Apa yang kamu ketahui tentang skala suhu

Suhu disebut kuantitas fisik, mencirikan derajat panas tubuh. Hampir semua proses teknologi dan berbagai sifat suatu zat bergantung pada suhu.

Tidak seperti besaran fisika seperti panjang, massa, dll., suhu bukanlah besaran ekstensif (parametrik), tetapi besaran intens (aktif). Jadi, jika benda homogen dibagi menjadi dua bagian yang sama, maka massanya dibagi dua. Suhu, yang merupakan kuantitas intens, tidak memiliki sifat aditif seperti itu, yaitu, untuk sistem dalam kesetimbangan termal, setiap bagian mikroskopis dari sistem memiliki suhu yang sama. Oleh karena itu, tidak mungkin untuk membuat standar suhu, seperti halnya standar kuantitas yang ekstensif dibuat.

Suhu hanya dapat diukur secara tidak langsung, berdasarkan ketergantungan suhu dari sifat-sifat fisik tubuh yang dapat diukur secara langsung. Sifat-sifat benda ini disebut termometrik. Ini termasuk panjang, volume, kepadatan, thermoEMF, hambatan listrik, dll Zat yang ditandai dengan sifat termometrik disebut termometrik. Alat pengukur suhu disebut termometer. Untuk membuat termometer, Anda harus memiliki skala suhu.

6.2. Skala suhu

Skala suhu mengacu pada hubungan numerik fungsional spesifik suhu dengan nilai-nilai properti termometrik yang diukur. Dalam hal ini, tampaknya mungkin untuk membangun skala suhu berdasarkan pilihan properti termometrik apa pun. Pada saat yang sama, tidak ada satu pun properti termometrik yang berubah secara linier dengan suhu dan tidak bergantung pada faktor lain dalam rentang pengukuran suhu yang luas.

Timbangan pertama muncul pada abad ke-18. Untuk membangunnya, dua titik referensi, atau titik referensi dipilih. T 1 dan T 2. yang merupakan suhu kesetimbangan fase zat murni. Perbedaan suhu T 2 - T 1 disebut kisaran suhu utama.

Fahrenheit (1715), Reaumur (1776) dan Celcius (1742) dalam membangun skala didasarkan pada asumsi hubungan linier antara suhu T dan sifat termometrik, yang merupakan ekspansi volume cairan V, yaitu

T = A+ bV,

di mana A dan B - koefisien konstan.

Substitusikan ke persamaan ini V= V 1 pada T= T 1 dan V= V 2 pada T= T 2 , setelah transformasi kita mendapatkan persamaan skala suhu:

Titik leleh es dalam Fahrenheit, Reaumur dan Celcius T 1 berhubungan dengan +32, 0 dan 0 °, dan titik didih air T 2 - 212, 80 dan 100 °. Interval utama T 2 - T 1 dalam skala ini dibagi sesuai dengan n= 180, 80 dan 100 bagian yang sama, dan 1/ n bagian dari masing-masing interval disebut derajat Fahrenheit - T° F, Gelar Reamur T° R dan derajat Celcius - T° C. Jadi, untuk skala yang dibangun sesuai dengan prinsip yang ditunjukkan, derajat bukanlah satuan pengukuran, tetapi merupakan satuan interval - skala skala.

Untuk mengubah suhu dari satu skala tertentu ke skala lain, gunakan rasio

Kemudian ditemukan bahwa pembacaan termometer dengan zat termometrik yang berbeda (misalnya, merkuri, alkohol, dll.), menggunakan properti termometrik yang sama dan skala derajat yang seragam, hanya bertepatan pada titik referensi, dan pada titik lain pembacaan berbeda. . Yang terakhir ini terutama terlihat saat mengukur suhu, yang nilainya terletak jauh dari interval utama.

Keadaan ini dijelaskan oleh fakta bahwa hubungan antara suhu dan properti termometrik sebenarnya nonlinier dan nonlinier ini berbeda untuk zat termometrik yang berbeda. Secara khusus, dalam kasus yang dipertimbangkan, ketidaklinieran antara suhu dan perubahan volume cairan dijelaskan oleh fakta bahwa koefisien suhu dari ekspansi volumetrik cairan itu sendiri berubah dengan suhu dan perubahan ini berbeda untuk berbagai cairan tetesan.

Berdasarkan prinsip konstruksi yang dijelaskan, sejumlah skala suhu yang berbeda secara signifikan satu sama lain dapat diperoleh. Skala seperti itu disebut bersyarat, dan skala skala ini disebut derajat bersyarat. Masalah menciptakan skala suhu independen dari sifat termometrik zat diselesaikan pada tahun 1848 oleh Kelvin, dan skala yang dia usulkan disebut termodinamika. Tidak seperti skala suhu konvensional, skala suhu termodinamika bersifat mutlak.

Skala suhu termodinamika berdasarkan penggunaan hukum kedua termodinamika. Sesuai dengan hukum ini, efisiensi dari mesin kalor yang beroperasi menurut siklus Carnot reversibel hanya ditentukan oleh suhu pemanas T n dan kulkas T NS dan tidak tergantung pada sifat-sifat zat yang bekerja, mis.

di mana Q H dan Q x berturut-turut adalah jumlah panas yang diterima oleh zat yang bekerja dari pemanas dan diberikan ke lemari es.

Kelvin mengusulkan untuk menggunakan persamaan

Oleh karena itu, dengan menggunakan satu benda sebagai pemanas dan yang lain sebagai lemari es dan melakukan siklus Carnot di antara mereka, dimungkinkan untuk menentukan perbandingan suhu benda dengan mengukur perbandingan panas yang diambil dari satu benda dan diberikan ke benda lain. Skala suhu yang dihasilkan tidak bergantung pada sifat-sifat zat (termometrik) yang bekerja dan disebut skala suhu absolut. Agar suhu mutlak (dan bukan hanya rasio) memiliki nilai tertentu, diusulkan untuk mengambil perbedaan suhu termodinamika antara titik didih air T kv dan pencairan es T t, sama dengan 100 °. Adopsi nilai perbedaan seperti itu mengejar tujuan mempertahankan kontinuitas ekspresi numerik skala suhu termodinamika dari skala suhu celcius Celcius. Jadi, menyatakan jumlah panas yang diterima dari pemanas (air mendidih) dan diberikan ke lemari es (es yang mencair), masing-masing, melalui Q KB dan Q T L dan mengambil T q - T t = 100, menggunakan (6.3), kita dapatkan

Untuk suhu berapa pun T pemanas dengan nilai konstan suhu T tl lemari es dan jumlah panas Q T L yang diberikan kepadanya oleh zat kerja mesin Carnot, kita akan memiliki

Ekspresi (6.4) adalah persamaan skala suhu termodinamika celcius dan menunjukkan bahwa nilai suhu T pada skala ini secara linier berhubungan dengan jumlah kalor Q yang diterima oleh zat kerja mesin kalor selama siklus Carnot, dan, sebagai akibatnya, tidak bergantung pada sifat-sifat zat termometrik. Untuk satu derajat suhu termodinamika, perbedaan antara suhu tubuh dan suhu leleh es diambil, di mana pekerjaan yang dilakukan menurut siklus Carnot reversibel sama dengan 1/100 pekerjaan yang dilakukan dalam siklus Carnot antara titik didih. titik leleh air dan es (asalkan dalam kedua siklus jumlah panas yang diberikan ke lemari es adalah sama).

Dari ekspresi (6.2) berikut bahwa pada nilai maksimum = 1 harus sama dengan nol T x. Suhu terendah ini disebut Kelvin mutlak nol. Suhu pada skala termodinamika adalah T KE.

Jika dalam ekspresi yang menjelaskan hukum gas Gay-Lussac: P t = P o (l + t) = P o (l / + t) (di mana R HAI - tekanan pada t = 0 ° ; - koefisien suhu tekanan), gantikan nilai suhu sama dengan - l / , maka tekanan gas P T menjadi nol. Adalah wajar untuk mengasumsikan bahwa suhu T= - l / , di mana tekanan gas minimum maksimum disediakan, itu sendiri adalah minimum yang mungkin, dan diambil sebagai nol pada skala Kelvin absolut. Oleh karena itu, suhu mutlak T= l / + T.

Diketahui dari hukum Boyle - Mariotte bahwa untuk gas, koefisien suhu tekanan sama dengan koefisien suhu muai volumetrik . Secara eksperimental ditemukan bahwa untuk semua gas pada tekanan yang cenderung nol, dalam kisaran suhu 0-100 ° C, koefisien suhu ekspansi volumetrik = 1 / 273,15.

Jadi, suhu mutlak nol sesuai dengan T= - l / = - l / = -273,15 ° C. Suhu pelelehan es pada skala mutlak adalah T o = 273,15 K.

Setiap suhu dalam skala Kelvin absolut dapat didefinisikan sebagai T = 273,15K + T (T - suhu dalam ° C). Perlu dicatat bahwa satu derajat Kelvin (1K) sesuai dengan satu derajat, Celcius (1 ° C), karena kedua skala didasarkan pada titik referensi yang sama.

Skala suhu termodinamika berdasarkan dua titik acuan (suhu es mencair dan air mendidih) tidak memiliki akurasi pengukuran yang memadai. Praktis sulit untuk mereproduksi suhu titik-titik ini, karena mereka bergantung pada perubahan tekanan serta pada kotoran kecil di dalam air. Kelvin dan, terlepas dari dia, D.I. Mendeleev, menyatakan pertimbangan tentang kelayakan membangun skala suhu termodinamika berdasarkan satu titik referensi.

Pada tahun 1954, Komite Penasihat Termometri dari Komite Internasional untuk Berat dan Ukuran mengadopsi rekomendasi tentang transisi ke definisi skala termodinamika menggunakan satu titik referensi - titik tripel air (titik kesetimbangan air dalam padatan, fase cair dan gas), yang mudah direproduksi dalam bejana khusus dengan kesalahan tidak lebih dari 0,0001 K. Suhu titik ini diambil sama dengan 273,16 K, yaitu 0,01 K lebih tinggi dari suhu titik leleh es. Angka ini dipilih agar nilai suhu pada skala baru praktis tidak berbeda dengan skala lama yaitu skala Celcius dengan dua titik acuan. Titik referensi kedua adalah nol mutlak, yang tidak diwujudkan secara eksperimental, tetapi memiliki posisi yang tetap.

Pada tahun 1967, Konferensi Umum XIII tentang Berat dan Ukuran memperjelas definisi satuan suhu termodinamika dalam edisi berikut: "kelvin-1 / 273,16 bagian dari suhu termodinamika titik tripel air ”. Suhu termodinamika juga dapat dinyatakan dalam derajat Celcius: T = = T-273,15 K.

Penggunaan hukum kedua termodinamika, yang diusulkan oleh Kelvin dengan tujuan untuk menetapkan konsep suhu dan membangun skala suhu termodinamika absolut, tidak tergantung pada sifat-sifat zat termometrik, sangat penting secara teoritis dan mendasar. Namun, penerapan skala ini menggunakan mesin kalor yang beroperasi menurut siklus Carnot reversibel sebagai termometer praktis tidak praktis.

Suhu termodinamika setara dengan suhu termal yang digunakan dalam persamaan yang menjelaskan hukum gas ideal. Skala suhu gas-termal dibangun berdasarkan termometer gas, di mana gas digunakan sebagai zat termometrik, mendekati sifat gas ideal. Dengan demikian, termometer gas adalah cara nyata untuk mereproduksi skala suhu termodinamika.

Termometer gas terdiri dari tiga jenis: volume konstan, tekanan konstan, dan suhu konstan.

Biasanya termometer gas volume konstan digunakan (Gbr. 6.1), di mana perubahan suhu gas sebanding dengan perubahan tekanan. Termometer gas terdiri dari silinder 1 dan tabung penghubung 2, diisi melalui katup 3 hidrogen, helium atau nitrogen (untuk suhu tinggi). Menghubungkan tabung 2 terhubung ke tabung 4 pengukur tekanan dua pipa dengan pipa 5 dapat dipindahkan ke atas atau ke bawah berkat selang penghubung yang fleksibel 6. Ketika suhu berubah, volume sistem yang diisi dengan gas berubah, dan untuk mengembalikannya ke nilai awalnya, tabung 5 bergerak vertikal sampai tingkat merkuri dalam tabung 4 tidak akan sejajar dengan sumbu x-x. Dalam hal ini, kolom air raksa di dalam tabung 5, diukur dari tingkat x-x, akan sesuai dengan tekanan gas R dalam botol. Biasanya diukur suhu T ditentukan relatif terhadap beberapa titik acuan, misalnya, dalam kaitannya dengan suhu titik tripel air T HAI , di mana tekanan gas dalam silinder akan P 0. Suhu yang diinginkan T = T 0 P/ P 0 .

Beras. 6.1. Diagram termometer gas

Termometer gas digunakan dalam kisaran ~ 2-1300 K. Kesalahan termometer gas adalah dalam kisaran 3 · 10 -3 - 2 · 10 -2 K, tergantung pada suhu yang diukur. Mencapai akurasi pengukuran yang tinggi adalah tugas yang sulit yang memerlukan pertimbangan banyak faktor: penyimpangan sifat gas nyata dari ideal, adanya pengotor dalam gas, penyerapan dan desorpsi gas oleh dinding silinder, difusi gas melalui dinding, perubahan volume silinder dengan suhu, dan distribusi suhu sepanjang tabung penghubung.

Karena sangat melelahkan bekerja dengan termometer gas, upaya dilakukan untuk menemukan metode yang lebih sederhana untuk mereproduksi skala suhu termodinamika.

Berdasarkan studi yang dilakukan di berbagai negara pada Konferensi Umum VII tentang Berat dan Ukuran pada tahun 1927, skala termodinamika diadopsi untuk menggantikan Skala suhu "praktis" dan beri nama dia skala suhu internasional. Skala ini konsisten dengan skala termodinamika celcius sedekat tingkat pengetahuan waktu yang diizinkan.

Untuk membangun skala suhu internasional, enam titik referensi yang dapat direproduksi dipilih, nilai suhu yang pada skala termodinamika diukur dengan hati-hati di berbagai negara menggunakan termometer gas dan hasil yang paling dapat diandalkan diadopsi. Fidusia digunakan untuk mengkalibrasi instrumen referensi untuk mereproduksi skala suhu internasional. Dalam interval antara titik referensi, nilai suhu dihitung sesuai dengan rumus interpolasi yang diusulkan yang menetapkan hubungan antara pembacaan instrumen referensi dan suhu pada skala internasional.

Pada tahun 1948, 1960 dan 1968. sejumlah klarifikasi dan penambahan dibuat pada ketentuan skala suhu internasional, karena, berdasarkan metode pengukuran yang ditingkatkan, perbedaan skala ini dari skala termodinamika ditemukan, terutama di bidang suhu tinggi, dan juga karena kebutuhan untuk memperluas skala suhu ke lebih banyak suhu rendah... Saat ini, skala yang ditingkatkan yang diadopsi pada Konferensi XIII tentang Berat dan Ukuran berlaku dengan nama "Skala Suhu Praktis Internasional 1968" (MPTP-68). Istilah "praktis" menunjukkan bahwa skala suhu ini umumnya tidak sesuai dengan skala termodinamika. Suhu MPTSh-68 disertakan dengan indeks (T 68 atau t 68).

MPTSh-68 didasarkan pada 11 titik referensi utama yang diberikan dalam tabel. 6.1. Selain yang utama, ada 27 titik referensi sekunder yang mencakup kisaran suhu dari 13,956 hingga 3660 K (dari -259,194 hingga 3387 ° C). Nilai numerik suhu yang diberikan dalam tabel sesuai dengan skala termodinamika dan ditentukan menggunakan termometer gas.

Tabel 6.1 Titik referensi utama MPTSh-68

Termokopel resistansi platinum diambil sebagai termometer referensi dalam kisaran suhu dari 13,81 hingga 903,89 K (630,74 ° C - titik pemadatan antimon - titik referensi sekunder). Interval ini dibagi menjadi lima subinterval, yang masing-masing rumus interpolasinya didefinisikan dalam bentuk polinomial hingga derajat keempat. Dalam kisaran suhu dari 903,89 hingga 1337,58 K, termometer termoelektrik platinum-platinum-rhodium standar digunakan. Rumus interpolasi yang menghubungkan gaya gerak termoelektromotif dengan suhu di sini adalah polinomial derajat kedua.

Untuk suhu di atas 1337,58 K (1064,43 ° C), MPTSh-68 direproduksi menggunakan termometer kuasi-monokromatik menggunakan hukum radiasi Planck.

Yang paling terkenal, di saat ini Skala suhu adalah Fahrenheit, Celcius dan Kelvin.

Skala suhu Fahrenheit paling populer di AS. Suhu diukur dalam derajat, misalnya, 48,2 ° F (empat puluh delapan dan dua derajat Fahrenheit), F menunjukkan bahwa skalanya adalah Fahrenheit.

Orang Eropa sudah terbiasa skala suhu Celcius, yang juga mengukur suhu dalam derajat, misalnya 48,2 ° C (empat puluh delapan dan dua derajat Celcius), C menunjukkan bahwa skala Celcius sedang digunakan.

Ilmuwan lebih terbiasa bekerja dengan Skala suhu Kelvin... Sampai tahun 1968, kelvin secara resmi disebut derajat Kelvin, kemudian diputuskan untuk menamai nilai suhu yang diukur pada skala Kelvin hanya dalam kelvin (tanpa derajat), misalnya, 48,2 K (empat puluh delapan dan dua kelvin).

Daniel Gabrielle Fahrenheit dia menemukan timbangannya di abad ke-18, membuat termometer di Amsterdam. Untuk suhu titik nol, Fahrenheit mengambil suhu larutan garam beku, yang pada saat itu digunakan untuk mendapatkan suhu rendah di laboratorium. Seorang fisikawan Jerman menetapkan nilai 32 ° F untuk suhu pencairan es dan pembekuan air (ketika suhu naik dan turun, masing-masing). Pada skala yang diperoleh, titik didih air adalah 212 ° F.

Pada abad ke-18 yang sama, seorang ilmuwan Swedia Anders Celcius menemukan skala suhu sendiri, yang didasarkan pada titik beku (0 ° C) dan titik didih (100 ° C) air murni di bawah normal tekanan atmosfir.

Skala Kelvin ditemukan pada abad ke-19 oleh seorang ilmuwan Inggris William Thomson, yang kemudian menerima gelar kehormatan Baron Kelvin. Thomson mendasarkan skala suhunya pada konsep nol mutlak... Kemudian, skala Kelvin menjadi yang utama dalam fisika, dan sekarang sistem Fahrenheit dan Celsius ditentukan melaluinya.

Intinya, suhu benda apa pun mencirikan tingkat gerak molekulnya - semakin cepat molekul bergerak, semakin tinggi suhu benda, dan sebaliknya. Semakin rendah suhu, semakin lambat molekul bergerak. Pada nol mutlak (0 K), molekul berhenti (yang tidak mungkin terjadi di alam). Karena alasan ini, tidak mungkin mencapai suhu nol mutlak atau bahkan lebih dingin.

Saya harus mengatakan bahwa kelulusan skala Kelvin dan Celcius bertepatan (satu derajat Celcius sama dengan satu Kelvin), dan 0 K = -273,15 ° C.

Jadi ikat skala suhu Kelvin dan Celcius sangat sederhana:

K = C + 273,15 C = K-273,15

Mari kita coba menghubungkan skala Celsius dan Fahrenheit.

Seperti yang Anda ketahui, air membeku pada 32 ° F dan 0 ° C: 32 ° F = 0 ° C... Air mendidih pada 212 ° F dan 100 ° C: 212 ° F = 100 ° C.

Jadi 180 derajat Fahrenheit adalah 100 derajat Celcius (rasio 9/5): 212 ° F-32 ° F = 100 ° C-0 ° C.

Perlu juga dicatat bahwa titik nol skala Celcius sesuai dengan titik 32 derajat skala Fahrenheit.

Dengan mempertimbangkan korespondensi dua skala di atas, kami memperoleh rumus untuk mentransfer suhu dari satu skala ke skala lainnya:

C = (5/9) (F-32) F = (9/5) C + 32

Jika Anda memecahkan sistem persamaan ini, Anda dapat menemukan bahwa -40 ° C = -40 ° F- ini adalah satu-satunya suhu di mana nilai kedua skala bertepatan.

Bertindak dengan cara yang sama, kami menghubungkan skala Kelvin dan Fahrenheit:

F = (9/5) (K-273,15) +32 = (9/5) K-459,67 K = (5/9) (F + 459,67)

Umat ​​manusia belajar mengukur suhu sekitar 400 tahun yang lalu. Tetapi perangkat pertama, yang mengingatkan pada termometer saat ini, hanya muncul pada abad X V III. Penemu termometer pertama adalah ilmuwan Gabriel Fahrenheit. Secara total, beberapa skala suhu yang berbeda ditemukan di dunia, beberapa di antaranya lebih populer dan masih digunakan, yang lain secara bertahap tidak digunakan.

Skala suhu adalah sistem nilai suhu yang dapat dibandingkan satu sama lain. Karena suhu bukan termasuk besaran yang diukur secara langsung, nilainya dikaitkan dengan perubahan keadaan suhu suatu zat (misalnya, air). Pada semua skala suhu, sebagai aturan, dua titik ditetapkan, sesuai dengan suhu transisi zat termometrik yang dipilih ke fase yang berbeda. Inilah yang disebut titik referensi. Contohnya adalah titik didih air, titik pengerasan emas, dll. Salah satu titik tersebut diambil sebagai titik asal. Interval di antara mereka dibagi menjadi sejumlah segmen tunggal yang sama. Satu derajat diterima secara universal sebagai satu kesatuan.

Skala suhu yang paling populer dan paling banyak digunakan di dunia adalah skala Celsius dan Fahrenheit. Namun, mari kita lihat timbangan yang tersedia secara berurutan dan coba bandingkan dalam hal kegunaan dan manfaat praktisnya. Skala yang paling terkenal adalah lima:

1. Skala Fahrenheit ditemukan oleh Fahrenheit, seorang ilmuwan Jerman. Pada salah satu hari musim dingin pada tahun 1709, merkuri dalam termometer ilmuwan turun ke suhu yang sangat rendah, yang ia usulkan sebagai nol pada skala baru. Titik referensi lain adalah suhu tubuh manusia. pada baja skalanya + 32 °, dan titik didih + 212 °. Skala Fahrenheit tidak terlalu bijaksana atau nyaman. Sebelumnya, itu banyak digunakan saat ini - praktis hanya di AS.

2. Menurut skala Réaumur, yang ditemukan oleh ilmuwan Prancis Rene de Réaumur pada tahun 1731, titik beku air berfungsi sebagai titik referensi yang lebih rendah. Skala didasarkan pada penggunaan alkohol, yang mengembang ketika dipanaskan; seperseribu volume alkohol dalam tangki dan tabung nol diambil sebagai derajat. Sekarang skala ini tidak digunakan.

3. Pada skala Celsius (diusulkan oleh Anders Celsius dari Swedia pada tahun 1742), suhu campuran es dan air (suhu saat es mencair) diambil sebagai nol, titik utama lainnya adalah suhu di mana air mendidih. Diputuskan untuk membagi interval di antara mereka menjadi 100 bagian, dan satu bagian diambil sebagai unit pengukuran - derajat Celcius. Skala ini lebih rasional daripada skala Fahrenheit dan skala Reaumur dan sekarang banyak digunakan.

4. Skala Kelvin ditemukan pada tahun 1848 oleh Lord Kelvin (ilmuwan Inggris W. Thomson). Di atasnya, titik nol sesuai dengan suhu serendah mungkin di mana pergerakan molekul zat berhenti. Nilai ini secara teoritis dihitung dengan mempelajari sifat-sifat gas. Pada skala Celcius, nilai ini sesuai dengan kira-kira - 273 ° C, yaitu nol Celcius sama dengan 273 K. Satuan pengukuran skala baru adalah satu kelvin (awalnya disebut "derajat Kelvin").

5. Skala Rankine (dengan nama fisikawan Skotlandia W. Rankin) memiliki prinsip yang sama dengan skala Kelvin, dan dimensinya sama dengan skala Fahrenheit. Sistem ini praktis tidak tersebar luas.

Suhu yang diberikan oleh skala Fahrenheit dan Celsius dapat dengan mudah dikonversi satu sama lain. Saat menerjemahkan nilai "secara mental" (yaitu, dengan cepat, tanpa menggunakan tabel khusus) dari Fahrenheit ke derajat Celcius, Anda perlu mengurangi angka aslinya dengan 32 unit dan mengalikannya dengan 5/9. Sebaliknya (dari skala Celsius ke Fahrenheit) - kalikan nilai aslinya dengan 9/5 dan tambahkan 32. Sebagai perbandingan: suhu dalam Celsius adalah 273,15 °, Fahrenheit adalah 459,67 °.

Tanggal publikasi 08/02/2013 02:51

Umat ​​manusia belajar mengukur suhu sekitar 400 tahun yang lalu. Tetapi perangkat pertama, yang mengingatkan pada termometer saat ini, hanya muncul pada abad ke-18. Penemu termometer pertama adalah ilmuwan Gabriel Fahrenheit. Secara total, beberapa skala suhu yang berbeda ditemukan di dunia, beberapa di antaranya lebih populer dan masih digunakan, yang lain secara bertahap tidak digunakan.

Skala suhu adalah sistem nilai suhu yang dapat dibandingkan satu sama lain. Karena suhu bukan termasuk besaran yang diukur secara langsung, nilainya dikaitkan dengan perubahan keadaan suhu suatu zat (misalnya, air). Pada semua skala suhu, sebagai aturan, dua titik ditetapkan, sesuai dengan suhu transisi zat termometrik yang dipilih ke fase yang berbeda. Inilah yang disebut titik referensi. Contoh titik acuan adalah titik didih air, titik pengerasan emas, dll. Salah satu titik tersebut diambil sebagai titik asal. Interval di antara mereka dibagi menjadi sejumlah segmen tunggal yang sama. Satu derajat secara umum diterima sebagai satuan pengukuran suhu.

Skala suhu yang paling populer dan paling banyak digunakan di dunia adalah skala Celsius dan Fahrenheit. Namun, mari kita lihat timbangan yang tersedia secara berurutan dan coba bandingkan dalam hal kegunaan dan manfaat praktisnya. Skala yang paling terkenal adalah lima:

1. Fahrenheit ditemukan oleh Fahrenheit, seorang ilmuwan Jerman. Pada salah satu hari musim dingin pada tahun 1709, merkuri dalam termometer ilmuwan turun ke suhu yang sangat rendah, yang ia usulkan sebagai nol pada skala baru. Titik referensi lain adalah suhu tubuh manusia. Titik beku air pada skalanya adalah + 32 °, dan titik didihnya adalah + 212 °. Skala Fahrenheit tidak terlalu bijaksana atau nyaman. Sebelumnya, itu banyak digunakan di negara-negara berbahasa Inggris, sekarang - hampir hanya di Amerika Serikat.

2. skala reaumur, ditemukan oleh ilmuwan Prancis René de Réaumur pada tahun 1731, titik beku air berfungsi sebagai titik referensi yang lebih rendah. Skala didasarkan pada penggunaan alkohol, yang mengembang ketika dipanaskan; seperseribu volume alkohol dalam tangki dan tabung nol diambil sebagai derajat. Sekarang skala ini tidak digunakan.

3. Celsius(diusulkan oleh Anders Celsius dari Swedia pada tahun 1742) suhu campuran es dan air (suhu di mana es mencair) diambil sebagai nol, titik utama lainnya adalah suhu di mana air mendidih. Diputuskan untuk membagi interval di antara mereka menjadi 100 bagian, dan satu bagian diambil sebagai unit pengukuran - derajat Celcius. Skala ini lebih rasional daripada skala Fahrenheit dan skala Reaumur dan sekarang banyak digunakan.

4. skala kelvin ditemukan pada tahun 1848 oleh Lord Kelvin (ilmuwan Inggris W. Thomson). Di atasnya, titik nol sesuai dengan suhu serendah mungkin di mana pergerakan molekul zat berhenti. Nilai ini secara teoritis dihitung dengan mempelajari sifat-sifat gas. Pada skala Celcius, nilai ini sesuai dengan kira-kira - 273 ° , mis. nol dalam Celcius sama dengan 273 K. Satuan pengukuran skala baru adalah satu kelvin (awalnya disebut "derajat Kelvin").

5. skala rankine(dinamai setelah fisikawan Skotlandia W. Rankin) memiliki prinsip yang sama dengan skala Kelvin, dan dimensinya sama dengan skala Fahrenheit. Sistem ini praktis tidak tersebar luas.

Suhu yang diberikan oleh skala Fahrenheit dan Celsius dapat dengan mudah dikonversi satu sama lain. Saat menerjemahkan nilai "secara mental" (yaitu, dengan cepat, tanpa menggunakan tabel khusus) dari Fahrenheit ke derajat Celcius, Anda perlu mengurangi angka aslinya dengan 32 unit dan mengalikannya dengan 5/9. Sebaliknya (dari skala Celsius ke Fahrenheit) - kalikan nilai aslinya dengan 9/5 dan tambahkan 32. Sebagai perbandingan: suhu nol mutlak dalam Celsius adalah 273,15 °, Fahrenheit adalah 459,67 °.

Suhu disebut juga besaran fisika yang mencirikan derajat panas suatu benda, tetapi hal ini tidak cukup untuk memahami arti dan makna konsep suhu. Dalam frasa ini, hanya ada penggantian satu istilah dengan yang lain dan tidak lebih dimengerti. Biasanya konsep fisik dikaitkan dengan beberapa hukum dasar dan mendapatkan makna hanya dalam kaitannya dengan hukum-hukum ini. Konsep suhu dikaitkan dengan konsep kesetimbangan termal dan, oleh karena itu, dengan hukum ireversibilitas makroskopik.

Perubahan suhu

Dalam keadaan kesetimbangan termodinamika, semua benda yang membentuk suatu sistem memiliki suhu yang sama. Pengukuran suhu hanya dapat dilakukan secara tidak langsung, berdasarkan ketergantungan suhu dari sifat fisik seperti benda yang dapat diukur secara langsung. Zat (badan) yang digunakan untuk ini disebut termometrik.

Biarkan dua benda yang diisolasi secara termal dibawa ke dalam kontak termal. Aliran energi akan mengalir deras dari satu benda ke benda lain, dan proses perpindahan panas akan berlangsung. Dalam hal ini, diyakini bahwa tubuh yang mengeluarkan panas memiliki suhu yang lebih tinggi daripada tubuh tempat fluks panas mengalir. Secara alami, setelah beberapa saat, aliran energi berhenti, dan keseimbangan termal terjadi. Diasumsikan bahwa suhu benda disamakan dan diatur di suatu tempat dalam interval antara nilai suhu awal. Jadi, ternyata suhu adalah beberapa tanda kesetimbangan termal. Ternyata setiap nilai t yang memenuhi persyaratan:

1. $ t_1> t_2 $, jika aliran panas berpindah dari benda pertama ke benda kedua;
2. $ t "_1 = t" _2 = t, \ t_1> t> t_2 $, ketika kesetimbangan termal ditetapkan, dapat diambil sebagai suhu.

Dalam hal ini, diasumsikan bahwa kesetimbangan termal benda mematuhi hukum transitivitas: jika dua benda berada dalam kesetimbangan dengan yang ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.

Fitur terpenting dari definisi suhu di atas adalah ambiguitasnya. Kami dapat memilih nilai yang memenuhi persyaratan yang ditetapkan dengan cara yang berbeda (yang akan tercermin dalam metode pengukuran suhu), dan mendapatkan skala suhu yang tidak cocok. Skala suhu adalah cara membagi rentang suhu.

Berikut beberapa contohnya. Seperti yang Anda ketahui, alat untuk mengukur suhu adalah termometer. Pertimbangkan dua jenis termometer dari perangkat yang berbeda. Dalam satu kasus, peran suhu tubuh dimainkan oleh panjang kolom air raksa di kapiler termometer, dalam kasus ketika termometer berada dalam kesetimbangan termal dengan tubuh yang suhunya kita ukur. Panjang kolom merkuri memenuhi kondisi 1 dan 2, yang diberikan di atas dan berlaku untuk suhu.

Ada cara lain untuk mengukur suhu: menggunakan termokopel. Termokopel adalah sirkuit listrik dengan galvanometer dan dua sambungan logam yang berbeda (Gbr. 1). Satu persimpangan ditempatkan di lingkungan dengan suhu tetap, misalnya, es mencair, yang lain di lingkungan yang suhunya harus ditentukan. Dalam hal ini, EMF termokopel dianggap sebagai indikator suhu. Kedua metode pengukuran suhu ini tidak akan memberikan hasil yang sama. Dan untuk berpindah dari satu suhu ke suhu lainnya, perlu untuk membuat kurva kalibrasi yang menetapkan ketergantungan ggl termokopel pada panjang kolom merkuri. Kemudian skala seragam termometer air raksa diubah menjadi skala termokopel yang tidak rata (atau sebaliknya). Skala seragam termometer air raksa dan termokopel membentuk dua skala suhu yang sama sekali berbeda, di mana suatu benda dalam keadaan yang sama akan memiliki suhu yang berbeda. Anda dapat mengambil termometer dengan desain yang sama, tetapi dengan "benda termal" yang berbeda (misalnya, merkuri dan alkohol). Skala suhu mereka juga tidak akan cocok. Grafik ketergantungan panjang kolom merkuri pada panjang kolom alkohol tidak akan linier.

Oleh karena itu, konsep suhu berdasarkan hukum kesetimbangan termal tidak ambigu. Suhu ini disebut empiris dan tergantung pada bagaimana suhu diukur. Nol dari skala suhu empiris selalu tersingkir secara sewenang-wenang. Menurut definisi suhu empiris arti fisik hanya memiliki perbedaan suhu, yaitu perubahannya. Setiap skala suhu empiris direduksi menjadi skala suhu termodinamika dengan memperkenalkan koreksi yang memperhitungkan sifat hubungan antara sifat termometrik dan suhu termodinamika.

Skala suhu

Untuk membuat skala suhu, nilai numerik suhu ditetapkan ke dua titik referensi tetap. Kemudian, perbedaan suhu dari titik referensi dibagi dengan jumlah bagian yang dipilih secara acak, memperoleh unit suhu. Suhu transisi zat kimia murni dari satu keadaan agregat ke yang lain, misalnya, titik leleh es $ t_0 $ dan titik didih air $ t_k $ pada tekanan atmosfer normal ($ \ kira-kira 10 ^ 5Pa).$ Nilai $t_0 \ dan \ t_k $ memiliki arti yang berbeda:

• pada skala Celcius (skala celcius): titik didih air $ t_k = 100 ^ 0C $, titik leleh es $ t_0 = 0 ^ 0C $. Skala Celcius adalah skala di mana suhu titik tripel air adalah 0,010C pada tekanan 0,06 atm. (Titik rangkap tiga air disebut suhu dan tekanan tertentu di mana air, uap, dan esnya dapat secara bersamaan berada dalam keseimbangan.);
• pada skala Fahrenheit, titik didih air $ t_k = 212 ^ 0F; $ $ t_0 $ = 3 $ 2 ^ 0F $ - titik leleh es;

Hubungan antara suhu yang dinyatakan dalam Celcius dan Fahrenheit adalah:

\ [\ frac (t ^ 0C) (100) = \ frac (t ^ 0F-32) (180) \ \ atau \ t ^ 0F = 1,8t ^ 0C + 32 \ \ kiri (1 \ kanan); \ ]

Nol pada skala ini ditentukan oleh titik beku campuran air, garam dan amonia dengan perbandingan 1:1:1.

• pada skala Kelvin: suhu diukur dari nol mutlak (t = -273,50C) dan disebut termodinamika atau suhu mutlak... T = 0K adalah keadaan yang sesuai dengan tidak adanya getaran termal. Titik didih air pada skala ini adalah $ t_k = 373K, $ adalah titik leleh es $ t_0 = 273K $. Hubungan antara suhu Kelvin dan suhu Celcius:
\
• menurut skala Reaumur, titik didih air adalah $ t_k = 80 ^ 0R $, titik lebur es adalah $ t_0 = 0 ^ 0R. $ Skala praktis tidak digunakan. Hubungan antara suhu yang dinyatakan dalam derajat Celcius dan derajat Reaumur:
\

Termometer Reaumur menggunakan alkohol.

• pada skala Rankine, titik didih air adalah $t_k = 671,67 ^ (0 \) Ra $, titik leleh es adalah $t_0 = (491,67) ^ 0Ra.$ Skala dimulai dari nol mutlak. Jumlah derajat antara titik beku dan titik didih air pada skala Fahrenheit dan Rankin adalah sama dan sama dengan 180.

Rasio antara Kelvin dan Rankine: 1K = 1, $8 ^ (0 \) Ra $, derajat Fahrenheit dikonversi ke derajat Rankine dengan rumus:

\ [^ 0Ra = ^ 0F + 459,67 \ kiri (4 \ kanan); \]

Dalam teknologi dan dalam kehidupan sehari-hari, suhu berada pada skala Celcius. Satuan skala ini disebut derajat Celcius ($ ^ 0С). \ $ Dalam fisika, suhu termodinamika digunakan, yang tidak hanya lebih nyaman, tetapi juga memiliki makna fisik yang dalam, karena ditentukan oleh energi kinetik rata-rata dari molekul. Satuan suhu termodinamika, derajat kelvin (sebelum 1968), atau sekarang hanya kelvin (K), adalah salah satu satuan dasar dalam SI. Suhu T = 0K disebut suhu nol mutlak. Termometri modern didasarkan pada skala gas ideal, di mana tekanan digunakan sebagai nilai termometrik. Skala termometer gas adalah mutlak (T = 0, p = 0). Saat memecahkan masalah, paling sering Anda harus menggunakan skala suhu khusus ini.