ทุกคนต้องเผชิญกับแนวคิดเรื่องอุณหภูมิทุกวัน คำนี้เข้ามาในชีวิตประจำวันของเราอย่างแน่นหนา: เราอุ่นอาหารในไมโครเวฟหรือปรุงอาหารในเตาอบ เราสนใจสภาพอากาศภายนอกหรือค้นหาว่าน้ำในแม่น้ำเย็นหรือไม่ ทั้งหมดนี้มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดนี้ และอุณหภูมิคืออะไร พารามิเตอร์ทางกายภาพนี้หมายความว่าอย่างไร มันวัดด้วยวิธีใด เราจะตอบคำถามเหล่านี้และคำถามอื่นๆ ในบทความ
ปริมาณจริง
ลองพิจารณาว่าอุณหภูมิจากมุมมองของระบบโดดเดี่ยวในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์เป็นอย่างไร คำนี้มาจากภาษาละตินและหมายถึง "การผสมที่เหมาะสม", "สภาวะปกติ", "สัดส่วน" ค่านี้กำหนดลักษณะของสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของระบบมหภาค ในกรณีที่ระบบที่แยกออกมาไม่อยู่ในสภาวะสมดุล เมื่อเวลาผ่านไปจะมีการเปลี่ยนพลังงานจากวัตถุที่มีความร้อนมากกว่าเป็นวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่า ผลที่ได้คือการปรับอุณหภูมิ (การเปลี่ยนแปลง) ทั่วทั้งระบบ นี่คือสัจพจน์แรก (หลักการศูนย์) ของเทอร์โมไดนามิก
อุณหภูมิกำหนดการกระจายอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบของระบบตามระดับพลังงานและความเร็ว ระดับของไอออนไนซ์ของสาร คุณสมบัติของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่สมดุลของร่างกาย ความหนาแน่นเชิงปริมาตรรวมของรังสี เนื่องจากสำหรับระบบที่อยู่ในสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ พารามิเตอร์ที่แสดงจึงเท่ากัน จึงมักเรียกว่าอุณหภูมิของระบบ
พลาสม่า
นอกจากวัตถุสมดุลแล้ว ยังมีระบบที่สถานะมีลักษณะเป็นค่าอุณหภูมิหลายค่าที่ไม่เท่ากัน พลาสม่าเป็นตัวอย่างที่ดี ประกอบด้วยอิเล็กตรอน (อนุภาคที่มีประจุแสง) และไอออน (อนุภาคที่มีประจุหนัก) เมื่อชนกัน พลังงานจะถูกถ่ายโอนอย่างรวดเร็วจากอิเล็กตรอนไปยังอิเล็กตรอนและจากไอออนสู่ไอออน แต่ระหว่างองค์ประกอบที่ต่างกันนั้นมีการเปลี่ยนแปลงช้า พลาสมาสามารถอยู่ในสถานะที่อิเล็กตรอนและไอออนแต่ละตัวอยู่ใกล้สมดุล ในกรณีนี้ สามารถแยกอุณหภูมิของอนุภาคแต่ละชนิดแยกกันได้ อย่างไรก็ตาม พารามิเตอร์เหล่านี้จะแตกต่างกัน
แม่เหล็ก
ในร่างกายที่อนุภาคมีโมเมนต์แม่เหล็ก การถ่ายโอนพลังงานมักจะเกิดขึ้นช้า: จากระดับความเป็นอิสระของการแปลเป็นแม่เหล็ก ซึ่งสัมพันธ์กับความเป็นไปได้ในการเปลี่ยนทิศทางของโมเมนต์ ปรากฎว่ามีสถานะที่ร่างกายมีอุณหภูมิที่ไม่ตรงกับพารามิเตอร์จลนศาสตร์ มันสอดคล้องกับการเคลื่อนที่เชิงแปลของอนุภาคมูลฐาน อุณหภูมิแม่เหล็กกำหนดส่วนหนึ่งของพลังงานภายใน เป็นได้ทั้งบวกหรือเชิงลบ. ในระหว่างกระบวนการจัดตำแหน่ง พลังงานจะถูกถ่ายโอนจากอนุภาคที่มีค่าสูงกว่าไปยังอนุภาคที่มีค่าอุณหภูมิต่ำกว่าหากเป็นทั้งค่าบวกหรือค่าลบ มิฉะนั้น กระบวนการนี้จะดำเนินไปในทิศทางตรงกันข้าม - อุณหภูมิติดลบจะ "สูงกว่า" อุณหภูมิที่เป็นบวก
ทำไมถึงจำเป็น
ความขัดแย้งอยู่ตรงที่คนทั่วไปไม่ต้องรู้ว่าอุณหภูมิเท่าไหร่เพื่อที่จะดำเนินการวัดทั้งในชีวิตประจำวันและในอุตสาหกรรม มันจะเพียงพอสำหรับเขาที่จะเข้าใจว่านี่คือระดับความร้อนของวัตถุหรือสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเราคุ้นเคยกับคำศัพท์เหล่านี้มาตั้งแต่เด็ก อันที่จริง อุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงส่วนใหญ่ที่ออกแบบมาเพื่อวัดพารามิเตอร์นี้จะวัดคุณสมบัติอื่นๆ ของสารที่เปลี่ยนแปลงตามระดับความร้อนหรือความเย็น ตัวอย่างเช่น ความดัน ความต้านทานไฟฟ้า ปริมาตร ฯลฯ นอกจากนี้ ค่าที่อ่านได้ดังกล่าวจะถูกแปลงเป็นค่าที่ต้องการด้วยตนเองหรือโดยอัตโนมัติ
ปรากฎว่าวัดอุณหภูมิไม่ต้องเรียนฟิสิกส์ ประชากรส่วนใหญ่ในโลกของเราอาศัยอยู่ตามหลักการนี้ หากทีวีเปิดอยู่ ไม่จำเป็นต้องเข้าใจกระบวนการชั่วคราวของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เพื่อศึกษาว่าไฟฟ้ามาจากที่ใดในเต้าเสียบหรือสัญญาณมาถึงจานดาวเทียมอย่างไร ผู้คนคุ้นเคยกับข้อเท็จจริงที่ว่าในทุกสาขามีผู้เชี่ยวชาญที่สามารถแก้ไขหรือแก้ไขข้อบกพร่องของระบบได้ ฆราวาสไม่ต้องการเครียดสมองเพราะที่ไหนดีกว่าที่จะดูละครหรือฟุตบอลบน "กล่อง" ขณะจิบเบียร์เย็นๆ
อยากรู้
แต่ก็มีผู้คนจำนวนหนึ่ง ซึ่งส่วนใหญ่แล้ว นักเรียนที่ถูกบังคับให้เรียนฟิสิกส์และกำหนดอุณหภูมิจริงๆ ไม่ว่าจะด้วยความอยากรู้หรือเพราะความจำเป็นก็ตาม เป็นผลให้ในการค้นหาพวกเขาตกอยู่ในป่าของอุณหพลศาสตร์และศึกษากฎศูนย์ที่หนึ่งและสอง นอกจากนี้ จิตใจที่อยากรู้อยากเห็นจะต้องเข้าใจวงจรการ์โนต์และเอนโทรปี และเมื่อสิ้นสุดการเดินทาง เขาจะยอมรับอย่างแน่นอนว่าคำจำกัดความของอุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์ของระบบความร้อนแบบย้อนกลับได้ ซึ่งไม่ได้ขึ้นอยู่กับประเภทของสารทำงาน จะไม่เพิ่มความชัดเจนให้กับความรู้สึกของแนวคิดนี้ และเช่นเดียวกันส่วนที่มองเห็นได้จะเป็นที่ยอมรับในระดับสากลของหน่วย (SI)
อุณหภูมิเป็นพลังงานจลน์
"จับต้องได้" มากกว่านั้นคือแนวทางที่เรียกว่าทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุล ทำให้เกิดแนวคิดที่ว่าความร้อนถือเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่ง ตัวอย่างเช่น พลังงานจลน์ของโมเลกุลและอะตอม ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่หาค่าเฉลี่ยของอนุภาคที่เคลื่อนที่แบบสุ่มจำนวนมาก กลายเป็นตัววัดสิ่งที่เรียกกันทั่วไปว่าอุณหภูมิของร่างกาย ดังนั้นอนุภาคของระบบที่ให้ความร้อนจะเคลื่อนที่เร็วกว่าอนุภาคที่เย็น
เนื่องจากคำที่อยู่ในการพิจารณามีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับพลังงานจลน์เฉลี่ยของกลุ่มอนุภาค จึงค่อนข้างเป็นธรรมชาติที่จะใช้จูลเป็นหน่วยอุณหภูมิ อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ไม่ได้เกิดขึ้นซึ่งอธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าพลังงานของการเคลื่อนที่เชิงความร้อนของประถมศึกษาอนุภาคมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับจูล ดังนั้นการใช้งานจึงไม่สะดวก การเคลื่อนที่เชิงความร้อนวัดเป็นหน่วยที่ได้จากจูลโดยใช้ปัจจัยการแปลงพิเศษ
หน่วยอุณหภูมิ
วันนี้ ใช้หน่วยพื้นฐานสามหน่วยเพื่อแสดงพารามิเตอร์นี้ ในประเทศของเรา อุณหภูมิมักจะวัดเป็นองศาเซลเซียส หน่วยวัดนี้ยึดตามจุดเยือกแข็งของน้ำ ซึ่งเป็นค่าสัมบูรณ์ เธอคือจุดเริ่มต้น นั่นคืออุณหภูมิของน้ำที่น้ำแข็งเริ่มก่อตัวเป็นศูนย์ ในกรณีนี้ น้ำทำหน้าที่เป็นตัววัดที่เป็นแบบอย่าง อนุสัญญานี้ได้รับการรับรองเพื่อความสะดวก ค่าสัมบูรณ์ที่สองคืออุณหภูมิไอน้ำ นั่นคือช่วงเวลาที่น้ำเปลี่ยนจากสถานะของเหลวเป็นสถานะก๊าซ
หน่วยต่อไปคือเคลวิน จุดอ้างอิงของระบบนี้ถือเป็นจุดศูนย์สัมบูรณ์ ดังนั้น 1 องศาเคลวิน เท่ากับ 1 องศาเซลเซียส ความแตกต่างเป็นเพียงจุดเริ่มต้นของการนับถอยหลัง เราได้ศูนย์ในเคลวินจะเท่ากับลบ 273.16 องศาเซลเซียส ในปีพ.ศ. 2497 ในการประชุมใหญ่สามัญเรื่องน้ำหนักและหน่วยวัด ได้มีการตัดสินใจแทนที่คำว่า "ดีกรีเคลวิน" สำหรับหน่วยอุณหภูมิด้วย "เคลวิน"
หน่วยวัดทั่วไปที่สามคือฟาเรนไฮต์ จนถึงปี 1960 มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในทุกประเทศที่พูดภาษาอังกฤษ อย่างไรก็ตาม ทุกวันนี้ในชีวิตประจำวันในสหรัฐอเมริกาใช้หน่วยนี้ ระบบนี้แตกต่างจากที่อธิบายไว้ข้างต้นโดยพื้นฐาน ถือเป็นจุดเริ่มต้นจุดเยือกแข็งของส่วนผสมของเกลือ แอมโมเนีย และน้ำ ในอัตราส่วน 1:1:1 ในระดับฟาเรนไฮต์ จุดเยือกแข็งของน้ำคือ บวก 32 องศา และจุดเดือดคือ บวก 212 องศา ในระบบนี้ หนึ่งองศาเท่ากับ 1/180 ของความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิเหล่านี้ ดังนั้นช่วงตั้งแต่ 0 ถึง +100 องศาฟาเรนไฮต์จึงสอดคล้องกับช่วงตั้งแต่ -18 ถึง +38 องศาเซลเซียส
อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์
มาทำความเข้าใจความหมายของพารามิเตอร์นี้กัน ศูนย์สัมบูรณ์คืออุณหภูมิจำกัดที่ความดันของก๊าซในอุดมคติจะหายไปในปริมาตรคงที่ ซึ่งเป็นค่าที่ต่ำที่สุดในธรรมชาติ ตามที่ Mikhailo Lomonosov ทำนายไว้ "นี่เป็นระดับความหนาวเย็นที่ยิ่งใหญ่ที่สุดหรือสุดท้าย" กฎเคมีของ Avogadro เป็นไปตามนี้: ปริมาตรของก๊าซที่อุณหภูมิและความดันเท่ากันมีจำนวนโมเลกุลเท่ากัน อะไรต่อจากนี้? มีอุณหภูมิต่ำสุดของก๊าซที่ความดันหรือปริมาตรหายไป ค่าสัมบูรณ์นี้สอดคล้องกับศูนย์เคลวิน หรือ 273 องศาเซลเซียส
ข้อเท็จจริงที่น่าสนใจเกี่ยวกับระบบสุริยะ
อุณหภูมิบนพื้นผิวของดวงอาทิตย์ถึง 5700 เคลวิน และในใจกลางของแกน - 15 ล้านเคลวิน ดาวเคราะห์ของระบบสุริยะแตกต่างกันมากในแง่ของระดับความร้อน ดังนั้น อุณหภูมิของแกนกลางโลกของเราจึงใกล้เคียงกับพื้นผิวของดวงอาทิตย์ ดาวพฤหัสบดีถือเป็นดาวเคราะห์ที่ร้อนแรงที่สุด อุณหภูมิที่ศูนย์กลางของแกนกลางนั้นสูงกว่าพื้นผิวของดวงอาทิตย์ถึงห้าเท่า และนี่คือค่าต่ำสุดของพารามิเตอร์บันทึกบนพื้นผิวดวงจันทร์ - เพียง 30 เคลวิน ค่านี้ยังต่ำกว่าบนพื้นผิวดาวพลูโตอีกด้วย
ข้อเท็จจริงของโลก
1. อุณหภูมิสูงสุดที่บันทึกโดยบุคคลคือ 4 พันล้านองศาเซลเซียส ค่านี้สูงกว่าอุณหภูมิแกนกลางของดวงอาทิตย์ 250 เท่า บันทึกนี้จัดทำโดย New York Brookhaven Natural Laboratory ในเครื่องชนกันไอออน ซึ่งมีความยาวประมาณ 4 กิโลเมตร
2. อุณหภูมิบนโลกของเราก็ไม่สมบูรณ์แบบและสะดวกสบายเสมอไป ตัวอย่างเช่น ในเมือง Verkhnoyansk ใน Yakutia อุณหภูมิในฤดูหนาวลดลงเหลือลบ 45 องศาเซลเซียส แต่ในเมือง Dallol ของเอธิโอเปีย สถานการณ์กลับกลายเป็นตรงกันข้าม ที่นั่นอุณหภูมิเฉลี่ยทั้งปีบวก 34 องศา
3. สภาพที่เลวร้ายที่สุดที่ผู้คนทำงานนั้นถูกบันทึกไว้ในเหมืองทองคำในแอฟริกาใต้ คนงานเหมืองทำงานที่ความลึก 3 กิโลเมตรที่อุณหภูมิบวก 65 องศาเซลเซียส