Pojęcie temperatury
Pojęcie temperatury wyrosło z naszych wrażeń zmysłowych ciepła i zimna. Kiedy uważamy ciało za ciepłe, mówimy, że ma wysoką temperaturę. Kiedy zaś wydaje się nam zimne – mówimy, że ma niską temperaturę. Uczymy się mierzyć temperaturę przy pomocy termometrów zanim rozumiemy naturę fizyczną tej wielkości. Temperaturę mierzymy poprzez obserwację zmian pewnych własności fizycznych, takich jak np. długość kolumny cieczy w kapilarze, opór elektryczny.
Definicja temperatury z punktu widzenia fizyki brzmi : temperatura – skalarna wielkość fizyczna, jeden z parametrów określających stan układu termodynamicznego; jest miarą średniej energii kinetycznej chaotycznego ruchu cząsteczek (atomów) danego układu (ciała).
Skale temperatur
Jedna z pierwszych prób ustalenia skali temperatury podjęta została w 170 roku naszej ery przez starożytnego medyka Galena, który zaproponował 4 stopnie ciepła dla wrzącej wody, 4 stopnie zimna dla lodu oraz temperaturę “neutralną” dla mieszaniny równych ilości lodu i wrzącej wody.
Jeden z najstarszych termoskopów skonstruował Galileusz w 1610 roku. Zmiany temperatury w tym termoskopie obserwować można było dzięki podnoszeniu się lub opuszczaniu wina w cienkiej rurce. Ciałem termometrycznym w tym termometrze było powietrze (patrz rysunek).
Rys. Termoskop Galileusza
Robert Hook przyczynił się do pierwszych zapisów meteorologicznych temperatury, wprowadzając w 1664 r. termometr, pracujący w oparciu o rozszerzalność objętościową barwionego alkoholu. Jako punkt standardowy skali temperatury wybrał on punkt zamarzania wody, natomiast jeden stopień na wprowadzonej przez niego skali odpowiadał zwiększeniu objętości wody o 1/500.
Skala Fahrenheita – najstarszą znaną skalą temperatury jest zaproponowana w 1715 roku skala Fahrenheita (do dziś stosowana w krajach anglosaskich). Zastosowana została ona w termometrze rtęciowym, dla którego przyjęto zmiany wysokości słupa rtęci. Dwoma punktami stałymi temperatury były:
•0°F – temperatura mieszaniny wody i lodu z salmiakiem lub solą, oraz
•100°F – temperatura żony (chorej).
W 1724 r. Fahrenheit w swojej publikacji zaproponował już nieco inne punkty termometryczne:
•0°F – temperatura mieszaniny wody i lodu z salmiakiem lub solą,
•32°F – temperatura mieszaniny wody i lodu.
Fahrenheit w swojej pracy pisze, że jeśli taki termometr włożyć do ust zdrowego człowieka, to wskaże on temperaturę 96°F, zaś temperatura wrzącej wody wynosi 212°F.
Jedną z najstarszych skal temperatur, podstawową skalą stosowaną na świecie w życiu codziennym, jest skala Celsjusza. Celsjusz wprowadził ją w 1742 roku, a więc wiek przed tym, co uznajemy za początek termodynamiki. Potrzebne były dwa charakterystyczne punkty temperatury, za które przyjął topnienie śniegu i wrzenie wody. W publikacji w rocznikach Szwedzkiej Królewskiej Akademii Nauk pt. “Obserwacje dwóch stałych punktów na termometrze” Celsjusz pisał o swoich wysiłkach podjętych w celu przetestowania, na ile wybrane przez niego punkty są dobre. Otóż w ciągu dwóch lat podczas wszystkich miesięcy zimowych sprawdzał on, czy rzeczywiście wskazanie termometru dla topniejącego śniegu jest identyczne. Celsjusz przyjął oznaczenia temperatury odwrotne do tego, które stosujemy dziś, a mianowicie topniejącemu śniegowi przypisał temperaturę 100 stopni, zaś wrzącej wodzie 0 stopni. Używane dziś oznaczenia wprowadził Stromer.
Skala Celsjusza – stosowanej przez nas skali Celsjusza jednostką temperatury jest stopień,
oznaczany °C z wartością 0°C przypisaną dla temperatury topnienia lodu i 100°C do temperatury wrzenia wody – obie w warunkach normalnego ciśnienia atmosferycznego. Jeśli chcemy określić inne temperatury przy pomocy termometru, musimy najpierw zmierzyć wartość x własności X termometru (np. długość kolumny cieczy, opór elektryczny przewodnika) w dwóch ustalonych punktach i otrzymać wielkości x0 i x100. Średnia zmiana wielkości x własności X na stopień Celsjusza będzie:
(x100 – x0)/100.
Jeśli w określonej temperaturze własność ma wartość x, to zmiana od wartości w 0°C wynosi x-x0 i w związku z tym ta temperatura w °C wynosi:
t(°C) = 100 (x – x0)/ (x100 – x0) A
W skali Fahrenheita temperatura punktów termometrycznych skali Celsjusza wynosi:
•32°F – temperatura topnienia lodu (0°C)
•212°F – temperatura wrzenia wody (100°C).
A więc różnica:
180°F = 100°C i dlatego 1.8°F = 1°C .
Możemy więc zapisać relacje wiążące ze sobą omówione skale temperatury:
tF = tC × 1.8 + 32 , tC = (tF – 32)/1.8 .
Dla przykładu kilka temperatur wspomnianych powyżej:
•-17.8°C – temperatura mieszaniny lodu z salmiakiem,
• 37.8°C – temperatura żony (chorej).
Wspólnym punktem obu skal jest – 40 stopni:
- 40°F = – 40°C .
Możemy także nasze równanie (A) dla wybranego parametru x zapisać w skali Fahrenheita:
t(°F) = 32 + 180 (x – x32)/ (x212 – x32) .
Skala Kelvina – jest podstawową jednostką temperatury układu SI, powstała przez przyporządkowanie punktowi potrójnemu wody wartości równej 273,16 K. Za wartość zerową tej skali przyjęto temperaturę zera absolutnego. Jednostką temperatury w tej skali jest kelwin (1K). Wartość T° dobrano w taki sposób aby między wartością temperatury Tk w skali Kelvina a wartością temperatury tc w sali Celcjusza zachodził związek.
Tc = Tk – 273,15 Tk = Tc + 273,15
Skala Reaumura – powstała przez przyporządkowanie temperaturze 0°C wartości 0°R, a temperaturze 100° wartości 80°R. Jednostką w tej skali jest jeden stopień Reumera. Skala ta nie jest obecnie stosowana.
Tr = Tc Tc = Tr
Skala Rankine`a – powstała przez przyporządkowanie punktowi potrójnemu wody wartości 491,688°Rank. Jednostką temperatury w tej skali jest jeden stopień Rankine`a. Pomiędzy wartością w skali Rankine`a a wartością w skali Fahrenheita zachodzi związek:
Trank = Tf + 459,67
Międzynarodowa skala temperatur
Temperatura empiryczna to wielkość termodynamiczna, charakteryzująca stan równowagi termicznej układu makroskopowego. Temperatura ta jest jednakowa dla wszystkich części układu izolowanego, znajdującego się w stanie równowagi termicznej. Najdokładniejszym termometrem dla wyznaczania temperatury jest termometr gazowy, jednak jest on niewygodny i za jego pomocą wyznacza się z dużą dokładnością jedynie temperatury wybranych punktów termometrycznych.
Pierwsza Międzynarodowa Skala Temperatur ustanowiona została w 1927 r. na VII Generalnej Konferencji Wag i Miar. Celem międzynarodowego ujednolicenia skali temperatury było pokonanie trudności praktycznych bezpośredniej realizacji gazowej termometrii oraz zastąpienie istniejących narodowych skal temperatury. Skala wprowadzona została między temperaturą wrzenia tlenu i topnienia złota – ustalono szereg punktów temperaturowych i dwa przyrządy pomiarowe, kalibrowane w tych punktach: oporowy termometr platynowy w zakresie niższych temperatur i termoparę rod-platyna dla temperatur powyżej 660°C. Powyżej temperatury topnienia złota temperatura zdefiniowana została poprzez prawo Wiena i mierzona optycznie pirometrem. Poprawki do tej skali wprowadzono następnie w roku 1948.
W 1960 roku wprowadzona została Międzynarodowa Praktyczna Skala Temperatury 1948 (IPTS-48). Skala ta utrzymywała sugerowany na poprzednim spotkaniu Generalnej Konferencji punkt potrójny wody jako jedyny punkt definiujący kelvina, jednostkę skali termodynamicznej temperatury. Punktowi potrójnemu wody przypisano 0.01°C.
W 1968 r. rozszerzono skalę w dół do 13.81K, rekomendując zastosowanie pomiaru zmian ciśnienia gazowego helu z temperaturą.
W 1976 r. wprowadzono Prowizoryczną Skalę Temperatury w zakresie 0.5 – 30K.
W 1989 r. zaadoptowana została Międzynarodowa Skala Temperatury 1990 (ITS-90), obowiązująca do dziś. Skala ta zastąpiła skalę z 1968 r. i 1976 r. Przyjęto następujące ustalenie:: jednostką temperatury termodynamicznej T jest kelvin (K), zdefiniowany jako 1/273.16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody. W praktyce stosowana jest często skala Celsjusza. Jednostką skali Celsjusza jest stopień Celsjusza, °C.