1 K jest zdefiniowana jako (1 / 273,15) th temperatury w potrójny punkt wody . Przynajmniej tak to jest zdefiniowane w mojej książce. Ale w jakiej skali mierzy się punkt potrójny wody?
Celsjusza? Fahrenheit?
Komentarze
- To nie ' nie ma znaczenia. To ' jest punktem tej definicji.
- Możesz użyć dowolnej skali, będzie to tylko fikcyjne odniesienie. Skala, którą autorzy prawdopodobnie zamierzali jako odpowiedź na to pytanie, to skala Kelvina . To, że powyższa definicja jest odczytywana jako tautologiczna, wynika z tego, że autorzy źle sformułowali definicję. Prawdopodobnie mieli na myśli to, że temperatura, w której woda znajduje się w punkcie potrójnym, została zdefiniowana jako 273,16 K w skali Kelvina. (Powinno to być 273,16 K, a nie 273,15 K).
- Może ' nie być stopniami Celsjusza lub Fahrenheita, ponieważ żaden z nich nie zaczyna się od zera absolutnego.
- @SimonB: Cóż, … niezupełnie (temperatury delta to nie temperatury). Ale jeśli ' zamierzasz przyjąć taki punkt widzenia, musisz promować Rankinea.
- @Zorawar Właściwie to jest doskonałe pytanie: definicja tak nie mów, jak skonfigurowałbyś eksperyment w celu porównania dwóch temperatur $ T_1 $ i $ T_2 $, aby znaleźć temperaturę $ T_ {mean} = \ frac {T_1 + T_2} {2} $. Lub odwrotnie, biorąc pod uwagę dwa systemy o wartości T_1 $ i T_2 $, jaka jest temperatura połączonego systemu? $ \ frac {T_1 + T_2} {2} $? Lub $ \ root {T_1 \ cdotT_2} $? Nawet jeśli oba systemy zawierają taką samą ilość tej samej substancji, żadna z tych dwóch temperatur nie musi być wynikiem. Pamiętam, że miałem to samo pytanie, kiedy słuchałem wykładów z termodynamiki.
Odpowiedź
Aby odpowiedzieć na to pytanie, może pomóc wziąć przykład z bardziej znanej dziedziny fizyki, a następnie omówić temperaturę.
Przez długi czas kilogram (jednostka masy w układzie SI) był definiowany jako masa pewnego obiektu trzymanego w skarbiec w Paryżu. Wtedy gram można zdefiniować jako jedną tysięczną masy tego przedmiotu i tak dalej. Jeśli teraz zapytasz, jakie jednostki są używane do określenia masy wybranego obiektu? to nie ma znaczenia, o ile są proporcjonalne do skali jednostek, które chcesz przyjąć. Więc gdyby ktoś powiedział ci masę specjalnego obiektu w funtach (np. 2,2 funta), nadal wiedziałbyś, że jeden gram to jedna tysięczna tej masy.
Z temperaturą jest podobnie. Istnieje pewien stan wody, pary wodnej i lodu we wzajemnej równowadze. Ten stan ma temperaturę niezależną od innych szczegółów, takich jak objętość, o ile substancje są czyste i nie są zbyt małe. Więc ten stan ma określoną temperaturę. Ma jedną jednostkę temperatury w ” jednostkach potrójnych ” (skala temperatury, którą właśnie wymyśliłem). Kiedy mówimy, że Kelwin jest pewnym ułamkiem tej temperatury, mówimy, że termometr, którego wskazania są proporcjonalne do temperatury bezwzględnej, musi być skalibrowany tak, aby rejestrował 273,16, gdy zostanie doprowadzony do równowagi z wodą w punkcie potrójnym, jeśli chcemy termometr do odczytu w kelwinach. Na przykład, jeśli termometr jest oparty na gazie idealnym o stałej objętości, to współczynnik konwersji z ciśnienia w gazie na wskazaną temperaturę powinien być liczbą, która zapewnia wskazywaną temperaturę 273,16 w punkcie potrójnym. Wtedy wiesz, że twój termometr gazowy podaje odczyty w kelwinach i nigdy nie musiałeś znać żadnych innych jednostek. (Uwaga, taki termometr jest bardzo dokładny w szerokim zakresie temperatur, ale nie można go używać poniżej temperatur kilku kelwinów. Aby dostać się do obszaru niskiej temperatury, potrzebne byłyby inne typy termometrów. W zasadzie wszystkie można skalibrować aby ustalić, gdzie ich zakresy się pokrywają.)
(Dziękuję Pieterowi za szczegół, który jest sygnalizowany w komentarzach, a teraz poprawiony w tekście, ale mam nadzieję, że komentarz pozostanie.)
Komentarze
- Powinno to być 273,16, ponieważ punkt potrójny to 0,01 C.
- @ Pieter Dzięki! Nie byłem też pewien szczegółów, takich jak skład chemiczny. Przydaje się taka precyzja.
Odpowiedź
To była stara definicja.
Od maja kelwin jest definiowany przez ustalenie wartości stałej Boltzmanna: https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?k
Jest to zgodne z punktem potrójnym określonego rodzaju wody ( VSMOW ) przy 273,16 K.
Historycznie jest to również zgodna z jeszcze starszą definicją wielkości stopni Celsjusza jako 1/100 różnicy temperatur między zamarzaniem a gotowaniem wody.
Inna skala temperatury bezwzględnej jest oparta na wielkości stopnia w skali Fahrenheita. To jest skala Rankinea, w której 1 $ kelvin = 1,8 $ \ ^ \ circ $ R.
Edytuj: więc twoja książka była błędna. Punkt potrójny to 273,16 USD K, czyli 0,01 $ \ ^ \ circ {\ rm C} $ ( ponieważ punkt potrójny jest nieco wyższy niż temperatura topnienia lodu pod ciśnieniem atmosferycznym).
Komentarze
- OK, że ' to stara definicja, ale OP interesuje się starą definicją. Ta odpowiedź nie ' nie pomaga w wyjaśnieniu OP ', że jednostki używane do pomiaru temperatury punktu potrójnego mają znaczenie.
- OP może być zainteresowany, aby wiedzieć, że jego książka jest nieco nieaktualna. A gdybym napisał to jako komentarz, ktoś narzekałby, że powinienem był to napisać jako odpowiedź. Zawsze te męczące skargi na tej stronie.
- Sprawdź moją odpowiedź tutaj: hsm.stackexchange.com/questions/6794/…
- Dobra odpowiedź, ale jeszcze lepiej byłoby wspomnieć, dlaczego masz 273,16 $ zamiast OP ' s 273,15 $ .
- @badjohn Dobra sugestia. Gotowe.
Odpowiedź
Może to nie być oczywiste na podstawie codziennych doświadczeń z temperaturą, ale ma naturalne zero punkt, niezależnie od wyboru skali.
Temperatura jest związana z wewnętrznym ruchem cząstek tworzących substancję – kiedy ustaje cały wewnętrzny ruch, temperatura wynosi zero.
Możesz myśleć o tym jak o stężeniu barwnika w zbiorniku z wodą. Nie ma dwuznaczności co do tego, co oznacza zero: brak barwnika oznacza stężenie zerowe. W związku z tym, co masz na myśli, mówiąc ” Stężenie barwnika w tym zbiorniku jest o połowę mniejsze niż w tym zbiorniku ” nie zależy od jednostek używanych do określenia stężeń.
Nieporozumienie może wynikać z faktu, że w przeciwieństwie do większości wielkości, które mają naturalne zero punkt (masa, energia kinetyczna itp.) znane skale temperatury mają przesunięcie, dzięki czemu powszechnie spotykane temperatury mają postać małych liczb.
Odpowiedź na pytanie, która skala jest używana w definicji, brzmi: każdy, który nie narzuca takiego przesunięcia.
Odpowiedź
Potrójny punkt wody istnieje dokładnie przy jednym ciśnieniu-temperaturze punkt.
Pomiar temperatury na skali gazowej jest wykonywany poprzez wyznaczenie NRT = PV przy dwóch różnych ciśnieniach i zmniejszenie tego do 0, przy założeniu NRT = PV + kV² + …
Tak więc 1 / 273,16 punktu potrójnego mówi, że 1 kelvin to 1 / 273,16 domniemanej wartości PV, gdy N = 0.
Więc jest to zdarzenie występujące naturalnie.
W dawnych czasach stopień był definiowany jako 0 = jakiś zimny punkt, 1 = jakiś gorący punkt, a skala była podzielona na liczbę stopni.
zestaw Rømera 0 = zamarzanie słonej wody lodowej, 1 = wrząca woda, podzielona na 60 stopni,
Fahrenheit zbudował termometr, który sprawił, że stopnie Rømera były za duże, więc ćwiartował je i stosował chłodniejszy chłód (w zasadzie chłodzenie wynosi 0 ° F). Skorygowano wielopunktową skalę Rømera, więc czysta woda zamarza w temperaturze 32 ° i wrze w temperaturze 212.
Skala Celsjusza to czysta woda zamarza w temperaturze 0 i wrze w temperaturze 1, podzielona na 100 stopni.
Stopień Réaumura to ekspansja 1000 jednostek alkoholu podczas zamarzania, która rośnie o 40, aż do odparowania, ale 80 to gotowanie wody.
Komentarze
- Ze względu na dokładność historyczną należy wspomnieć, że pan Celsius nigdy nie próbował tej skali, miał zamarznięcie na 100 i wrzenie przy 0
- Pierwsza skala absolutna była skalą Antoniego. Obejmował dwie rurki rtęciowe, z których jedna była zakończona zamknięta, a jej ciśnienie ustawiono na 73 cali słupa rtęci w temperaturze wrzenia wody. Biorąc pod uwagę, że ciśnienie atmosferyczne wynosiło 29 cali (miara paryska), różnica wynika z PV = NRT, gdzie LHS może spaść z 73 cali do ciśnienia w pomieszczeniu mniejszego niż 29 cali.
- Ze wszystkich ze skal, żadna z nich nie spełnia zarówno skali Fahrenheita / Celsjusza (gdzie normalny zakres od zimnego do gorącego od około 0 do 100), jak i skali bezwzględnej. Zamiast tego wydaje się, że najlepszym rozwiązaniem jest użycie 1,5 kelwina (lub goremu), co pozwala wodzie zamarznąć w temperaturze 410 i wrzeć w temperaturze 560 (tak więc zakres 400-500 obejmuje od -6,67 C do + 46,67 C), a 970 to temperatura najgorętszej wody może być. Waga gazowa do gotowania na poziomie 600 + 20 GM.
- @ wendy.krieger Dzięki… Najwięcej nauczyłem się z Twojej odpowiedzi!
- Nie ' wiem R ø mer miał skalę temperatur!Byłem w kilku miejscach z jego nazwiskiem .
Odpowiedź
Czytam to pytanie jako pytanie o to, jak w rzeczywistości określamy pełną skalę, mając na niej tylko dwa pojedyncze punkty. Co nie jest trywialne.
Historycznie rzecz biorąc, ludzie najpierw budowali termometry, na przykład umieszczając płyn w ustalonej objętości z przymocowaną cienką rurką. Następnie skalibrowali te termometry, uzyskując odczyt wrzącej wody (100 ° C) i jej punktu zamarzania (0 ° C). W międzyczasie po prostu założyli skalę liniową. A cokolwiek ta skala mówi, to 50 ° C, to nazywano 50 ° C.
To zadziałało zaskakująco dobrze. Jeśli masz dwie szklanki wody o różnych temperaturach i zmieszasz je razem, otrzymasz temperaturę bardzo zbliżoną do średniej temperatury zmierzonej powyżej. To samo w sobie jest zbiegiem okoliczności i zależy od prawie stałej pojemności cieplnej substancji. Jeśli jednak weźmiesz substancję, która znacznie zmienia swoją pojemność cieplną, średnia temperatura doświadczalna nie będzie średnią matematyczną.
Bardziej precyzyjna definicja temperatury jest podana tylko w mechanika statystyczna: tutaj temperatura jest zdefiniowana jako $$ T = \ frac {dE} {dS (E)} $$ , gdzie $ E $ to energia systemu, a $ S (E) $ to entropia systemu. Stała Boltzmanna $ k_B $ , która jest częścią definicji entropii, łączy Joulea z Kelwinem w tym równaniu. Jako taka, ta definicja służy do zdefiniowania skali kelwinów, a co za tym idzie, wszystkich innych skal temperatur, których używamy.