С чем связано явление температура
Температура
Хаотическое тепловое движение на плоскости частиц газа таких как атомы и молекулы
Содержание
Молекулярно-кинетическое определение
Температура с молекулярно-кинетической точки зрения — физическая величина, характеризующая интенсивность хаотического, теплового движения всей совокупности частиц системы и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения одной частицы.
Связь между кинетической энергией, массой и скоростью выражается следующей формулой:
Ek = 1 /2m • v 2
Таким образом частицы одинаковой массы и имеющие одинаковую скорость имеют и одинаковую температуру.
Средняя кинетическая энергия частицы связана с термодинамической температурой постоянной Больцмана :
Eср = i/2kBT
где:
i — число степеней свободы kB = 1.380 6505(24) × 10 −23 Дж/K — постоянная Больцмана T — температура;
Термодинамическое определение
Температура — величина, обратная изменению энтропии (степени беспорядка) системы при добавлении в систему единичного количества теплоты: 1/T = ΔS/ΔQ.
История термодинамического подхода
Слово «температура» возникло в те времена, когда люди считали, что в более нагретых телах содержится большее количество особого вещества — теплорода, чем в менее нагретых. Поэтому температура воспринималась как крепость смеси вещества тела и теплорода. По этой причине единицы измерения крепости спиртных напитков и температуры называются одинаково — градусами.
В равновесном состоянии температура имеет одинаковое значение для всех макроскопических частей системы. Если в системе два тела имеют одинаковую температуру, то между ними не происходит передачи кинетической энергии частиц ( тепла ). Если же существует разница температур, то тепло переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, потому что суммарная энтропия при этом возрастает.
Температура связана также с субъективными ощущениями «тепла» и «холода», связанными с тем, отдает ли живая ткань тепло или получает его.
Некоторые квантовомеханические системы могут находится в состоянии, при котором энтропия не возрастает, а убывает при добавлении энергии, что формально соответствует отрицательной абсолютной температуре. Однако такие состояния находятся не «ниже абсолютного нуля», а «выше бесконечности», поскольку при контакте такой системы с телом, обладающим положительной температурой, энергия передается от системы к телу, а не наоборот (подробнее см. Квантовая термодинамика ).
Свойства температуры изучает раздел физики — термодинамика. Температура также играет важную роль во многих областях науки, включая другие разделы физики, а также химию и биологию.
Измерение температуры
Для измерения температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. На практике для измерения температуры используют
Единицы и шкала измерения температуры
Из того, что температура — это кинетическая энергия молекул, ясно, что наиболее естественно измерять её в энергетических единицах (т.е. в системе СИ в джоулях ). Однако измерение температуры началось задолго до создания молекулярно-кинетической теории, поэтому практические шкалы измеряют температуру в условных единицах — градусах.
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 приблизительно равно −273.15 °C.
Температуре замерзания воды при стандартном атмосферном давлении соответствуют 273,15 K. Число градусов Цельсия и кельвинов между точками замерзания и кипения воды одинаково и равно 100. Поэтому градусы Цельсия переводятся в кельвины по формуле K = °C + 273,15.
Шкала Цельсия
Шкала Фаренгейта
В Англии и, в особенности, в США используется шкала Фаренгейта. Ноль градусов Цельсия — это 32 градуса Фаренгейта, а градус Фаренгейта равен 5/9 градуса Цельсия.
Энергия теплового движения при абсолютном нуле
Когда материя охлаждается, многие формы тепловой энергии и связанные с ней эффекты одновременно уменьшаются по величине. Вещество переходит от менее упорядоченного состояния к более упорядоченному. Газ превращается в жидкость и затем кристаллизуется в твёрдое тело (гелий и при абсолютном нуле остается в жидком состоянии при атмосферном давлении). Движение атомов и молекул замедляется, их кинетическая энергия уменьшается. Сопротивление большинства металлов падает из-за уменьшения рассеяния электронов на колеблющихся с меньшей амплитудой атомах кристаллической решётки. Таким образом даже при абсолютном нуле электроны проводимости движутся между атомами со скоростью Ферми порядка 1×10 6 м/с.
Температура, при которой частицы вещества имеют минимальное количество движения, сохраняющееся только благодаря квантовомеханическому движению, — это температура абсолютного нуля (Т = 0К).
Температура с термодинамической точки зрения
Существует множество различных шкал температур. Когда-то температура определялась очень произвольно. Мерой температуры служили метки, нанесённые на равных расстояниях на стенах трубочки, в которой при нагревании расширялась вода. Потом решили измерить температуру ртутным термометром и обнаружили, что градусные расстояния не одинаковы. В термодинамике дается определение температуры, не зависящее от каких-либо частных свойств вещества.
, которая не зависит от свойств вещества. Из термодинамики следует, что если какая-то тепловая машина, поглощая количество теплоты
при
выделяет тепло
при
, выделяет то же самое тепло
при температуре в один градус, то машина, поглощающая
при
должна при температуре
выделять тепло
. Конечно, между теплом
и температурой
существует зависимость и тепло
должно быть пропорционально
. Таким образом, каждому количеству тепла
, выделенного при температуре в один градус, соответствует количество тепла, поглощённого машиной при температуре
, равное
, умноженному на некоторую возрастающую функцию
температуры:
Поскольку найденная функция возрастает с температурой, то можно считать, что она сама по себе измеряет температуру, начиная со стандартной температуры в один градус. Это означает, что можно найти температуру тела, определив количество тепла, которое поглощается тепловой машиной, работающей в интервале между температурой тела и температурой в один градус. Полученная таким образом температура называется абсолютной термодинамической температурой и не зависит от свойств вещества. Таким образом, для обратимой тепловой машины выполняется равенство:
— энтропия:
Для системы, в которой энтропия
может быть функцией
её энергии
, термодинамическая температура определяется как:
Температура и излучение
При повышении температуры растёт энергия, излучаемая нагретым телом. Энергия излучения абсолютно чёрного тела описывается законом Стефана — Больцмана
Шкала Реомюра
Единица — градус Реомюра (°R), 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между опорными точками — температурой таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R)
Переходы из разных шкал
| в\из | Кельвин | Цельсий | Фаренгейт |
|---|---|---|---|
| Кельвин (K) | = K | = С + 273,15 | = (F + 459,67) / 1,8 |
| Цельсий (° C) | = K − 273,15 | = C | = (F − 32) / 1,8 |
| Фаренгейт (°F) | = K · 1,8 − 459,67 | = C · 1,8 + 32 | = F |
Сравнение температурных шкал
| Описание | Кельвин | Цельсий | Фаренгейт | Ранкин | Делиль | Ньютон | Реомюр | Рёмер |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Абсолютный ноль | 0 | −273.15 | −459.67 | 0 | 559.725 | −90.14 | −218.52 | −135.90 |
| Температура таяния смеси Фаренгейта ( соль и лёд в равных количествах) | 255.37 | −17.78 | 0 | 459.67 | 176.67 | −5.87 | −14.22 | −1.83 |
| Температура замерзания воды (Нормальные условия) | 273.15 | 0 | 32 | 491.67 | 150 | 0 | 0 | 7.5 |
| Средняя температура человеческого тела ¹ | 310.0 | 36.6 | 98.2 | 557.9 | 94.5 | 12.21 | 29.6 | 26.925 |
| Температура кипения воды (Нормальные условия) | 373.15 | 100 | 212 | 671.67 | 0 | 33 | 80 | 60 |
| Плавление титана | 1941 | 1668 | 3034 | 3494 | −2352 | 550 | 1334 | 883 |
| Поверхность Солнца | 5800 | 5526 | 9980 | 10440 | −8140 | 1823 | 4421 | 2909 |
Накопительный водонагреватель
Накопительный водонагреватель, или бойлер (от англ. boiler) представляет собой сравнительно большую ёмкость с размещенным в ней или, реже, под ней, источником тепла. Нагрев может производиться при помощи парового или водяного теплообменника — в нём циркулирует горячая вода в замкнутом контуре, нагреваемая, например, с помощью отопительного котла. Такие бойлеры называют бойлерами (водонагревателями) косвенного нагрева. [2]
Некоторые значения в этой таблице были округлены.
Характеристика фазовых переходов
Для описания точек фазовых переходов различных веществ используют следующие значения температуры:
Измерение температуры
Для измерения температуры выбирается некоторый термодинамический параметр термометрического вещества. Изменение этого параметра однозначно связывается с изменением температуры. На практике для измерения температуры используют
8 класс
§ 1. Тепловое движение. Температура
В окружающем нас мире происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел. Мы знаем, что при нагревании холодная вода вначале становится тёплой, а затем горячей.
Такими словами, как «холодный», «тёплый» и «горячий», мы указываем на различную степень нагретости тел, или, как говорят в физике, на различную температуру тел. Температура горячей воды выше температуры холодной. Температура воздуха летом выше, чем зимой.
Температуру тел измеряют с помощью термометра и выражают в градусах Цельсия (°C).
Вам уже известно, что диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Это означает, что скорость движения молекул и температура связаны между собой. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, при понижении — уменьшается.
Следовательно, температура тела зависит от скорости движения молекул.
Тёплая вода состоит из таких же молекул, как и холодная. Разница между ними заключается лишь в скорости движения молекул.
Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры, называются тепловыми. К таким явлениям относятся, например, нагревание и охлаждение воздуха, таяние льда, плавление металлов и др.
Молекулы или атомы, из которых состоят тела, находятся в непрерывном беспорядочном движении. Их количество в окружающих нас телах очень велико. Так, в объёме, равном 1 см 3 воды, содержится около 3,34 • 10 22 молекул. Каждая молекула движется по очень сложной траектории. Это связано с тем, что, например, частицы газа, движущиеся с большими скоростями в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. В результате этого они изменяют свою скорость и снова продолжают движение. На рисунке 1 изображены траектории движения микроскопических частиц краски, растворённой в воде.
Поскольку со скоростью движения молекул тела связана его температура, беспорядочное движение частиц называют тепловым движением.
В жидкостях молекулы могут колебаться, вращаться и перемещаться относительно друг друга. В твёрдых телах молекулы и атомы колеблются около некоторых средних положений.
В тепловом движении участвуют все молекулы тела, поэтому с изменением характера теплового движения изменяется и состояние тела, его свойства. Так, при повышении температуры лёд начинает таять, превращаясь в жидкость. Если понижать температуру, например, ртути, то она из жидкости превращается в твёрдое тело.
Температура тела находится в тесной связи со средней кинетической энергией молекул. Чем выше температура тела, тем больше средняя кинетическая энергия его молекул. При понижении температуры тела средняя кинетическая энергия его молекул уменьшается.
Вопросы:
1. Какие тепловые явления вы знаете?
2. Что характеризует температура?
3. Как связана температура тела со скоростью движения его молекул?
4. Чем отличается движение молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах?
Субфебрильная температура: что делать, когда держатся 37°С
Разбираемся вместе с экспертами-врачами, в чем причины появления субфебрильной температуры, нужно ли ее искусственно снижать, как и когда это делать.
Что такое субфебрильная температура
Субфебрильная температура — небольшое повышение температуры тела выше нормы. Ранее этот термин употреблялся довольно активно, в том числе и за рубежом (low-grade fever), однако сейчас его нет в международной классификации болезней. Официально состояние, связанное с повышением температуры тела, звучит как лихорадка неясного генеза (fever of unknown origin) [1]. Для постановки этого диагноза необходимо соблюдение следующих условий:
Температура тела человека колеблется в течение дня и меняется в зависимости от обстоятельств. Организм в нормальных условиях поддерживает ее в определенном диапазоне, независимо от изменений окружающей среды. Обычно температура немного выше вечером, около 20:00, и ниже рано утром. Это вариабельность циркадного типа. Температура, регистрируемая в подмышечной впадине, колеблется у здорового человека от 35,2 °C до 37 °C [3].
Показатели так называемой субфебрильной температуры находятся в пределах 37,1 — 38 °С. Этих значений может быть достаточно, чтобы человек чувствовал недомогание, упадок сил, отсутствие аппетита, сонливость и неприятные ощущения в теле. Но зачастую температура не сопровождается другими симптомами, и в некоторых случаях ее повышение считается нормой. Следует отметить, что все указанные симптомы неспецифичны и могут встречаться и без связи с повышением температуры тела.
В отличие от высокой лихорадки, повышение температуры тела на 1–2 градуса не является опасным для организма. Субфебрильная температура не приводит к деформации белковых молекул и гибели клеток [4]. Нормы длительности такого состояния организма определяет врач.
Симптомы субфебрильной температуры
В некоторых случаях повышение температуры до отметки 37 может быть вызвано погодой, питанием, стрессом и другими незначительными изменениями, в других — является симптомом заболеваний. Обратите внимание на следующие признаки:
В случае, если все критерии соблюдены, а температура продолжает держаться выше 37 °С, это повод обратиться к терапевту. Особенно если вы замечаете у себя:
Врач изучит историю болезни и жалобы, а затем назначит необходимые анализы и обследования.
Причины субфебрильной температуры
Осмотр специалиста необходим, потому что повышенная температура может быть признаком большого количества заболеваний — от незначительных до очень серьезных. Так, температура 37–38 °С характерна для [5]:
У подъема температуры могут быть инфекционные причины:
Иногда симптомов недостаточно и требуется сдача анализов, потому что причины температуры 37–38 °С могут быть очень серьезными, такими как:
Надежда Фуранина, врач-аллерголог-иммунолог высшей категории «СМ-Клиника»
«Терморегуляция организма отражает деятельность всех внутренних органов, секреторную функцию внутренних желез, она обеспечивает стабильность внутренней среды организма. Субфебрильная температура действительно может быть признаком аутоиммунных процессов в организме: повышение температуры до 37,5 — 38 °С наблюдается при таких заболеваниях, как красная волчанка, ревматизм, васкулиты, неспецифические язвенные процессы слизистой оболочки ЖКТ, она встречается при ювенильном ревматоидном артрите».
Когда субфебрильная температура не опасна
Чтобы прояснить ситуацию, будьте готовы ответить врачу на следующие вопросы:
Чаще всего небольшая температура не представляет опасности и проходит без медицинской помощи. Например, отметка в районе 37–38 °С на градуснике может возникнуть из-за:
Бывает и так, что субфебрильная температура — наследственная генетическая особенность. У таких людей температура часто выше 37 °С, но это не отражается на здоровье и самочувствии. Иногда причины субфебрильной температуры так и остаются невыявленными, вскоре она без последствий нормализуется [6], [7].
Надежда Фуранина, врач-аллерголог-иммунолог:
«Температура, которая сохраняется после перенесенного заболевания, однозначно является результатом неполного выздоровления, признаком ослабленного действием лекарственных препаратов иммунитета. В норме температура в среднем 36,6 °С, иначе говоря, повышенной температуры у здорового человека не бывает. Однако существует ряд физиологических причин, таких как интенсивные тренировки, тяжелый физический труд, нахождение длительное время в жарком помещении либо под солнцем. Тогда температура может повышаться. Также это может быть следствием эмоциональных перенапряжений, стрессов, неврозов».
Нужно ли сбивать температуру 37°С
Обычно субфебрильная температура проходит сама по себе. Лекарства, отпускаемые без рецепта, могут помочь ее снизить, но лучше не прибегать к таким методам, а дать организму отдохнуть, пить больше жидкости, устранить стрессовые факторы и в первую очередь проконсультироваться с врачом.
Если температура появилась с началом болезни, то она необходима организму для обеспечения защиты — повышения скорости взаимодействия антител с инфекцией. Сбивая ее лекарствами, пациент тормозит этот процесс, давая фору микробам.
«Повышение температуры выше 37,5 °С при отсутствии видимых причин заболевания должно мотивировать пациента срочно обратиться к врачу для выяснения проблем, возникших в организме».
Комментарий эксперта
Наталья Поленова, к.м.н., семейный врач, терапевт и кардиолог GMS Clinic
Если появились любые вопросы, касающиеся здоровья, не обязательно про температуру тела, нужно идти к врачу. Зачастую значительные колебания в суточном графике температуры отмечаются у молодых женщин: температура тела регулярно или периодически повышается до 37,2 — 37,8 °С. Это может быть связано с фазой менструального цикла, сопровождаться усталостью, недомоганием, изменениями пищеварения, бессонницей и головными болями, а может протекать совершенно бессимптомно. Лечения не требуется, беспокоиться не нужно. Ранее активно использовался термин термоневроз — лихорадка на фоне сильного эмоционального стресса или тревожного расстройства. Такое состояние можно заподозрить, если исключены соматические причины повышения температуры тела и выявлены соответствующие психогенные факторы. Лечение при необходимости будет назначено психиатром.
Действительно, некоторые препараты и биологически активные добавки способны повышать термогенез и увеличивать таким образом основной обмен веществ, что позволяет использовать их в комплексной терапии для снижения массы тела. Например, кофеин и другие ксантиновые алкалоиды, агонисты (стимуляторы) адренорецепторов β2, алкалоиды капсаициноиды и капсиноиды.
Если подъем температуры тела — единственный симптом, советую в течение недели вести график температуры и с ним идти к терапевту/семейному врачу. Сейчас для этого есть удобные приложения, но можно записать показатели на листе бумаги. На приеме врач проанализирует график, сформирует программу обследования и дальнейшую тактику ведения пациента. Будет проведен тщательный сбор анамнеза, физикальный осмотр и, при необходимости, сформирована программа дополнительного обследования с оценкой ряда лабораторных параметров (общий анализ крови и мочи, СОЭ, с-реактивный белок, тиреотропный гормон и др.). Возможно, понадобятся консультации других специалистов: стоматолога, ЛОРа, гинеколога и других — для исключения хронических очагов инфекции.
Лекарства, используемые для снижения температуры, так называемые нестероидные противовоспалительные препараты (НПВС), — самые популярные и продаваемые медикаменты в истории. Помимо жаропонижающего действия, они обладают противовоспалительным, противоотечным и рядом других эффектов. При лечении нетяжелых респираторных заболеваний, как правило, требуется именно противовоспалительный эффект этой группы препаратов. Поэтому в случае болезни нужно выполнять предписания врача, иногда и без оглядки на температуру тела. В случае острого подъема температуры, пока рекомендации доктора по лечению и диагнозу не получены, ее можно снижать, не превышая рекомендованных в инструкции дозировок НПВС. Исключение составляет сочетание лихорадки с острой болью в животе: в этом случае ничего принимать не следует, важно сразу же обратиться в скорую медицинскую помощь.
Если не обнаружили никаких причин при обследовании, а температура продолжает держаться на отметке 37 °С, — это не повод для беспокойства.
Когда самочувствие и анализы хорошие, вы выполнили описанную выше программу обследования, возможно, 37 °С — это ваша норма и переживать не о чем.