Απόλυτη κλίμακα θερμοκρασίας

Η χαμηλότερη θερμοκρασία στην οποία μια ουσία δεν μπορεί να διατηρήσει θερμική ενέργεια είναι το απόλυτο μηδέν. Σε αυτή τη θερμοκρασία, η δονητική κίνηση των θεμελιωδών σωματιδίων της φύσης είναι ασήμαντη. Αυτή η θερμοκρασία είναι 0 Κ στην κλίμακα Κέλβιν, –273,15 βαθμοί στην κλίμακα Κελσίου και 459,67 βαθμούς στην κλίμακα Φαρενάιτ.

Οποιαδήποτε θερμομετρική κλίμακα στην οποία μια μέτρηση μηδέν αντιστοιχεί στο θεωρητικό απόλυτο μηδέν της θερμοκρασίας, δηλαδή η θερμοδυναμική συνθήκη ισορροπίας της ελάχιστης ενέργειας είναι γνωστή ως απόλυτη κλίμακα θερμοκρασίας. Η κλίμακα Kelvin (K), η οποία είναι μια απόλυτη κλίμακα που ορίζεται από τη σταθερά Boltzmann 1,380649 x 10–23 joule ανά Kelvin, είναι το τυπικό μέτρο θερμοκρασίας στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων.

Κλίμακες θερμοκρασίας

Για να κατανοήσουμε την απόλυτη κλίμακα θερμοκρασίας, ας μάθουμε πρώτα τις κλίμακες θερμοκρασίας.

Κλίμακα Κελσίου

Η πιο κοινή μονάδα μέτρησης της θερμοκρασίας είναι ο Κελσίου ή Κελσίου. Ο Anders Celsius (1701–1744), Σουηδός αστρονόμος, ήταν η έμπνευση για το όνομα.

Σε μία πίεση ατμόσφαιρας, το νερό έχει σημείο πήξης 0oC και θερμοκρασία βρασμού 100oC. Η σύνδεση μεταξύ των βαθμών Κελσίου και του Kelvin είναι η εξής:

T(Celsius) =T(Kelvin)–273,15°

Σημαντικά σημεία

• Ο βαθμός Κελσίου (°C) είναι μια μονάδα μέτρησης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να υποδηλώσει ένα διάστημα θερμοκρασίας, μια διαφορά μεταξύ δύο θερμοκρασιών ή αβεβαιότητα στην κλίμακα Κελσίου.
• Η μονάδα «βαθμός Κελσίου» και η κλίμακα Κελσίου ορίζονται επί του παρόντος από δύο θερμοκρασίες:το απόλυτο μηδέν και το τριπλό σημείο του Τυπικού Μέσου Ωκεανού Νερού της Βιέννης, όπως έχει συμφωνηθεί από τη διεθνή συμφωνία (VSMOW, ειδικά καθαρισμένο νερό). Αυτό εξηγεί επίσης πώς η κλίμακα Κελσίου συνδέεται με την κλίμακα Kelvin, η οποία χρησιμοποιεί το σύμβολο K για να προσδιορίσει τη μονάδα βάσης SI της θερμοδυναμικής θερμοκρασίας. Το απόλυτο μηδέν είναι ακριβώς 0K και -273,15°C, η χαμηλότερη θερμοκρασία που μπορεί να φανταστεί κανείς (το σημείο στο οποίο η ύλη επιτυγχάνει την ελάχιστη εντροπία). Η θερμοκρασία του νερού στο τριπλό του σημείο είναι ακριβώς 273,16 Κ και 0,01°C..

Κλίμακα Φαρενάιτ

Η κλίμακα Φαρενάιτ πήρε το όνομά της από τον Ντάνιελ Γκάμπριελ Φαρενάιτ (1686-1736), έναν επιστήμονα που πρότεινε την ιδέα το 1724. Η θερμοκρασία σε αυτήν την κλίμακα μετριέται σε βαθμούς Φαρενάιτ (oF).

Το σημείο πήξης του νερού, για παράδειγμα, είναι 32 βαθμοί Φαρενάιτ, ενώ το σημείο βρασμού του είναι 212 βαθμοί Φαρενάιτ. Ως αποτέλεσμα, ένας βαθμός στην κλίμακα Φαρενάιτ είναι το 1/180 της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των σημείων πήξης και βρασμού. Τα σημεία πήξης και βρασμού του νερού απέχουν μεταξύ τους 100 βαθμούς στην κλίμακα Κελσίου.

Σημαντικά σημεία

• Κατά τα μέσα έως τα τέλη του 20ου αιώνα, οι περισσότερες χώρες αντικατέστησαν το σύστημα Φαρενάιτ με την κλίμακα Κελσίου. Ωστόσο, η επίσημη κλίμακα θερμοκρασίας στις Ηνωμένες Πολιτείες, τα νησιά Κέιμαν, το Παλάου, τις Μπαχάμες και την Μπελίζ είναι Φαρενάιτ.

Κλίμακα Κέλβιν

Το Kelvin είναι μία από τις επτά βασικές μονάδες του Διεθνούς Συστήματος Μονάδων και έχει το σύμβολο K (SI). Η κλίμακα Kelvin είναι μια θερμοδυναμική κλίμακα απόλυτης θερμοκρασίας που ξεκινά από το απόλυτο μηδέν και τελειώνει στο απόλυτο μηδέν. Στο κλασικό θερμοδυναμικό μοντέλο, το απόλυτο μηδέν είναι η θερμοκρασία στην οποία παύει κάθε θερμική κίνηση.

Σημαντικά σημεία

Το
• 0K (απόλυτο μηδέν) είναι καθολικό επειδή καταστέλλει όλες τις θερμικές κινήσεις σε όλα τα υλικά στον μεγαλύτερο δυνατό βαθμό. Ως αποτέλεσμα, το απόλυτο μηδέν είναι μια φυσική επιλογή για το μηδενικό σημείο της κλίμακας Kelvin.
• Επειδή μια ποικιλία φυσικών παραμέτρων, όπως ο όγκος ενός ιδανικού αερίου, συνδέονται άμεσα με την απόλυτη θερμοκρασία, η κλίμακα Kelvin χρησιμοποιείται ευρέως στην επιστημονική δραστηριότητα.
• Η κβαντομηχανική ενέργεια μηδενικού σημείου, ή η ενέργεια της θεμελιώδους κατάστασης, εξακολουθεί να υπάρχει στο σύστημα Κ στο απόλυτο μηδέν. Ωστόσο, η κινητική ενέργεια μπορεί να είναι μηδενική στην ερμηνεία της κλασικής θερμοδυναμικής και η θερμική ενέργεια της ύλης εξαφανίζεται.
• Στο εργαστήριο, η χαμηλότερη θερμοκρασία έχει επιτευχθεί στο εύρος των 100 pK, όπου το pK (pico-Kelvin) ισούται με 10-12 K. Η χαμηλότερη φυσική θερμοκρασία που έχει καταγραφεί ποτέ είναι περίπου 1K, η οποία ανακαλύφθηκε στο ταχύ νεφέλωμα του Μπούμερανγκ διαστολή αερίων.

Συμπέρασμα

Μια κλίμακα θερμοκρασίας είναι μια μεθοδολογία βαθμονόμησης της θερμοκρασίας της φυσικής ποσότητας. Οι εμπειρικές κλίμακες χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση της θερμοκρασίας με αναφορά σε ευνόητους και αξιόπιστους παράγοντες όπως τα σημεία πήξης και βρασμού του νερού. Η απόλυτη θερμοκρασία βασίζεται σε θερμοδυναμικές αρχές, οι οποίες περιλαμβάνουν την επιλογή μιας χρήσιμης στοιχειώδους μονάδας και τη χρήση της χαμηλότερης δυνατής θερμοκρασίας ως σημείου μηδέν. Οι κοινές κλίμακες θερμοκρασίας περιλαμβάνουν τους Κελσίου, Κέλβιν και Φαρενάιτ. -273,15 βαθμοί Κελσίου είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία που μπορεί κανείς να φανταστεί. Στην κλίμακα Kelvin, αυτό ισούται με 0K. Μια θερμοκρασία 0K σημαίνει το σημείο στο οποίο τα άτομα παύουν να κινούνται. Το απόλυτο μηδέν, ή 0K, είναι η θερμοκρασία στην οποία η κίνηση του ατόμου σταματά. Έτσι, η μελέτη της απόλυτης κλίμακας της θερμοκρασίας είναι πολύ κρίσιμη και απαραίτητη.