1. Температура и её измерение. Абсолютная температура. Температура - мера средней кинетической энергии движения молекул.

Температу́ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

... мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться ...

(П. Л. Капица)

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура входит в состав семи основных единиц и выражается в кельвинах. В состав производных величин СИ, имеющих специальное название, входит температура Цельсия, измеряемая в градусах Цельсия[1]. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Градус Цельсия по определению равен кельвину.[источник?] Поэтому после введения в 1967 г. нового определения Кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99,975 °C[2].

Существуют также шкалы Фаренгейта и некоторые другие.

Измерение температуры

Для измерения термодинамической температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. Классическим примером термодинамического термометра может служить газовый термометр, в котором температуру определяют методом измерения давления газа в баллоне постоянного объема. Известны также термометры абсолютные радиационные, шумовые, акустические.

Термодинамические термометры — это очень сложные установки, которые невозможно использовать для практических целей. Поэтому большинство измерений производится с помощью практических термометров, которые являются вторичными, так как не могут непосредственно связывать какое-то свойство вещества с температурой. Для получения функции интерполяции они должны быть отградуированы в реперных точках международной температурной шкалы. Самым точным практическим термометром является платиновый термометр сопротивления[4]. Средства измерения температуры часто проградуированы по относительным шкалам — Цельсия или Фаренгейта.

На практике для измерения температуры также используют

• жидкостные и механические термометры,

• термопару,

• термометр сопротивления,

• газовый термометр,

• пирометр.

Разработаны новейшие методы измерения температуры, основанные на измерении параметров лазерного излучения[5].

Шкала температур Кельвина

Понятие абсолютной температуры было введено У. Томсоном (Кельвином), в связи с чем шкалу абсолютной температуры называют шкалой Кельвина или термодинамической температурной шкалой. Единица абсолютной температуры — кельвин (К).

Абсолютная шкала температуры называется так, потому что мера основного состояния нижнего предела температуры — абсолютный ноль, то есть наиболее низкая возможная температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.

Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно −273.15 °C (точно).

Шкала температур Кельвина — это шкала, в которой начало отсчёта ведётся от абсолютного нуля.

Важное значение имеет разработка на основе термодинамической шкалы Кельвина Международных практических шкал, основанных на реперных точках — фазовых переходах чистых веществ, определенных методами первичной термометрии. Первой международной температурной шкалой являлась принятая в 1927 г. МТШ-27. С 1927 г. шкала несколько раз переопределялась (МТШ-48, МПТШ-68, МТШ-90): менялись реперные температуры, методы интерполяции, но принцип остался тот же — основой шкалы является набор фазовых переходов чистых веществ с определенными значениями термодинамических температур и интерполяционные приборы, градуированные в этих точках. В настоящее время действует шкала МТШ-90. Основной документ (Положение о шкале) устанавливает определение Кельвина, значения температур фазовых переходов (реперных точек)[6] и методы интерполяции.

Используемые в быту температурные шкалы — как Цельсия, так и Фаренгейта (используемая, в основном, в США), — не являются абсолютными и поэтому неудобны при проведении экспериментов в условиях, когда температура опускается ниже точки замерзания воды, из-за чего температуру приходится выражать отрицательным числом. Для таких случаев были введены абсолютные шкалы температур.

Одна из них называется шкалой Ранкина, а другая — абсолютной термодинамической шкалой (шкалой Кельвина); температуры по ним измеряются, соответственно, в градусах Ранкина (°Ra) и кельвинах (К). Обе шкалы начинаются при температуре абсолютного нуля. Различаются они тем, что кельвин равен градусу Цельсия, а градус Ранкина — градусу Фаренгейта. Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K, 0 °C, 32 °F.

Масштаб шкалы Кельвина привязан к тройной точке воды (273,16 К), при этом от неё зависит постоянная Больцмана. Это создаёт проблемы с точностью интерпретации измерений высоких температур. Сейчас МБМВ рассматривает возможность перехода к новому определению кельвина и фиксированию постоянной Больцмана, вместо привязки к температуре тройной точки.[7].

Температура - мера средней кинетической энергии

Сравнивая уравнение состояния идеального газа и основное уравнение кинетической теории газов, записанные для одного моля (для этого число молекул N возьмём равным числу Авогадро NА), найдём среднюю кинетическую энергию одной молекулы:

и .

Откуда

. (31)

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы не зависит от её природы и пропорциональна абсолютной температуре газа T. Отсюда следует, что абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии молекул.

Величина R/NА = k в уравнении (31) получила название постоянной Больцмана и представляет собой газовую постоянную, отнесенную к одной молекуле:

k = 1,38•10-23 Дж/К-23.

Так как = kТ, то средняя квадратичная скорость равна

. (32)

Подставляя значение средней кинетической энергии поступательного движения молекул (31) в основное уравнение молекулярно–кинетической теории газов, получим другую форму уравнения состояния идеального газа:

P = n0kT. (33)

Давление газа пропорционально произведению числа молекул в единице объема на его термодинамическую температуру.

На рис. приведена схема опыта Штерна для определения скорости молекул газа.

В нагревателе с поверхности проволоки, раскаленной электрическим током, испаряются атомы серебра. Попадая из нагревателя через отверстие в вакуумную камеру, молекулы пара с помощью системы щелей формируются в узкий пучок, направленный в сторону двух дисков, вращающихся с угловой скоростью w .Диски используются для сортировки молекул по скоростям. Угол между прорезями в дисках q. Расстояние между дисками X в процессе эксперимента не изменяется. Для того, чтобы молекула пара попала на приемник детектора частиц, она должна пройти через прорези в дисках. Для этого время прохождения молекулы, движущейся со скоростью V между дисками, должно быть равно времени поворота прорези второго диска на угол q. Поэтому

V=w" X/ q

2. Радиолокация, применение радиолокации.

Радиолока́ция — область науки и техники, объединяющая методы и средства обнаружения, измерения координат, а также определение свойств и характеристик различных объектов, основанных на использовании радиоволн. Близким и отчасти перекрывающимся термином является радионавигация, однако в радионавигации более активную роль играет объект, координаты которого измеряются, чаще всего это определение собственных координат. Основное техническое приспособление радиолокации — радиолокационная станция (англ. Radar).

Различают активную, полуактивную, активную с пассивным ответом и пассивную РЛ. Подразделяются по используемому диапазону радиоволн, по виду зондирующего сигнала, числу применяемых каналов, числу и виду измеряемых координат, месту установки РЛС

Мирное применение радиолокации не ограничивается разнообразнейшими средствами навигации. Техника радиолокации помогла значительно расширить исследования ученых, внесла свой вклад в их новые достижения.

В метеорологии, например, с помощью новой техники осуществляется ряд важнейших наблюдений. Известно, что в сантиметровом диапазоне с укорочением волны начинают заметно ощущаться отражения от скоплений водяных паров. Поэтому с помощью соответствующих радиолокаторов можно заблаговременно обнаруживать скопления облаков, приближение дождя, грозового фронта и т. д. Такие предупреждения имеют очень большое значение на линиях воздушных сообщений, а также для метеорологической службы.

Радиолокаторы применяются для наблюдения за шарами-пилотами, которые используются метеорологами для определения скорости и направления ветра. Раньше оптические методы делали невозможным наблюдение за шарами на очень больших высотах, за облаками. Теперь же все эти затруднения отпали. Для лучшей видимости к шару-пилоту прикрепляется специальный металлический отражатель.

Большую помощь оказывают радиолокаторы астрономам. Они помогают вести наблюдения за «падающими звездами» — метеорами, влетающими в земную атмосферу. Изучение метеоров не только дает много новых данных для развития теории происхождения вселенной, но и помогает глубже познакомиться с особенностями стратосферы. Развитие современной авиации и артиллерии придает этим сведениям большое значение.

Метеоры влетают в земную атмосферу с очень большой скоростью. Поэтому, врываясь в атмосферу, они раскаляются и образуют за собой «хвост» ионизированного воздуха, который является отличным отражателем. Большое достоинство радиолокационного метода—это возможность круглосуточного наблюдения. Вооруженные новым средством астрономы сразу же обнаружили многие неизвестные ранее дневные метеорные потоки.

Еще в 1943 г. академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папа-лекси указали на возможность получения сигналов, отраженных от луны, с помощью .радиолокационной техники. В 1946 г. это было подтверждено экспериментально. Радиолокационная станция, пославшая свой импульс на луну, работала на волке 2,69 м. Длительность импульса была равна 0,25 сек. Частота повторения — 1 раз в 4 секунды. Отраженный сигнал вернулся на землю через 2,6 секунды. Была доказана возможность передачи радиоволн на огромные расстояния за пределы земли. В дальнейшем опыты по локации луны повторялись. При более точных измерениях эхо-импульс возвращался на землю через 2,5 сек.

С помощью радиолокационных приемников были обнаружены излучения звездного мира, открыты «радиозвезды» — места особенно интенсивных излучений. Эти данные позволяют пополнить научные знания в области астрофизики — науки о строении и составе небесных тел.

В наши дни смелая мысль ученого-новатора проникает в необъятные просторы вселенной, вооруженная не только опытом оптических наблюдений, но и богатым содержанием бесчисленных радиосигналов, доносящихся к земле из мирового пространства.

Билет 14.