Температура — это мера того, сколько тепловой энергии в системе. Это измерение означает, что все атомы и молекулы, которые движутся вокруг, имеют определенное количество кинетической энергии (и менее очевидно потенциальной энергии). Когда все молекулы (или атомы) в системе полностью перестают двигаться, это так холодно, что ниже уже нельзя получить. Это состояние, где вообще нет тепловой энергии, называется абсолютный ноль температуры.
Численно абсолютный ноль температуры записывается как 0K или -273.15°C
Понятие абсолютного нуля
Абсолютный ноль температуры по сути понимание того, сколько энергии доступно от молекул газа в законе идеального газа.
Степень нагревания должна быть измерена в абсолютном масштабе (как Кельвин), чтобы закон идеального газа имел смысл. Идеальный газ – отсутствуют силы межмолекулярного воздействия. Кроме того, идея абсолютного нуля играет важную роль в физике излучения абсолютно черного тела (сколько энергии излучает объект при определенной температуре) и максимально возможный КПД теплового двигателя (так называемый КПД Карно).
Понятие абсолютный ноль температуры также является частью физики изменения климата.
Средняя температура Земли, которая составляет около 15°C, будет 288 K. Если парниковые газы увеличат температуру планеты на 1%, то она не поднимется на 0,15 градуса, она поднимется на 2,88 градуса. Кельвин и Цельсий имеют одинаковое приращение степени, но Кельвин-абсолютная шкала (что означает, что нулевая точка действительно равна нулю), а Цельсий — относительная шкала (нулевая точка произвольна — она была выбрана ученым). Вот почему температура будет увеличиваться на 2,88 градуса вместо 0,15 градуса. Понимание того, как эти небольшие процентные изменения температуры Земли могут привести к радикальным последствиям для планеты, является важной частью климатологии.
Термодинамика показала, что добраться до абсолютного нуля температуры невозможно, но физики подобрались достаточно близко. Используя лазерное охлаждение и магнитную ловушку, экспериментально ученые смогли охладить атомы до температуры нескольких нK (10-9 K), чтобы сформировать конденсаты Бозе-Эйнштейна. В неидеальных условиях самая низкая возможная температура из-за воздействия звезд 2,725 градусов Кельвина, -270,425 градусов Цельсия.
Температура — это показания термометра, который измеряет, насколько горячее или холодное вещество. На микроскопическом уровне она характеризует среднюю кинетическую энергию молекул внутри материала или системы. Это измеримое физическое свойство объекта и может рассматриваться с другими измеримыми физическими свойствами, такими как скорость, масса и плотность и т.п.
Измерение
Температура — это прямое измерение тепловой энергии, то есть чем горячее объект, тем больше тепловой энергии он имеет. Тепло — это мера того, сколько тепловой энергии передается между двумя системами.
Легко повернуть механическую энергию в тепловую, например используя трение. Также можно превратить тепловую энергию в механическую с помощью теплового двигателя, но при этом всегда будет отходящее тепло.
Температура обычно наблюдается в единицах градуса Цельсия или °C (в некоторых странах используется шкала Фаренгейта); однако в научном сообществе наблюдается в единицах Си—Кельвин или K (обратите внимание, что это K не °K). Как Кельвин, так и градусы Цельсия имеют свои преимущества и недостатки.
Цельсий против Кельвина
Шкалы Цельсия и Кельвина увеличиваются с одинаковым шагом, что означает, что увеличение температуры на 1°C приводит к одинаковому увеличению на 1 K.
Основное различие заключается в том, что при замерзании воды термометр Цельсия будет показывать 0°C, а термометр Кельвина -273,15 K.
Шкалы отличаются на 273,15.
Таким образом, для преобразования из °C в K просто добавьте 273; если термометр читает 31°C, то температура в Кельвине составляет 304K.
Цельсия — гораздо более «удобный» или интуитивно понятный способ измерения: при 0°C—вода замерзает, а при 100°C—вода кипит. Цельсия имеет смысл, и гораздо легче судить, как 25°C может чувствовать себя, чем как 298 K, и, чтобы быть ясным, при 298 K человек будет чувствовать себя хорошо.
Зачем беспокоиться о Кельвине?
Шкала Кельвина оказывается чрезвычайно полезной (и необходимой) при проведении научных расчетов и измерений. Абсолютный ноль равен 0 К (при преобразовании в Цельсия -273.15°С) и является самой низкой температурой, которую допускают законы физики—никогда не может быть температур ниже 0 К. В этом отношении имеет смысл использовать шкалу Кельвина, 0 является абсолютным нулем температуры и самым низким и увеличивается оттуда.
Важное недоразумение
Поскольку температура является мерой микроскопической энергии атомов (или молекул), она удваивается, если микроскопическая энергия удваивается. Тем не менее, переход от 10°C сегодня к 20°C завтра не удваивает температуру (хотя 20 дважды десять). Ученый сказал бы, что это 283 K, и вот где возникает проблема: удвоение 283 K составляет 566 K, что преобразуется в экстремальный 293°C. К счастью, 293°c при жизни людей не произойдет на Земле, но эта идея пропорционального изменения температуры привела к некоторой путанице с изменением климата.
Путаница в связи с изменением климата
Подавляющее большинство ученых согласны с тем, что изменение климата является одной из основных проблем, стоящих перед миром.
Большинство климатологов прогнозируют увеличение средней глобальной температуры на 1% к 2100 году. Это число звучит незначительно, если думать в градусах Цельсия, но изменение 1% означает, что должна использоваться шкала Кельвина. К сожалению, для того, чтобы сделать этот расчет, числа должны быть преобразованы в Кельвин и после выполнения надлежащих преобразований и расчетов увеличение на 1% по шкале Кельвина фактически приведет к средней глобальной температуре 17,4°C к 2100 году. Сейчас средняя нагретость Земли 14, 8 °C. Это может показаться не очень высоким, но увеличение 2.6°C довольно тревожно. При этом произойдет повышение уровня моря со всеми вытекающими последствиями для Земли.
