Température thermodynamique

Thermodynamique
Le classique Cycle de Carnot.
Branches Classique Statistique Chimique Equilibrium / Non-équilibre
Lois Zeroth Première Deuxième Troisième
Systèmes État Équation d'état Idéal gaz Gaz réel Phase / état de la matière Équilibre volume de contrôle Instruments Processus Isobare Isochore Isothermal Adiabatique Isentropique Isenthalpique Quasistatique Polytropic Libre dilatation Réversibilité Irréversibilité Endoreversibility Cycles Les moteurs thermiques Pompes à chaleur L'efficacité thermique
Propriétés système diagrammes de propriété Propriétés intensives et extensives Fonctions d'Etat ( Variables conjuguées en italique) Température / Entropy Introduction à l'entropie Pression / Volume Potentiel chimique / nombre de particules La qualité de vapeur Propriétés réduits fonctions de process Travail Chaleur
Propriétés des matériaux Capacité thermique spécifique Compressibilité Dilatation thermique base de données de propriété
Équations Le théorème de Carnot Clausius théorème Relation fondamentale Loi des gaz parfaits Relations de Maxwell Relations réciproques Onsager Équations thermodynamiques de Bridgman Table des équations thermodynamiques
Potentiels Énergie libre Entropie gratuit L'énergie interne Enthalpie Énergie libre Énergie libre de Gibbs
Histoire Culture Philosophie Entropie et l'heure Entropie et de la vie Cliquet brownien Le démon de Maxwell la mort de chaleur paradoxe Le paradoxe de Loschmidt Synergetics Histoire Général Chaleur Entropy lois de gaz machines "mouvement perpétuel" Théories Théorie du calorique Vis viva Théorie de la chaleur Équivalent mécanique de la chaleur La force motrice Principales publications " Une enquête expérimentale Concernant ... Heat " " Sur l'équilibre des Substances hétérogènes " " Réflexions sur la Motive Power of Fire " Échéancier Thermodynamique Les moteurs thermiques Art Surface thermodynamique de Maxwell Éducation Entropie dispersion d'énergie
Les scientifiques Bernoulli Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Pierre Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson (Baron Kelvin) Waterson

Température thermodynamique est la mesure absolue de la température et il est l'un des principaux paramètres de la thermodynamique .

Température thermodynamique est une "absolue" échelle parce que ce est la mesure de la propriété fondamentale sous-jacente température: son nul ou zéro, zéro absolu , est la température à laquelle les constituants des particules de la matière ont mouvement minime et peuvent devenir pas plus froid.

À son plus simple, la température provient de l' énergie cinétique des mouvements vibratoires de matière de mandants de particules ( molécules , atomes , et particules subatomiques). La variété complète de ces motions cinétiques, avec énergies potentielles de particules, et aussi parfois certains autres types d'énergie de particules en équilibre avec ceux-ci, contribuent total l'énergie interne dans une substance. L'énergie interne est vaguement appelé la chaleur ou l'énergie l'énergie thermique dans des conditions en l'absence de travail est réalisé sur le fond de son environnement, ou par la substance sur l'environnement. L'énergie interne peut être stockée dans un certain nombre de façons dans une substance, mais seulement l'énergie cinétique des particules contribue à la température de la substance.

Vue d'ensemble

Température résulte des vibrations aléatoires submicroscopiques des constituants de particules de matière . Ces mouvements comprennent la cinétique de l'énergie dans une substance. Plus précisément, la température thermodynamique de toute quantité en vrac de la matière est la mesure de l'énergie cinétique moyenne d'un certain type de mouvement vibratoire de ses particules constitutives appelées mouvements de translation. Mouvements de translation sont, mouvements du corps entier ordinaires . espace que les particules se déplacent et l'énergie d'échange dans des collisions en trois dimensions la figure 1 ci-dessous montre un mouvement de translation dans les gaz; Figure 4 ci-dessous montre un mouvement de translation dans les solides. De température thermodynamique point zéro, zéro absolu, est la température à laquelle les constituants de particules de matière sont aussi proches que possible de compléter repos; autrement dit, ils ont mouvement minimal, ne conservant que la mécanique quantique mouvement. Zéro énergie cinétique reste dans une substance au zéro absolu (voir L'énergie thermique au zéro absolu , ci-dessous).

Partout dans le monde scientifique où les mesures sont effectuées en Unités SI, température thermodynamique est mesurée en kelvins (symbole: K). De nombreux domaines de l'ingénierie dans le US Cependant, mesurer la température thermodynamique utilisant la Échelle Rankine.

Par accord international, le kelvin de l'unité et son ampleur sont définis par deux points: zéro absolu et la triple point de Vienne standard Mean Ocean Water (eau avec un mélange spécifié de l'hydrogène et l'oxygène isotopes). Zéro absolu, la température la plus basse possible, est définie comme étant précisément K 0 et -273,15 ° C . Le point triple de l'eau est définie comme étant précisément 273,16 K et 0,01 ° C. Cette définition fait trois choses:

1. Il fixe l'ampleur de l'unité de kelvin comme étant précisément une part à 273,16 pièces la différence entre le zéro absolu et le point triple de l'eau;
2. Il établit que l'un kelvin a précisément la même ampleur comme une augmentation de un degré sur le Celsius échelle; et
3. Il établit la différence entre les points nuls des deux balances comme étant précisément 273,15 kelvins (K = 0 -273,15 ° C et 273,16 K = 0,01 ° C).

Températures exprimées en kelvins sont convertis en degrés Rankine simplement en multipliant par 1,8 comme suit: T _{° R} = 1,8 T _K, où T _K et T _{° R} sont des températures en degrés kelvin et de Rankine respectivement. Températures exprimées en degrés Rankine sont convertis en kelvins en divisant par 1,8 comme suit: T _K = ^{T _°} R / _1,8.

Réalisation pratique

Bien que les échelles de Kelvin et Celsius sont définies en utilisant le zéro absolu (0 K) et le point triple de l'eau (273,16 K et 0,01 ° C), il est impossible d'utiliser cette définition à des températures qui sont très différentes du point triple de l'eau. ITS-90 est alors conçu pour représenter le plus fidèlement possible la température thermodynamique dans toute sa gamme. Beaucoup de différentes conceptions de thermomètre sont nécessaires pour couvrir l'ensemble de la gamme. Il se agit notamment hélium thermomètres à pression de vapeur, les thermomètres de gaz d'hélium, thermomètres à résistance de platine standard (connu sous le nom Sprts, PRT ou Platium RTD) et thermomètres de rayonnement monochromatique.

Pour certains types de thermomètre la relation entre la propriété observée (par exemple, la longueur d'une colonne de mercure) et de la température, est presque linéaire, donc pour la plupart des fins une échelle linéaire est suffisante, sans étalonnage point par point. Pour d'autres une courbe d'étalonnage ou l'équation est nécessaire. Le thermomètre à mercure, inventé avant la température thermodynamique a été entendu, défini à l'origine l'échelle de température; sa linéarité fait lectures bonne corrélation avec la température réelle, à savoir l'échelle de température "de mercure" était un ajustement serré à l'échelle réelle.

La relation de la température, les mouvements, la conduction, et l'énergie thermique

Figue. 1 Le mouvement de translation des particules fondamentales de la nature tels que des atomes et des molécules donne une substance sa température. Ici, la taille de l'hélium atomes par rapport à leur espacement est représentée à l'échelle sous 1950 atmosphères de pression. Ces atomes à température ambiante ont une certaine vitesse moyenne (ralenti ici de deux trillions de fois). A tout instant donné, toutefois, un atome d'hélium particulier peut se déplacer plus rapidement que la moyenne, tandis qu'un autre peut être pratiquement immobile. Cinq atomes sont colorés en rouge pour faciliter la suite de leurs mouvements.

La nature de l'énergie cinétique, un mouvement de translation, et la température

À son plus simple, la température provient de l' énergie cinétique des mouvements vibratoires de matière de mandants de particules ( molécules , atomes , et particules subatomiques). La variété complète de ces motions cinétiques, avec énergies potentielles de particules, et aussi parfois certains autres types d'énergie de particules en équilibre avec ceux-ci, contribuent total énergie interne (vaguement, le thermique énergétique) dans une substance. Ainsi, l'énergie peut être stockée dans un certain nombre de façons dans une substance, mais seulement l'énergie cinétique des particules contribue à la température de la substance. Le capacité thermique, qui concerne l'apport de chaleur et le changement de température, est discutée ci-dessous.

Le rapport de l'énergie cinétique, la masse et la vitesse est donnée par la formule suivante: E _k = ^_1/2 mv ^2. En conséquence, des particules ayant une unité de masse mobile à une unité de vitesse ont exactement la même énergie cinétique, et précisément la même température, que ceux qui ont quatre fois la masse mais la moitié de la vitesse.

Sauf dans le régime quantique à des températures extrêmement basses, la température thermodynamique d'une quantité majeure d'une substance (une quantité statistiquement significative de particules) est directement proportionnelle à l'énergie cinétique moyenne moyenne d'un certain type de mouvement de particules connu sous le nom mouvement de translation. Ces mouvements simples dans les trois x, y, z et de les dimensions de l'espace signifie que les particules se déplacent dans les trois spatiale degrés de liberté. Cette forme particulière d'énergie cinétique est parfois appelés température cinétique. translation ne est qu'une forme d'énergie thermique et de gaz est ce qui donne non seulement leur température, mais aussi leur pression et la grande majorité de leur volume. Cette relation entre la température, la pression et le volume de gaz est établi par le formule pv de loi des gaz parfaits = nRT et est incarné dans le lois de gaz.

La mesure dans laquelle l'énergie cinétique du mouvement de translation d'un atome ou d'une molécule (des particules) individuelle dans un gaz contribue à la pression et le volume de gaz qui est une fonction proportionnelle de la température thermodynamique, tel qu'établi par la Constante de Boltzmann (symbole: k _B). La constante de Boltzmann concerne également la température thermodynamique d'un gaz à l'énergie cinétique moyenne du mouvement de translation d'une particule individuelle de la manière suivante:

où:

• est l'énergie cinétique moyenne en joules (J) et se prononce "E bar"
• k _B = 1,380 6 504 (24) × 10 ^-23 J / K et se prononce "bee sous Kay"
• T est la température thermodynamique en kelvins (K) et se prononce "Tee"

Figue. Les deux mouvements de translation d'atomes d'hélium se produisent à travers une gamme de vitesses. Comparer la forme de cette courbe à celle d'une courbe de Planck dans la Fig. 5 ci-dessous.

Alors que la constante de Boltzmann est utile pour trouver l'énergie cinétique moyenne d'une particule, il est important de noter que même si une substance est isolé et équilibre thermodynamique (toutes les pièces sont à une température uniforme et pas de chaleur va dans ou hors de celui-ci), les mouvements de translation des atomes et des molécules individuelles se produit à travers une large gamme de vitesses (voir l'animation dans la figure 1 ci-dessus). A tout instant une, la proportion de particules se déplaçant à une vitesse donnée au sein de cette plage est déterminée par la probabilité telle que décrite par la Distribution de Maxwell-Boltzmann. Le graphique présenté ici dans la figure. La figure 2 montre la distribution de vitesse de 5500 K atomes d'hélium. Ils ont une vitesse la plus probable de 4,780 km / s. Toutefois, une certaine proportion d'atomes à un instant donné se déplacent plus rapidement tandis que d'autres se déplacent relativement lentement; certains sont momentanément à l'arrêt virtuel (hors l'axe des x vers la droite). Ce graphique utilise vitesse inverse de son axe des x de sorte que la forme de la courbe peut être aisément comparé à des courbes de la Figure 5 ci-dessous. Dans les deux graphiques, zéro sur l'axe des x représente la température infinie. En outre, les x et y axe des sur les deux graphiques sont réduits proportionnellement.

Les hautes vitesses de translation

Bien que les équipements de laboratoire très spécialisés est nécessaire pour détecter directement mouvements de translation, les résultantes des collisions par des atomes ou des molécules de petites particules en suspension dans un fluide produit Mouvement brownien qui peut être vu avec un microscope ordinaire. Les mouvements de translation des particules élémentaires sont très rapides et des températures proches du zéro absolu sont tenus d'observer directement. Par exemple, lorsque les scientifiques à la NIST atteint une température froide record de 700 nK (milliardièmes de kelvin) en 1994, ils ont utilisé Equipement de réseau optique laser à adiabatique fraîches césium atomes. Ils ont ensuite éteint les lasers et les vitesses de piégeage d'atomes directement mesurées de 7 mm par seconde afin de calculer leur température. Les formules pour calculer la vitesse et la vitesse de mouvement de translation sont donnés dans la référence ci-dessous.

Les mouvements internes de molécules et la chaleur spécifique

Figue. 3 En raison de leur structure interne et la flexibilité, les molécules peuvent emmagasiner de l'énergie cinétique à des degrés de liberté internes qui contribuent à la la capacité calorifique.

Il ya d'autres formes d'énergie de chaleur en plus l'énergie cinétique du mouvement de translation. Comme on peut le voir dans l'animation à droite, les molécules sont des objets complexes; ils sont une population d'atomes et de l'agitation thermique peut grever leurs internes liaisons chimiques de trois façons différentes: via rotation, longueur de la liaison, et d'obligations mouvements angulaires. Ce sont tous les types de degrés de liberté internes. Cela rend les molécules distinctes de substances monoatomiques (constitués d'atomes individuels) comme le gaz noble l'hélium et l'argon , qui ne ont que trois degrés de liberté en translation. L'énergie cinétique est stockée dans degrés internes de molécules de la liberté, qui leur donne une température interne. Même si ces mouvements sont appelés interne, les parties externes de molécules encore se déplacent plutôt comme le jiggling d'un fixe ballon d'eau. Cela permet l'échange bidirectionnel d'énergie cinétique entre les mouvements internes et des mouvements de translation avec chaque collision moléculaire. En conséquence, comme la chaleur est éliminée à partir de molécules, tant de leur température cinétique (l'énergie cinétique du mouvement de translation) et leur température interne diminue simultanément dans des proportions égales. Ce phénomène est décrit par le equipartition théorème, qui stipule que pour toute quantité en vrac d'une substance à l'équilibre, l'énergie cinétique du mouvement des particules est uniformément répartie entre tous les degrés de liberté actifs disponibles pour les particules. Depuis la température interne de molécules sont généralement égale à leur température cinétique, la distinction est généralement d'intérêt que dans l'étude détaillée des non équilibre thermodynamique (LTE) phénomènes locaux tels que combustion, la sublimation des solides, et la diffusion de gaz chauds dans un vide partiel.

L'énergie cinétique emmagasinée dans les molécules à l'intérieur de substances provoque contiennent plus d'énergie thermique à une température donnée et pour absorber l'énergie thermique supplémentaire pour une augmentation de température donnée. Ce est parce que toute l'énergie cinétique qui est, à un instant donné, lié à des mouvements internes ne est pas à ce même instant contribuant à mouvements de translation des molécules. Cette énergie cinétique supplémentaire augmente simplement la quantité d'énergie thermique à une substance absorbe une élévation de température donnée. Cette propriété est connue comme une substance de la capacité thermique spécifique.

Différentes molécules absorbent des quantités différentes d'énergie thermique pour chaque augmentation progressive de la température; ce qui signifie qu'ils ont des capacités thermiques spécifiques. Haute capacité thermique spécifique provient, en partie, parce que les molécules de certaines substances possèdent degrés de liberté internes plus que d'autres. Par exemple, la température ambiante de l'azote , qui est un molécule diatomique, dispose de cinq degrés de liberté actifs: le mouvement de translation comprenant trois plus deux degrés de liberté en rotation interne. Sans surprise, en conformité avec le théorème d'équipartition, l'azote a cinq tiers de la capacité de chaleur spécifique par taupe (un certain nombre de molécules) comme les gaz monoatomiques. Un autre exemple est l'essence (voir tableau montrant sa capacité de chaleur spécifique). L'essence peut absorber une grande quantité d'énergie thermique par mole avec seulement un changement de température modeste parce que chaque molécule comprend une moyenne de 21 atomes et a de nombreux degrés de liberté internes conséquent. Même grosses molécules plus complexes peuvent avoir des dizaines de degrés de liberté internes.

La diffusion de la chaleur de l'énergie: Entropie, phonons et électrons de conduction mobiles

Figue. 4 Le translationnelle mouvement des particules dans les solides induite par la température prend la forme de phonons. indiqués ici sont identiques avec phonons mais avec des amplitudes longueurs d'onde allant de 2 à 12 molécules.

la conduction de la chaleur est la diffusion de l'énergie thermique à partir de parties chaudes d'un système à froid. Un système peut être soit une entité masse unique ou une pluralité d'entités discrètes en vrac. La majeure partie de terme dans ce contexte signifie une quantité statistiquement significative de particules (qui peut être une quantité microscopique). Chaque fois que l'énergie thermique se diffuse au sein d'un système isolé, les différences de température dans le système de diminution (et entropie augmente).

Un mécanisme de conduction de chaleur se produit lorsque notamment un mouvement de translation, la température sous-jacente de mouvement de particules, transfère l'élan de particule à particule dans des collisions. Dans les gaz, ces mouvements de translation sont de la nature ci-dessus dans la figure. 1 . Comme on le voit en ce que l'animation, non seulement la dynamique (chaleur) diffuse dans tout le volume du gaz à travers les collisions de série, mais des molécules ou des atomes entiers peuvent se déplacer vers l'avant dans un nouveau territoire, portant leur énergie cinétique avec eux. Par conséquent, les différences de température tout au long égaliser gaz très rapidement, surtout pour les atomes légers ou des molécules; convection accélère ce processus encore plus.

Mouvement de translation dans cependant solides, prend la forme de phonons (voir Fig. 4 à droite). Phonons sont contraints, paquets d'ondes quantifiées voyageant à la vitesse du son pour une substance donnée. La manière dont les phonons interagissent au sein d'un solide détermine ses diverses propriétés, y compris sa conductivité thermique. Dans les solides électriquement isolantes, conduction de la chaleur à base de phonon-est généralement inefficace et ces solides sont considérés comme isolants thermiques (tels que le verre, le plastique, le caoutchouc, la céramique, et la roche). Ce est parce que dans les solides, les atomes et les molécules sont verrouillés en place par rapport à leurs voisins et ne sont pas libres de se déplacer.

Les métaux ne sont toutefois pas limités à la conduction de la chaleur uniquement sur la base phonon. L'énergie thermique effectue grâce métaux extrêmement rapidement, car au lieu de collisions directes molécule à molécule, la grande majorité de l'énergie thermique est médiée par très légers, mobiles conduction des électrons . Ce est pourquoi il existe une corrélation presque parfaite entre les métaux ' conductivité thermique et leur conductivité électrique. électrons de conduction imprègnent métaux avec leur conductivité extraordinaire parce qu'ils sont délocalisée (ce est à dire, ne sont pas liés à un atome spécifique) et de se comporter un peu comme une sorte de gaz quantique en raison des effets de énergie du point zéro (pour plus de ZPE, voir la note 1 ci-dessous). En outre, les électrons sont relativement légers avec une masse au repos seulement _^1/1836 ème celle d'un proton . Il se agit de la même proportion que la 0,22 balle courte (29 grains ou 1,88 g) par rapport à l'arme qui tire elle. Comme Isaac Newton a écrit avec son troisième loi du mouvement ,

Loi n ° 3: Toutes les forces sont associés par paires, et ces deux forces sont égales en amplitude et en direction opposée.

Cependant, une balle accélère plus vite que un fusil donné une force égale. Depuis énergie cinétique augmente comme le carré de la vitesse, la quasi-totalité de l'énergie cinétique va dans la balle, pas le fusil, même si les deux l'expérience de la même force des gaz propulseurs expansion. De la même manière, car ils sont beaucoup moins massive, l'énergie thermique est facilement supporté par les électrons de conduction mobiles. En outre, parce qu'ils sont délocalisée et très rapide, l'énergie cinétique de chaleur conduit très rapidement à travers les métaux avec des électrons de conduction abondantes.

La diffusion de l'énergie de chaleur: le rayonnement du corps noir

Figue. 5 Le spectre du rayonnement du corps noir a la forme d'une courbe de Planck. A 5500 K corps noir a une émittance longueur d'onde pic de 527 nm. Comparer la forme de cette courbe à celle d'une distribution de Maxwell dans la Fig. 2 ci-dessus.

Le rayonnement thermique est un sous-produit des collisions découlant de divers mouvements vibratoires d'atomes. Ces collisions entraînent les électrons des atomes de thermiques émettent des photons (connu sous le nom rayonnement du corps noir). Photons sont émis quand une charge électrique est accélérée (comme cela arrive quand les nuages de deux atomes d'électrons entrent en collision). Même molécules individuelles avec des températures internes supérieures à zéro absolu émettent aussi un rayonnement du corps noir de leurs atomes. Dans ne importe quelle quantité en vrac d'une substance à l'équilibre, les photons corps noir sont émis à travers une gamme de longueurs d'onde dans un spectre qui a une forme de courbe comme Bell appelé Courbe Planck (voir graphique en. Fig 5 à droite). Le sommet d'une courbe de Planck ( la longueur d'onde pic de émittance) est situé dans une partie particulière de la spectre électromagnétique en fonction de la température du corps noir. Substances à l'extrême températures cryogéniques émettent aux longueurs d'onde radio longues alors des températures extrêmement chaudes produisent courte rayons gamma (voir Table des températures ordinaires ).

Rayonnement du corps noir diffuse l'énergie de la chaleur dans une substance que les photons sont absorbés par des atomes voisins, le transfert de la dynamique du processus. Photons corps noir aussi échapper facilement d'une substance et peuvent être absorbés par le milieu ambiant; l'énergie cinétique est perdue dans le processus.

Comme établi par le Loi de Stefan-Boltzmann, l'intensité des augmentations de rayonnement du corps noir comme la quatrième puissance de la température absolue. Ainsi, un corps noir à 824 K (un peu moins de rouge sombre incandescent) émet 60 fois le radiants puissance comme il le fait à 296 K (température ambiante). Ce est pourquoi on peut si facilement sentir la chaleur rayonnante des objets chauds à distance. Aux températures plus élevées, telles que celles trouvées dans une lampe à incandescence, rayonnement du corps noir peut être le principal mécanisme par lequel l'énergie de la chaleur se échappe un système.

Table des températures thermodynamiques

La gamme complète de l'échelle de température thermodynamique, du zéro absolu à absolu chaud, et quelques points notables entre eux sont présentés dans le tableau ci-dessous.

^A La valeur K 2500 est approximative.
^B Pour un vrai noir (qui ne sont pas filaments de tungstène). l'émissivité de filaments de tungstène est supérieure aux longueurs d'onde plus courtes, ce qui les rend plus blancs.
^C la température de la photosphère efficace.
^D Pour un vrai noir (qui ne était pas le plasma). Émission dominante de la machine à Z provient de 40 électrons MK (émissions rayons X mous) dans le plasma.

La chaleur de changement de phase

Figue. 6 Glace et eau: deux phases de la même substance

L'énergie cinétique du mouvement des particules ne est qu'un contributeur à l'énergie totale de chaleur dans une substance; un autre est les transitions de phase, qui sont le l'énergie potentielle de liaisons moléculaires qui peuvent se former dans une substance en refroidissant (par exemple pendant et condensation congélation). L'énergie thermique requise pour une transition de phase est appelée . chaleur latente Ce phénomène peut plus facilement être saisie en le considérant dans le sens inverse: la chaleur latente est l'énergie nécessaire pour rompre les liaisons chimiques (tels que cours évaporation et fusion). Presque tout le monde est familier avec les effets de transitions de phase; par exemple, la vapeur à 100 ° C peut causer de graves brûlures beaucoup plus rapidement que l'air 100 ° C à partir d'un sèche-cheveux. Cela se produit car une grande quantité de chaleur latente est libérée sous forme de vapeur se condense en eau liquide sur la peau.

Bien que l'énergie thermique est libérée ou absorbée au cours de transitions de phase, purs éléments chimiques , composés , et eutectique alliages présentent pas de changement de la température que ce soit alors ils les subissent (voir Fig. 7, ci-dessous à droite). Considérez un type particulier de transition de phase: fusion. Quand un solide est en train de fondre, réseau cristallin liaisons chimiques sont décomposés; la substance est en train de passer de ce qui est connu comme un état plus ordonné à un état moins ordonné. Dans la Fig. 7, la fonte des glaces est représenté au sein de la boîte en bas à gauche la position du bleu au vert.

Figue. La température de l'eau 7 ne change pas au cours des transitions de phase en tant que flux de chaleur dans ou hors de celui-ci. La capacité totale de chaleur d'une mole d'eau dans sa phase liquide (la ligne verte) est 7,5507 kJ.

À un moment donné thermodynamique spécifique, le point de fusion (qui est de 0 ° C à travers une large gamme de pression dans le cas de l'eau), tous les atomes ou molécules sont, en moyenne, au seuil maximum d'énergie de leurs liaisons chimiques peut supporter sans rompre du treillis. Les liaisons chimiques sont des forces toutes-ou-rien: soit ils détiennent rapide, ou se casser; il ne existe aucun état entre-deux. Par conséquent, lorsqu'une substance est à son point de fusion, tous les joule d'énergie de la chaleur ajoutée ne rompt les liens d'une quantité spécifique de ses atomes ou de molécules, les convertir dans un liquide de précisément la même température; pas d'énergie cinétique est ajouté à un mouvement de translation (qui est ce qui donne substances leur température). L'effet est un peu comme popcorn: à une certaine température, l'énergie thermique supplémentaire ne peut pas faire les noyaux plus chaud jusqu'à ce que la transition (popping) est terminée. Si le processus est inversé (comme dans le gel d'un liquide), l'énergie calorifique doit être retiré de la substance.

Comme indiqué plus haut, l'énergie thermique nécessaire pour une transition de phase est appelée chaleur latente. Dans les cas spécifiques de fusion et de congélation, il est appelé enthalpie de fusion ou de la chaleur de fusion. Si les liaisons moléculaires dans un réseau cristallin sont fortes, la chaleur de fusion peut être relativement grande, typiquement dans la gamme de 6 à 30 kJ par mole de l'eau et la plupart des éléments métalliques. Si la substance est l'un des gaz monoatomiques, (qui ont peu tendance à former des liaisons moléculaires) la chaleur de fusion est plus faible, allant de 0,021 à 2,3 kJ par mole. Relativement parlant, les transitions de phase peuvent être des événements vraiment énergiques. Pour faire fondre complètement glace à 0 ° C dans l'eau à 0 ° C, il faut ajouter environ 80 fois l'énergie de chaleur est nécessaire pour augmenter la température de la même masse d'eau liquide par un degré Celsius. Les ratios des métaux sont encore plus grandes, typiquement dans la gamme de 400 à 1200 fois. Et la transition de phase de ébullition est beaucoup plus énergique que la congélation. Par exemple, l'énergie nécessaire pour faire bouillir complètement ou vaporiser de l'eau (ce qui est connu en tant que enthalpie de vaporisation) est environ 540 fois celle requise pour une hausse d'un degré.

Enthalpie importante de l'eau de vaporisation est pourquoi sa peau peut être brûlé si rapidement que de la vapeur se condense sur elle (rubrique du rouge au vert sur la Fig. 7 ci-dessus). Dans la direction opposée, ce est pourquoi sa peau est fraîche que l'eau liquide sur elle se évapore (un processus qui se produit à un sous-ambiante température de bulbe humide qui dépend de humidité relative). Enthalpie très énergique de l'eau de vaporisation est également un facteur important qui sous-tend la raison pour laquelle les couvertures de piscine solaires (flottants, des couvertures isolés qui couvrent piscines lorsqu'il ne est pas en cours d'utilisation) sont si efficaces à réduire les coûts de chauffage: ils empêchent l'évaporation. Par exemple, l'évaporation de seulement 20 mm d'eau d'un bassin 1,29 mètres de profondeur refroidit son eau 8,4 degrés Celsius (15,1 ° F).

L'énergie interne

L'énergie cinétique totale de tous les mouvements des particules, y compris celle des électrons de conduction, en plus de l'énergie potentielle de changements de phase, ainsi que énergie du point zéro comprennent la l'énergie d'une substance, qui est son énergie thermique totale. L'énergie interne terme ne doit pas être confondue avec degrés de liberté internes. Alors que les degrés de liberté internes de molécules se réfère à un endroit particulier où l'énergie cinétique est liée, l'énergie interne d'une substance comprend toutes les formes d'énergie thermique.

Figue. 8 Quand la plupart des éléments chimiques, tels que des gaz nobles et métaux du groupe du platine, gèlent à une solide - l'état le plus ordonné de la matière - leur structures cristallines ont un agencement plus compacte. Cela donne la plus grande densité d'emballage possible et l'état de plus basse énergie.

L'énergie thermique au zéro absolu

Comme une substance se refroidit, les différentes formes d'énergie thermique et leurs effets connexes diminuer simultanément en amplitude: la chaleur latente de disponibles transitions de phase sont libérés comme une substance passe d'un état moins ordonné à un état plus ordonné; les mouvements de translation des atomes et des molécules diminuent (leur température cinétique diminue); les mouvements internes de molécules diminuent (leur température interne diminue); électrons de conduction (si la substance est un conducteur électrique) voyager un peu plus lent; et le pic de rayonnement noir de corps émittance longueur d'onde augmente (l'énergie des photons diminue). Lorsque les particules d'une substance sont aussi proches que possible de compléter repos et de ne retenir que le mouvement mécanique quantique ZPE-induite, la substance est à la température du zéro absolu (T = 0).

Notez que, tandis que le zéro absolu est le point zéro température thermodynamique et est également le moment où les constituants des particules de la matière ont mouvement minimal, zéro absolu ne est pas nécessairement le point à laquelle une substance contient zéro énergie thermique; il faut être très précis avec ce que l'on entend par énergie thermique. Souvent, tous les changements de phase qui peuvent survenir dans une substance, auront eu lieu au moment où il atteint zéro absolu. Cependant, ce ne est pas toujours le cas. Notamment, T = 0 hélium reste liquide à la pression ambiante et doit être sous une pression d'au moins 25 bar (2,5 MPa) à cristalliser. Ce est parce que la chaleur de l'hélium de la fusion (l'énergie requise pour faire fondre la glace de l'hélium) est si faible (seulement 21 joules par mole) que l'effet de mouvement induisant des énergie du point zéro est suffisante pour l'empêcher de geler à des pressions inférieures. Seulement si dans au moins 25 bars (2,5 MPa) de la pression sera cette énergie de chaleur latente libérée comme le gel d'hélium en se approchant de zéro absolu. Une autre complication est que beaucoup de solides changent leur structure cristalline à des arrangements plus compacts à des pressions très élevées (jusqu'à des millions de bars, ou des centaines de gigapascals). Ils sont connus comme les transitions de phase solide-solide dans lequel la chaleur latente est libérée comme un réseau cristallin des modifications à un, compact une thermodynamiquement plus favorable.

Les complexités ci-dessus font des déclarations générales plutôt lourdes concernant l'énergie interne en T = 0 substances. Indépendamment de la pression mais, ce qui peut être dit, ce est que au zéro absolu, tous les solides avec un réseau cristallin plus bas d'énergie tels ceux avec un plus compacte arrangement (voir Fig. 8, ci-dessus à gauche) contient énergie minimale, pour ne retenir que celle due au contexte toujours présent d'énergie du point zéro.   On peut aussi dire que pour une substance donnée à pression constante, le zéro absolu est le point le plus bas enthalpie (une mesure du potentiel de travail qui prend de l'énergie interne, la pression et le volume en considération). Enfin, il est toujours vrai de dire que tous les T = 0 substances contiennent zéro énergie cinétique de la chaleur.  

Les applications pratiques de température thermodynamique

Hélium-4, est un superfluide lorsque sa température ne dépasse pas 2,17 kelvins, ie2.17 "degrés Celsius" au-dessus du zéro absolu , le point de départ de la mesure de température thermodynamique.

Température thermodynamique est utile non seulement pour les scientifiques, il peut aussi être utile pour les laïcs dans de nombreuses disciplines impliquant des gaz. En exprimant les variables en termes absolus et en appliquant Loi de Gay-Lussac de proportionnalité température / pression, des solutions aux problèmes quotidiens sont simples; par exemple, le calcul de la façon dont un changement de température influe sur la pression à l'intérieur d'un pneu d'automobile. Si le pneu a une pression relativement froid de 200 kPa-Gage, puis en termes absolus (par rapport à un vide), sa pression est de 300 kPa absolu.    La température ambiante ("froid" en termes de pneus) est 296 K. Si la pression des pneus est de 20 ° C plus chaud (20 kelvins), la solution est calculée comme ^{316 K} / _{296 K} = 6,8% plus grande température thermodynamique et la pression absolue; ce est une pression de 320 kPa-absolue, qui est de 220 kPa-Gage.

Définition de température thermodynamique

Strictement parlant, la température d'un système est bien définis que si ses particules ( atomes , molécules , électrons , photons ) sont à l'équilibre, de sorte que leur énergie obéissent à une Distribution de Boltzmann (ou sa mécanique quantique contrepartie). Il existe de nombreuses échelles possibles de température, provenant d'une variété d'observations de phénomènes physiques. La température thermodynamique peut être montré pour avoir des propriétés spéciales, et en particulier peut être vu pour être définie de manière unique (jusqu'à un facteur multiplicatif constant) en considérant la efficacité de idéalisée moteurs thermiques. Ainsi, la T ₂ / T ₁ des deux températures T ₁ et T ₂ est le même rapport à toutes les échelles absolues.

Librement a déclaré, la température contrôle le flux de chaleur entre deux systèmes, et l' univers dans son ensemble, comme avec ne importe quel système naturel, a tendance à progresser de manière à maximiser l'entropie . Cela donne à penser qu'il devrait y avoir une relation entre la température et l'entropie. Pour élucider cela, considérons d'abord la relation entre la chaleur, le travail et la température. Une façon d'étudier ce est d'analyser un moteur thermique, qui est un dispositif destiné à convertir la chaleur en travail mécanique, tel que le Cycle de Carnot. Ces fonctions d'un des moteurs de la chaleur en utilisant un gradient de température entre une haute température T _H et une basse température T _C de générer du travail, et le travail effectué (par cycle, par exemple) par le moteur thermique est égale à la différence entre l'énergie thermique q _H mettre en le système à la température élevée et la chaleur q _C éjecté à la basse température (dans ce cycle). Le rendement du moteur est divisée par le travail de la chaleur du système mis en ou

où w _cy est le travail effectué par cycle. Ainsi, l'efficacité ne dépend que de q _C / q _H .

Le théorème de Carnot stipule que tous les moteurs réversibles fonctionnant entre les mêmes réservoirs de chaleur sont également efficaces.Ainsi, un moteur de chaleur réversible fonctionnant entre les températuresT ₁etT ₂doit avoir la même efficacité, ce qui est à dire, l'efficacité est la fonction des seules températures

En outre, un moteur thermique réversible fonctionnant entre les températures T ₁ et T ₃ doit avoir la même efficacité que l'un constitué par les deux cycles, une entre T ₁ et un autre (intermédiaire) la température T ₂ , et la seconde entre T ₂ et T ₃ . Un moyen rapide de voir ce que ce devrait pas être le cas, alors l'énergie (sous forme de Q ) seront gaspillés ou acquise, résultant en différents rendements globaux à chaque fois un cycle est divisé en cycles de composants; clairement un cycle peut être composé d'un nombre quelconque de cycles plus petits.

Avec cette compréhension deQ ₁,Q ₂etQ ₃, nous notons aussi que mathématiquement,

Mais la première fonction est PAS une fonction de T ₂ , donc le produit des deux dernières fonctions DOIT entraîner le retrait de T ₂ comme une variable. Le seul moyen est donc de définir la fonction f comme suit:

et

de sorte que

dire le rapport entre la puissance thermique échangée est une fonction des températures respectives au cours de laquelle ils se produisent.Nous pouvons choisir toute fonction monotone pour notre ;il est une question de commodité et de la convention que nous choisissons .Choisir ensuiteunetempérature de référence fixe (c.-à-point triple de l'eau), nous établissons l'échelle de température thermodynamique.

Il est à noter que cette définition coïncide avec celui de la dérivation des gaz parfaits; il est aussi cette définition de la température thermodynamique qui nous permet de représenter le rendement de Carnot en termes de T _H et T _C , et donc tirer que le (complet) cycle de Carnot est isentropique:

En substituant cette arrière dans notre première formule d'efficacité donne une relation en termes de température:

Notez que pour T _C = 0, le rendement est de 100% et que l'efficacité devient supérieure à 100% pour T _C <0, ce qui ne sont pas réalistes cas. En soustrayant le côté droit de l'équation 4 de la partie médiane et donne réorganisation

où le signe négatif indique thermique éjecté du système.La généralisation de cette équation estClausius théorème, ce qui suggère l'existence d'unefonction état​​S(ie, une fonction qui ne dépend que de l'état du système, et non pas sur la façon dont il a atteint cet état) défini (à une constante additive) par

où l'indice indique le transfert de chaleur dans un processus réversible. La fonction S correspond à l' entropie du système, mentionné précédemment, et le changement de S autour d'un cycle est égal à zéro (ce ​​qui est nécessaire pour toute fonction d'état). L'équation 5 peut être réarrangé pour obtenir une définition alternative pour la température en termes d'entropie et de la chaleur (pour éviter la boucle logique, nous devrions d'abord définir l'entropie par la mécanique statistique):

Pour un système dans lequel l'entropieSest une fonctionS(E) de son énergieE, la température thermodynamiqueTest donc donnée par

de sorte que l'inverse de la température thermodynamique est le taux d'augmentation de l'entropie de l'énergie.

Histoire

• Ca. 485 BC: Parménide dans son traité «De la Nature" postulé l'existente de frigidum primum , une source de substance élémentaire hypothétique de tout refroidissement ou de froid dans le monde.
• 1702-1703: Guillaume Amontons (1663-1705) a publié deux documents qui peuvent être utilisés pour le crédit comme étant le premier chercheur à déduire l'existence d'un (thermodynamique) échelle de température fondamentale avec un zéro absolu. Il a fait la découverte tout en cherchant à améliorer les thermomètres d'air en usage à l'époque. Ses thermomètres J-tubes constitués d'une colonne de mercure qui a été soutenu par une masse fixe de l'air piégé dans la partie de détection du thermomètre. En termes thermodynamiques, ses thermomètres invoqués la relation entre le volume / température du gaz sous pression constante. Ses mesures du point d'eau et le point de glace de fusion ébullition ont montré que, indépendamment de la masse d'air emprisonné à l'intérieur de ses thermomètres ou le poids de mercure de l'air a été soutenu, la réduction du volume de l'air au point de la glace était toujours le même rapport . Cette observation a conduit à postuler qu'une réduction suffisante de la température permettrait de réduire le volume d'air à zéro. En fait, ses calculs prévoyaient que le zéro absolu était équivalente à -240 ° C-seulement 33.15 degrés courts de la vraie valeur de -273,15 ° C.
• 1742:
  

  

  Anders Celsius
  Anders Celsius (1701-1744) a créé une version «à rebours» de l'échelle moderne de température en degrés Celsius. Dans échelle originale de Celsius, zéro représenté le point d'ébullition d'eau et 100 représentaient le point de fonte des glaces. Dans son document Observations de deux degrés persistants sur un thermomètre, il a raconté ses expériences montrant que le point de fusion de la glace était effectivement affectée par la pression. Il a également déterminé avec une précision remarquable comment le point d'ébullition de l'eau varie en fonction de la pression atmosphérique. Il a proposé que le zéro sur son échelle de température (le point d'ébullition de l'eau) serait calibré à la pression barométrique moyenne au niveau moyen de la mer.
• 1744:
  

  

  Carolus Linnaeus
  Coïncidant avec la mort de Anders Celsius, le célèbre botaniste Carl von Linné (1707-1778) effectivement inversé l'échelle de Celsius lors de la réception de son premier thermomètre avec une échelle où zéro représenté le point de glace et 100 point d'ébullition de l'eau représenté fusion. Le sur-mesure linnaeus-thermomètre , pour une utilisation dans ses serres, a été faite par Daniel Ekström, premier fabricant suédois d'instruments scientifiques à l'époque. Pour les 204 prochaines années, les communautés scientifiques et dans le monde entier thermométrie référence à cette échelle que l' échelle centigrade . Les températures sur l'échelle centigrade ont été souvent rapportés simplement comme degrés ou, si une plus grande spécificité a été souhaité, degrés centigrades . Le symbole des valeurs de température de cette ampleur était ° C (en plusieurs formats au fil des ans). Parce que le terme centigrades était aussi le nom de langue française pour une unité de mesure d'angle (un centième d'un angle droit) et avait une connotation semblable dans d'autres langues, le terme «degré centésimal" a été utilisé lors de très précis, un langage sans ambiguïté était requis par les organismes de normalisation internationaux tels que le Bureau international des Poids et Mesures (BIPM). Le 9e CGPM ( Conférence générale des poids et mesures ( Conférence générale des Poids et Mesures ) et le (CIPM Comité international des poids et mesures ( Comité international des Poids et Mesures ) a officiellement adopté degré Celsius (symbole: ° C) en 1948.
• 1777: Dans son livre Pyrometrie (Berlin: Haude & Spener 1779) a complété quatre mois avant sa mort, Johann Heinrich Lambert (1728-1777), parfois appelé à tort comme Joseph Lambert, a proposé une échelle de température absolue basée sur la pression / température relation d'un volume fixe de gaz. Cela est différent de la relation entre le volume / température de gaz sous pression constante que Guillaume Amontons découvert 75 années plus tôt. Lambert a déclaré que le zéro absolu était le point où une simple extrapolation linéaire atteint la pression du gaz zéro et était égale à -270 ° C.
• Circa 1787: Malgré le travail de Guillaume Amontons 85 années plus tôt, Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) est souvent crédité de découvrir, mais non l'édition, que le volume d'un gaz sous pression constante est proportionnelle à sa température absolue. La formule qu'il a créé était V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂ .
• 1802: Louis Joseph Gay-Lussac (1778-1850) ouvrage publié (en reconnaissant les notes de laboratoire inédites de Jacques Charles quinze ans plus tôt) décrivant comment le volume de gaz sous les variations de pression constants linéairement avec son absolue (thermodynamique) la température. Ce comportement est appelé la loi de Charles et est l'un des lois de gaz. Sa sont les formules du premier connus pour utiliser le numéro 273 pour le coefficient de dilatation du gaz par rapport au point de glace de fusion (ce qui indique que le zéro absolu était équivalente à -273 ° C).
• 1848:
  

  

  Lord Kelvin
  William Thomson , (1824-1907), également connu comme Lord Kelvin, a écrit dans son journal, sur une échelle thermométrique absolue, de la nécessité d'une échelle par laquelle infinie froid (zéro absolu) était point zéro de l'échelle, et qui a utilisé le degré Celsius pour son incrément de l'unité. Comme Gay-Lussac, Thomson a calculé que le zéro absolu était équivalente à -273 ° C sur les thermomètres de l'air de l'époque. Cette échelle absolue est connu aujourd'hui comme l'échelle de température thermodynamique Kelvin. Il est à noter que la valeur de Thomson de -273 a été en fait dérivé de 0,00366, qui était le coefficient de dilatation acceptée de gaz par degré Celsius par rapport au point de glace. L'inverse de -0,00366 exprimé à cinq chiffres significatifs est -273,22 ° C, ce qui est remarquablement proche de la vraie valeur de -273,15 ° C.
• 1859: William John Macquorn Rankine (1820-1872) a proposé une échelle thermodynamique de température similaire à William Thomson, mais qui a utilisé le degré Fahrenheit pour son incrément de l'unité. Cette échelle absolue est connu aujourd'hui comme l' échelle de température thermodynamique Rankine.
• 1877-1884:
  

  

  Ludwig Boltzmann
  Ludwig Boltzmann (1844-1906) a fait d'importantes contributions à la thermodynamique grâce à une compréhension du rôle que la cinétique de particules et de rayonnement du corps noir joué. Son nom est maintenant attaché à plusieurs des formules utilisées aujourd'hui dans la thermodynamique.
• Circa 1930:expériences de thermométrie de gaz soigneusement calibrés au point de glace et de point d'ébullition de l'eau de fusion a montré que le zéro absolu était équivalent à -273,15 ° C.
• 1948: Résolution 3 de la 9e CGPM (Conférence Générale des Poids et Mesures, également connu sous le nom Conférence générale des poids et mesures) fixe le point triple de l'eau précisément à 0,01 ° C. A cette époque, le point triple avait toujours pas de définition formelle pour sa valeur kelvin équivalent, dont la résolution a déclaré "sera fixée à une date ultérieure". L'implication est que si la valeur du zéro absolu mesuré dans les années 1930 était vraiment -273,15 ° C, alors le point triple de l'eau (0,01 ° C) a été équivalent à 273,16 K. En outre, à la fois le CIPM (Comité international des Poids et Mesures , également connu comme le Comité international des poids et mesures) et la CGPM a officiellement adopté le nom Celsius pour le degré Celsius et l' échelle de température Celsius .  
• 1954: Résolution 3 de la 10e Conférence générale a donné l'échelle Kelvin sa définition moderne en choisissant le point triple de l'eau comme son deuxième point de définition et lui a donné une température de précision 273,16 kelvin (ce qui a été écrit à 273,16 degrés Kelvin à l'époque). Ceci, en combinaison avec la Résolution 3 de la 9e CGPM, a eu pour effet de définir le zéro absolu comme étant précisément zéro kelvin et de -273,15 ° C.
• 1967/1968: Résolution 3 de la 13e CGPM rebaptisé l'incrément de l'unité de température thermodynamique kelvin , symbole K, en remplacement de degré absolu , symbole ° K. En outre, se sentir utile de définir plus explicitement l'ampleur de l'augmentation de l'unité, la 13e CGPM a également décidé dans la résolution 4 que «Le kelvin, unité de température thermodynamique, est la fraction 1 / 273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau ».
• 2005:Le CIPM (Comité International des Poids et Mesures, aussi connu comme leComité international des poids et mesures)a affirmé que, pour les fins de la délimitation de la température du point triple de l'eau, la définition de l'échelle de température thermodynamique Kelvin se réfère à l'eau ayant une composition isotopique définie comme étant précisément égale à la spécification nominale deVienne standard Mean Ocean Water.