Проект "Изменения температуры" 10 класс
Республика Татарстан г. Казань МБОУ «Средняя общеобразовательная школа № 135
с углубленным изучением отдельных предметов»
Информационный проект
Изменения температуры
Учащаяся: Галеева Айгуль, 10 класс
Руководитель: учитель физики Широкова И.Б.
Казань - 2014
2
Оглавление:
-Ведение: температура………………………………………………………3 - 4
-Температурные шкалы и их изобретатели……………………………….. 5 - 9
-Самая высокая температура в мире, полученная искусственно……………10
-Самая высокая температура в мире………………………………………….. 11
-Самая низкая температура в мире…………………………………………….12
-Интересные факты…………………………………………………………….. 13
- Заключение …………………………………………………………………… 14
- Используемые ресурсы ………………………………………………………. 15
3
Введение.
Температу
́
ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное
состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая состояние
термодинамического равновесия макроскопической системы. Температура всех частей
системы, находящейся в равновесии, одинакова. Если система не находится в
равновесии, то между её частями, имеющими различную температуру, происходит
теплопередача (переход энергии от более нагретых частей системы к менее нагретым),
приводящая к выравниванию температур в системе.
Температура определяет: распределение образующих систему частиц по уровням
энергии (см. Статистика Максвелла — Больцмана) и распределение частиц по
скоростям (см. Распределение Максвелла); степень ионизации вещества (см.
Уравнение Саха); спектральную плотность излучения (см. Формула Планка); полную
объёмную плотность излучения (см. Закон Стефана — Больцмана) и т. д. Температуру,
входящую в качестве параметра в распределение Больцмана, часто называют
температурой возбуждения, в распределение Максвелла — кинетической
температурой, в формулу Саха — ионизационной температурой, в закон Стефана —
Больцмана — радиационной температурой. Поскольку для системы, находящейся в
термодинамическом равновесии, все эти параметры равны друг другу, их называют
просто температурой системы
[1]
.
Температура относится к интенсивным величинам, не зависящим от массы системы.
Более строгие определения температуры, даваемые ей в различных разделах физики,
смотри ниже.
Интуитивно понятие температура появилось как мера градации наших ощущений
тепла и холода; на бытовом уровне температура воспринимается как параметр,
служащий для количественного описания степени нагретости материального
объекта
[2]
.
Тепловое движение α-пептида. Сложное колебательное движение атомов,
составляющих пептид, случайно, и энергия отдельного атома флуктуирует в широких
пределах, но с помощью закона равнораспределения вычисляют как среднюю
кинетическую энергию каждого атома, так и среднюю потенциальную энергию
многих колебаний. Серые, красные и синие шары обозначают атомы углерода,
кислорода и азота, соответственно; маленькие белые шарики представляют атомы
водорода.
4
В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура
используется в качестве одной из семи основных физических величин, входящих в
Международную систему величин (англ. International System of Quantities, ISQ), а её
единицей является кельвин, представляющий собой, соответственно, одну из семи
основных единиц СИ
[3]
. Кроме термодинамической температуры в СИ используется
температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия, входящий в состав
производных единиц СИ, имеющих специальные наименования и обозначения, и по
размеру равный кельвину
[4]
. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за
исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда
(0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство
климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим
диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно
изменению температуры на один кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового
определения кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной
реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а
близка к 99,975 °C
[2]
.
Существуют также шкала Фаренгейта и некоторые другие.
5
Температурные шкалы и их изобретатели
Температурные шкалы. Существует несколько градуированных температурных шкал,
и за точки отсчета в них обычно взяты температуры замерзания и кипения воды.
Сейчас самой распространенной в мире является шкала Цельсия. В 1742 шведский
астроном Андерс Цельсий предложил 100-градусную шкалу термометра, в которой за
0 градусов принимается температура кипения воды при нормальном атмосферном
давлении, а за 100 градусов - температура таяния льда. Деление шкалы составляет
1/100 этой разницы. Когда стали использовать термометры, оказалось удобнее
поменять местами 0 и 100 градусов. Возможно, в этом участвовал Карл Линней (он
преподавал медицину и естествознание в том же Упсальском университете, где
Цельсий - астрономию), который еще в 1838 году предложил за 0 температуры
принять температуру плавления льда, но, похоже, не додумался до второй реперной
точки. К настоящему времени шкала Цельсия несколько изменилась: за 0°C по-
прежнему принята температура таяния льда при нормальном давлении, которая от
давления не очень зависит. Зато температура кипения воды при атмосферном
давлении теперь равна 99,975°C, что не отражается на точности измерения
практически всех термометров, кроме специальных прецизионных.
Известны также температурные шкалы Фаренгейта, Кельвина, Реомюра и др.
Температурная шкала Фаренгейта (во втором варианте, принятом с 1714 г.) имеет три
фиксированные точки: 0° соответствовал температуре смеси воды, льда и нашатыря,
96° – температуре тела здорового человека (под мышкой или во рту). В качестве
контрольной температуры для сверки различных термометров было принято значение
32° для точки таяния льда. Шкала Фаренгейта широко распространена в англоязычных
странах, но ею почти не пользуются в научной литературе. Для перевода температуры
по Цельсию (°С) в температуру по Фаренгейту (°F) существует формула °F = (9/5)°C +
32, а для обратного перевода – формула °C = (5/9)(°F-32). Обе шкалы – как
Фаренгейта, так и Цельсия, – весьма неудобны при проведении экспериментов в
условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды и выражается
отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы
температур, в основе которых лежит экстраполяция к так называемому абсолютному
нулю – точке, в которой должно прекратиться молекулярное движение. Одна из них
называется шкалой Ранкина, а другая – абсолютной ермодинамической шкалой;
температуры по ним измеряются в градусах Ранкина (°Rа) и кельвинах (К). Обе шкалы
начинаются при температуре абсолютного нуля, а точка замерзания воды
соответствует 491,7° R и 273,16 K. Число градусов и кельвинов между точками
6
замерзания и кипения воды по шкале Цельсия и абсолютной термодинамической
шкале одинаково и равно 100; для шкал Фаренгейта и Ранкина оно тоже одинаково, но
равно 180. Градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,16, а
градусы Фаренгейта – в градусы Ранкина по формуле °R = °F + 459,7. в Европе долгое
время была распространена шкала Реомюра, введённая в 1730 г Рене Антуаном де
Реомюром. Она построена не произвольным образом, как шкала Фаренгейта, а в
соответствии с тепловым расширением спирта (в отношении 1000:1080). 1 градус
Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0°R)
и кипения воды (80°R), т. е. 1°R = 1.25°С, 1°C = 0.8°R., но в настоящее время вышла из
употребления.
После введения Международной системы единиц (СИ) к применению рекомендованы
две температурные шкалы. Первая шкала - термодинамическая, которая не зависит от
свойств используемого вещества (рабочего тела) и вводится посредством цикла Карно.
Единицей измерения температуры в этой температурной шкале является один кельвин
(1 К) - одна из основных единиц в системе СИ. Эта единица названа в честь
английского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который разрабатывал эту
шкалу и сохранил величину единицы измерения температуры такой же, как и в
температурной шкале Цельсия. Вторая рекомендованная температурная шкала -
международная практическая. Эта шкала имеет 11 реперных точек - температуры
фазовых переходов ряда чистых веществ, причём значения этих температурных точек
постоянно уточняются. Единицей измерения температуры в международной
практической шкале также является 1 К.
В настоящее время основной реперной точкой, как термодинамической шкалы, так и
международной практической шкалы температур является тройная точка воды.
Эта точка соответствует строго определенным значениям температуры и давления,
при которых вода может одновременно существовать в твердом, жидком и
газообразном состояниях. Причем, если состояние термодинамической системы
определяется только значениями температуры и давления, то тройная точка может
быть только одна. В системе СИ температура тройной точки воды принята равной
273.16 К при давлении 609 Па.
Кроме задания реперных точек, определяемых с помощью эталона температуры,
необходимо выбрать термодинамическое свойство тела, описывающееся физической
величиной, изменение которой является признаком изменения температуры или
термометрическим признаком. Это свойство должно быть достаточно легко
воспроизводимо, а физическая величина - легко измеряемой. Измерение указанной
физической величины позволяет получить набор температурных точек (и
7
соответствующих им значений температуры), промежуточных по отношению к
реперным точкам.
Соотношение температурной шкалы Фаренгейта и Цельсия
шкала Фаренгейта
шкала Цельсия
Точка кипения
212°
100°
194°
90°
176°
80°
158°
70°
140°
60°
122°
50°
104°
40°
86°
30°
68°
20°
50°
10°
Точка замерзания
32°
0°
14°
-10°
0°
-17,8°
Температура абсолютного нуля
-459,67°
-273,15°
При переводе из шкалы Фаренгейта в шкалу Цельсия из исходной цифры
вычитают 32 и умножают на 5/9.
При переводе из шкалы Цельсия в шкалу Фаренгейта исходную цифру
умножают на 9/5 и прибавляют 32.
Термометры. Решающий вклад в развитие конструкции термометров внёс немец
Габриэль Даниэль Фаренгейт. В1709 году он изобрёл спиртовой термометр, а в 1714 –
8
ртутный. Он придал им ту же форму, что применяется и сейчас. Успех его
термометров следует искать во введенном им новом методе очищения ртути; кроме
того, перед запаиванием он кипятил жидкость в трубке. Рене Антуан де Реомюр не
одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента
расширения ртути. В 1730 г. он предложил применять в термометрах спирт, а. В 1731
году изобрёл водно-спиртовой термометр. И поскольку Реомюр нашел, что
применяемый им спирт, смешанный в пропорции 5:1 с водой, расширяется в
отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки
кипения воды, то предложил шкалу от 0 до 80°.
Учёные. Андерс Цельсий. Андерс Цельсий (Anders Celsius) родился 27 ноября 1701
года в Швеции. Область его интересов: астрономия, общая физика, геофизика.
Преподавал в Упсальском университете астрономию, основал там астрономическую
обсерваторию. Цельсий первым измерил яркость звезд, установил взаимосвязь между
северным сиянием и колебаниями в магнитном поле Земли. Он принимал участие в
Лапландской экспедиции 1736-1737 годов по измерению меридиана. По возвращении
из полярных областей Цельсий начал активную работу по организации и
строительству астрономической обсерватории в Упсале и в 1740 стал ее директором.
Умер Андерс Цельсий 25 марта 1744 года. В честь него назван минерал цельзиан –
разновидность бариевого полевого шпата.
Габриэль Фаренгейт. Даниэль Габриэль Фаренгейт (Daniel Gabriel
Fahrenheit) (1686–1736) - немецкий физик. Родился 24 мая 1686 в Данциге (ныне
Гданьск, Польша). Изучал физику в Германии, Голландии и Англии. Почти всю жизнь
прожил в Голландии, где занимался изготовлением точных метеорологических
приборов. В 1709 изготовил спиртовой, в 1714 – ртутный термометр, использовав
новый способ очистки ртути. Для ртутного термометра Фаренгейт построил шкалу,
имеющую три реперные точки: 0° соответствовал температуре смеси вода – лед –
нашатырный спирт, 96° – температуре тела здорового человека, а в качестве
контрольной температуры было принято значение 32° для точки таяния льда.
Температура кипения чистой воды по шкале Фаренгейта составила 212°. Шкала
Фаренгейта применяется во многих англоязычных странах, хотя постепенно уступает
место шкале Цельсия. Помимо изготовления термометров, Фаренгейт занимался
усовершенствованием барометров и гигрометров. Исследовал также зависимость
изменения температуры кипения жидкости от атмосферного давления и содержания в
ней солей, обнаружил явление переохлаждения воды, составил таблицы удельных
весов тел. Умер Фаренгейт в Гааге 16 сентября 1736.
9
Рене Реомюр. Рене Антуан де Реомюр (Rene Antoin de Reaumur) родился 28 февраля
1683 года в Ла-Рошель, французский естествоиспытатель, иностранный почетный
член Петербургской АН (1737). Труды по регенерации, физиологии, биологии
колоний насекомых. Предложил температурную шкалу, названную его именем. Он
усовершенствовал некоторые способы приготовления стали, им, одним из первых,
были сделаны попытки научного обоснования некоторых процессов литья, написал
работу "Искусство превращения железа в сталь". Он пришел к ценному выводу,
железо, сталь, чугун, различаются по количеству некоторой примеси и добавляя эту
примесь к железу, путем цементации или сплавления с чугуном Реомюр получал
сталь. В 1814 году К. Каретен доказал, что этой примесью является углерод. Реомюр
дал способ приготовления матового стекла. Сегодня память связывает его имя только
лишь с изобретением долго использовавшейся температурной шкалы. На самом же
деле Рене Антуан Фершант де Реомюр, живший в 1683-1757 годах, главным образом, в
Париже, относился к тем учёным, универсальность которых в наше время - время
узкой специализации - трудно себе представить. Реомюр был одновременно техником,
физиком и естествоиспытателем. Большую известность за пределами Франции он
приобрёл как энтомолог. В последние годы своей жизни Реомюр пришёл к идее, что
поиски таинственной преобразующей силы следует вести в тех местах, где её
проявление наиболее очевидно - при преобразовании пищи в организме, т.е. при её
усвоении. Скончался 17 октября 1757 года в замке Бермовдьер близ Сен-Жюльен-дю-
Терру (Майенн).
Уильям Ранкин. Уильям Джон Макуорн Ранкин (Ренкин) (William John M. Rankine)
(1820-72) , шотландский инженер и физик, один из создателей технической
термодинамики. Предложил теоретический цикл парового двигателя (цикл Ранкина),
температурную шкалу (шкала Ранкина), нуль которой совпадает с нулем
термодинамической температуры, а по размеру 1 град Р. ( °R) равен 5/9 К (шкала
широкого распространения не получила).
10
Самая высокая температура, полученная искусственно
Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) попали в книгу
рекордов Гиннеса: в ходе эксперимента по столкновению ионов золота в коллайдере
RHIC они получили вещество, разогретое до невероятно высокой температуры - около
четырех триллионов градусов, что в 250 тысяч раз выше температуры в центре
Солнца.
Компания Guinness World Records официально признала рекорд Брукхейвена и
отнесла его к категории "Самая высокая температура, полученная искусственно",
говорится в сообщении лаборатории.
Физики сталкивали разогнанные почти до скорости света ядра атомов золота в
Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC), чтобы получить кварк-глюонную
материю, которая, как полагают ученые, заполняла Вселенную в первые
микросекунды после ее возникновения 13,7 миллиарда лет назад.
В нормальном состоянии кварки находятся в состоянии конфайнмента (заключения) в
протонах и нейтронах. При столкновении тяжелых ионов возникают настолько
высокая температура, что нейтроны и протоны "плавятся", образуя кварк-глюонную
плазму. В результате экспериментов ученые выяснили, что кварк-глюонная материя
ведет себя как почти идеальная жидкость.
Эксперименты по получению кварк-глюонной материи проводятся и на других
установках, в частности, на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе (Швейцария).
Здесь физики сталкивают ионы свинца и следят за результатами столкновений с
помощью специализированного детектора ALICE (A Large Ion Collider Experiment).
Плотность энергии, которая достигается на Большом адронном коллайдере, примерно
в три раза выше, чем RHIC. Это означает, что температура, которая там достигается,
примерно на 30% выше, чем в Брукхейвене.
Однако физики ЦЕРНа пока не публиковали официальные измерения температуры,
поэтому в книге рекордов Гиннеса значится результат RHIC.
Российские физики также намерены исследовать кварк-глюонную плазму, для этого в
Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в подмосковной Дубне
строится коллайдер тяжелых ионов NICA.
11
Самая высокая температура в мире
Сложно определить, какая самая высокая температура в мире. Ведь есть температуры,
которые стабильно дежатся на высокой отметке в определенной точке нашей планеты
не один месяц и так бьют рекорды.
Есть очень высокие температуры, которые создаются человеком в специальных
условиях. Можно выделить самую высокую температуру, которая была зафиксировала
в определенный день. Поэтому, в этой номинации рекордов может быть не один и
даже не два.
Наивысшую температуру в тени столбик термометра зафиксировал в 1922 году. В тот
год 13 сентября в поселении Эль – Азизия, что в Ливии температура достигла отметки
в +58 С. А Саудовская Аравия отличилась в тот же день. Температура здесь дошла до
уровня +58,4 С.
Рекорды были побиты и в одной из пустынь Ливии в Дашти-Лут. Температура песка
поднялась до отметки в 70С. На таком горячем песке можно было бы готовить пищу, а
вот ходить босиком по нему все же было бы огромной ошибкой.
Долина Смерти, что в Калифорнии, не раз называлась одним из самых жарких и
неприспособленных к жизни мест. Здесь на протяжении 43 дней столбик термометра
не опускался ниже 48 С.
Самая высокая температура, которую смог создать человек – 510 млн.С. В это верится
с трудом, однако, этот показатель в три десятка раз выше, чем температура в ядре
Солнца.
12
Самая низкая температура в мире
Последний раз самую низкую температуру на Земле зафиксировали в 1983 году, 21
июля в Антарктике на станции «Восток» температура упала до - 89,6 °С, или около -
128,6 градусов по Фаренгейту. В таких условиях специальная аппаратура работала на
пределе, но работникам станции «Восток» удалось не только без потерь пережить этот
день, но и сделать важные замеры.
Также на Земле ведется статистика самой холодной среднегодовой температуры, и
опять отличился один из полюсов холода – но уже Антарктида, в 1958 году средняя
температура в районе Южного полюса составила всего -57,8°С.
-143°С именно такую температуру зафиксировали 27 июля 1963 года в атмосфере
над Швецией, на высоте около 85 километров, на сегодняшний день это самая
холодная температура зарегистрированная в атмосфере Земли
13
Интересные факты
Самая низкая температура на Земле до 1910 −68 °С, Верхоянск
Самая высокая температура, созданная человеком, ~ 10 трлн К (что сравнимо с
температурой Вселенной в первые секунды её жизни) была достигнута в 2010
году при столкновении ионов свинца, ускоренных до околосветовых скоростей.
Эксперимент был проведён на Большом Адронном Коллайдере
Самая высокая теоретически возможная температура — планковская
температура. Более высокая температура по современным физическим
представлениям не может существовать, так как придание дополнительной
энергии системе, нагретой до такой температуры, не увеличивает скорости
частиц, а только порождает в столкновениях новые частицы, при этом число
частиц в системе растёт и растёт масса системы. Можно считать, что это
температура "кипения" физического вакуума. Она примерно равна
1.41679(11)·10
32
K (примерно 142 нониллиона K).
Поверхность Солнца имеет температуры около 6000 K.
Самая низкая температура, достигнутая человеком, была получена в 1995 году
Эриком Корнеллом и Карлом Виманом из США при охлаждении атомов
рубидия. Она была выше абсолютного нуля менее чем на 1/170 миллиардную
долю кельвина (5,9·10
−12
K).
Рекордно низкая температура на поверхности земли −89.2 °С была
зарегистрирована на советской внутриконтинентальной научной станции
Восток, Антарктида (высота 3488 м над уровнем моря) 21 июля 1983 года.
9 декабря 2013 года на конференции Американского геофизического союза
группа американских исследователей сообщила о том, что 10 августа 2010 года
температура воздуха в одной из точек Антарктиды опускалась до -135,8 F (-93,2
°С). Данная информация была выявлена в результате анализа спутниковых
данных НАСА. По мнению выступавшего с сообщением Т. Скамбоса (англ. Ted
Scambos) полученное значение не будет зарегистрировано в качестве
рекордного, поскольку определено в результате спутниковых измерений, а не с
помощью термометра.
14
Рекордно высокая температура воздуха вблизи поверхности земли + 56,7 ˚C
была зарегистрирована 10 июля 1913 года на ранчо Гринленд в долине Смерти
(штат Калифорния, США).
Заключение.
Температура является важнейшим жизненным фактором. Температура
оказывает огромное влияние на многие стороны жизнедеятельности организмов.
Диапазон температур, в которых может существовать жизнь, колеблется
примерно от -200°С до +100°С, иногда обнаруживается существование бактерии
в горячих источниках при температуре 250°С. В действительности, большинство
организмов могут существовать при еще более узком диапазоне температур.
Любой вид способен жить только в пределах определенного интервала
температур. За пределами этих критических крайних температур, холод или
жара, наступает смерть организма. Где-то между ними находится оптимальная
температура, при которой жизнедеятельность всех организмов, живого вещества
в целом идет активно. Некоторые животные способны поддерживать
постоянную температуру тела, не зависимо от температуры окружающей среды.
У других животных температура тела меняется в зависимости от температуры
окружающей среды. Что касается человека, то температура тела каждого
человека в течение дня колеблется в небольших пределах, оставаясь в диапазоне
от 35,5 до 37,4 °C для здорового человека. Следуя суточному ритму, наиболее
низкая температура тела отмечается утром, около 6 часов, а максимальное
значение достигается вечером. Как и многие другие биоритмы, температура
следует суточному циклу Солнца, а не уровню нашей активности. Люди,
работающие ночью и спящие днем, демонстрируют тот же цикл изменения
температуры, что и остальные. Уровень температуры ниже 35 °C указывает на
наличие серьёзного заболевания (обычно это результат облучения). Жертвы
переохлаждения впадают в ступор, если температура их тела снижается до
отметки 32,2 °C, большинство теряют сознание при 29,5 °C и погибают при
температуре ниже 26,5 °C. Рекорд выживания в условиях переохлаждения
составляет 14,2 °C, а при экспериментальных исследованиях 8,8 °C. На
температуру влияют пол и возраст. У девочек температура тела стабилизируется
в 13—14 лет, а у мальчиков — примерно в 18 лет. Средняя температура тела
мужчин примерно на 0,5—0,7° ниже, чем у женщин.
Температура – одно из фундаментальных понятий в физике, она играет
огромную роль в том, что касается земной жизни любых форм.
15
Используемые ресурсы:
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5
%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0
http://energetik22.ru/znachenie-temperatury-okruzhayushhej-sredy/
http://www.infoniac.ru/news/Samye-interesnye-fakty-o-temperature.html
http://zenun.ru/samaya-vyisokaya-temperatura-tela-cheloveka/
http://factopedia.ru/tags/temperatura
http://techno.bigmir.net/discovery/1540359-Interesnyj-fakt-dnja--nazvana-
samaja-nizkaja-temperatura-dlja-zhizni
http://www.guinessrecords.ru/
