Τι είναι η απόλυτη θερμοκρασία;

Η απόλυτη θερμοκρασία είναι η θερμοκρασία που μετράται σε όρους απόλυτης κλίμακας, όπως η κλίμακα Kelvin και η κλίμακα Rankine. Αυτό σημαίνει ότι είναι μια κλίμακα που ξεκινά από το μηδέν (δεν δέχεται αρνητικές τιμές), στην οποία τιμή εννοείται ότι υπάρχει απουσία θερμοκρασίας. Με άλλα λόγια, ως απόλυτη θερμοκρασία εννοείται η θερμοκρασία που αρχίζει να μετριέται από το απόλυτο μηδέν, που είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία που μπορεί να επιτευχθεί σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής.

Τι είναι η θερμοκρασία;

Η θερμοκρασία μπορεί να οριστεί με διαφορετικούς τρόπους. Από τη μία πλευρά, είναι μια ιδιότητα της ύλης που καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό του πότε δύο σώματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Ορίζοντας το με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατό να καθοριστεί μια σχετική κλίμακα θερμοκρασίας, αφού αυτό που έχει σημασία είναι ποια είναι η θερμοκρασία ενός σώματος ή συστήματος σε σχέση με το άλλο. Αυτή είναι η ιδέα που επέτρεψε την ανάπτυξη κοινών κλιμάκων θερμοκρασίας, δηλαδή της κλίμακας Κελσίου ή Κελσίου και της κλίμακας Φαρενάιτ.

Από την άλλη πλευρά, η θερμοκρασία είναι επίσης ένα μέτρο της θερμικής ανάδευσης των σωματιδίων που συνθέτουν ένα σύστημα. Στην πραγματικότητα, σύμφωνα με το κινητικό-μοριακό μοντέλο των αερίων, η θερμοκρασία είναι ένα άμεσο μέτρο της μέσης μεταφορικής κινητικής ενέργειας των ατόμων και των μορίων που συνθέτουν ένα αέριο.

Ρύθμιση της κλίμακας απόλυτης θερμοκρασίας

Η απόλυτη θερμοκρασία προσδιορίστηκε αρχικά μελετώντας τη συμπεριφορά των αερίων. Για παράδειγμα, το Lay of Charles and Gay Lussac δηλώνει ότι υπάρχει μια ευθέως αναλογική σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας και του όγκου ενός ιδανικού αερίου, όπως εκφράζεται από την ακόλουθη εξίσωση:

όπου Κ είναι σταθερά αναλογικότητας. Αυτή η εξίσωση έχει τη μορφή μιας αυξανόμενης γραμμικής συνάρτησης με την κλίση Κ. Παρατηρείται πειραματικά ότι η κλίση αυξάνεται με τον αριθμό των γραμμομορίων αερίου και μειώνεται με την πίεση, όπως σχηματίζεται στην παρακάτω εικόνα.

Με την παρέκταση αυτών των γραφημάτων της σχετικής θερμοκρασίας (σε Κελσίου ή Φαρενάιτ ) σε σχέση με τον όγκο για διαφορετικές αρχικές πιέσεις και για διαφορετικές αρχικές ποσότητες αερίου, μπορεί να φανεί ότι όλες οι γραμμές τέμνουν τον άξονα θερμοκρασίας στο ίδιο σημείο, ανεξάρτητα από την τιμή του η πλαγιά. Αυτό το σημείο αντιπροσωπεύει το απόλυτο μηδέν, δηλαδή το σημείο εκκίνησης της απόλυτης θερμοκρασίας και αντιστοιχεί σε τιμή -273,15 °C ή -459,67 °F.

Γενικότερα, η θερμοκρασία μπορεί να συσχετιστεί με την ιδανική εξίσωση κατάστασης αερίου, δηλαδή:

όπου T είναι η απόλυτη θερμοκρασία, P, V και n είναι η πίεση, ο όγκος και ο αριθμός των moles και R είναι η ιδανική σταθερά αερίου. Αυτός ο νόμος μας επιτρέπει να μετράμε την απόλυτη θερμοκρασία με διαφορετικούς τρόπους μέσω της χρήσης ενός θερμόμετρου αερίου.

Απόλυτες κλίμακες θερμοκρασίας

Ανεξάρτητα από τις μονάδες στις οποίες εκφράζεται η απόλυτη θερμοκρασία, όλες οι κλίμακες ξεκινούν από το ίδιο σημείο, δηλαδή στο απόλυτο μηδέν. Αυτή η θερμοκρασία δεν εκφράζεται σε καμία μονάδα, καθώς οι μονάδες είναι άσχετες όταν εκφράζουν την απουσία φυσικής ιδιότητας. Δηλαδή, η θερμοκρασία στο απόλυτο μηδέν είναι 0 (όχι 0K ή 0°R). Αυτό ισχύει για οποιοδήποτε απόλυτο φυσικό μέγεθος, για παράδειγμα, θα ήταν το ίδιο να πούμε ότι ο όγκος ενός υγρού είναι μηδέν για να πούμε ότι είναι μηδέν λίτρα ή μηδέν κυβικά μέτρα ή μηδέν κυβικά μίλια, επομένως προτιμάται το μηδέν .

Για όλες τις άλλες θερμοκρασίες, καθίσταται απαραίτητο να εκφραστούν σε κατάλληλες μονάδες. Υπάρχουν δύο κλίμακες απόλυτης θερμοκρασίας σε κοινή χρήση:

• Η κλίμακα Kelvin.
• Κλίμακα Rankine.

Η κλίμακα θερμοκρασίας Kelvin

Οφείλουμε αυτήν την κλίμακα στον Λόρδο Kelvin, παλαιότερα γνωστό ως William Thomson, ο οποίος, το 1848, σχεδίασε ένα θερμόμετρο ικανό να μετρήσει την απόλυτη θερμοκρασία ανεξάρτητα από το αέριο από το οποίο κατασκευάστηκε. Αυτή η κλίμακα (ονομάστηκε θερμοδυναμική κλίμακα θερμοκρασίας, αλλά αργότερα μετονομάστηκε για να τιμήσει τον Λόρδο Κέλβιν) αποδείχθηκε ότι ήταν πανομοιότυπη με την κλίμακα που αναπτύχθηκε με παρέκταση από τις καμπύλες PT ή VT.

Το κύριο χαρακτηριστικό αυτής της κλίμακας είναι ότι το μέγεθος της μονάδας (το Κέλβιν ή Κ) είναι ακριβώς το ίδιο με την κλίμακα Κελσίου. Στην πραγματικότητα, η κλίμακα θερμοκρασίας Kelvin δεν είναι τίποτα άλλο από την κλίμακα Κελσίου που μετακινήθηκε 273,15 μονάδες προς τα δεξιά. Επομένως, η σχέση μεταξύ της κλίμακας Kelvin και της κλίμακας του εκατοστού είναι:

Η κλίμακα Κέλβιν είναι μακράν η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη κλίμακα απόλυτης θερμοκρασίας στην επιστήμη και τη μηχανική.

Κλίμακα θερμοκρασίας Rankine

Αυτή είναι η απόλυτη κλίμακα θερμοκρασίας που έχει μέγεθος βαθμών ίσο με βαθμό Φαρενάιτ. Το μηδέν αυτής της κλίμακας είναι ισοδύναμο με -459,67 °F, επομένως αντιπροσωπεύει την ίδια κλίμακα Φαρενάιτ μεταφρασμένη 459,67 μονάδες προς τα δεξιά. Δηλαδή, η κλίμακα Rankine σχετίζεται με την κλίμακα Fahrenheit μέσω της ακόλουθης εξίσωσης:

Σχέση μεταξύ της κλίμακας Kelvin και της κλίμακας Rankine

Δεδομένου ότι τόσο η κλίμακα Rankine όσο και η κλίμακα Kelvin είναι κλίμακες απόλυτης θερμοκρασίας, ξεκινούν και οι δύο από το ίδιο σημείο, επομένως η μόνη διαφορά μεταξύ των δύο είναι το μέγεθος της μοίρας. Η σχέση μεταξύ των δύο κλιμάκων είναι τότε η ίδια σχέση μεταξύ του μεγέθους ενός βαθμού Κελσίου και ενός βαθμού Φαρενάιτ. Εφόσον ο 1 °C είναι ίσος με 9/5 ή 1,8 °F, τότε η σχέση μεταξύ °R και K είναι:

βιβλιογραφικές αναφορές

Atkins, P., & dePaula, J. (2010). Physical Chemistry (8η έκδ.). Panamerican Medical Editorial.

Chang, R., & Goldsby, K. (2013). Χημεία (11η έκδ.). McGraw-Hill Interamericana de España SL

Connor, N. (2020, 16 Ιανουαρίου). Τι είναι η κλίμακα Kelvin; Απόλυτη θερμοκρασία: ορισμός . Θερμικής Μηχανικής. https://www.thermal-engineering.org/en/what-is-the-kelvin-scale-absolute-temperature-definition/

Odaris. (ν.δ.). Ορισμός απόλυτης θερμοκρασίας . deQuimica.Com. https://dequimica.com/glosario/504/Absolute-Temperature

Spiegato. (2021, 14 Ιουλίου). Τι είναι η απόλυτη θερμοκρασία; https://spiegato.com/en/what-is-absolute-temperature

Απόλυτη θερμοκρασία . (2010). ES-Academic. https://es-academic.com/dic.nsf/eswiki/440424

Κινητική θεωρία αερίων . (ν.δ.). Sc.Ehu.Es. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/gasIdeal/gasIdeal.html