Teplota

Vnímání teploty viz Thermoception

Obr. 1 Obrázek plynu molekul tvrdé sféry. Teplota plynu je měřítkem průměrné energie molekul, jak se pohybují a srážejí v krabici. Zde se ukazuje velikost atomů hélia v poměru k jejich rozestupům, aby se zmenšily pod tlakem 136 atmosfér. Tyto atomy s pokojovou teplotou mají určitou, průměrnou rychlost (zde zpomalenou bilionkrát).

Teplota je fyzikální vlastnost systému, která je základem běžných pojmů teplo a chlad; něco, co je teplejší, má větší teplotu. Teplota je jedním ze základních parametrů termodynamiky. Teplota systému souvisí s průměrnou energií mikroskopických pohybů v systému. U pevné látky jsou tyto mikroskopické pohyby především vibracemi atomů složek o jejich místech v pevné látce. U ideálního monatomického plynu jsou mikroskopické pohyby translačními pohyby částic plynu.

Teplota se měří pomocí teploměrů, které mohou být kalibrovány na různé teplotní stupnice. Na celém světě (s výjimkou USA) se pro většinu účelů měření teploty používá stupnice Celsia. Celsia měří celý vědecký svět (včetně USA) a termodynamickou teplotu v kelvinech. Kelvinovu a Celsiovu stupnici používá také mnoho inženýrských oborů v USA, zejména ty high-tech. Převážná část USA (jejich laici, průmysl, meteorologie a vláda) však spoléhá na Fahrenheitovu stupnici. Další inženýrské obory v USA také spoléhají na Rankinovu stupnici při práci v oborech souvisejících s termodynamikou, jako je spalování.

Teplota je míra průměrné energie částic (atomů nebo molekul) látky. Tato energie se vyskytuje jako translační pohyb částice nebo jako vnitřní energie částice, jako je molekulární vibrace nebo excitace elektronové energetické hladiny. Ačkoli je pro přímou detekci translačních tepelných pohybů nutné velmi specializované laboratorní vybavení, při tepelných srážkách atomů nebo molekul s malými částicemi suspendovanými v tekutině vzniká Brownův pohyb, který lze pozorovat běžným mikroskopem. Tepelné pohyby atomů jsou velmi rychlé a pro jejich přímé pozorování je nutná teplota blízká absolutní nule. Například když vědci v NIST dosáhli v roce 1994 rekordní studené teploty 700 nK (miliardtiny kelvinu), použili optické mřížkové laserové zařízení k adiabaticky ochlazení atomů cesia. Poté vypnuli zachycovací lasery a přímo měřili rychlost atomů 7 mm za sekundu, aby vypočítali jejich teplotu.

Molekuly, například O2, mají více stupňů volnosti než jednotlivé atomy: mohou mít rotační a vibrační pohyby stejně jako translační pohyb. Zvýšení teploty způsobí zvýšení průměrné translační energie. Také způsobí zvýšení energie spojené s vibračním a rotačním režimem. Tudíž diatomický plyn, s extra stupni volnosti jako rotace a vibrace, bude vyžadovat vyšší energetický příkon ke změně teploty o určité množství, tj. bude mít vyšší tepelnou kapacitu než monatomický plyn.

Formální vlastnosti teploty jsou studovány v termodynamice a statistické mechanice. Teplota systému v termodynamické rovnováze je definována vztahem mezi množstvím tepla dopadajícího na systém během infinitezimální kvasistatické transformace a změnou jeho entropie během této transformace.

Na rozdíl od entropie a tepla, jejichž mikroskopické definice platí i daleko od termodynamické rovnováhy, lze teplotu definovat pouze v termodynamické rovnováze, nebo lokální termodynamické rovnováze (viz níže).

Jak systém přijímá teplo, jeho teplota stoupá, podobně úbytek tepla ze systému má tendenci snižovat jeho teplotu (při – neobvyklé – výjimce záporné teploty, viz níže).

Jsou-li dva systémy při stejné teplotě, nedochází mezi nimi k přenosu tepla. Existuje-li teplotní rozdíl, má teplo tendenci se přesouvat ze systému s vyšší teplotou do systému s nižší teplotou, dokud nejsou v tepelné rovnováze. K tomuto přenosu tepla může docházet prostřednictvím vedení, konvekce nebo záření (viz teplo pro další diskusi o různých mechanismech přenosu tepla).

Teplota také souvisí s množstvím vnitřní energie a entalpie systému. Čím vyšší je teplota systému, tím vyšší je jeho vnitřní energie a entalpie.

Teplota je intenzivní vlastnost systému, což znamená, že nezávisí na velikosti systému nebo množství materiálu v systému. Mezi další intenzivní vlastnosti patří tlak a hustota. Naproti tomu hmotnost, objem a entropie jsou rozsáhlé vlastnosti a závisejí na množství materiálu v systému.

Doporučujeme:  Friedemann Schulz von Thun

Role teploty v přírodě

Teplota hraje důležitou roli téměř ve všech oblastech vědy, včetně fyziky, chemie a biologie.

Na teplotě závisí mnoho fyzikálních vlastností materiálů včetně fáze (pevná, kapalná, plynná nebo plazmatická), hustoty, rozpustnosti, tlaku par a elektrické vodivosti. Důležitou roli při určování rychlosti a rozsahu chemických reakcí hraje také teplota. To je jeden z důvodů, proč má lidské tělo několik složitých mechanismů pro udržení teploty na 37 °C, protože teploty jen o několik stupňů vyšší mohou vést ke škodlivým reakcím s vážnými následky. Teplota také řídí druh a množství tepelného záření vyzařovaného z povrchu. Jedním z použití tohoto efektu je žárovka, ve které je wolframové vlákno elektricky zahříváno na teplotu, při které je vyzařováno značné množství viditelného světla.

Teplotní závislost rychlosti zvuku ve vzduchu c, hustota vzduchu ρ a akustická impedance Z vs. teplota °C

Hlavní článek: Měření teploty, viz také Mezinárodní teplotní stupnice.

Měření teploty pomocí moderních vědeckých teploměrů a teplotních stupnic sahá přinejmenším do počátku 18. století, kdy Gabriel Fahrenheit upravil teploměr (přechod na rtuť) a stupnici vyvinutou Olem Christensenem Rømerem. Fahrenheitova stupnice se stále používá, vedle stupnice Celsia a Kelvinovy stupnice.

V oblasti fyziky plazmatu je kvůli vysokým teplotám a elektromagnetickému charakteru jevů, které se vyskytují, zvykem vyjadřovat teplotu v elektronvoltech (eV) nebo kiloelektronvoltech (keV), kde 1 eV = 11 605 K. Při studiu QCD hmoty se člověk běžně setkává s teplotami řádově několika stovek MeV, což odpovídá asi 1012 K.

Pro každodenní použití je často výhodné použít stupnici Celsia, v níž 0 °C odpovídá teplotě, při které voda mrzne, a 100 °C odpovídá bodu varu vody na úrovni moře. V této stupnici je teplotní rozdíl 1 stupeň stejný jako teplotní rozdíl 1 K, takže stupnice je v podstatě stejná jako Kelvinova stupnice, ale kompenzovaná teplotou, při které voda mrzne (273,15 K). Následující rovnici lze tedy použít pro převod ze stupňů Celsia na kelviny.

Ve Spojených státech je široce používána stupnice Fahrenheita. Na této stupnici odpovídá bod tuhnutí vody 32 °F a bod varu 212 °F.

Viz vzorce převodu teploty pro převody mezi většinou teplotních stupnic.

U některých systémů a specifických definic teploty je možné získat zápornou teplotu. Systém se zápornou teplotou není chladnější než absolutní nula, ale spíše je v jistém smyslu teplejší než nekonečná teplota.

Viz Řádová velikost (teplota).

Teoretické základy teploty

Definice teploty podle nulového zákona

Zatímco většina lidí má základní chápání pojmu teplota, jeho formální definice je dosti komplikovaná. Než skočíme k formální definici, zamysleme se nad pojmem tepelná rovnováha. Pokud se spojí dva uzavřené systémy s pevnými objemy, takže jsou v tepelném kontaktu, mohou nastat změny ve vlastnostech obou systémů. Tyto změny jsou způsobeny přenosem tepla mezi systémy. Když je dosaženo stavu, ve kterém nedojde k dalším změnám, jsou systémy v tepelné rovnováze.

Základ pro definici teploty lze nyní získat z tzv. nulového zákona termodynamiky, který říká, že pokud jsou dva systémy, A a B, v tepelné rovnováze a třetí systém C je v tepelné rovnováze se systémem A, pak budou systémy B a C také v tepelné rovnováze (být v tepelné rovnováze je přechodný vztah; navíc je to rovnovážný vztah). To je empirický fakt, založený spíše na pozorování než na teorii. Protože A, B a C jsou všechny v tepelné rovnováze, je rozumné říci, že každý z těchto systémů sdílí společnou hodnotu nějaké vlastnosti. Nazýváme tuto vlastnost teplotou.

Doporučujeme:  Ernst Wilhelm von Brücke

Obecně není výhodné umístit do tepelného kontaktu libovolné dva systémy, aby se zjistilo, zda jsou v tepelné rovnováze, a mají tedy stejnou teplotu. Také by to poskytovalo pouze řadovou stupnici.

kde ‚T je teplota, n je počet molů plynu a R je plynová konstanta. Lze tedy definovat stupnici teploty na základě odpovídajícího tlaku a objemu plynu: teplota v kelvinech je tlak v pascalech jednoho molu plynu v nádobě o objemu jeden metr krychlový, děleno 8,31… V praxi takový plynový teploměr není příliš vhodný, ale na tuto stupnici lze kalibrovat i jiné měřicí přístroje.

Rovnice 1 ukazuje, že při pevném objemu plynu se tlak zvyšuje s rostoucí teplotou. Tlak je jen měřítkem síly, kterou plyn působí na stěny zásobníku a souvisí s energií systému. Vidíme tedy, že zvýšení teploty odpovídá zvýšení tepelné energie systému. Když jsou dva systémy s rozdílnou teplotou umístěny v tepelném kontaktu, teplota teplejšího systému se snižuje, což ukazuje, že teplo tento systém opouští, zatímco systém chladiče získává teplo a jeho teplota roste. Teplo se tak vždy přesouvá z oblasti s vysokou teplotou do oblasti s nižší teplotou a je to teplotní rozdíl, který pohání přenos tepla mezi oběma systémy.

U monatomického ideálního plynu souvisí teplota s translačním pohybem nebo průměrnou rychlostí atomů. Kinetická teorie plynů používá statistickou mechaniku, aby tento pohyb vztáhla k průměrné kinetické energii atomů a molekul v systému. Tato průměrná energie je nezávislá na hmotnosti částic, což se mnoha lidem zdá neintuitivní. Ačkoli teplota souvisí s průměrnou kinetickou energií částic v plynu, každá částice má svou vlastní energii, která může, ale nemusí odpovídat průměru. Nicméně po prozkoumání některých základních fyzikálních rovnic to dává dokonalý smysl. Druhý termodynamický zákon říká, že jakékoli dva dané systémy při vzájemném působení později dosáhnou stejné průměrné energie. Teplota je míra vztažená k průměrné kinetické energii systému. Vzorec pro kinetickou energii atomu je:

(Všimněte si, že výpočet kinetické energie složitějšího objektu, jako je molekula, je o něco více zapojen. Jsou k dispozici další stupně volnosti, takže musí být zahrnuta i molekulární rotace nebo vibrace.)
Částice s větší hmotností (řekněme atom neonu ve vztahu k molekule vodíku) se tedy budou pohybovat pomaleji než lehčí protějšky, ale budou mít stejnou průměrnou energii. Tato průměrná energie je nezávislá na hmotnosti vzhledem k povaze plynu, všechny částice jsou v náhodném pohybu se srážkami s jinými molekulami plynu, pevnými objekty, které mohou být v oblasti, a nádobou samotnou (pokud tam nějaká je). Vizuální ilustrace toho z Oklahomské státní univerzity to objasňuje. Částice s různou hmotností mají různá rozdělení rychlosti, ale průměrná kinetická energie je stejná kvůli zákonu ideálního plynu. V plynu rozdělení energie (a tedy rychlosti) částic odpovídá Boltzmannovu rozdělení.

Teplota objektu je úměrná průměrné kinetické energii molekul v něm. V čistém vakuu nejsou žádné molekuly. Neexistuje nic, čím by se měřila kinetická energie, a teplota není definována. Pokud by byl teploměr umístěn ve vakuu, odečet by byl měřením vnitřní teploty teploměru, nikoli vakua, které ho obklopuje.

Všechny objekty vyzařují záření černého tělesa. Postupem času bude teploměr v čistém vakuu vyzařovat tepelnou energii a bude donekonečna snižovat teplotu, dokud nedosáhne nulového energetického limitu.

V praxi neexistuje nic takového jako čisté vakuum, protože fotony budou vždy spojeny se zářením černého tělesa stěn vakua. Teploměr obíhající kolem Země může snadno absorbovat energii ze slunečního světla rychleji, než ji může vyzařovat pryč. To může vést k dramatickému zvýšení teploty.

Teploměr izolovaný od slunečního záření (například ve stínu většího tělesa) je stále vystaven záření kosmického mikrovlnného pozadí. V tomto případě se bude teplota měnit tak dlouho, dokud se rychlost energetických ztrát a přírůstků nedostane do rovnováhy. V tomto bodě bude mít teploměr teplotu 2,725 K, což se často označuje jako teplota prostoru.

Doporučujeme:  Myastenie

Definice teploty podle druhého zákona

V předchozím oddíle byla teplota definována pomocí Nultého zákona termodynamiky. Je také možné definovat teplotu pomocí druhého zákona termodynamiky, který se zabývá entropií. Entropie je měřítkem poruchy v systému. Druhý zákon říká, že jakýkoli proces povede buď k žádné změně, nebo k čistému zvýšení entropie vesmíru. To lze chápat jako pravděpodobnost. Vezměme si sérii hodů mincí. Dokonale uspořádaný systém by byl takový, ve kterém by každý hod mincí měl buď pannu, nebo orel. Pro libovolný počet hodů mincí existuje pouze jedna kombinace výsledků odpovídající této situaci. Na druhé straně existuje více kombinací, které mohou vést k neuspořádaným nebo smíšeným systémům, kde část jsou panny a zbytek orel. S rostoucím počtem hodů mincí roste počet kombinací odpovídajících nedokonale uspořádaným systémům. Pro velmi velký počet hodů mincí dominuje počet kombinací odpovídajících ~50% hlavám a ~50% orlům a dosažení výsledku výrazně odlišného od 50/50 se stává extrémně nepravděpodobným. Systém tak přirozeně postupuje do stavu maximální neuspořádanosti nebo entropie.

Již dříve jsme uvedli, že teplota řídí tok tepla mezi dvěma systémy a právě jsme ukázali, že vesmír, a očekávali bychom každý přirozený systém, má tendenci postupovat tak, aby maximalizoval entropii. Tudíž bychom očekávali, že bude existovat nějaký vztah mezi teplotou a entropií. Abychom našli tento vztah, podívejme se nejprve na vztah mezi teplem, prací a teplotou. Tepelný motor je zařízení pro přeměnu tepla na mechanickou práci a analýza Carnotova tepelného motoru poskytuje potřebné vztahy, které hledáme. Práce z tepelného motoru odpovídá rozdílu mezi teplem vloženým do systému při vysoké teplotě, qH a teplem vypuštěným při nízké teplotě, qC. Účinnost je práce dělená teplem vloženým do systému nebo:

Carnotova věta říká, že všechny vratné motory pracující mezi stejnými tepelnými zásobníky jsou stejně účinné. Tepelný motor pracující mezi T1 a T3 tedy musí mít stejnou účinnost jako motor skládající se ze dvou cyklů, jeden mezi T1 a T2 a druhý mezi T2 a T3. Tak tomu může být pouze v případě, že:

Protože první funkce je nezávislá na T2, musí se tato teplota na pravé straně rušit, což znamená, že f(T1,T3) má tvar g(T1)/g(T3) (tj. f(T1,T3) = f(T1,T2)f(T2,T3) = g(T1)/g(T2)· g(T2)/g(T3) = g(T1)/g(T3)), kde g je funkcí jedné teploty. Nyní můžeme zvolit teplotní stupnici s vlastností, že:

Nahrazení rovnice 4 zpět do rovnice 2 dává vztah pro účinnost z hlediska teploty:

kde záporné znaménko označuje teplo vypuzené ze systému. Tento vztah naznačuje existenci stavové funkce S definované pomocí:

kde dolní index označuje reverzibilní proces. Změna této stavové funkce kolem každého cyklu je nulová, což je nutné pro každou stavovou funkci. Tato funkce odpovídá entropii systému, kterou jsme popsali dříve. Můžeme přeskupit Rovnici 6, abychom získali novou definici teploty z hlediska entropie a tepla:

Pro systém, kde entropie S může být funkcí S(E) jeho energie E, je teplota T dána:

Vzájemná hodnota teploty je rychlost nárůstu entropie s energií.

Atmosférický tlak · Baroklina · Cloud · Konvekce · CAPE · CIN · Dew point · Heat index · Humidex · Humidity · Lifted index · Lightning · Pot T · Precipitation · Sea surface temperature · Surface solar radiation · Surface weather analysis · Teplota · Theta-e · Visibility · Vorticity · Wind chill · Water vapor · Wind

Najít tuto stránku na Wiktionary:
Teplota