Absolutní teplota - je to fyzikální veličina, která umožňuje měřit stupeň ohřevu nebo ochlazení těla vzhledem k určitému nulovému bodu. Na rozdíl od jiných měřicích systémů, jako je Celsius nebo Fahrenheit, absolutní teplotní stupnice nemá žádné záporné hodnoty. Používá se ve fyzice k řešení různých problémů souvisejících s tepelnými jevy a fyzikální chemií.
Absolutní teplota se měří v jednotkách Kelvinů (k). Tato stupnice byla zavedena v roce 1848 na počest skotského fyzika a inženýra Williama Thomsona, lépe známého jako lord Kelvin. Je založena na termodynamické stupnici, ve které Spodní teplotní limit dosahuje absolutní nuly – minimální teploty, která odpovídá úplné absenci tepelného pohybu látky.
Absolutní teplota souvisí s dalšími stupnicemi měření teploty-Celsia a Fahrenheita – jednoduchými matematickými vzorci. Na stupnici Celsia 0 stupňů odpovídá bodu mrazu vody a 100 bodu jejího varu při normálním atmosférickém tlaku. Na stupnici Fahrenheita jsou tyto hodnoty 32 a 212 stupňů. Ve vzorcích pro přeměnu teplot by měly být tyto hodnoty použity podle stupnic, které jsou převedeny na absolutní jednotky.
Historie měření teploty
První pokusy o měření teploty byly provedeny ve starověkém Egyptě. Lékaři používají teploměry vyrobené z keramiky k určení tělesné teploty pacienta. Tyto teploměry umožňovaly měřit teplotu pouze v celsiích.
V 17. století byla vynalezena stupnice Fahrenheita. Nechte pana založit svou stupnici na mytí skel teploměru v čpavku. Hladiny kapaliny uvnitř teploměru se měnily v závislosti na změně teploty. Stupnice Fahrenheita byla používána především v USA a Velké Británii.
V 18.století švédský fyzik Anders Celsius navrhl použít stupnici, která byla vhodná pro běžný život, založenou na bodech mrazu a varu vody. Tato stupnice se začala nazývat stupnice Celsia.
V 19.století navrhl hlavní systém měření teploty anglický fyzik William Thompson, lépe známý jako lord Kelvin. Navrhl stupnici založenou na absolutní nule a nazval ji kelvinova stupnice.
Kelvinova stupnice je dnes hlavní stupnicí pro měření absolutní teploty. To umožňuje provádět přesná a jednotná měření ve fyzice a vědě obecně.
Absolutní teplota a nulový absolutní
Nulová absolutní neboli Absolutní nula je spodní hranicí absolutní teploty. Odpovídá nejmenší energii, kterou částice může mít. Při této teplotě částice nemají tepelný pohyb a jejich energie je nulová.
Absolutní nula odpovídá -273.15 stupňům Celsia a 0 stupňům Kelvina. Toho je dosaženo odstraněním veškeré tepelné energie z látky. Na Kelvinově stupnici je nulový absolutní limit teploty nepřekonatelný.
Absolutní teplota je definována prostřednictvím zákona termodynamické teploty známého jako Gai-Lussacův zákon: objem pevného množství plynu je úměrný jeho termodynamické teplotě.
Stupnice měření absolutní teploty
Kelvinova stupnice je hlavním moderním systémem měření absolutní teploty a je založena na absolutní nule, která odpovídá absenci tepelné energie. Jeden Kelvin odpovídá jedné skotské stupnici, což výrazně rozšiřuje možnosti při měření vysokých a nízkých teplot.
Stupnice Celsia byla vyvinuta astronomem Andersem Celsiem a je založena na rozdělení intervalu mezi body tání a varu vody na 100 stejných dílů, za předpokladu normálního atmosférického tlaku. Bod tání vody je 0°C a bod varu vody je za normálních podmínek 100°C.
Stupnici Fahrenheita navrhl německý fyzik a inženýr Gabriel Fahrenheit. Je založen na rozdělení intervalu mezi teplotou tání a teplotou zbývající části směsi ledu a vody na 180 stejných dílů. Bod tání ledu je 32 ° F a teplota lidského těla je přibližně 98,6°F.
Stupnice měření absolutní teploty mají různá použití ve vědě, inženýrství a každodenním životě. Ale bez ohledu na zvolenou stupnici je základním principem měření absolutní teploty srovnání a zohlednění expanze a komprese teplometrické látky v souladu se změnami teploty.
| Stupnice | Vztažný bod | Konverze |
|---|---|---|
| Kelvin | Absolutní nula | K = °C + 273.15 |
| Celsius | Bod varu a bod tání vody | °C = K - 273.15 |
| Fahrenheita | Teplota tání a teplota zbývající části směsi ledu a vody | °F = (°C × 9/5) + 32 |
Spojení absolutní teploty a pohybu částic
Základní zákon, který spojuje absolutní teplotu a pohyb částic, se nazývá Maxwellův distribuční zákon. Podle tohoto zákona je průměrná kinetická energie částice úměrná teplotě: E = 3/2 * k * T, kde E je průměrná kinetická energie částice, K je Boltzmannova konstanta.
S rostoucí absolutní teplotou se tedy zvyšuje i průměrná kinetická energie částice. To znamená, že pohyb částic se stává intenzivnějším a chaotičtějším. Čím vyšší je teplota, tím rychleji se částice pohybují, což zvyšuje jejich srážky.
Vztah mezi absolutní teplotou a pohybem částic je důležitý v různých oblastech fyziky. Například při studiu plynného stavu látky umožňuje znalost teploty předpovídat chování molekul a atomů.
Absolutní teplota je spodní hranicí teplotní stupnice. Při dosažení nuly absolutní teploty (0 K nebo -273.15 °C) se pohyb částic zcela zastaví.
Použití absolutní teploty ve fyzice
1. Stav plynu: Boyle-Mariottův zákon a Charlesův zákon umožňují popis plynů pomocí absolutní teploty. Měření a regulace teploty hrají důležitou roli při zkoumání stavu plynu a ideálního plynu.
2. Termodynamika: V termodynamice se absolutní teplota používá k určení energetických stavů systému. Je základní veličinou pro studium procesů přenosu a přeměny tepelné energie.
3. Fázové přechody: Absolutní teplota hraje důležitou roli při studiu fázových přechodů různých látek. Měření a regulace teploty umožňují určit bod tání, bod varu a další charakteristiky fázových přechodů.
4. Kvantová fyzika: V kvantové fyzice se absolutní teplota používá k určení distribuce energie v systému částic. Vzhledem k tomu, že kvantové efekty se projevují při velmi nízkých teplotách, měření a kontrola absolutní teploty hrají zásadní roli ve výzkumu kvantové fyziky.
To jsou jen některé příklady použití absolutní teploty ve fyzice. Je důležitým parametrem v mnoha vědeckých a technických oborech a umožňuje přesnější popis a pochopení fyzikálních jevů a procesů.