je pomalý prechod. Plazma môže byť v stave, v ktorom sú elektróny a ióny jednotlivo blízko k rovnováhe. V tomto prípade je možné predpokladať samostatné teploty pre každý typ častíc. Tieto parametre sa však budú navzájom líšiť.

Magnety

V telesách, v ktorých častice majú magnetický moment, dochádza k prenosu energie zvyčajne pomaly: od translačných po magnetické stupne voľnosti, ktoré sú spojené s možnosťou zmeny smerov momentu. Ukazuje sa, že existujú stavy, v ktorých je telo charakterizované teplotou, ktorá sa nezhoduje s kinetickým parametrom. Zodpovedá doprednému pohybu elementárnych častíc. Magnetická teplota určuje časť vnútornej energie. Môže byť pozitívny aj negatívny. Počas procesu vyrovnávania sa energia prenesie z častíc s vyššou teplotou na častice s nižšou teplotou, ak sú obe kladné alebo záporné. V opačnej situácii bude tento proces prebiehať opačným smerom - negatívna teplota bude „vyššia“ ako pozitívna.

Prečo je to potrebné?

Paradoxom je, že bežný človek na to, aby mohol vykonávať proces merania v bežnom živote aj v priemysle, ani nemusí vedieť, čo je to teplota. Bude stačiť, aby pochopil, že ide o stupeň zahrievania objektu alebo prostredia, najmä preto, že tieto pojmy poznáme od detstva. Väčšina praktických prístrojov určených na meranie tohto parametra skutočne meria iné vlastnosti látok, ktoré sa menia v závislosti od úrovne ohrevu alebo chladenia. Napríklad tlak, elektrický odpor, objem atď. Ďalej sa takéto namerané hodnoty manuálne alebo automaticky prepočítavajú na požadovanú hodnotu.

Ukazuje sa, že na určenie teploty nie je potrebné študovať fyziku. Podľa tohto princípu žije väčšina populácie našej planéty. Ak televízor funguje, potom nie je potrebné chápať prechodné procesy polovodičových zariadení, študovať odkiaľ pochádza elektrina zo zásuvky alebo ako signál prichádza na satelitnú parabolu. Ľudia sú zvyknutí, že v každej oblasti sa nájdu špecialisti, ktorí dokážu systém opraviť či odladiť. Bežný človek si nechce namáhať mozog, pretože pri popíjaní studeného piva je oveľa lepšie pozerať na „bedňu“ telenovelu alebo futbal.

A chcem to vedieť

Ale sú ľudia, najčastejšie sú to študenti, ktorí sú buď zo zvedavosti alebo z núdze nútení študovať fyziku a určovať, aká je v skutočnosti teplota. Výsledkom je, že sa pri svojom hľadaní ocitnú v džungli termodynamiky a študujú jej nultý, prvý a druhý zákon. Navyše, zvedavá myseľ bude musieť pochopiť Carnotove cykly a entropiu. A na konci svojej cesty zrejme uzná, že definovanie teploty ako parametra reverzibilného tepelného systému, ktorý nezávisí od druhu pracovnej látky, na prehľadnosti zmyslu tohto pojmu nepridá. A napriek tomu viditeľnou časťou budú niektoré stupne akceptované medzinárodným systémom jednotiek (SI).

Teplota ako kinetická energia

„Hmatateľnejší“ prístup sa nazýva molekulárna kinetická teória. Z toho sa vytvára myšlienka, že teplo sa považuje za formu energie. Napríklad kinetická energia molekúl a atómov, parameter spriemerovaný pre obrovské množstvo chaoticky sa pohybujúcich častíc, sa ukazuje ako miera toho, čo sa bežne nazýva teplota telesa. Častice vo vyhrievanom systéme sa teda pohybujú rýchlejšie ako v studenom systéme.

Keďže tento výraz úzko súvisí so spriemerovanou kinetickou energiou skupiny častíc, bolo by celkom prirodzené použiť joule ako jednotku merania teploty. To sa však nestane, čo sa vysvetľuje tým, že energia tepelného pohybu elementárnych častíc je v pomere k joulu veľmi malá. Preto je nepohodlné používať. Tepelný pohyb sa meria v jednotkách odvodených od joulov pomocou špeciálneho prevodného koeficientu.

Jednotky teploty

Dnes sa na zobrazenie tohto parametra používajú tri hlavné jednotky. Teplota sa u nás bežne určuje v stupňoch Celzia. Táto jednotka merania je založená na bode tuhnutia vody - absolútnej hodnote. Je to východiskový bod. To znamená, že teplota vody, pri ktorej sa začína vytvárať ľad, je nulová. V tomto prípade voda slúži ako príkladné meradlo. Táto konvencia bola prijatá pre pohodlie. Druhou absolútnou hodnotou je teplota pary, teda okamih, kedy voda prechádza z kvapalného do plynného skupenstva.

Ďalšou jednotkou sú stupne Kelvina. Za počiatok tohto systému sa považuje bod absolútnej nuly. Takže jeden stupeň Kelvina sa rovná jednému stupňu Celzia. Jediný rozdiel je východiskový bod. Zistili sme, že nula Kelvinov sa bude rovnať mínus 273,16 stupňom Celzia. V roku 1954 sa Generálna konferencia pre váhy a miery rozhodla nahradiť výraz „kelvin“ pre jednotku teploty výrazom „kelvin“.

Treťou bežne akceptovanou jednotkou merania sú stupne Fahrenheita. Do roku 1960 boli široko používané vo všetkých anglicky hovoriacich krajinách. Táto jednotka sa však stále používa v každodennom živote v Spojených štátoch. Systém sa zásadne líši od vyššie popísaných. Za východiskový bod sa berie teplota tuhnutia zmesi soli, amoniaku a vody v pomere 1:1:1. Takže na stupnici Fahrenheita je bod tuhnutia vody plus 32 stupňov a bod varu je plus 212 stupňov. V tomto systéme sa jeden stupeň rovná 1/180 rozdielu medzi týmito teplotami. Rozsah od 0 do +100 stupňov Fahrenheita teda zodpovedá rozsahu od -18 do +38 Celzia.

Teplota absolútnej nuly

Poďme zistiť, čo tento parameter znamená. Absolútna nula je hodnota limitnej teploty, pri ktorej sa tlak ideálneho plynu stáva nulovým pre daný objem. Ide o najnižšiu hodnotu v prírode. Ako predpovedal Michailo Lomonosov, „toto je najväčší alebo posledný stupeň chladu“. Z toho vyplýva Avogadrov chemický zákon: rovnaké objemy plynov, ktoré podliehajú rovnakej teplote a tlaku, obsahujú rovnaký počet molekúl. Čo z toho vyplýva? Existuje minimálna teplota plynu, pri ktorej jeho tlak alebo objem klesne na nulu. Táto absolútna hodnota zodpovedá nule Kelvinov alebo 273 stupňom Celzia.

Niekoľko zaujímavých faktov o slnečnej sústave

Teplota na povrchu Slnka dosahuje 5700 Kelvinov a v strede jadra - 15 miliónov Kelvinov. Planéty slnečnej sústavy sa navzájom veľmi líšia v úrovni vykurovania. Teplota jadra našej Zeme je teda približne rovnaká ako na povrchu Slnka. Jupiter je považovaný za najteplejšiu planétu. Teplota v strede jeho jadra je päťkrát vyššia ako na povrchu Slnka. No najnižšia hodnota parametra bola zaznamenaná na povrchu Mesiaca – bolo to len 30 Kelvinov. Táto hodnota je ešte nižšia ako na povrchu Pluta.

Fakty o Zemi

1. Najvyššia teplota zaznamenaná človekom bola 4 miliardy stupňov Celzia. Táto hodnota je 250-krát vyššia ako teplota jadra Slnka. Rekord vytvorilo newyorské Brookhaven Natural Laboratory v iónovom urýchľovači, ktorý je dlhý asi 4 kilometre.

2. Teplota na našej planéte tiež nie je vždy ideálna a pohodlná. Napríklad v meste Verchnojansk v Jakutsku teplota v zime klesá na mínus 45 stupňov Celzia. Ale v etiópskom meste Dallol je situácia opačná. Priemerná ročná teplota je tam plus 34 stupňov.

3. Najextrémnejšie podmienky, v ktorých ľudia pracujú, zaznamenávajú zlaté bane v Južnej Afrike. Baníci pracujú v hĺbke troch kilometrov pri teplote plus 65 stupňov Celzia.

Termodynamická teplota

Termodynamická teplota(Angličtina) termodynamická teplota, nemčina termodynamika Teplota), alebo absolútna teplota(Angličtina) absolútna teplota, nemčina absolútna teplota) je jedinou funkciou stavu termodynamického systému, ktorá charakterizuje smer samovoľnej výmeny tepla medzi telesami (systémami).

Termodynamická teplota sa označuje písmenom T (\displaystyle T), meria sa v kelvinoch (označuje sa K) a meria sa na absolútnej termodynamickej stupnici (Kelvinova stupnica). Absolútna termodynamická stupnica je základnou stupnicou vo fyzike a v rovniciach termodynamiky.

Molekulárna kinetická teória spája absolútnu teplotu s priemernou kinetickou energiou translačného pohybu molekúl ideálneho plynu v podmienkach termodynamickej rovnováhy:

1 2 m v ¯ 2 = 3 2 k T , (\displaystyle (\frac (1)(2))m(\bar (v))^(2)=(\frac (3)(2))kT,)

kde m (\displaystyle m) ─ molekulová hmotnosť, v ¯ (\displaystyle (\bar (v))) ─ stredná kvadratická rýchlosť translačného pohybu molekúl, T (\displaystyle T) ─ absolútna teplota, k (\displaystyle k ) ─ konštantný Boltzmann.

Príbeh

Meranie teploty prešlo vo svojom vývoji dlhú a náročnú cestu. Keďže teplotu nemožno merať priamo, na jej meranie sa použili vlastnosti teplomerných telies, ktoré boli funkčne závislé od teploty. Na tomto základe boli vyvinuté rôzne teplotné stupnice, ktoré boli tzv empirický a teplota nameraná s ich pomocou sa nazýva empirická. Významnými nevýhodami empirických stupníc je ich nedostatočná kontinuita a nesúlad medzi hodnotami teploty pre rôzne termometrické telesá: medzi referenčnými bodmi aj mimo nich. Nedostatok kontinuity empirických škál je spôsobený neprítomnosťou látky, ktorá je schopná zachovať si svoje vlastnosti v celom rozsahu možných teplôt. V roku 1848 Thomson (Lord Kelvin) navrhol zvoliť stupeň teplotnej stupnice tak, aby v rámci jeho limitov bola účinnosť ideálneho tepelného motora rovnaká. Následne v roku 1854 navrhol použiť inverznú Carnotovu funkciu na zostrojenie termodynamickej stupnice nezávislej od vlastností termometrických telies. Praktická realizácia tejto myšlienky sa však ukázala ako nemožná. Začiatkom 19. storočia sa pri hľadaní „absolútneho“ zariadenia na meranie teploty opäť vrátili k myšlienke ideálneho plynového teplomera založeného na zákonoch ideálnych plynov Gay-Lussaca a Charlesa. Plynový teplomer bol dlhú dobu jediným spôsobom, ako reprodukovať absolútnu teplotu. Nové smery v reprodukcii absolútnej teplotnej stupnice sú založené na použití Stefan-Boltzmannovej rovnice v bezkontaktnej termometrii a Harry (Harry) Nyquistovej rovnice v kontaktnej termometrii.

Fyzikálny základ pre konštrukciu termodynamickej teplotnej stupnice

1. Termodynamickú teplotnú stupnicu možno v zásade zostrojiť na základe Carnotovej vety, ktorá hovorí, že účinnosť ideálneho tepelného motora nezávisí od povahy pracovnej tekutiny a konštrukcie motora, ale závisí len od teploty ohrievača a chladničky.

η = Q 1 − Q 2 Q 1 = T 1 − T 2 T 1 , (\displaystyle \eta =(\frac (Q_(1)-Q_(2))(Q_(1)))=(\frac ( T_(1)-T_(2))(T_(1))),)

kde Q 1 (\displaystyle Q_(1)) je množstvo tepla prijatého pracovnou tekutinou (ideálny plyn) z ohrievača, Q 2 (\displaystyle Q_(2)) je množstvo tepla odovzdaného pracovnou tekutinou chladnička, T 1 , T 2 ( \displaystyle T_(1),T_(2)) - teploty ohrievača a chladničky.

Z vyššie uvedenej rovnice vyplýva nasledujúci vzťah:

Q1Q2 = T1T2. (\displaystyle (\frac (Q_(1))(Q_(2)))=(\frac (T_(1))(T_(2))).)

Tento vzťah možno použiť na vytvorenie absolútna termodynamická teplota. Ak sa jeden z izotermických procesov Carnotovho cyklu Q 3 (\displaystyle Q_(3)) uskutočňuje pri teplote trojitého bodu vody (referenčný bod), nastavte ľubovoľne ─ T 3 = 273, 16 K, (\ displaystyle T_(3)=273(, )16\,K,) potom akákoľvek iná teplota bude určená vzorcom T = 273, 16 Q Q 3 (\displaystyle T=273(,)16(\frac (Q)( Q_(3)))). Takto stanovená teplotná stupnica sa nazýva tzv termodynamická Kelvinova stupnica. Žiaľ, presnosť merania množstva tepla je nízka, čo neumožňuje uvedenú metódu realizovať v praxi.

2. Absolútnu teplotnú stupnicu možno zostrojiť, ak sa ako termometrické teleso použije ideálny plyn. V skutočnosti Clapeyronova rovnica implikuje vzťah

T = pVR. (\displaystyle T=(\frac (pV)(R)).)

Ak meriate tlak plynu blízkeho ideálu, ktorý sa nachádza v uzavretej nádobe s konštantným objemom, potom môžete týmto spôsobom stanoviť teplotnú stupnicu, tzv. ideálny-plyn. Výhodou tejto stupnice je, že tlak ideálneho plynu pri V = c o n s t (\displaystyle V=const) sa mení lineárne s teplotou. Pretože aj vysoko riedke plyny sa svojimi vlastnosťami trochu líšia od ideálneho plynu, je implementácia stupnice ideálneho plynu spojená s určitými ťažkosťami.

3. Rôzne učebnice termodynamiky poskytujú dôkaz, že teplota nameraná na stupnici ideálneho plynu sa zhoduje s termodynamickou teplotou. Treba však urobiť výhradu: napriek tomu, že číselne sú termodynamické a ideálne stupnice plynu absolútne totožné, z kvalitatívneho hľadiska je medzi nimi zásadný rozdiel. Len termodynamická stupnica je absolútne nezávislá od vlastností termometrickej látky.

4. Ako už bolo naznačené, presná reprodukcia termodynamickej stupnice, ako aj stupnice ideálneho plynu, je plná vážnych ťažkostí. V prvom prípade je potrebné starostlivo zmerať množstvo tepla, ktoré je privádzané a odvádzané v izotermických procesoch ideálneho tepelného motora. Tento druh merania je nepresný. Reprodukcia termodynamickej (ideálny plyn) teplotnej stupnice v rozsahu od 10 do 1337 K je možná pomocou plynového teplomera. Pri vyšších teplotách je badateľná difúzia skutočného plynu cez steny nádrže a pri teplotách niekoľko tisíc stupňov sa viacatómové plyny rozpadajú na atómy. Pri ešte vyšších teplotách sa skutočné plyny ionizujú a menia na plazmu, ktorá sa neriadi Clapeyronovou rovnicou. Najnižšia teplota, ktorú je možné zmerať plynovým teplomerom naplneným héliom pri nízkom tlaku, je 1 K. Na meranie teplôt presahujúcich možnosti plynových teplomerov sa používajú špeciálne metódy merania. Pozrite si ďalšie podrobnosti. Termometria.

Stanovenie bodu tuhnutia

Hlavné poruchy v systéme dodávky paliva pri nízkych teplotách sú spojené s bodom zákalu a bodom tuhnutia paliva. Na rozdiel od benzínu môžu dieselové palivá obsahovať pomerne veľa uhľovodíkov s vysokou teplotou topenia, predovšetkým parafínové (alkánové) a aromatické uhľovodíky.

Pri poklese teploty vypadáva z paliva najviac topiacich sa uhľovodíkov vo forme kryštálov rôznych tvarov a palivo sa zakaľuje. Najvyššia teplota, pri ktorej palivo stráca svoju priehľadnosť, sa nazýva bod zákalu. Zároveň palivo nestráca svoju tekutosť. Hodnota viskozity mierne stúpa so zvyšujúcou sa teplotou, avšak kryštály prenikajúce cez hrubý filter vytvárajú na jemnom filtri film nepriepustný pre palivo, čo vedie k zastaveniu prívodu paliva. Bod zákalu by mal byť spravidla 3-5 °C pod teplotou okolia. Pri ďalšom chladení motorovej nafty sa jednotlivé kryštály spájajú do rámu, ktorý preniká celým palivom a spája ho. Palivo stráca svoju tekutosť.

Pri ďalšom ochladzovaní paliva sa začnú zjednocovať kryštály uhľovodíkov s vysokou teplotou topenia, ktoré vytvárajú priestorovú mriežku, v ktorej článkoch zostávajú tekuté uhľovodíky. Potom sa výsledná štruktúra tak spevní, že palivo stratí svoju tekutosť – stuhne. Najvyššia teplota, pri ktorej palivo stráca tekutosť, sa nazýva bod tuhnutia. Teplota by mala byť 8-12 °C pod teplotou okolia. Bod liatia Teplota, pri ktorej motorová nafta naliata do skúmavky pri ochladení za určitých podmienok nemení polohu menisku do 1 minúty, keď je skúmavka naklonená pod uhlom 45° od vertikály (GOST 20287- 91). Bod tuhnutia motorovej nafty je podmienená hodnota a slúži len ako pomôcka na určenie podmienok používania paliva.

Vybavenie: zariadenie na určenie bodu zákalu paliva; laboratórny statív; činidlá na chladenie zmesí (soľno-ľad pre teploty do -20 °C; alkohol a oxid uhličitý - suchý ľad - pre teploty pod -20 °C); skúmavka; vzorka paliva; kyselina sírová.

Ryža. 2.3. Zariadenie na určenie bodu zákalu a bodu tuhnutia paliva: 1 - vonkajšia skúmavka; 2 - vnútorná skúmavka; 3 - zástrčka; 4 - teplomer; 5 - miešadlo

Zákazka:

Podstatou určenia bodu zákalu paliva je jeho hlboké ochladenie a vizuálne pozorovanie zmien jeho stavu. Podstatou určenia bodu tuhnutia je hlboké ochladenie paliva až do bodu straty pohyblivosti.

1. Testované palivo dôkladne premiešajte a nalejte do vnútornej skúmavky po značku (40 mm od dna je značka). Skúmavku uzatvorte korkovou zátkou a teplomerom. Teplomer vložte tak, aby jeho ortuťová guľôčka bola v skúmavke vo vzdialenosti 15 mm od dna a v rovnakej vzdialenosti od stien.

2. Nalejte testované palivo do inej skúmavky, ktorá sa používa ako štandard priehľadnosti.

3. Naplňte nádobu prístroja chladiacou zmesou, ktorej hladina by mala byť udržiavaná 30-40 mm nad hladinou paliva v skúmavke. Teplota chladiacej zmesi počas skúšania musí byť vždy o 15 ± 2 °C nižšia ako teplota skúšaného paliva.

4. Zaistite vnútornú rúrku s palivom a teplomerom vo vonkajšej rúrke. Aby sa zabránilo zahmlievaniu vnútorných stien, naleje sa medzi skúmavky 0,5-1,0 ml kyseliny sírovej.

5. Vložte zostavené zariadenie do chladiacej zmesi. Počas chladenia palivo neustále miešajte.

6. 5 °C pred očakávaným bodom zákalu vyberte skúmavku z chladiacej zmesi, rýchlo utrite vatou namočenou v alkohole a porovnajte so štandardom. Trvanie porovnávacieho stanovenia nie je dlhšie ako 12 s.

7. Ak sa palivo v porovnaní s priehľadným štandardom nezmenilo, potom sa skúmavka opäť spustí do nádobky prístroja a vykoná sa ďalšie pozorovanie o každý stupeň, čím sa zníži teplota paliva. Tieto porovnávacie pozorovania s transparentným štandardom sa vykonávajú dovtedy, kým sa palivo nezačne líšiť od štandardu, t.j. keď sa v ňom objaví zákal. Pri určovaní bodu zákalu neznámej vzorky paliva najskôr stanovte hodnoty týchto teplôt približne tak, že budete sledovať stav paliva každých 5 °C.

8. Na určenie bodu tuhnutia paliva v súlade s bodmi 1 a 2 pripravte zariadenie so skúšobným dehydrovaným (s použitím čerstvo vypáleného chloridu vápenatého) palivom. Pripravené zariadenie vložte do nádoby s chladiacou kvapalinou. Teplota chladiacej zmesi by mala byť 5 °C pod očakávaným bodom tuhnutia paliva.

9. Bez toho, aby ste ho vybrali z chladiacej zmesi, nakloňte zariadenie pod uhlom 45° a podržte ho v tejto polohe jednu minútu, kým skúšobné palivo v skúmavke nedosiahne teplotu zodpovedajúcu jeho bodu tuhnutia.

10. Skúmavku vyberte z chladiacej zmesi, steny utrite vatou namočenou v alkohole a sledujte, či sa meniskus paliva posunul. Ak sa meniskus neposunul, palivo zostane zmrazené a naopak. Ak teplota paliva nie je ani približne známa, vykoná sa skúška posunu menisku po každom poklese teploty paliva o 5 °C. V tomto prípade sa teplota zmesi udržiava 4-5 ° pod teplotou paliva. Po teste vráťte prístroj a pracovisko do pôvodnej polohy. Porovnajte výslednú teplotu s indikátormi GOST.

Stanovenie cetánového čísla motorovej nafty výpočtovou metódou

Schopnosť motorovej nafty sa samovznietiť sa hodnotí podľa cetánového čísla (CN). Metóda hodnotenia samovznietenia palív pre vysokootáčkové dieselové motory je podobná metóde hodnotenia detonačnej odolnosti benzínu. Ako referenčné palivá na určenie samovznietenia sa vyberú dva uhľovodíky: cetán C16H34 a alfametylnaftalén C10H7CH3. Spontánne zapálenie prvého uhľovodíka sa bežne považuje za 100, za druhé za 0. Ich zmiešaním môžete získať zmes so samovznietením od 0 do 100. cetánové číslo sa nazýva podmienený indikátor, číselne rovný percentu cetánu v jeho zmesi s alfametylnaftalénom, ktorý z hľadiska samovznietenia zodpovedá testovanej vzorke.

Cetánové číslo motorovej nafty sa určuje metódou flash koincidencie (obr. 2.4).

Pre bezproblémovú prevádzku moderných motorov je potrebné palivo s cetánovým číslom najmenej 45 v lete a 50 v zime.S cetánovým číslom pod 45 pracujú dieselové motory tvrdo, najmä v zime, a nad 45 - mäkko. Používanie palív s cetánovým číslom vyšším ako 60 je však nerentabilné, pretože prevádzková náročnosť sa nevýznamne mení a špecifická spotreba paliva sa zvyšuje. To sa vysvetľuje skutočnosťou, že keď sa centrálna frekvencia zvýši nad 55, doba oneskorenia vznietenia (čas od okamihu, keď sa palivo dodáva do valca motora až po začiatok spaľovania) je taká malá, že sa palivo zapáli v blízkosti dýzy. a vzduch nachádzajúci sa ďalej od miesta vstrekovania sa takmer nezúčastňuje spaľovania procesu. V dôsledku toho palivo úplne nespáli a účinnosť motora klesá.

Motorová nafta nie vždy poskytuje potrebné samovznietenie, preto je potrebné zvýšiť cetánové číslo. Existujú dve hlavné metódy: zmena chemického zloženia a zavedenie špeciálnych prísad.

Čo sa týka spoľahlivosti štartu studeného motora pri rôznych teplotách okolia, tá závisí vo väčšej miere od konštrukcie motora a štartovacieho režimu ako od CN paliva. Pri teplotách v spaľovacom priestore pod 350-400 °C sa už horľavá zmes nebude môcť vznietiť. Minimálne štartovacie otáčky naftového kľukového hriadeľa by mali byť 100-120 min-1. A čím vyššia je frekvencia štartovania, tým vyššia je teplota stlačeného vzduchu, a teda aj podmienky na štartovanie motora.

Cetánové číslo závisí od obsahu a štruktúry uhľovodíkov, ktoré tvoria motorovú naftu. Cetánové čísla alkánov sú najvyššie, aromatické uhľovodíky najnižšie. Uhľovodíky obsiahnuté v motorovej nafte sú zoradené podľa centrálneho čísla takto: 1 - alkány, 2 - cykloalkány, 3 - izoalkány, 4 - aromatické uhľovodíky. Zvýšenie počtu atómov uhlíka v molekulách uhľovodíkov vedie k zvýšeniu cetánového čísla. Zvýšenie obsahu n-alkánov teda vedie k zvýšeniu CN. Avšak n-alkány majú vysokú kryštalizačnú teplotu, čo vedie k zhoršeniu nízkoteplotných vlastností motorovej nafty.

Zavedenie špeciálnych prísad obsahujúcich kyslík do motorovej nafty uľahčuje ľahké uvoľňovanie aktívneho kyslíka. Medzi takéto prísady patria organické peroxidy, estery kyseliny dusičnej, ktoré pri vstupe do spaľovacej komory urýchľujú tvorbu peroxidov, ktorých rozklad urýchľuje proces samovznietenia. Pridanie 1% izopropylnitrátu teda zvyšuje centrálne číslo o 10-12 jednotiek a zlepšuje štartovacie vlastnosti dieselových motorov v zime. Existuje empirický vzťah medzi cetánovým číslom paliva a jeho oktánovým číslom.

CN = 60 - OC / 2, (2,4)

kde CN je cetánové číslo; OC - ​​oktánové číslo.

Čím je oktánové číslo vyššie, tým je cetánové číslo nižšie a naopak. Preto pridávanie benzínových frakcií do motorovej nafty vždy vedie k zníženiu jeho cetánového čísla.

Cetánové číslo možno približne vypočítať pomocou vzorca (výsledný výsledok sa líši od skutočného o 2-3 jednotky):

Ts.Ch. = 1,5879 · (ν 20 + 17,8) / ρ 20, (2,5)

kde ν20 je viskozita paliva v cSt pri 20 °C; ρ 20 - hustota paliva pri 20 °C, g/cm3.

čo je teplota?

Odpovede ako „meranie telesného tepla“ nie sú akceptované))))))

Vitalik Obukhov

Teplota (z lat. temperatura - správne premiešanie, normálny stav) je fyzikálna veličina, ktorá približne charakterizuje priemernú kinetickú energiu častíc makroskopického systému na jeden stupeň voľnosti, ktorý je v stave termodynamickej rovnováhy.
V sústave SI sa teplota meria v kelvinoch. V praxi sa však často používajú stupne Celzia kvôli ich spojeniu s dôležitými charakteristikami vody - teplotou topenia ľadu (0 ° C) a bodom varu (100 ° C). To je výhodné, pretože väčšina klimatických procesov, procesov vo voľnej prírode atď. je spojená s týmto rozsahom.
Existujú aj stupnice Fahrenheit a niektoré ďalšie.
Teplota z hľadiska molekulovej kinetiky je fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje intenzitu chaotického, tepelného pohybu celého súboru častíc v systéme a je úmerná priemernej kinetickej energii translačného pohybu jednej častice.
Vzťah medzi kinetickou energiou, hmotnosťou a rýchlosťou vyjadruje nasledujúci vzorec:
Ek = 1/2 m proti 2
Častice rovnakej hmotnosti a rovnakej rýchlosti majú teda aj rovnakú teplotu.
Priemerná kinetická energia častice súvisí s termodynamickou teplotou Boltzmannovej konštanty:
Eav = i/2kBT
Kde:
i - počet stupňov voľnosti
kB = 1,380 6505(24) × 10−23 J/K - Boltzmannova konštanta
T - teplota;
Teplota je recipročná zmena entropie (stupeň neusporiadanosti) systému, keď sa do systému pridá jednotkové množstvo tepla: 1/T = ΔS/ΔQ.
[upraviť] História termodynamického prístupu
Slovo „teplota“ vzniklo v tých časoch, keď ľudia verili, že viac zahrievané telá obsahujú väčšie množstvo špeciálnej látky – kalorickej – ako menej zahrievané. Preto bola teplota vnímaná ako sila zmesi telesnej hmoty a kalórií. Z tohto dôvodu sa jednotky merania sily alkoholických nápojov a teploty nazývajú rovnaké - stupne.
V rovnovážnom stave má teplota rovnakú hodnotu pre všetky makroskopické časti systému. Ak majú dve telesá v systéme rovnakú teplotu, tak medzi nimi nedochádza k prenosu kinetickej energie častíc (tepla). Ak je teplotný rozdiel, tak sa teplo presúva z telesa s vyššou teplotou do telesa s nižšou, pretože celková entropia sa zvyšuje.
Teplota je tiež spojená so subjektívnymi pocitmi „tepla“ a „chladu“, ktoré súvisia s tým, či živé tkanivo teplo vydáva alebo prijíma.
Niektoré kvantovomechanické systémy môžu byť v stave, v ktorom sa entropia nezväčšuje, ale klesá s pridaním energie, čo formálne zodpovedá negatívnej absolútnej teplote. Takéto stavy však nie sú „pod absolútnou nulou“, ale „nad nekonečnom“, pretože keď sa takýto systém dostane do kontaktu s telesom s kladnou teplotou, energia sa prenáša zo systému do tela a nie naopak (napr. viac podrobností pozri Kvantová termodynamika).
Vlastnosti teploty študuje odvetvie fyziky - termodynamika. Teplota zohráva dôležitú úlohu aj v mnohých oblastiach vedy, vrátane iných odvetví fyziky, ako aj chémie a biológie.

Bobor

Ak „na prstoch“, potom je to miera priemernej energie častíc látky. Ak hovoríme o plynnej alebo kvapalnej - kinetickej energii, ak o pevnej látke, tak o energii vibrácií častíc v mriežke.
Tu je dôležité, že ide o mieru priemernej energie, t.j. ak je častíc príliš málo, potom pojem teploty stráca svoj význam. Napríklad vo vesmíre: tam plávajú najrôznejšie častice, ale je ich príliš málo na to, aby spriemerovanie energií dávalo zmysel.

Dmitrij D.

Bobor v princípe napísal správne, len vibrácie častíc v mriežke sú tiež kinetickou energiou. , takže najkratšia definícia je:
teplota je mierou priemernej kinetickej energie štruktúrnych častíc látky.

Teplota je jednoduchá!

Teplota

Teplota je mierou priemernej kinetickej energie molekúl.
Teplota charakterizuje stupeň ohrevu telies.

Prístroj na meranie teploty - teplomer.
Princíp fungovania teplomer:
Pri meraní teploty sa využíva závislosť zmeny ktoréhokoľvek makroskopického parametra (objem, tlak, elektrický odpor a pod.) látky od teploty.
V kvapalinových teplomeroch ide o zmenu objemu kvapaliny.
Pri kontakte dvoch médií sa energia prenáša z viac vyhrievaného prostredia do menej vyhrievaného prostredia.
Počas procesu merania sa telesná teplota a teplomer dostanú do stavu tepelnej rovnováhy.

Tekuté teplomery

V praxi sa často používajú kvapalinové teplomery: ortuťové (v rozsahu od -35 o C do +750 o C) a liehové (od -80 o C do +70 o C).
Využívajú vlastnosť kvapaliny meniť svoj objem pri zmene teploty.
Každá kvapalina má však svoje vlastné charakteristiky zmeny objemu (expanzie) pri rôznych teplotách.
V dôsledku porovnania napríklad hodnôt ortuťových a liehových teplomerov bude presná zhoda iba v dvoch bodoch (pri teplotách 0 o C a 100 o C).
Plynové teplomery tieto nevýhody nemajú.

Plynové teplomery

Prvý plynový teplomer vytvoril francúzsky fyzik J. Charles.

Výhody plynový teplomer:
- používa sa lineárna závislosť zmeny objemu plynu alebo tlaku od teploty, ktorá platí pre všetky plyny
- presnosť merania od 0,003 o C do 0,02 o C
- teplotný rozsah od -271 o C do +1027 o C.

Tepelná rovnováha

Pri kontakte dvoch telies rôznych teplôt sa vnútorná energia prenáša z viac zohriateho telesa na menej zohriate a teploty oboch telies sa vyrovnajú.
Nastáva stav tepelnej rovnováhy, v ktorom následne zostávajú všetky makroparametre (objem, tlak, teplota) oboch telies za konštantných vonkajších podmienok nezmenené.

Tepelná rovnováha je stav, v ktorom všetky makroskopické parametre zostávajú nezmenené neobmedzene dlhý čas.
Stav tepelnej rovnováhy sústavy telies charakterizuje teplota: všetky telesá sústavy, ktoré sú navzájom v tepelnej rovnováhe, majú rovnakú teplotu.
Zistilo sa, že pri tepelnej rovnováhe sú priemerné kinetické energie translačného pohybu molekúl všetkých plynov rovnaké, t.j.

Pre riedke (ideálne) plyny hodnota

a zavisi len od teploty

kde k je Boltzmannova konštanta

Táto závislosť umožňuje zaviesť novú teplotnú stupnicu – absolútnu teplotnú stupnicu, ktorá nezávisí od látky použitej na meranie teploty.

Absolútna teplotná stupnica

Zaviedol anglický fyzik W. Kelvin
- žiadne negatívne teploty

Jednotka SI absolútnej teploty: [T] = 1K (Kelvin)
Nulová teplota absolútnej stupnice je absolútna nula (0K = -273 o C), najnižšia teplota v prírode. V súčasnosti bola dosiahnutá najnižšia teplota - 0,0001 K.
Hodnota 1K sa rovná 1°C.

Vzťah medzi absolútnou stupnicou a stupnicou Celzia

Pamätajte! Vo vzorcoch je absolútna teplota označená písmenom „T“ a teplota na stupnici Celzia písmenom „t“.

Po zavedení absolútnej teploty dostaneme nové výrazy pre vzorce:

Priemerná kinetická energia translačného pohybu molekúl

Tlak plynu - základná rovnica MKT

Stredná štvorcová rýchlosť molekúl

Teplota je fyzikálna veličina, ktorá charakterizuje stav termodynamickej rovnováhy makroskopického systému. Teplota je rovnaká pre všetky časti izolovaného systému, ktorý je v termodynamickej rovnováhe. Ak izolovaný termodynamický systém nie je v rovnováhe, potom prechod energie (prenos tepla) z viac vyhrievaných častí systému do menej vyhrievaných vedie k vyrovnaniu teploty v celom systéme (nulový termodynamický zákon). V podmienkach rovnováhy je teplota úmerná priemernej kinetickej energii častíc telesa.

Teplotu nie je možné merať priamo. Zmena teploty sa posudzuje podľa zmien iných fyzikálnych vlastností telies (objem, tlak, elektrický odpor, emf, intenzita žiarenia atď.), ktoré s ňou jednoznačne súvisia (tzv. termodynamické vlastnosti). Každá metóda merania teploty zahŕňa definovanie teplotnej stupnice.

Metódy merania teploty sú rôzne pre rôzne rozsahy meraných teplôt, závisia od podmienok merania a požadovanej presnosti. Možno ich rozdeliť do dvoch hlavných skupín: kontaktné a bezkontaktné. Kontaktné metódy sa vyznačujú tým, že zariadenie merajúce teplotu média s ním musí byť v tepelnej rovnováhe, t.j. má rovnakú teplotu ako ona. Hlavnými komponentmi všetkých prístrojov na meranie teploty sú citlivý prvok, kde je realizovaná termometrická vlastnosť, a meracie zariadenie spojené s prvkom.

Podľa molekulárnej kinetickej teórie ideálneho plynu je teplota veličina, ktorá charakterizuje priemernú kinetickú energiu translačného pohybu molekúl ideálneho plynu. Berúc do úvahy termodynamický význam teploty, môžeme meranie teploty akéhokoľvek telesa zredukovať na meranie priemernej kinetickej energie molekúl ideálneho plynu.

V praxi však nie je energia molekúl meraná ich rýchlosťou, ale tlakom plynu, ktorý je priamo úmerný energii.

Podľa molekulárnej kinetickej teórie ideálneho plynu je teplota T je mierou priemernej kinetickej energie translačného pohybu molekúl:

Kde
J/C– Boltzmannova konštanta;

T– absolútna teplota v Kelvinoch.

Základná rovnica molekulárnej kinetickej teórie ideálneho plynu, stanovujúca závislosť tlaku z kinetickej energie translačného pohybu molekúl plynu má tvar:

, (2)

Kde – počet molekúl na jednotku objemu, t.j. koncentrácie.

Pomocou rovnice (1) a (2) získame závislosť

(3)

medzi tlakom a teplotou, čo nám umožňuje stanoviť, že tlak ideálneho plynu je úmerný jeho absolútnej teplote a koncentrácii molekúl, kde

(4)

Meranie teploty je založené na nasledujúcich dvoch experimentálnych faktoch:

a) ak sú dve telesá, z ktorých každé je v tepelnej rovnováhe s rovnakým tretím telesom, potom majú všetky tri telesá rovnakú teplotu;

b) zmena teploty je vždy sprevádzaná nepretržitou zmenou aspoň jedného z parametrov, nepočítajúc do toho samotnú teplotu, ktorá charakterizuje stav tela, napr.: objem, tlak, elektrická vodivosť atď. tieto ustanovenia vám umožňujú porovnávať teploty rôznych telies bez toho, aby ste ich sami priviedli do kontaktu.

Druhá pozícia umožňuje vybrať jeden z parametrov ako termometrický.

Vo všeobecnosti je teplota definovaná ako derivácia energie ako celku vzhľadom na jej entropiu. Takto definovaná teplota je vždy kladná (keďže kinetická energia je vždy kladná), na termodynamickej teplotnej stupnici sa nazýva teplota alebo teplota a označuje sa T. Jednotkou absolútnej teploty SI (International System of Units) je kelvin ( TO). Pozri "Úvod". Teplota sa často meria na stupnici Celzia (
), je spojená s T (TO) rovnosť

;
(5)

Kde
– tepelný koeficient objemovej rozťažnosti plynu.