Tenperatura

Wikipedia(e)tik

Gas baten tenperatura mugitzen eta elkartopatzen diren atomo eta molekulen energia zinetikoaren bataz-besteko neurketa da. Animazio honetan helio atomoen tamaina erlatiboa eskalan erakusten da 136 atmosferako presiopean. Atomo hauek abiadura zehatz bat dute, hemen bi trilioi aldiz murriztu dena

Tenperatura gorputzen propietate bat da, "hotza" eta "beroa" adierazten duena. Gorputz batek besteak baino tenperatura altuagoa duenean beroagoa dagoela esaten da.

Fisikoki, partikulen agitazioaren neurria da. Zehazki, atomo, molekula edo beste funtsezko osagairen energia gorabeheren maila-magnitudea K_BT da, non K_B Boltzmannen konstantea den eta T tenperatura, Kelvinetan neurtua. Gas idealetan, batazbesteko energia zinetikoa $E Z = (3 / 2) K B T$ da.

Termodinamikan garrantzi handiko propietate bat da, eta besteak beste barne energian eta entalpian agertzen da. Propietate intentsiboa da, ez baitago sistemaren materia kantitearen menpe. Hau da, propietatearen balioa berdina da sistema osoa hartzen bada edo zati bat besterik ez, hau orekan baldin badago.

Eduki-taula

1 Tenperaturaren neurketa
- 1.1 Tenperatura eskalak
2 Definizio teorikoa
- 2.1 Termodinamikaren zero legetik definizioa
- 2.2 Termodinamikaren bigarren legetik definizioa
3 Hutsean tenperatura
4 Kanpo loturak

[aldatu] Tenperaturaren neurketa

Tenperatura neurtzeko erabiltzen den termometro bat

Tenperatura neurtzeko termometroa erabiltzen da. Lehenengo termometro erabilgarria Ole Rømer daniarrak asmatu zuen 1701ean, ardoa erabiliz. 1708an Gabriel Fahrenheitek Romer eskala aldatu egin zuen eta merkurioa erabili zuen neurketa zehatzago baterako. Fahrenheit eskala oraindik leku askotan erabiltzen da, batez ere herrialde anglosaxoietan. 1742an Anders Celsiusek Celsius eskala asmatu zuen, 0 ºC uraren izozte puntuan finkatuz eta 100 ºC irakite puntuan. Nazioarteko Unitate Sisteman unitatea Kelvina da. Kelvina bi puntugatik definitua dago: 0 K zero absolutuari dagokio eta 273,16 K uraren puntu hirukoitzari.

Termometroek magnitude fisiko ezberdinak erabiltzen dituzte tenperatura neurtzeko. Termometroaren arabera, magnitude hau presioa, bolumena, erresistentzia elektrikoa edo luzera (eguneroko termometroetan erabiliena) izan daitezke, besteak beste.

[aldatu] Tenperatura eskalak

Eskala definitzeko funtzio bat erabiltzen da, $Φ(X)$ , X propietatearen menpe dagoena. $Φ(X)$ termometroaren tenperatura da, berarekin orekan dauden sistemen berdina, eta nahierako funtzio bat aukeratu daiteke. Eskala funtzioaren menpe dagoen bezala, termometroa aukeratutako propietatearen araberakoa da.

[aldatu] Eskala absolutuak

$Φ(X)$ funtzioa X propietateari proportzionala den funtzioa hautatuz, $Φ(X) = a X$ . Funtzioa zehazteko a konstantea finkatu behar da, puntu finko bat aukeratuz, erraz erreproduzitu daitekeena. Parisen 1954ean egin zen 10. Pisu eta Neurrien Biltzar Orokorrean puntu finko horretarako uraren puntu hirukoitza aukeratu zen. Egoera horretan tenperatura 273,16 K denez, $a = \frac{273,16}{X_{PH}}$ da, eta ondorioz

$\Phi(X) = 273,16 \frac{X}{X_{PH}}$ ,

non X_PH puntu hirukoitzaren egoeran propietate termikoaren balioa den.

[aldatu] Eskala linealak

Funtzio bezala $φ(X) = a X + b$ erako funtzio lineala aukeratu daiteke. Orduan bi puntu behar dira funtzioa definitzeko. Adibidez, Celsius eskalan bi puntuak uraren izozte puntua eta irakite puntua atmosfera estandarrean dira, balioak φ = 0 ºC eta φ = 100 ºCtan ezarriak izan direlarik hurrenez hurren. Fahrenheit, Kelvin, Rankine eta beste eskala batzuk ere honela definituak dira, baina puntu eta balio ezberdinak hartuz.

[aldatu] Tenperaturaren eskala termodinamikoa

Termodinamikaren bigarren legetik eratorria den Carnoten teoremak dioenaren arabera, bero iturri bereen artean Carnoten zikloa egiten duten bi makina itzulgarriren errendimendua berdina da. Beraz, ez da lan-sustantzia edo propietateen menpe egongo, bero iturrien ezaugarrien menpe bakarrik egongo da. Bero iturriak beraien tenperaturagatik bereizten direnez, errendimendua tenperaturaren funtzioa izango da. Makinak T₁ eta T₂ tenperatura duten iturrien artean lan egiten badu, errendimendua tenperaturaren menpe dago:

$\eta = 1 - \frac{Q_2}{Q_1} = \phi (T_1,T_2) \quad \Longrightarrow \quad \frac{Q_1}{Q_2} = \frac{1}{1 - \phi (T_1,T_2)} = f(T_1,T_2)$

Beraz, trukatutako beroen zatidura tenperaturen funtzioa da. Termodinamikaren bigarren legearen arabera errendimendua ezin da unitatea izan eta f funtzioa beti definitua dago.

Orain, jo hiru makina ditugula beste hainbeste iturriren artean lanean, non $T 1 > T 3 > T 2$ . Lehenengo makina 1 eta 2 iturrien artean dabil, bigarrena 1 eta 3 artean eta hirugarrena 3 eta 2 artean, iturri bakoitzak berarengan aritzen diren makinen artean bero berdina trukatzen duelarik. Hots, lehenengoak eta bigarrenak Q₁ xurgatzen dute; bigarrenak eta hirugarrenak Q₂ eman eta xurgatzen dute, hurrenez hurren; eta lehenengoak eta hirugarrenak Q₃ lagatzen dute. Aurreko ekuaziotik, makina bakoitzari ezarria:

$\frac{Q_1}{Q_2} = f(T_1,T_2)\ ;\ \frac{Q_1}{Q_3} = f(T_1,T_3)\ ;\ \frac{Q_3}{Q_2} = f(T_3,T_2)$

Erlazio matematikoak erabiliz:

$\frac{Q_1}{Q_2} = \frac{Q_1}{Q_3} \frac{Q_3}{Q_2} \quad \Longrightarrow \quad f(T_1,T_2) = f(T_1,T_3) f(T_3,T_2)$

Lehenengo atala T₁ eta T₂ren menpe soilik dagoenez, bigarren atalak ere horrela izan behar du, berdin dio zein den T₃. Hori horrela izan dadin f funtzioa hurrengo itxurakoa izan behar da:

$f(T_i,T_j) = \frac{\Phi(T_i)}{\Phi(T_j)} \quad \Longrightarrow \quad \frac{Q_1}{Q_2} = \frac{\Phi(T_1)}{\Phi(T_2)}$

Erlazio hori betetzen duten funtzioen artean errezena Kelvinek proposatutakoa da, $Φ(T) = T$ . Eskala honi tenperatura eskala absolutua edo Kelvin tenperatura eskala deritzo. Aurreko ekuazioan ordezkatuz:

$\frac{Q_1}{Q_2} = \frac{T_1}{T_2}$

Eskala guztiz definitzeko puntu bat finkatu behar da. Uraren puntu hirukoitza hartuz, T = 273,16 K,

$T = 273,16 \frac{Q}{Q_{PH}}$ , non:

Q_PH : Carnoten makinak uraren puntu hirukoitzaren tenperaturan dagoen iturriarekin trukatutako beroa
Q : Carnoten makinak T tenperaturan dagoen iturriarekin trukatutako beroa.

[aldatu] Definizio teorikoa

[aldatu] Termodinamikaren zero legetik definizioa

Termodinamikaren zero legeak dioen arabera, beraien artean bananduta dauden bi sistema hirugarren batekin oreka termikoan badaude, biak beraien artean orekan daude. Definizio enpirikoa da, behaketa bidez atera baita teoriaz beharrean. Hiru sistemak oreka termikoan daudenez, hirurek propietate baten balio amankomun bat dute. Sistema bat beste batzuekin oreka termikoan dagoen edo ez zehazten duen propietate honi tenperatura deitzen zaio.

[aldatu] Termodinamikaren bigarren legetik definizioa

Beste oinarrizko lege bat termodinamikaren bigarren legea da, iturri bakar batekin beroa trukatu eta era berean lana burutzen duen makina termiko bat egitea ezinezkoa dela adierazten duena. Hortaz baliatuz Sadi Carnotek Carnoten zikloa egiten duen ziklo bat iturri bereen artean dagoen beste edozein prozesu baino eraginkorragoa dela frogatu zuen, eta tenperaturaren eskala termodinamikoan ikus daitekeenez, trukatutako beroen eta tenperaturen zatidurak berdinak dira. Horrekin, Rudolf Clausiusek bere teorema azaldu zuen eta entropia kontzeptua adierazi zuen. Entropia sistemen propietate bat da, eta bere aldaketa prozesu itzulgarri baten iturri batekin trukatutako beroa eta iturriaren tenperaturaren arteko zatidura bezala definitua dago:

$dS = \frac{\delta Q}{T}\bigg|_{itzg}$

Eta eraldatuz tenperatura era berri batean definitu daiteke: prozesu itzulgarri baten trukatutako beroa eta entropiaren aldaketaren arteko zatidura:

$T = \frac{\delta Q}{dS}\bigg|_{itzg}$

[aldatu] Hutsean tenperatura

Tenperatura sistemen propietate bat da, eta hutsean ez dagoenez ez atomorik ezta sistema fisikorik ere, tenperatura ez dago definitua. Termometro batek bere barne energiari dagokion tenperaturaren balioa neurtuko luke. Gorputz guztiek erradiazio bidez energia kanporatzen dute, tenperatura jeitsiz balio limite bat arte, gorputzaren masak agindutakoa. Isuri bezala, gorputzak erradiazioa xurga dezake tenperatura igoz. Erradiazio bidez isuritako eta xurgatutako beroak berdinak direnean oreka termikoan egongo da. Termometroa izar edo beste uhin elektromagnetiko iturri nagusiengandik isolatua badago tenperatura 2,725 K izango litzateke, erradiazio kosmiko sakonagatik erradiazioa jasotzen ari delako, eta tenperatura horri dagokio oreka termikoa. Tenperatura honi espazioaren tenperatura deitu ohi zaio.