Definicja pojęcia:

temperatura bezwzględna

Temperatura bezwzględna, skala Kelvina - temperatura wyrażona w skali, której wartość zerowa odpowiada temperaturze zera bezwzględnego. Temperatura bezwzględna T jest proporcjonalna do średniej energii kinetycznej ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.
  1. Temperatura w kinetycznej teorii gazów
  2. Bezwzględna (absolutna) skala temperatury
  3. Temperatury ujemne

Temperatura w kinetycznej teorii gazów

Temperatura zależy od ruchu cząsteczek tworzących dany układ. Wraz ze wzrostem energii tych ruchów spowodowanych przemieszczaniem się cząsteczek, drganiami atomów czy drganiami wewnątrz cząsteczki, rośnie również temperatura tego układu. Atomy ciał stałych drgają w węzłach sieci krystalicznej, w gazach cząsteczki przemieszczają się we wszystkich kierunkach i zderzają się ze sobą.

Temperatura bezwzględna T układu składającego się z atomów lub cząsteczek jest w teorii kinetycznej gazów definiowana jako średnia energia kinetyczna <E> ruchu pojedynczej cząsteczki przypadająca na jeden stopień swobody ruchu.

Zależność tą wyraża się wzorem:
gdzie:
f – liczba stopni swobody cząsteczki
kB – stała Boltzmanna (współczynnik proporcjonalności między jednostkami temperatury i energii), wynoszący k=1,38 · 10¯²³ J/K
Cząsteczki gazów są w ciągłym ruchu, przemieszczają się w różnych kierunkach i zderzają ze sobą. Źródło: Wikipedia
Spadek temperatury związany jest bezpośrednio z oddawaniem energii przez układ. Po osiągnięciu najniższej wartości energii układ osiąga temperaturę zera bezwzględnego. Temperatura zera bezwzględnego stanowi nieprzekraczalną granicę, do której dąży temperatura dowolnego ciała podczas ochładzania (zgodnie z założeniami trzeciej zasady termodynamiki). Przy tej temperaturze cząsteczki mają najmniejszą możliwą do osiągnięcia energię kinetyczną, to znaczy że wszelki ruch tych cząsteczek ustaje. Zgodnie z założeniami mechaniki klasycznej energia kinetyczna cząsteczek osiąga wartość zerową. Założenia mechaniki kwantowej postulują jednak, że zazwyczaj wartość energii kinetycznej cząsteczek jest większa od 0 i cząsteczki poruszają się wykonując drgania zerowe.

Bezwzględna (absolutna) skala temperatury

Pojęcie temperatury zera bezwzględnego zostało po raz pierwszy wprowadzone przez Guillaume’a Amontonsa w 1702 r. na podstawie zależności ciśnienia gazów od ich temperatury. Ciśnienie gazów jest proporcjonalne do ich temperatury pomniejszonej o wartość jednakową dla wszystkich gazów.

William Thomson, lord Kelvin w 1848 r. zaproponował wprowadzenie skali temperatury bezwzględnej (skali Kelvina), aby wyeliminować stałą, którą za każdym razem należało dodawać do wartości temperatury. Skala ta jest skalą absolutną, to znaczy, że wartość zerowa w tej skali oznacza najniższą teoretycznie możliwą temperaturę, jaką może osiągnąć ciało. Skala ta nie posiada maksymalnej temperatury, gdyż teoretycznie gaz można rozgrzewać bez końca, rozpędzając jego cząsteczki do coraz większej szybkości, przez co mogą osiągać coraz większą energię kinetyczną.

Skala ta jest oparta na równaniu stanu gazu doskonałego (równaniu Clapeyrona) opisującego związek pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu doskonałego:
gdzie:
p – ciśnienie
v – objętość
n – liczba moli gazu
R – uniwersalna stała gazowa R = 8,314 J/(mol · K)
T – temperatura bezwzględna T [K]  = t [°C] + 273,15, k – stała Boltzmanna
William Thomson, lord Kelvin. By "Photo by Messrs. Dickinson, London, New Bond Street" (according to http://www.sil.si.edu/DigitalCollections/hst/scientific-identity/fullsize/SIL14-T002-07a.jpg) [Public domain], via Wikimedia Commons
Temperaturę określa się na podstawie pomiaru ciśnienia i objętości gazu doskonałego lub dopasowuje się wyniki pomiarów danego gazu rzeczywistego do warunków gazu doskonałego.

W skali bezwzględnej zero definiowane jest jako temperatura gazu idealnego, w której posiada on zerową objętość przy dowolnej wartości ciśnienia. Oznacza to, że wszelki ruch cząsteczek gazu ustaje. W rzeczywistości jednak, objętości cząsteczek gazu mają wartość większą od zera (są niezerowe).

W temperaturze zera bezwzględnego wszystkie ciała znajdują się w stanie stałym, za wyjątkiem helu, który znajduje się w stanie ciekłym w dowolnie niskiej temperaturze (przy określonym zakresie ciśnienia).

Temperatura zera bezwzględnego (absolutnego) wynosi 0 K (kelwinów), co odpowiada temperaturze -273,15°C w skali Celsjusza i −459,67 °F w skali Fahrenheita. Skala Kelvina oparta jest na skali Celsjusza, dlatego aby otrzymać temperaturę w kelwinach dodaje się do liczby wyrażonej w stopniach Celsjusza wartość 273,15.

Temperatury ujemne

Dla pewnych układów możliwe jest istnienie temperatury w skali Kelvina, która według definicji opartej na zmianie entropii będzie ujemna:
gdzie:
S – entropia
U – energia układu
Temperatura zera bezwzględnego. By Celsius_kelvin_estandar_1954.png: Homo logosderivative work: kismalac (Celsius_kelvin_estandar_1954.png) [CC BY-SA 3.0 or GFDL], via Wikimedia Commons
Dostarczanie energii do danego układu powoduje spadek entropii, czyli wzrost uporządkowania w tym układzie. Zjawisko to można zaobserwować np. w napompowanym ośrodku laserowym, gdzie większość elektronów znajduje się w wyższym stanie energetycznym. Dostarczanie energii (czyli pompowanie ośrodka laserowego) zwiększa jeszcze ilość elektronów w wyższym stanie energetycznym, czyli powoduje spadek entropii. Zwiększanie ilości dostarczanej energii powoduje spadek entropii, co wiąże się z tym, że pochodna entropii po energii jest ujemna. Temperatura układu elektronów jest w tym przypadku także ujemna.

Otrzymana w ten sposób temperatura ujemna nie jest jednak temperaturą substancji, w której obserwuje się to zjawisko. Energia atomów w układzie termodynamicznym ma temperaturę bezwzględną dodatnią, jak również w wyniku zderzeń atomów energia elektronów może być przekształcona w energię kinetyczną.

Biorąc pod uwagę definicję, której założeniem jest, że temperatura jest proporcjonalna do średniej energii kinetycznej cząsteczek, nie jest możliwe uzyskanie wartości energii kinetycznej mniejszej niż zero. Jeżeli cząsteczki nie wykazują ruchu, nie można sprawić, by poruszały się wolniej, w związku z czym również ich temperatura bezwzględna nie może być mniejsza od zera.
Gwałtowna ekspansja Mgławicy Bumerang spowodowała, że temperatura cząsteczek gazu spadła do temperatury ok. 1 K – jest to najzimniejszy znany obszar w całym Wszechświecie. By ESA/NASA (http://www.spacetelescope.org/images/heic0301a/) [Public domain or Public domain], via Wikimedia Commons

Bibliografia

  1. Frederic P. Miller, Agnes F. Vandome, John McBrewster; “Absolute Zero”; Alphascript Publishing, 2009;
  2. David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker; “Podstawy fizyki T. 2”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015;
  3. Ryszard Cach, Antoni Ciszewski, Jan Kołaczkiewicz; “Słownik Fizyka”; Europa, Poznań 2017;
  4. Igor W. Sawieliew, ; “Wykłady z fizyki, tom 1. Mechanika, fizyka cząsteczkowa”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.6
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź
Pasaż zakupowy