Termodynamisk temperatur
Termodynamisk temperatur er en absolut måde at måle temperatur, og det er en af de vigtigste parametre inden for termodynamik.
Termodynamisk temperatur er defineret ved termodynamikkens 3. lov, hvor den teoretisk laveste temperatur er nul. Ved det absolutte nulpunkt har partiklerne i alle typer stof minimal bevægelse og kan ikke blive koldere.[1][2] I den kvantemekaniske beskrivelse er stof ved det absolutte nulpunkt i sin grundtilstand og har dermed den lavest mulige energi. Termodynamisk temperatur kaldes også for absolut temperatur af to årsager: Den første, foreslået af Kelvin, er, at den ikke afhænger af partiklernes egenskaber i materialet; den anden er, at det referer til det absolutte nulpunkt ifølge egenskaberne for idealgaser.
SI-systemet specificerer en særlige skala for temordynamisk temperatur; Kelvin-skalaen bruges som måleenhed, og vands tripelpunkt ved 273,16 K bruges som det fundamentale fikspunkt. Historisk har der været anvendt andre skalaer til måling af termodynamisk temperatur. Rankine-skalaen, der bruger fahrenheit som enhed, anvendes stadig som en af de såkaldte English Engineering Units i USA inden for visse ingeniørvidenskaber. ITS-90 giver praktiske metoder til at estimere den termodynamiske temperatur med stor nøjagtighed.
Grundlæggende er stof temperatur i sin grundtilstand et udtryk for energien i de translationelle, vibrationelle og rotationelle bevægelser i stoffets partikler, som molekyle, atomer og subatomare partikler. Den samlede mængde af disse kinetiske bevægelser, sammen med potentiel energi i partiklerne, og nogle gange visse andre typer partikelenergi i ligevægt med disse, udgør den samlede indre energi. Den indre energi kaldes også varme eller termisk energi, når der ikke udføres noget arbejde på emnet fra omgivelserne eller fra emnet til omgivelserne. Den indre energi kan være lagret på en række forskellige måder i stoffet, der hver er en frihedsgrad. I ligevægtstilstanden vil hver frihedsgrad, jf. ligefordelingsloven, gennemsnitligt bidrage med energien , hvor er Boltzmanns konstant, med mindre frihedsgraden er i et kvanteregime. De indre frihedsgrader (rotation, vibration osv.) kan være i et kvanteregime ved stuetemperatur, men translationelle frihedsgrader vil være i et klassisk regime, bortset fra ved ekstremt lave temperaturer (under 1 K). I de fleste situationer kan den termodynamiske temperatur altså betragtes som et gennemsnit af partiklernes gennemsnitlige translationelle kinetiske energi.
Referencer
Eksterne henvisninger
- Kinetic Molecular Theory of Gases. Arkiveret 10. maj 2009 hos Wayback Machine An explanation (with interactive animations) of the kinetic motion of molecules and how it affects matter. By David N. Blauch, Department of Chemistry, Davidson College Arkiveret 7. juni 2015 hos Wayback Machine.
- Zero Point Energy and Zero Point Field. A Web site with in-depth explanations of a variety of quantum effects. By Bernard Haisch, of Calphysics Institute.
|
Medier brugt på denne side
Motion of gas molecules.
The randomized thermal vibrations of fundamental particles such as atoms and molecules—gives a substance its “kinetic temperature.” Here, the size of helium atoms relative to their spacing is shown to scale under 1950 atmospheres of pressure. These room-temperature atoms have a certain, average speed (slowed down here two trillion fold). At any given instant however, a particular helium atom may be moving much faster than average while another may be nearly motionless. The rebound kinetics of elastic collisions are accurately modeled here. If the velocities over time are plotted on a histogram, a Maxwell-Boltzmann distribution curve will be generated. Five atoms are colored red to facilitate following their motions.
Note that whereas the relative size, spacing, and scaled velocity of the atoms shown here accurately represent room-temperature helium atoms at a pressure of 1950 atmospheres, this is a two-dimensional scientific model; the atoms of gases in the real world aren’t constrained to moving in two dimensions in windows precisely one atom thick. If reality worked like this animation, there would be zero pressure on the two faces of the box bounding the Z-axis. The value of 1950 atmospheres is that which would be achieved if room-temperature helium atoms had the same inter-atomic separation in 3-D as they have in this 2-D animation.