The source of heat for our planet is the sun. The sun's energy moves through space, then through the earth's atmosphere and finally reaches the earth's surface. The sun's radiation warms the earth's atmosphere and surface and becomes heat energy. This heat energy is transferred through the atmosphere by one of three mechanisms:

1.Radiation2.Conduction3.ConvectionRadiationThis type of heat transfer can be observed on sunny days. You face will feel warm when you are standing in the sun. The sunlight is absorbed by your face and warms you face, without warming the air around you. The energy from the sun that is absorbed by your face is called radiant energy or radiation. Radiation is the transfer of this heat energy by electromagnetic waves.

Clicktoenlarge

Most of the electromagnetic radiation from the sun is in the form of visible light. Light is made up of waves of different frequencies. These frequencies are interpreted by our brain as colors. Infrared waves and ultraviolet waves are two types of waves from the sun that we cannot see.

Solar radiation mostly passes through the atmosphere and is absorbed by all objects, such as humans, trees, flowers, roads, etc. These objects will then warm up. Dark objects, such as asphalt roads, will absorb and warm faster than light colored objects, which reflect the radiation back to space.. All substances emit radiation, but this emitted radiation will be at a longer wavelength that our eyes cannot see. This emitted radiation, called infrared radiation,

can be absorbed by the atmosphere. A substances's temperature will determine which wavelength of radiation the substance will emit and also the rate of emission. The higher the substances's temperature, the shorter the wavelength of the emitted radiation (think of how a burner on an electric stove turns from black to red as it heats up). Also, the higher the substance's temperature, the greater the emission rate of radiation.ConductionConduction is the transfer of heat from one molecule to another within a substance. Remember that temperature is just the measure of the average kinetic energy or speed of the molecules in a substance. Imagine you are holding a metal pin between your fingers and you place this pin in a flame. The pin absorbs the energy from the flame and the molecules inside the pin begin to move faster (warmer temperature). These faster moving molecules cause adjoining molecules to move faster and will eventually cause the molecules in your fingers to move faster. The heat is now being transferred from the pin to your finger and your finger will heat up. This is an example of heat transfer through conduction. When heat is transferred through conduction, it flows from warmer to colder regions and will transfer more rapidly with greater temperature differences. The rate of heat transfer through conduction also depends on whether the substance is a good conductor. It turns out that air is an extremely poor conductor of heat. Therefore, conduction is only important in the atmosphere within the first several millimeters closest to the surface. How then does the air transfer energy from one region to another?ConvectionConvection is the transfer of heat through the movement of a fluid, such as water or air. This type of heat transfer can occur in liquids and gases because they move freely, making it possible to set up warm or cold currents. Convection occurs naturally in the atmosphere on a warm, sunny day. As the earth's surface absorbs sunlight, certain portions of the surface absorb more than other portions. The earth's surface and the air near the surface heats unevenly. The warmest air expands, becomes less dense than the surrounding cooler air, becomes buoyant and rises. These rising "bubbles" of warm air, called thermals, act to transfer heat up into the atmosphere. Cooler, heavier air then flows toward the surface to replace the warm air that just rose. When the cooler air reaches the surface, it is warmed and it too eventually rises as a thermal. This circulation is referred to as a convective circulation or thermal cell. These "bubbles" or thermals can result in cloud formation, which will be discussed more in the clouds section.

Convection transfers heat vertically into the atmosphere. In order for heat to be transferred to other regions, it must be transferred horizontally by the wind. The horizontal transfer of heat by the wind is called advection.

Sumber panas bagi planet kita adalah matahari . Energi matahari bergerak melalui ruang , kemudian melalui atmosfer bumi dan akhirnya mencapai permukaan bumi . Radiasi matahari menghangatkan atmosfer bumi dan permukaan dan menjadi energi panas . Energi panas ini ditransfer melalui atmosfer oleh salah satu dari tiga mekanisme

1 . radiasi

2 . konduksi

3 . konveksi

radiasi

Jenis perpindahan panas dapat diamati pada hari-hari cerah . Wajah Anda akan merasa hangat ketika Anda sedang berdiri di bawah sinar matahari . Sinar matahari diserap oleh wajah Anda dan menghangatkan Anda hadapi , tanpa pemanasan udara di sekitar Anda . Energi dari matahari yang diserap oleh wajah Anda disebut energi radiasi atau radiasi . Radiasi adalah transfer energi panas ini dengan gelombang elektromagnetik .

Klik untuk memperbesar

Sebagian besar radiasi elektromagnetik dari matahari adalah dalam bentuk cahaya tampak . Cahaya terdiri dari gelombang frekuensi yang berbeda . Frekuensi ini diinterpretasikan oleh otak kita sebagai warna . Gelombang inframerah dan gelombang ultraviolet dua jenis gelombang dari matahari yang tidak bisa kita lihat .

Radiasi matahari sebagian besar melewati atmosfer dan diserap oleh semua objek , seperti manusia , pohon, bunga , jalan , dll benda ini kemudian akan menjadi hangat . Benda gelap , seperti jalan aspal , akan menyerap dan hangat lebih cepat daripada benda berwarna terang , yang mencerminkan radiasi kembali ke angkasa .. Semua zat memancarkan radiasi , tetapi radiasi yang dipancarkan ini akan berada pada panjang gelombang bahwa mata kita tidak bisa

melihat . Radiasi ini dipancarkan , disebut radiasi infra merah , dapat diserap oleh atmosfer . Suhu A Bahan akan menentukan panjang gelombang radiasi zat akan memancarkan dan juga tingkat emisi . Semakin tinggi suhu zat itu , semakin pendek panjang gelombang radiasi yang dipancarkan ( memikirkan bagaimana burner pada kompor listrik berubah dari hitam menjadi merah karena memanas ) . Selain itu, suhu substansi yang lebih tinggi , semakin besar tingkat emisi radiasi .

konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas dari satu molekul ke yang lain dalam suatu zat . Ingat bahwa suhu hanya ukuran dari energi kinetik rata-rata atau kecepatan molekul dalam suatu zat . Bayangkan Anda memegang pin logam antara jari-jari Anda dan Anda menempatkan pin ini dalam api . Pin menyerap energi dari api dan molekul dalam pin mulai bergerak lebih cepat ( suhu yang lebih hangat ) . Molekul bergerak lebih cepat menyebabkan sebelah molekul untuk bergerak lebih cepat dan pada akhirnya akan menyebabkan molekul dalam jari-jari Anda untuk bergerak lebih cepat . Panas sekarang sedang ditransfer dari pin ke jari Anda dan jari Anda akan memanas . Ini adalah contoh perpindahan panas melalui konduksi . Ketika panas dipindahkan melalui konduksi , mengalir dari hangat ke daerah dingin dan akan mentransfer lebih cepat dengan perbedaan suhu yang lebih besar . Tingkat perpindahan panas melalui konduksi juga tergantung pada apakah substansi adalah konduktor yang baik . Ternyata bahwa udara adalah konduktor yang sangat panas yang buruk . Oleh karena itu, konduksi hanya penting di atmosfer dalam pertama beberapa milimeter paling dekat dengan permukaan . Bagaimana kemudian melakukan transfer energi udara dari satu daerah ke daerah lain ?

konveksi

Konveksi adalah transfer panas melalui pergerakan cairan, seperti air atau udara . Jenis perpindahan panas dapat terjadi pada cairan dan gas karena mereka bergerak bebas , sehingga memungkinkan untuk mengatur arus hangat atau dingin . Konveksi terjadi secara alami di atmosfer pada , hari yang cerah hangat . Sebagai permukaan bumi menyerap sinar matahari , bagian-bagian tertentu dari permukaan menyerap lebih dari bagian-bagian lain . Permukaan bumi dan udara dekat permukaan memanaskan merata . The mengembang udara hangat , menjadi kurang padat daripada udara sekitarnya dingin , menjadi ringan dan naik . Ini naik " gelembung " udara hangat , yang disebut termal , bertindak untuk mentransfer panas ke dalam atmosfer . Cooler , udara lebih berat kemudian mengalir ke permukaan untuk menggantikan udara hangat yang baru saja naik . Ketika udara dingin mencapai permukaan, dipanaskan dan juga akhirnya naik sebagai panas . Sirkulasi ini disebut sebagai sirkulasi konvektif atau sel termal . Ini " gelembung " atau termal dapat menyebabkan pembentukan awan , yang akan dibahas lebih dalam bagian awan .

Transfer konveksi panas secara vertikal ke atmosfer . Agar panas yang akan ditransfer ke daerah lain , harus ditransfer secara horizontal oleh angin . Transfer horisontal panas oleh angin disebut adveksi

Heat transfer is a discipline of thermal engineering that concerns the generation, use, conversion, and exchange of thermal energy and heat between physical systems. As such, heat transfer is involved in almost every sector of the economy.[1] Heat transfer is classified into various mechanisms, such as thermal conduction, thermal convection, thermal radiation, and transfer of energy by phase changes. Engineers also consider the transfer of mass of differing chemical species, either cold or hot, to achieve heat transfer. While these mechanisms have distinct characteristics, they often occur simultaneously in the same system.

Heat conduction, also called diffusion, is the direct microscopic exchange of kinetic energy of particles through the boundary between two systems. When an object is at a different temperature from another body or its surroundings, heat flows so that the body and the surroundings reach the same temperature, at which point they are in thermal equilibrium. Such spontaneous heat transfer always occurs from a region of high temperature to another region of lower temperature, as described by the second law of thermodynamics.

Heat convection occurs when bulk flow of a fluid (gas or liquid) carries heat along with the flow of matter in the fluid. The flow of fluid may be forced by external processes, or sometimes (in gravitational fields) by buoyancy forces caused when thermal energy expands the fluid (for example in a fire plume), thus influencing its own transfer. The latter process is often called "natural convection". All convective processes also move heat partly by diffusion, as well. Another form of convection is forced convection. In this case the fluid is forced to flow by use of a pump, fan or other mechanical means. .

Perpindahan panas adalah disiplin teknik thermal yang menyangkut generasi , penggunaan , konversi , dan pertukaran energi panas dan panas antara sistem fisik . Dengan demikian , perpindahan panas terlibat dalam hampir setiap sektor ekonomi . [ 1 ] Perpindahan panas diklasifikasikan ke dalam berbagai mekanisme , seperti konduksi panas , konveksi termal , radiasi termal , dan transfer energi oleh perubahan fasa . Insinyur juga mempertimbangkan transfer massa berbeda spesies kimia , dingin atau panas , untuk mencapai perpindahan panas . Sementara mekanisme ini memiliki karakteristik yang berbeda , mereka sering terjadi secara bersamaan dalam sistem yang sama .

Panas konduksi , juga disebut difusi , adalah pertukaran mikroskopis langsung energi kinetik partikel melalui batas antara dua sistem . Ketika sebuah benda berada pada suhu yang berbeda dari tubuh lain atau sekitarnya , panas mengalir sehingga tubuh dan sekitarnya mencapai suhu yang sama , pada saat mana mereka berada dalam kesetimbangan termal . Perpindahan panas spontan seperti selalu terjadi dari daerah suhu tinggi ke daerah lain dari suhu yang lebih rendah , seperti yang dijelaskan oleh hukum kedua termodinamika .

Panas konveksi terjadi ketika aliran bulk dari fluida ( gas atau cairan ) membawa panas bersama dengan aliran materi dalam cairan . Aliran fluida dapat dipaksa oleh proses eksternal , atau kadang ( dalam medan gravitasi ) oleh gaya apung disebabkan ketika energi panas memperluas cairan ( misalnya dalam segumpal api ) , sehingga mempengaruhi perpindahan sendiri . Proses terakhir ini sering disebut " konveksi alami " . Semua proses konvektif juga memindahkan panas sebagian oleh difusi , juga. Bentuk lain dari konveksi terpaksa konveksi . Dalam hal ini fluida dipaksa mengalir dengan menggunakan pompa , fan atau alat mekanis lainnya .

Heating or cooling of processes, equipment, or enclosed environments are within the purview of thermal engineering.

One or more of the following disciplines may be involved in solving a particular thermal engineering problem:

Thermodynamics

Fluid mechanics

Heat transfer

Mass transfer

Thermal engineering may be practiced by mechanical engineers and chemical engineers.

One branch of knowledge used frequently in thermal engineering is that of thermofluids.

Pemanasan atau pendinginan proses, peralatan, atau lingkungan tertutup berada dalam lingkup rekayasa termal.

Satu atau lebih disiplin berikut mungkin terlibat dalam memecahkan masalah rekayasa termal tertentu:

termodinamika

mekanika zat cair dan gas

perpindahan panas

Transfer massa

Rekayasa termal dapat dipraktekkan oleh para insinyur mekanik dan insinyur kimia.

Salah satu cabang pengetahuan yang sering digunakan dalam rekayasa termal adalah bahwa thermofluids.

weather parameter. More specifically, temperature describes the kinetic energy, or energy of motion, of the gases that make up air. As gas molecules move more quickly, air temperature increases.

Why is Air Temperature Important?

Air temperature affects the growth and reproduction of plants and animals, with warmer temperatures promoting biological growth. Air temperature also affects nearly all other weather parameters. For instance, air temperature affects:

• the rate of evaporation

• relative humidity

• wind speed and direction

• precipitation patterns and types, such as whether it will rain, snow, or sleet.

How is Air Temperature measured?

Temperature is usually expressed in degrees Fahrenheit or Celsius. 0 degrees Celcius is equal to 32 degrees Fahrenheit. Room temperature is typically considered 25 degrees Celcius, which is equal to 77 degrees Fahrenheit.

A more scientific way to describe temperature is in the standard international unit Kelvin. 0 degrees Kelvin is called absolute zero. It is the coldest temperature possible, and is the point at which all molecular motion stops. It is approximately equal to -273 degrees Celcius and -460 degrees Fahrenheit.

Air Temperature Technology

Temperature can be measured in numerous ways, including thermistors, thermocouples, and mercury thermometers. The SWMP uses thermistors, which are metallic devices that undergo predictable changes in resistance in response to changes in temperature. This resistance is measured and converted to a temperature reading in Celcius, Fahrenheit, or Kelvin.

Mengapa Suhu Air Penting ?

Suhu udara mempengaruhi pertumbuhan dan reproduksi tumbuhan dan hewan , dengan suhu hangat mempromosikan pertumbuhan biologis . Suhu udara juga mempengaruhi hampir semua parameter cuaca lainnya . Misalnya , suhu udara mempengaruhi :

• laju penguapan

• kelembaban relatif

• kecepatan dan arah angin

• pola curah hujan dan jenis , seperti apakah akan hujan , salju , atau hujan es .

Bagaimana Suhu Air diukur ?

Suhu biasanya dinyatakan dalam derajat Fahrenheit atau Celcius . 0 derajat Celcius sama dengan 32 derajat Fahrenheit . Suhu kamar biasanya dianggap 25 derajat Celcius , yang sama dengan 77 derajat Fahrenheit .

Cara yang lebih ilmiah untuk menjelaskan suhu di unit standar internasional Kelvin . 0 derajat Kelvin disebut nol mutlak . Ini adalah suhu terdingin yang mungkin , dan adalah titik di mana semua gerakan molekuler berhenti . Hal ini kurang lebih sama dengan -273 derajat Celcius dan -460 derajat Fahrenheit .

Suhu udara Teknologi

Suhu dapat diukur dengan berbagai cara , termasuk termistor , termokopel , dan termometer merkuri . The SWMP menggunakan termistor , yang merupakan perangkat logam yang mengalami perubahan diprediksi dalam perlawanan dalam menanggapi perubahan suhu . Perlawanan ini diukur dan dikonversi ke pembacaan suhu di Celcius , Fahrenheit , atau Kelvin .

Methods of Heat Transfer

Introduction to Thermal Physics Temperature and Thermometers Thermometers as Speedometers What is Heat? Methods of Heat Transfer Rates of Heat Transfer

If you have been following along since the beginning of this lesson, then you have been developing a progressively sophisticated understanding of temperature and heat. You should be developing a model of matter as consisting of particles which vibrate (wiggle about a fixed position), translate (move from one location to another) and even rotate (revolve about an

imaginary axis). These motions give the particles kinetic energy. Temperature is a measure of the average amount of kinetic energy possessed by the particles in a sample of matter. The more the particles vibrate, translate and rotate, the greater the temperature of the object. You have hopefully adopted an understanding of heat as a flow of energy from a higher temperature object to a lower temperature object. It is the temperature difference between the two neighboring objects that causes this heat transfer. The heat transfer continues until the two objects have reached thermal equilibrium and are at the same temperature. The discussion of heat transfer has been structured around some everyday examples such as the cooling of a hot mug of coffee and the warming of a cold can of pop. Finally, we have explored a thought experiment in which a metal can containing hot water is placed within a Styrofoam cup containing cold water. Heat is transferred from the hot water to the cold water until both samples have the same temperature.

Now we should probe some of the following questions:

What is happening at the particle level when energy is being transferred between two objects?

Why is thermal equilibrium always established when two objects transfer heat?

How does heat transfer work within the bulk of an object? Is there more than one method of heat transfer? If so, then how are they similar and

different than one another?

Conduction - A Particulate ViewLet's begin our discussion by returning to our thought experiment in which a metal can containing hot water was placed within a Styrofoam cup containing cold water. Heat is transferred from the hot water to the cold water until both samples have the same temperature. In this instance, the transfer of heat from the hot water through the metal can to the cold water is sometimes referred to as conduction. Conductive heat flow involves the transfer of heat from one location to another in the absence of any material flow. There is nothing physical or material moving from the hot water to the cold water. Only energy is transferred from the hot water to the cold water. Other than the loss of energy, there is nothing else escaping from the hot water. And other than the gain of energy, there is nothing else entering the cold water. How does this happen? What is the mechanism that makes conductive heat flow possible?

A question like this is a particle-level question. To understand the answer, we have to think about matter as consisting of tiny particles atoms, molecules and ions. These particles are in constant motion; this gives them kinetic energy. As mentioned previously in this lesson, these particles move throughout the space of a container, colliding with each other and with the walls of their container. This is known as translational kinetic energy and

is the main form of kinetic energy for gases and liquids. But these particles can also vibrate about a fixed position. This gives the particles vibrational kinetic energy and is the main form of kinetic energy for solids. To put it more simply, matter consists of little wigglers and little bangers. The wigglers are those particles vibrating about a fixed position. They possess vibrational kinetic energy. The bangers are those particles that move through the container with translational kinetic energy and collide with the container walls.

The container walls represent the perimeters of a sample of matter. Just as the perimeter of your property (as in real estate property) is the furthest extension of the property, so the perimeter of an object is the furthest extension of the particles within a sample of matter. At the perimeter, the little bangers are colliding with particles of another substance - the particles of the container or even the surrounding air. Even the wigglers that are fixed in a position along the perimeter are doing some banging. Being at the perimeter, their wiggling results in collisions with the particles that are next to them; these are the particles of the container or of the surrounding air.

At this perimeter or boundary, the collisions of the little bangers and wigglers are elastic collisions in which the total amount of kinetic energy of all colliding particles is conserved. The net effect of these elastic collisions is that there is a transfer of kinetic energy across the boundary to the particles on the opposite side. The more energetic particles will lose a little kinetic energy and the less energetic particles will gain a little kinetic energy. Temperature is a measure of the average amount of kinetic energy possessed by the particles in a sample of matter. So on average, there are more particles in the higher temperature object with greater kinetic energy than there are in the lower temperature object. So when we average all the collisions together and apply the principles associated with elastic collisions to the particles within a sample of matter, it is logical to conclude that the higher temperature object will lose some kinetic energy and the lower temperature object will gain some kinetic energy. The collisions of our little bangers and wigglers will continue to transfer energy until the temperatures of the two objects are identical. When this state of thermal equilibrium has been reached, the average kinetic energy of both objects' particles is equal. At thermal equilibrium, there are an equal number of collisions resulting in an energy gain as there are collisions resulting in an energy loss. On average, there is no net energy transfer resulting from the collisions of particles at the perimeter.

At the macroscopic level, heat is the transfer of energy from the high temperature object to the low temperature object. At the particulate level, heat flow can be explained in terms of the net effect of the collisions of a whole bunch of little bangers. Warming and cooling is the macroscopic result of this particle-level phenomenon. Now let's apply this particle view to the scenario of the metal can with the hot water positioned inside of a Styrofoam cup containing cold water. On average, the particles with the greatest kinetic energy are the particles of the

hot water. Being a fluid, those particles move about with translational kinetic energy and bang upon the particles of the metal can. As the hot water particles bang upon the particles of the metal can, they transfer energy to the metal can. This warms the metal can up. Most metals are good thermal conductors so they warm up quite quickly throughout the bulk of the can. The can assumes nearly the same temperature as the hot water. Being a solid, the metal can consists of little wigglers. The wigglers at the outer perimeter of the metal can bang upon particles in the cold water. The collisions between the particles of the metal can and the particles of the cold water result in the transfer of energy to the cold water. This slowly warms the cold water up. The interaction between the particles of the hot water, the metal can and the cold water results in a transfer of energy outward from the hot water to the cold water. The average kinetic energy of the hot water particles gradually decreases; the average kinetic energy of the cold-water particles gradually increases; and eventually, thermal equilibrium would be reached at the point that the particles of the hot water and the cold water have the same average kinetic energy. At the macroscopic level, one would observe a decrease in temperature of the hot water and an increase in temperature of the cold water.

The mechanism in which heat is transferred from one object to another object through particle collisions is known as conduction. In conduction, there is no net transfer of physical stuff between the objects. Nothing material moves across the boundary. The changes in temperature are wholly explained as the result of the gains and losses of kinetic energy during collisions.

 

Conduction Through The Bulk of an ObjectWe have discussed how heat transfers from one object to another through conduction. But how does it transfer through the bulk of an object? For instance, suppose we pull a ceramic coffee mug out of the cupboard and place it on the countertop. The mug is at room temperature - maybe at 26°C. Then suppose we fill the ceramic coffee mug with hot coffee at a temperature of 80°C. The mug quickly warms up. Energy first flows into the particles at the boundary between the hot coffee and the ceramic mug. But then it flows through the bulk of the ceramic to all parts of the ceramic mug. How does heat conduction occur in the ceramic itself?

The mechanism of heat transfer through the bulk of the ceramic mug is described in a similar manner as it before. The ceramic mug consists of a collection of orderly arranged wigglers.

These are particles that wiggle about a fixed position. As the ceramic particles at the boundary between the hot coffee and the mug warm up, they attain a kinetic energy that is much higher than their neighbors. As they wiggle more vigorously, they bang into their neighbors and increase their vibrational kinetic energy. These particles in turn begin to wiggle more vigorously and their collisions with their neighbors increase their vibrational kinetic energy. The process of energy transfer by means of the little bangers continues from the particles at the inside of the mug (in contact with the coffee particles) to the outside of the mug (in contact with the surrounding air). Soon the entire coffee mug is warm and your hand feels it.

This mechanism of conduction by particle-to-particle interaction is very common in ceramic materials such as a coffee mug. Does it work the same in metal objects? For instance, you likely have noticed the high temperatures attained by the metal handle of a skillet when placed upon a stovetop. The burners on the stove transfer heat to the metal skillet. If the handle of the skillet is metallic, it too attains a high temperature, certainly high enough to cause a bad burn. The transfer of heat from the skillet to the skillet handle occurs by conduction. But in metals, the conduction mechanism is slightly more complicated. In a manner similar to electrical conductivity, thermal conductivity in metals occurs by the movement of free electrons. Outer shell electrons of metal atoms are shared among atoms and are free to move throughout the bulk of the metal. These electrons carry the energy from the skillet to the skillet handle. The details of this mechanism of thermal conduction in metals are considerably more complex than the discussion given here. The main point to grasp is that heat transfer through metals occurs without any movement of atoms from the skillet to the skillet handle. This qualifies the heat transfer as being categorized as thermal conduction.

 

Heat Transfer by Convection Is conduction the only means of heat transfer? Can heat be transferred across through the bulk of an object in methods other than conduction? The answer is yes. The model of heat transfer through the ceramic coffee mug and the metal skillet involved conduction. The ceramic of the coffee mug and the metal of the skillet are both solids. Heat transfer through solids occurs by conduction. This is primarily due to the fact that solids have orderly arrangements of particles that are fixed in place. Liquids and gases are not very good conductors of heat. In fact, they are considered good thermal insulators. Heat typically does not flow through liquids and gases by means of conduction. Liquids and gases are fluids; their particles are not fixed in place; they move about the bulk of the sample of matter. The model used for explaining heat transfer through the bulk of liquids and gases involves convection. Convection is the process of heat transfer from one location to the next by the movement of fluids. The moving fluid carries energy with it. The fluid flows from a high temperature location to a low temperature location.

To understand convection in fluids, let's consider the heat transfer through the water that is being heated in a pot on a stove. Of course the source of the heat is the stove burner. The metal pot that holds the water is heated by the stove burner. As the metal becomes hot, it begins to conduct heat to the water. The water at the boundary with the metal pan becomes hot. Fluids expand when heated and become less dense. So as the water at the bottom of the pot becomes hot, its density decreases. Differences in water density between the bottom of the pot and the top of the pot results in the gradual formation of circulation currents. Hot water begins to rise to the top of the pot displacing the colder water that was originally there. And the colder water that was present at the top of the pot moves towards the bottom of the pot where it is heated and begins to rise. These circulation currents slowly develop over time, providing the pathway for heated water to transfer energy from the bottom of the pot to the surface.

Convection also explains how an electric heater placed on the floor of a cold room warms up the air in the room. Air present near the coils of the heater warm up. As the air warms up, it expands, becomes less dense and begins to rise. As the hot air rises, it pushes some of the cold air near the top of the room out of the way. The cold air moves towards the bottom of the room to replace the hot air that has risen. As the colder air approaches the heater at the bottom of the room, it becomes warmed by the heater

and begins to rise. Once more, convection currents are slowly formed. Air travels along these pathways, carrying energy with it from the heater throughout the room.

Convection is the main method of heat transfer in fluids such as water and air. It is often said that heat rises in these situations. The more appropriate explanation is to say that heated fluid rises. For instance, as the heated air rises from the heater on a floor, it carries more energetic particles with it. As the more energetic particles of the heated air mix with the cooler air near the ceiling, the average kinetic energy of the air near the top of the room increases. This increase in the average kinetic energy corresponds to an increase in temperature. The net result of the rising hot fluid is the transfer of heat from one location to another location. The convection method of heat transfer always involves the transfer of heat by the movement of matter. This is not to be confused with the caloric theory discussed earlier in this lesson. In caloric theory, heat was the fluid and the fluid that moved was the heat. Our model of convection considers heat to be energy transfer that is simply the result of the movement of more energetic particles.

The two examples of convection discussed here - heating water in a pot and heating air in a room - are examples of natural convection. The driving force of the circulation of fluid is natural - differences in density between two locations as the result of fluid being heated at some source. (Some sources introduce the concept of buoyant forces to explain why the heated fluids rise. We will not pursue such explanations here.) Natural convection is common in nature. The earth's oceans and atmosphere are heated by natural convection. In contrast to natural convection, forced convection involves fluid being forced from one location to another by fans, pumps and other devices. Many home heating systems involve force air heating. Air is heated at a furnace and blown by fans through ductwork and released into rooms at vent locations. This is an example of forced convection. The movement of the fluid from the hot location (near the furnace) to the cool location (the rooms throughout the house) is driven or forced by a fan. Some ovens are forced convection ovens; they have fans that blow heated air from a heat source into the oven. Some fireplaces enhance the heating ability of the fire by blowing heated air from the fireplace unit into the adjacent room. This is another example of forced convection.

 

Heat Transfer by Radiation A final method of heat transfer involves radiation. Radiation is the transfer of heat by means of electromagnetic waves. To radiate means to send out or spread from a central location. Whether it is light, sound, waves, rays, flower petals, wheel spokes or pain, if something radiates then it protrudes or spreads outward from an origin. The transfer of heat by radiation involves the carrying of energy from an origin to the space surrounding it. The energy is carried by electromagnetic waves and does not involve the movement or the interaction of matter. Thermal radiation can occur through matter or through a region of space that is void of matter (i.e., a vacuum). In fact, the heat received on Earth from the sun is the result of electromagnetic waves traveling through the void of space between the Earth and the sun.

All objects radiate energy in the form of electromagnetic waves. The rate at which this energy is released is proportional to the Kelvin temperature (T) raised to the fourth power.

Radiation rate = k•T4

The hotter the object, the more it radiates. The sun obviously radiates off more energy than a hot mug of coffee. The temperature also affects the wavelength and frequency of the radiated waves. Objects at typical room temperatures radiate energy as infrared waves. Being invisible to the human eye, we do not see this form of radiation. An infrared camera is capable of detecting such radiation. Perhaps you have seen thermal photographs or videos of the radiation surrounding a person or animal or a hot mug of coffee or the Earth. The energy radiated from an object is usually a collection or range of wavelengths. This is usually referred to as an emission spectrum. As the temperature of an object increases, the wavelengths within the spectra of the emitted radiation also decrease. Hotter objects tend to emit shorter wavelength, higher frequency radiation. The coils of an electric toaster are considerably hotter than room temperature and emit electromagnetic radiation in the visible spectrum. Fortunately, this provides a convenient warning to its users that the coils are hot. The tungsten filament of an incandescent light bulb emits electromagnetic radiation in the visible (and beyond) range. This radiation not only allows us to see, it also warms the glass bulb that contains the filament. Put your hand near the bulb (without touching it) and you will feel the radiation from the bulb as well.

Thermal radiation is a form of heat transfer because the electromagnetic radiation emitted from the source carries energy away from the source to surrounding (or distant) objects. This energy is absorbed by those objects, causing the average kinetic energy of their particles to increase and causing the temperatures to rise. In this sense, energy is transferred from one location to another by means of electromagnetic radiation. The image at the right was taken by a thermal imaging camera. The camera detects the radiation emitted by objects and represents it by means of a color photograph. The hotter colors represent areas of objects that are emitting thermal radiation at a more intense rate. (Images courtesy Peter Lewis and Chris West of Standford's SLAC.)

 

Our discussion on this page has pertained to the various methods of heat transfer. Conduction, convection and radiation have been described and illustrated. The macroscopic has been explained in terms of the particulate - an ongoing goal of this chapter of The Physics Classroom Tutorial. The last topic to be discussed in Lesson 1 is more quantitative in nature. On the next page, we will investigate the mathematics associated with the rate of heat transfer.

Metode Heat Transfer

• Pengantar Fisika Termal

• Suhu dan Termometer

• Termometer sebagai spedometer

• Apakah Panas ?

• Metode Heat Transfer

• Tingkat Heat Transfer

Jika Anda telah mengikuti bersama sejak awal pelajaran ini , maka Anda telah mengembangkan pemahaman yang semakin canggih suhu dan panas . Anda harus mengembangkan model materi sebagai terdiri dari partikel yang bergetar ( menggoyangkan tentang posisi tetap ) , menerjemahkan ( berpindah dari satu lokasi ke lokasi lainnya ) dan bahkan memutar ( berputar terhadap suatu sumbu imajiner ) . Gerakan ini memberikan partikel energi kinetik . Suhu adalah ukuran dari jumlah rata-rata energi kinetik yang dimiliki oleh partikel dalam sampel materi . Semakin banyak partikel bergetar , menerjemahkan dan memutar , semakin besar suhu objek. Mudah-mudahan Anda telah mengadopsi pemahaman tentang panas sebagai aliran energi dari objek suhu yang lebih tinggi ke objek suhu yang lebih rendah . Ini adalah perbedaan suhu antara dua benda tetangga yang menyebabkan perpindahan panas ini . Perpindahan panas berlanjut sampai dua benda telah mencapai kesetimbangan termal dan berada pada suhu yang sama . Pembahasan perpindahan panas telah terstruktur sekitar beberapa contoh sehari-hari seperti pendinginan cangkir kopi panas dan pemanasan kaleng dingin pop . Akhirnya , kami telah meneliti eksperimen pikiran di mana kaleng logam berisi air panas ditempatkan dalam cangkir styrofoam yang berisi air dingin . Panas ditransfer dari air panas untuk air dingin sampai kedua sampel memiliki suhu yang sama .

Sekarang kita harus menyelidiki beberapa pertanyaan berikut ini :

• Apa yang terjadi pada tingkat partikel ketika energi yang ditransfer antara dua benda ?

• Mengapa keseimbangan termal selalu dibuat bila dua benda mentransfer panas ?

• Bagaimana cara kerja perpindahan panas dalam sebagian besar obyek ?

• Apakah ada lebih dari satu metode perpindahan panas ? Jika demikian, maka bagaimana mereka sama dan berbeda dari satu sama lain ?

Konduksi - A Particulate View

Mari kita mulai diskusi kita dengan kembali ke eksperimen pikiran kita di mana kaleng logam berisi air panas ditempatkan dalam cangkir styrofoam yang berisi air dingin . Panas

ditransfer dari air panas untuk air dingin sampai kedua sampel memiliki suhu yang sama . Dalam hal ini , transfer panas dari air panas melalui kaleng logam dengan air dingin kadang-kadang disebut sebagai konduksi . Aliran panas konduktif melibatkan transfer panas dari satu lokasi ke lokasi lain dalam tidak adanya aliran material . Tidak ada fisik atau material bergerak dari air panas ke air dingin . Hanya energi ditransfer dari air panas ke air dingin . Selain kehilangan energi , tidak ada yang lain melarikan diri dari air panas . Dan selain keuntungan dari energi , tidak ada lagi memasuki air dingin . Bagaimana hal ini terjadi? Bagaimana mekanisme yang membuat aliran panas konduktif mungkin?

Sebuah pertanyaan seperti ini adalah pertanyaan partikel - tingkat . Untuk memahami jawabannya , kita harus berpikir tentang hal sebagai terdiri dari atom-atom partikel kecil , molekul dan ion . Partikel-partikel ini berada dalam gerakan konstan , ini memberi mereka energi kinetik . Seperti yang disebutkan sebelumnya dalam pelajaran ini , partikel-partikel ini bergerak di seluruh ruang wadah , bertabrakan dengan satu sama lain dan dengan dinding wadah mereka . Hal ini dikenal sebagai energi kinetik translasi dan merupakan bentuk utama dari energi kinetik untuk gas dan cairan . Tapi partikel-partikel ini juga dapat bergetar sekitar posisi tetap . Hal ini memberikan partikel energi kinetik getaran dan merupakan bentuk utama energi kinetik untuk padatan . Untuk memasukkan lebih sederhana, materi terdiri dari wigglers kecil dan bangers kecil . The wigglers adalah partikel-partikel bergetar sekitar posisi tetap . Mereka memiliki energi kinetik vibrasi . Bangers adalah partikel-partikel yang bergerak melalui wadah dengan energi kinetik translasi dan bertabrakan dengan dinding kontainer .

Dinding wadah mewakili perimeter sampel materi . Sama seperti perimeter properti Anda ( seperti dalam properti real estate ) adalah ekstensi terjauh dari properti , sehingga perimeter dari sebuah objek adalah ekstensi terjauh dari partikel dalam sampel materi . Pada perimeter , bangers kecil yang bertabrakan dengan partikel zat lain - partikel dari wadah atau bahkan udara sekitarnya . Bahkan wigglers yang diperbaiki dalam posisi sepanjang perimeter melakukan beberapa membenturkan . Berada di perimeter , hasil menggeliat dalam tabrakan dengan partikel-partikel yang di samping mereka , ini adalah partikel wadah atau udara di sekitarnya .

Pada perimeter ini atau batas , tabrakan bangers kecil dan wigglers tabrakan elastis di mana jumlah total energi kinetik semua partikel bertabrakan adalah kekal . Efek bersih dari tabrakan ini elastis adalah bahwa ada transfer energi kinetik seluruh batas untuk partikel di sisi berlawanan . Partikel-partikel yang lebih energik akan kehilangan energi kinetik kecil dan partikel kurang energik akan mendapatkan energi kinetik sedikit . Suhu adalah ukuran dari jumlah rata-rata energi kinetik yang dimiliki oleh partikel dalam sampel materi . Jadi rata-rata , ada partikel yang lebih tinggi dalam objek suhu dengan energi kinetik yang lebih besar dari yang ada di objek suhu yang lebih rendah . Jadi ketika kita rata-rata semua tabrakan bersama-sama dan menerapkan prinsip-prinsip yang terkait dengan tumbukan elastis untuk partikel dalam sampel materi , adalah logis untuk menyimpulkan bahwa objek temperatur yang lebih tinggi akan kehilangan beberapa energi kinetik dan objek suhu yang lebih rendah akan mendapatkan beberapa energi kinetik . Tabrakan dari bangers kecil kami dan wigglers akan terus mentransfer energi sampai suhu dari dua benda yang identik . Ketika negara ini

kesetimbangan termal telah tercapai , energi kinetik rata-rata partikel kedua objek ' adalah sama . Pada kesetimbangan termal , ada jumlah yang sama dari tabrakan yang mengakibatkan keuntungan energi karena ada tabrakan yang mengakibatkan kehilangan energi . Rata-rata , tidak ada transfer energi bersih yang dihasilkan dari tabrakan partikel di perimeter .

Pada tingkat makroskopik , panas adalah transfer energi dari objek suhu tinggi ke objek suhu rendah . Pada tingkat partikulat , aliran panas dapat dijelaskan dalam hal efek bersih dari tabrakan dari sejumlah besar bangers kecil . Pemanasan dan pendinginan adalah hasil makroskopik fenomena partikel -level ini . Sekarang mari kita terapkan tampilan partikel ini untuk skenario kaleng logam dengan air panas diposisikan dalam cangkir styrofoam yang berisi air dingin . Rata-rata , partikel dengan energi kinetik terbesar adalah partikel dari air panas . Menjadi cairan, partikel-partikel tersebut bergerak dengan energi kinetik translasi dan ledakan pada partikel dari kaleng logam . Sebagai partikel air panas menggedor pada partikel logam bisa, mereka mentransfer energi untuk kaleng logam . Ini menghangatkan logam dapat up . Kebanyakan logam merupakan konduktor termal yang baik sehingga mereka pemanasan cukup cepat di seluruh sebagian besar kaleng . Dapat mengasumsikan hampir suhu yang sama dengan air panas . Menjadi solid, kaleng logam terdiri dari wigglers kecil . The wigglers di perimeter luar logam bisa bang atas partikel dalam air dingin . Tabrakan antara partikel dari kaleng logam dan partikel dari air dingin mengakibatkan transfer energi ke air dingin . Ini perlahan menghangatkan air dingin up . Interaksi antara partikel dari air panas , kaleng logam dan hasil air dingin dalam transfer energi keluar dari air panas ke air dingin . Energi kinetik rata-rata partikel air panas secara bertahap menurun , energi kinetik rata-rata dari partikel - air dingin secara bertahap meningkat , dan akhirnya , kesetimbangan termal akan dicapai pada titik bahwa partikel dari air panas dan air dingin memiliki sama rata-rata energi kinetik . Pada tingkat makroskopik , orang akan mengamati penurunan suhu air panas dan peningkatan suhu air dingin .

 

Mekanisme di mana panas yang ditransfer dari satu objek ke objek lain melalui tumbukan partikel dikenal sebagai konduksi . Dalam konduksi , tidak ada transfer bersih dari hal-hal fisik antara objek. Tidak ada yang bergerak materi melintasi batas . Perubahan suhu yang sepenuhnya dijelaskan sebagai hasil dari keuntungan dan kerugian dari energi kinetik selama tabrakan .

 

Konduksi Melalui Massal dari sebuah Object

Kita telah membahas bagaimana transfer panas dari satu objek yang lain melalui konduksi . Tapi bagaimana cara mentransfer melalui sebagian besar obyek ? Misalnya, kita tarik kopi mug keramik dari lemari dan meletakkannya di meja. Mug ini pada suhu kamar - mungkin pada 26 ° C. Kemudian misalkan kita mengisi cangkir kopi keramik dengan kopi panas pada suhu 80 ° C. Mug dengan cepat menghangat . Energi pertama mengalir ke partikel pada batas antara kopi panas dan mug keramik . Tapi kemudian mengalir melalui sebagian besar

keramik ke seluruh bagian dari mug keramik . Bagaimana konduksi panas terjadi dalam keramik itu sendiri ?

Mekanisme perpindahan panas melalui sebagian besar mug keramik dijelaskan dengan cara yang sama seperti sebelumnya. The mug keramik terdiri dari kumpulan wigglers diatur tertib . Ini adalah partikel yang menggoyangkan tentang posisi tetap . Sebagai partikel keramik di batas antara kopi panas dan cangkir pemanasan , mereka mencapai energi kinetik yang jauh lebih tinggi daripada tetangga mereka . Ketika mereka menggoyangkan lebih keras , mereka bang ke tetangga mereka dan meningkatkan energi kinetik getaran mereka. Partikel-partikel ini pada gilirannya mulai menggoyangkan lebih keras dan tabrakan mereka dengan tetangga mereka meningkatkan energi kinetik getaran mereka. Proses transfer energi dengan cara bangers kecil terus dari partikel di dalam cangkir ( dalam kontak dengan partikel kopi ) ke luar mug ( kontak dengan udara sekitarnya ) . Segera seluruh cangkir kopi hangat dan tangan Anda merasa itu .

 

Mekanisme konduksi oleh interaksi partikel - to- partikel sangat umum dalam bahan keramik seperti cangkir kopi . Apakah bekerja sama dalam benda logam ? Misalnya, Anda mungkin telah memperhatikan suhu tinggi dicapai oleh logam menangani wajan ketika ditempatkan di atas kompor . Pembakar pada kompor panas perpindahan ke wajan logam . Jika pegangan wajan adalah logam , juga mencapai suhu tinggi , tentu cukup tinggi untuk menyebabkan luka bakar yang buruk . Transfer panas dari wajan ke pegangan wajan terjadi dengan konduksi . Namun dalam logam , mekanisme konduksi sedikit lebih rumit . Dalam cara yang mirip dengan konduktivitas listrik , konduktivitas termal dalam logam terjadi oleh gerakan elektron bebas . Elektron kulit terluar dari atom logam dibagi antara atom dan bebas bergerak di seluruh sebagian besar logam . Elektron ini membawa energi dari wajan ke pegangan wajan . Rincian mekanisme ini konduksi termal dalam logam yang jauh lebih kompleks daripada diskusi yang diberikan di sini . Titik utama untuk memahami adalah bahwa perpindahan panas melalui logam terjadi tanpa pergerakan atom dari wajan ke pegangan wajan . Ini memenuhi syarat perpindahan panas sebagai yang dikategorikan sebagai konduksi termal .

 

Perpindahan Kalor Secara Konveksi

Apakah konduksi satu-satunya sarana perpindahan panas ? Bisa panas ditransfer di melalui sebagian besar obyek dalam metode selain konduksi ? Jawabannya adalah ya . Model perpindahan panas melalui cangkir kopi keramik dan wajan logam yang terlibat konduksi . Keramik dari mug kopi dan logam dari wajan keduanya padat . Perpindahan panas melalui benda padat terjadi dengan konduksi . Hal ini terutama disebabkan oleh kenyataan bahwa padatan memiliki pengaturan tertib partikel yang tetap di tempatnya. Cairan dan gas tidak konduktor yang sangat baik dari panas . Bahkan , mereka dianggap isolator termal yang baik . Panas biasanya tidak mengalir melalui cairan dan gas dengan cara konduksi . Cairan dan gas adalah cairan , partikel mereka tidak tetap di tempat , mereka bergerak sebagian besar sampel materi . Model yang digunakan untuk menjelaskan perpindahan panas melalui sebagian besar

cairan dan gas melibatkan konveksi . Konveksi adalah proses perpindahan panas dari satu lokasi ke lokasi berikutnya oleh gerakan cairan . Cairan bergerak membawa energi dengan itu . Cairan mengalir dari lokasi suhu tinggi ke lokasi suhu rendah .

Untuk memahami konveksi dalam cairan , mari kita mempertimbangkan perpindahan panas melalui air yang sedang dipanaskan dalam panci di atas kompor . Tentu saja sumber panas adalah kompor burner . Panci logam yang memegang air dipanaskan oleh kompor burner . Sebagai logam menjadi panas , ia mulai melakukan panas ke air . Air di perbatasan dengan panci logam menjadi panas . Cairan mengembang saat dipanaskan dan menjadi kurang padat . Sehingga air di bagian bawah panci menjadi panas , kepadatannya berkurang . Perbedaan densitas air antara bagian bawah panci dan atas hasil pot dalam pembentukan bertahap dari arus sirkulasi . Air panas mulai naik ke atas panci menggusur air dingin yang pada awalnya ada . Dan air dingin yang hadir di bagian atas pot bergerak ke bagian bawah panci di mana dipanaskan dan mulai naik . Arus sirkulasi ini perlahan-lahan berkembang dari waktu ke waktu , menyediakan jalur untuk air panas untuk mentransfer energi dari bawah pot ke permukaan .

Konveksi juga menjelaskan bagaimana pemanas listrik ditempatkan di lantai ruang dingin menghangat udara dalam ruangan . Air hadir dekat kumparan pemanas pemanasan . Seperti udara menghangat , mengembang , menjadi kurang padat dan mulai naik . Seperti udara panas naik , itu mendorong beberapa udara dingin di dekat bagian atas ruangan keluar dari jalan . Udara dingin bergerak ke bagian bawah ruangan untuk menggantikan udara panas yang telah bangkit . Seperti udara dingin mendekati pemanas di bagian bawah ruangan, itu menjadi hangat oleh pemanas dan mulai naik . Sekali lagi , arus konveksi secara perlahan terbentuk . Air di sepanjang jalur ini , membawa energi dengan itu dari pemanas seluruh ruangan .

Konveksi adalah metode utama perpindahan panas dalam cairan seperti air dan udara . Hal ini sering mengatakan bahwa panas naik dalam situasi ini . Penjelasan yang lebih tepat adalah mengatakan bahwa cairan panas naik . Misalnya , seperti naik udara panas dari pemanas di lantai , ia membawa partikel lebih energik dengan itu . Sebagai partikel lebih energik dari campuran udara panas dengan udara dingin di dekat langit-langit , energi kinetik rata-rata udara di dekat bagian atas meningkat kamar. Peningkatan energi kinetik rata-rata sesuai dengan peningkatan suhu . Hasil bersih dari cairan panas yang naik adalah perpindahan panas dari satu lokasi ke lokasi lain . Metode konveksi perpindahan panas selalu melibatkan transfer panas oleh pergerakan materi. Hal ini tidak menjadi bingung dengan teori kalori dibahas sebelumnya dalam pelajaran ini . Dalam teori kalori , panas adalah cairan dan cairan yang bergerak adalah panas . Model kami konveksi menganggap panas sebagai transfer energi yang hanya hasil dari gerakan partikel lebih energik .

Dua contoh konveksi dibahas di sini - memanaskan air dalam panci dan pemanas udara di ruangan - adalah contoh konveksi alami . Penggerak sirkulasi cairan alami - perbedaan densitas antara dua lokasi sebagai akibat dari cairan yang dipanaskan di beberapa sumber . ( Beberapa sumber memperkenalkan konsep kekuatan apung untuk menjelaskan mengapa cairan dipanaskan meningkat. Kami tidak akan mengejar penjelasan seperti di sini. )

Konveksi alami adalah umum di alam . Lautan bumi dan atmosfer dipanaskan oleh konveksi alami . Berbeda dengan konveksi alami , konveksi paksa melibatkan cairan dipaksa dari satu lokasi ke lokasi lain oleh fans , pompa dan perangkat lainnya . Banyak sistem pemanas rumah melibatkan memaksa pemanas udara . Air dipanaskan di tungku dan ditiup oleh fans melalui ductwork dan dilepaskan ke kamar di lokasi ventilasi . Ini adalah contoh dari konveksi paksa . Pergerakan cairan dari lokasi panas (dekat tungku ) ke lokasi dingin ( kamar di seluruh rumah ) didorong atau dipaksa oleh kipas angin . Beberapa oven dipaksa oven konveksi , mereka memiliki penggemar yang meniup udara panas dari sumber panas ke dalam oven . Beberapa perapian meningkatkan kemampuan pemanasan api dengan meniup udara dipanaskan dari unit perapian ke kamar yang berdekatan . Ini adalah contoh lain dari konveksi paksa .

Perpindahan Kalor Secara Radiasi

Sebuah metode akhir perpindahan panas melibatkan radiasi . Radiasi adalah transfer panas dengan menggunakan gelombang elektromagnetik . Untuk memancarkan sarana untuk mengirim atau menyebar dari lokasi pusat . Apakah itu cahaya, suara , gelombang , sinar , kelopak bunga , jari-jari roda atau nyeri , jika ada sesuatu memancarkan maka menonjol atau menyebar keluar dari asal . Transfer panas oleh radiasi melibatkan tercatat energi yang berasal dari sumber ke ruang sekitarnya . Energi yang dibawa oleh gelombang elektromagnetik dan tidak melibatkan gerakan atau interaksi materi . Radiasi termal dapat terjadi melalui materi atau melalui wilayah ruang yang kosong dari materi (yaitu , vakum ) . Bahkan, panas yang diterima di Bumi dari matahari adalah hasil dari gelombang elektromagnetik bepergian melalui kekosongan ruang antara bumi dan matahari .

Semua benda memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik . Tingkat di mana energi ini dilepaskan sebanding dengan suhu Kelvin ( T ) pangkat keempat.

Tingkat radiasi = k • T4

The panas obyek , semakin memancarkan . Matahari memancarkan jelas off lebih banyak energi daripada cangkir kopi panas . Suhu juga mempengaruhi panjang gelombang dan frekuensi gelombang terpancar . Benda pada suhu kamar yang khas memancarkan energi sebagai gelombang inframerah . Menjadi tidak terlihat oleh mata manusia , kita tidak melihat bentuk radiasi . Sebuah kamera infra merah yang mampu mendeteksi radiasi tersebut . Mungkin Anda telah melihat foto-foto panas atau video dari radiasi yang mengelilingi seseorang atau binatang atau cangkir kopi panas atau Bumi . Energi yang terpancar dari suatu benda biasanya koleksi atau berbagai panjang gelombang . Hal ini biasanya disebut sebagai spektrum emisi . Sebagai suhu suatu benda meningkat , panjang gelombang dalam spektrum radiasi yang dipancarkan juga menurun. Benda Hotter cenderung memancarkan panjang gelombang yang lebih pendek , radiasi frekuensi yang lebih tinggi . Kumparan sebuah pemanggang roti listrik yang jauh lebih panas dari suhu kamar dan memancarkan radiasi elektromagnetik dalam spektrum terlihat . Untungnya , ini memberikan peringatan yang nyaman untuk para penggunanya yang kumparan panas . The tungsten filamen bola lampu

pijar memancarkan radiasi elektromagnetik dalam terlihat ( dan seterusnya ) jangkauan. Radiasi ini tidak hanya memungkinkan kita untuk melihat , juga menghangatkan bola kaca yang berisi filamen . Letakkan tangan Anda di dekat bola ( tanpa menyentuhnya ) dan Anda akan merasakan radiasi dari bohlam juga.

Radiasi termal merupakan bentuk perpindahan panas karena radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dari sumber membawa energi dari sumber ke sekitarnya ( atau jauh ) objek . Energi ini diserap oleh objek tersebut , menyebabkan energi kinetik rata-rata partikel mereka untuk meningkatkan dan menyebabkan suhu naik . Dalam hal ini , energi ditransfer dari satu lokasi ke lokasi lain dengan cara radiasi elektromagnetik . Gambar di sebelah kanan diambil oleh kamera thermal imaging . Kamera mendeteksi radiasi yang dipancarkan oleh objek dan mewakili itu melalui foto berwarna . Warna-warna panas mewakili daerah dari benda-benda yang memancarkan radiasi termal pada tingkat yang lebih intens . ( Gambar courtesy Peter Lewis dan Chris Barat Standford SLAC . )

Diskusi kita pada halaman ini telah tergolong ke berbagai metode perpindahan panas . Konduksi, konveksi dan radiasi telah dijelaskan dan diilustrasikan . Makroskopik telah dijelaskan dalam hal partikulat - tujuan berkelanjutan bab ini dari The Fisika Kelas Tutorial . Topik terakhir yang akan dibahas dalam Pelajaran 1 lebih bersifat kuantitatif . Pada halaman berikutnya , kita akan menyelidiki matematika terkait dengan laju perpindahan panas .

The Atmosphere

1. Vertical temperature profile of the atmosphere

There are several ways of classifying the different layers of the atmosphere. The most common classification is based on the vertical distribution and variations of temperature in the atmosphere. In this classification, from the lowest layer to the highest layer are respectively the troposphere, the stratosphere, the mesosphere, and finally the thermosphere. The thickness and the boundary of each layer are not identical throughout the globe but vary in different time and places (Fig. 1)

Fig.1: Vertical temperature profile of the atmosphere.

The troposphere is about 12 kilometers thick on average; it is thicker in summer than in winter. The troposphere over low latitude regions is usually thicker than over high latitude regions. The troposphere over the equator is about 18 kilometers thick, while its thickness in the regions nearest the two poles is only about eight to nine kilometers. The temperature in the troposphere usually decreases with height at the average lapse rate of 6.5 °C per kilometer. The air in the troposphere is more unstable and with strong convection. Almost all the water vapor in the atmosphere exists within this layer; therefore, common weather phenomena such as clouds, fog, rain, and snow, occur only in this layer and more often than not in its lower part.

The stratosphere extends from 10 kilometers to 50 - 55 kilometers above ground. Within the lower part which extends from the top of the troposphere to about 30-35 kilometers the temperature is almost constant, or increases slightly with height. Above 35 kilometers the temperature actually increases with height at the average rate of 5 °C per kilometer. Since almost no dust or water vapor from the land surface will reach the stratosphere, the air flow in this layer is steady. The upper part of the stratosphere experiences an increase of temperature due to the fact that the sun's ultraviolet radiation is absorbed by the ozone layer.

The region of the mesosphere is about 50 to 80 kilometers in altitude. The temperature in this layer usually decreases as the height increases up to the top of the mesosphere where the temperature can be as low as - 95 °C or even lower. The composition of gases in the atmosphere from the ground to the top of the mesosphere, are almost identical except for water vapor and ozone. Therefore the region below the mesosphere is also called the homosphere.

The thermosphere is the region above the top of mesosphere where the temperature begins to rise again. When sun activity is low, this layer can extend to 400 kilometers in altitude. During high sun activity periods the layer can reach around 500 kilometers in altitude. The air in the lower region of the thermosphere is extremely thin; therefore the particles in the air can easily be ionized, resulting in profuse free electrons in the air. Therefore this layer is also called the ionosphere; it is very effective in reflecting radio waves.

Suasana The

1 . Profil temperatur vertikal atmosfer

Ada beberapa cara untuk mengelompokkan berbagai lapisan atmosfer . Klasifikasi yang paling umum didasarkan pada distribusi vertikal dan variasi suhu di atmosfer . Dalam klasifikasi ini , dari lapisan terendah sampai lapisan tertinggi adalah masing-masing troposfer

, stratosfer , mesosfer , dan akhirnya termosfer . Ketebalan dan batas dari setiap lapisan tidak identik di seluruh dunia tetapi bervariasi dalam waktu yang berbeda dan tempat-tempat (Gambar 1 )

Profil temperatur vertikal atmosfer

Gambar 1 : profil temperatur vertikal atmosfer .

Troposfer adalah sekitar 12 kilometer tebal rata-rata , lebih tebal di musim panas daripada di musim dingin . Troposfer atas daerah lintang rendah biasanya lebih tebal , lebih dari daerah lintang tinggi . Troposfer atas khatulistiwa adalah sekitar 18 kilometer tebal , sedangkan ketebalannya di daerah terdekat dua kutub hanya sekitar delapan sampai sembilan kilometer . Suhu di troposfer biasanya menurun dengan ketinggian di lapse rate rata-rata 6,5 ° C per kilometer . Udara di troposfer lebih stabil dan dengan konveksi yang kuat . Hampir semua uap air di atmosfer ada dalam lapisan ini , sehingga fenomena cuaca umum seperti awan , kabut , hujan , dan salju , hanya terjadi pada lapisan ini dan lebih sering daripada tidak di bagian bawahnya .

Stratosfer meluas dari 10 kilometer ke 50 - 55 kilometer di atas tanah . Dalam bagian bawah yang memanjang dari bagian atas troposfer sekitar 30-35 kilometer suhu hampir konstan , atau sedikit meningkat dengan ketinggian . Di atas 35 kilometer suhu benar-benar meningkat dengan ketinggian pada tingkat rata-rata 5 ° C per kilometer . Karena hampir tidak ada debu atau uap air dari permukaan tanah akan mencapai stratosfer , aliran udara di lapisan ini adalah stabil . Bagian atas stratosfer mengalami kenaikan suhu karena fakta bahwa radiasi ultraviolet matahari yang diserap oleh lapisan ozon .

Wilayah mesosfer adalah sekitar 50 sampai 80 kilometer di ketinggian . Suhu di lapisan ini biasanya menurun sebagai ketinggian meningkat hingga bagian atas mesosfer di mana suhu bisa serendah - 95 ° C atau bahkan lebih rendah . Komposisi gas di atmosfer dari tanah ke atas mesosfer , hampir identik kecuali untuk uap air dan ozon . Oleh karena itu daerah di bawah mesosfer disebut juga homosphere tersebut .

Termosfer adalah wilayah di atas bagian atas mesosfer di mana suhu mulai meningkat lagi. Ketika aktivitas matahari rendah , lapisan ini dapat memperpanjang sampai 400 kilometer di ketinggian . Selama periode aktivitas matahari tinggi lapisan dapat mencapai sekitar 500 kilometer di ketinggian . Udara di daerah yang lebih rendah dari termosfer sangat tipis , sehingga partikel-partikel di udara dapat dengan mudah terionisasi , sehingga elektron bebas berlimpah di udara . Oleh karena itu lapisan ini juga disebut ionosfer , sangat efektif dalam mencerminkan gelombang radio .

Scale of temperature is a way to measure temperature quantitatively.

Contents

1 Formal description 2 Empirical scales

o 2.1 Ideal gas scale o 2.2 International temperature scale of 1990

3 Celsius scale 4 Thermodynamic scale

o 4.1 Definition o 4.2 Equality to ideal gas scale

5 Conversion table between the different temperature units 6 Notes and references 7 See also

Formal description

According to the zeroth law of thermodynamics, being in thermal equilibrium is an equivalence relation. Thus all thermal systems may be divided into a quotient set by this equivalence relation, denoted below as M. Assume the set M has the cardinality of c, then one can construct an injective function ƒ: M → R , by which every thermal system will have a number associated with it such that when and only when two thermal systems have same such value, they will be in thermal equilibrium. This is clearly the property of temperature, and the specific way of assigning numerical values as temperature is called a scale of temperature.[1][2][3] In practical terms, a temperature scale is always based on usually a single physical property of a simple thermodynamic system, called a thermometer, that defines a scaling function mapping the temperature to the measurable thermometric parameter. Such temperature scales that are purely based on measurement are called empirical temperature scales.

The second law of thermodynamics provides a fundamental, natural definition of thermodynamic temperature starting with a null point of absolute zero. A scale for thermodynamic temperature is established similarly to the empirical temperature scales, however, needing only one additional fixing point.

Empirical scales

Empirical scales are based on the measurement of physical parameters that express the property of interest to be measured through some formal, most commonly a simple linear, functional relationship. For the measurement of temperature, the formal definition of thermal equilibrium in terms of the thermodynamic coordinate spaces of thermodynamic systems, expressed in the zeroth law of thermodynamics, provides the framework to measure temperature.

All temperature scales, including the modern thermodynamic temperature scale used in the International System of Units, are calibrated according to thermal properties of a particular substance or device. Typically, this is established by fixing two well-defined temperature points and defining temperature increments via a linear function of the response of the thermometric device. For example, both the old Celsius scale and Fahrenheit scale were

originally based on the linear expansion of a narrow mercury column within a limited range of temperature,[4] each using different reference points and scale increments.

Different empirical scales may not be compatible with each other, except for small regions of temperature overlap. If an alcohol thermometer and a mercury thermometer have same two fixed points, namely the freezing and boiling point of water, their reading will not agree with each other except at the fixed points, as the linear 1:1 relationship of expansion between any two thermometric substances may not be guaranteed.

Empirical temperature scales are not reflective of the fundamental, microscopic laws of matter. Temperature is a universal attribute of matter, yet empirical scales map a narrow range onto a scale that is known to have a useful functional form for a particular application. Thus, their range is limited. The working material only exists in a form under certain circumstances, beyond which it no longer can serve as a scale. For example, mercury freezes below 234.32 K, so temperature lower than that cannot be measured in a scale based on mercury. Even ITS-90, which interpolates among different ranges of temperature, has only a range of 0.65 K to approximately 1358 K (−272.5 °C to 1085 °C).

Ideal gas scale

When pressure approaches zero, all real gas will behave like ideal gas, that is, pV of a mole of gas relying only on temperature. Therefore we can design a scale with pV as its argument. Of course any bijective function will do, but for convenience's sake linear function is the best. Therefore we define it as [5]

The ideal gas scale is in some sense a "mixed" scale. It relies on the universal properties of gas, a big advance from just a particular substance. But still it is empirical since it puts gas at a special position and thus has limited applicability—at some point no gas can exist. One distinguishing characteristic of ideal gas scale, however, is that it precisely equals thermodynamical scale when it is well defined (see below).

International temperature scale of 1990Main article: ITS-90

ITS-90 is designed to represent the thermodynamic temperature scale (referencing absolute zero) as closely as possible throughout its range. Many different thermometer designs are required to cover the entire range. These include helium vapor pressure thermometers, helium gas thermometers, standard platinum resistance thermometers (known as SPRTs, PRTs or Platinum RTDs) and monochromatic radiation thermometers.

Although the Kelvin and Celsius scales are defined using absolute zero (0 K) and the triple point of water (273.16 K and 0.01 °C), it is impractical to use this definition at temperatures that are very different from the triple point of water. Accordingly, ITS–90 uses numerous defined points, all of which are based on various thermodynamic equilibrium states of fourteen pure chemical elements and one compound (water). Most of the defined points are based on a phase transition; specifically the melting/freezing point of a pure chemical

element. However, the deepest cryogenic points are based exclusively on the vapor pressure/temperature relationship of helium and its isotopes whereas the remainder of its cold points (those less than room temperature) are based on triple points. Examples of other defining points are the triple point of hydrogen (−259.3467 °C) and the freezing point of aluminum (660.323 °C).

Thermometers calibrated per ITS–90 use complex mathematical formulas to interpolate between its defined points. ITS–90 specifies rigorous control over variables to ensure reproducibility from lab to lab. For instance, the small effect that atmospheric pressure has upon the various melting points is compensated for (an effect that typically amounts to no more than half a millikelvin across the different altitudes and barometric pressures likely to be encountered). The standard even compensates for the pressure effect due to how deeply the temperature probe is immersed into the sample. ITS–90 also draws a distinction between “freezing” and “melting” points. The distinction depends on whether heat is going into (melting) or out of (freezing) the sample when the measurement is made. Only gallium is measured while melting, all the other metals are measured while the samples are freezing.

There are often small differences between measurements calibrated per ITS–90 and thermodynamic temperature. For instance, precise measurements show that the boiling point of VSMOW water under one standard atmosphere of pressure is actually 373.1339 K (99.9839 °C) when adhering strictly to the two-point definition of thermodynamic temperature. When calibrated to ITS–90, where one must interpolate between the defining points of gallium and indium, the boiling point of VSMOW water is about 10 mK less, about 99.974 °C. The virtue of ITS–90 is that another lab in another part of the world will measure the very same temperature with ease due to the advantages of a comprehensive international calibration standard featuring many conveniently spaced, reproducible, defining points spanning a wide range of temperatures.

Celsius scaleMain article: Celsius

Celsius (known until 1948 as centigrade) is a temperature scale that is named after the Swedish astronomer Anders Celsius (1701–1744), who developed a similar temperature scale two years before his death. The degree Celsius (°C) can refer to a specific temperature on the Celsius scale as well as a unit to indicate a temperature interval (a difference between two temperatures or an uncertainty).

From 1744 until 1954, 0 °C was defined as the freezing point of water and 100 °C was defined as the boiling point of water, both at a pressure of one standard atmosphere.[citation needed]

Although these defining correlations are commonly taught in schools today, by international agreement the unit "degree Celsius" and the Celsius scale are currently defined by two different points: absolute zero, and the triple point of VSMOW (specially prepared water). This definition also precisely relates the Celsius scale to the Kelvin scale, which defines the SI base unit of thermodynamic temperature (symbol: K). Absolute zero, the hypothetical but unattainable temperature at which matter exhibits zero entropy, is defined as being precisely 0 K and −273.15 °C. The temperature value of the triple point of water is defined as being precisely 273.16 K and 0.01 °C.[6]

This definition fixes the magnitude of both the degree Celsius and the kelvin as precisely 1 part in 273.16 parts, the difference between absolute zero and the triple point of water. Thus,

it sets the magnitude of one degree Celsius and that of one kelvin as exactly the same. Additionally, it establishes the difference between the two scales' null points as being precisely 273.15 degrees Celsius (−273.15 °C = 0 K and 0 °C = 273.15 K).[7]

Thermodynamic scaleSee also: Thermodynamic temperature and Kelvin

Thermodynamic scale differs from empirical scales in that it is absolute. It is based on the fundamental laws of thermodynamics or statistical mechanics instead of some arbitrary chosen working material. Besides it covers full range of temperature and has simple relation with microscopic quantities like the average kinetic energy of particles (see equipartition theorem). In experiments ITS-90 is used to approximate thermodynamic scale due to simpler realization.

Definition

Lord Kelvin devised the thermodynamic scale based on the efficiency of heat engines as shown below:

The efficiency of an engine is the work divided by the heat introduced to the system or

,

where wcy is the work done per cycle. Thus, the efficiency depends only on qC/qH.

Because of Carnot theorem, any reversible heat engine operating between temperatures T1 and T2 must have the same efficiency, meaning, the efficiency is the function of the temperatures only:

In addition, a reversible heat engine operating between temperatures T1 and T3 must have the same efficiency as one consisting of two cycles, one between T1 and another (intermediate) temperature T2, and the second between T2andT3. This can only be the case if

Specializing to the case that is a fixed reference temperature: the temperature of the triple point of water. Then for anyT2and T3,

Therefore, if thermodynamic temperature is defined by

then the function f, viewed as a function of thermodynamic temperature, is

and the reference temperature T1 has the value 273.16. (Of course any reference temperature and any positive numerical value could be used—the choice here corresponds to the Kelvin scale.)

Equality to ideal gas scale

It follows immediately that

Substituting Equation 3 back into Equation 1 gives a relationship for the efficiency in terms of temperature:

This is identical to the efficiency formula for Carnot cycle, which effectively employs the ideal gas scale. So this means the two scales equals numerically at every point.

Conversion table between the different temperature units

Skala suhu adalah cara untuk mengukur suhu secara kuantitatif .

isi

    1 deskripsi Formal

    2 skala empiris

        2.1 skala gas Ideal

        2.2 skala suhu International 1990

    3 skala Celcius

    4 skala termodinamika

        4.1 Definisi

        4.2 Kesetaraan skala gas ideal

    5 Tabel konversi antara unit suhu yang berbeda

    6 Catatan dan referensi

    7 Lihat juga

deskripsi formal

Menurut hukum termodinamika ke nol , berada dalam kesetimbangan termal merupakan relasi ekivalen . Dengan demikian semua sistem termal dapat dibagi menjadi quotient ditetapkan oleh relasi ekivalen ini , dilambangkan di bawah sebagai M. Asumsikan set M memiliki kardinalitas c , maka seseorang dapat membangun fungsi injective ƒ : M → R , dimana setiap sistem thermal akan telah nomor yang terkait dengan itu sedemikian rupa

sehingga ketika dan hanya ketika dua sistem termal memiliki nilai tersebut sama, mereka akan berada dalam kesetimbangan termal . Ini jelas milik suhu , dan cara tertentu untuk menempatkan nilai numerik karena suhu yang disebut skala temperatur . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Dalam istilah praktis , skala temperatur selalu didasarkan pada biasanya properti fisik tunggal dari suatu sistem termodinamika sederhana , disebut termometer , yang mendefinisikan fungsi pemetaan skala suhu untuk parameter thermometric terukur . Sisik seperti suhu yang murni berdasarkan pengukuran disebut skala temperatur empiris .

Hukum kedua termodinamika memberikan dasar , definisi alami suhu termodinamika dimulai dengan titik nol nol mutlak . Skala suhu termodinamika didirikan sama dengan skala temperatur empiris , bagaimanapun , hanya membutuhkan tambahan satu poin memperbaiki .

skala empiris

Skala empiris didasarkan pada pengukuran parameter fisik yang mengekspresikan milik bunga yang akan diukur melalui beberapa formal, paling sering linear sederhana , hubungan fungsional . Untuk pengukuran suhu , definisi formal kesetimbangan termal dalam hal koordinat ruang termodinamika sistem termodinamika , dinyatakan dalam hukum ke nol termodinamika , menyediakan kerangka kerja untuk mengukur suhu .

Semua skala temperatur , termasuk skala suhu modern termodinamika yang digunakan dalam Sistem Satuan Internasional , dikalibrasi sesuai dengan sifat termal zat tertentu atau perangkat . Biasanya , ini didirikan dengan memperbaiki dua poin suhu yang jelas dan menentukan kenaikan suhu melalui fungsi linear dari respon dari perangkat thermometric . Sebagai contoh, baik skala Celsius tua dan skala Fahrenheit awalnya didasarkan pada ekspansi linear dari kolom merkuri sempit dalam kisaran terbatas suhu , [ 4 ] masing-masing menggunakan titik referensi yang berbeda dan bertahap skala .

Sisik empiris yang berbeda mungkin tidak kompatibel satu sama lain , kecuali untuk daerah kecil suhu tumpang tindih . Jika termometer alkohol dan termometer merkuri memiliki dua titik tetap sama , yaitu pembekuan dan titik didih air , bacaan mereka tidak akan setuju satu sama lain kecuali pada titik-titik tetap, sebagai linear hubungan 1:1 ekspansi antara dua thermometric zat tidak dapat dijamin .

Skala temperatur empiris tidak mencerminkan fundamental, hukum mikroskopis materi . Suhu adalah atribut universal materi , namun skala empiris peta kisaran sempit ke skala yang dikenal memiliki bentuk fungsional yang berguna untuk aplikasi tertentu . Dengan demikian , jangkauan mereka terbatas . Bahan bekerja hanya ada dalam bentuk dalam keadaan tertentu ,

di luar yang tidak lagi dapat berfungsi sebagai skala . Misalnya, merkuri membeku di bawah 234,32 K , sehingga suhu yang lebih rendah daripada yang tidak dapat diukur dalam skala berdasarkan merkuri . Bahkan ITS - 90 , yang interpolates antara rentang yang berbeda suhu , hanya memiliki kisaran 0,65 K menjadi sekitar 1358 K ( -272,5 ° C sampai 1085 ° C ) .

Skala gas ideal

Ketika tekanan mendekati nol , semua gas nyata akan berperilaku seperti gas ideal , yaitu , pV dari mol gas hanya bergantung pada suhu . Oleh karena itu kita dapat merancang skala dengan pV sebagai argumen . Tentu saja setiap fungsi bijective akan dilakukan, tetapi untuk fungsi demi kenyamanan linear adalah yang terbaik . Oleh karena itu kita mendefinisikan sebagai [ 5 ]

    T = { 1 \ over nR } \ lim_ { p \ to 0 } { } pV .

Skala gas ideal dalam beberapa arti " campuran " skala . Hal ini bergantung pada sifat universal gas , kemajuan besar dari hanya zat tertentu . Tapi tetap saja empiris karena menempatkan gas pada posisi khusus dan dengan demikian memiliki keterbatasan penerapan - di beberapa titik ada gas bisa eksis . Salah satu ciri yang membedakan skala gas ideal , bagaimanapun, adalah bahwa hal itu justru sama dengan skala Thermodynamical bila didefinisikan dengan baik ( lihat di bawah ) .

Skala suhu International 1990

Artikel utama: ITS - 90

ITS - 90 dirancang untuk mewakili skala temperatur termodinamika ( referensi nol mutlak ) sedekat mungkin di seluruh jangkauan. Banyak desain termometer yang berbeda diperlukan untuk menutupi seluruh rentang . Ini termasuk termometer tekanan uap helium , termometer gas helium , termometer resistensi platinum standar ( dikenal sebagai Sprts , PRTs atau Platinum RTDs ) dan termometer radiasi monokromatik .

Meskipun skala Kelvin dan Celsius didefinisikan menggunakan nol mutlak ( 0 K ) dan titik tripel air ( 273,16 K dan 0,01 ° C ) , tidak praktis untuk menggunakan definisi ini pada suhu yang sangat berbeda dari titik tripel air . Oleh karena itu , ITS - 90 menggunakan berbagai titik didefinisikan , yang semuanya didasarkan pada berbagai keadaan kesetimbangan termodinamika dari empat belas unsur kimia murni dan satu senyawa ( air ) . Sebagian besar titik-titik yang telah ditentukan didasarkan pada fase transisi , khususnya titik leleh / beku

suatu unsur kimia murni . Namun, poin cryogenic terdalam didasarkan hanya pada hubungan tekanan uap / suhu helium dan isotop sedangkan sisa poin yang dingin ( mereka yang kurang dari suhu kamar ) didasarkan pada poin tiga . Contoh lainnya adalah poin mendefinisikan titik tripel hidrogen (-259.3467 ° C ) dan titik beku aluminium ( 660,323 ° C ) .

Termometer dikalibrasi per ITS - 90 menggunakan formula matematika yang kompleks untuk interpolasi antara titik yang telah ditentukan tersebut . ITS - 90 menetapkan kontrol ketat atas variabel untuk memastikan reproduksibilitas dari laboratorium ke laboratorium . Misalnya , efek kecil yang memiliki tekanan atmosfer pada berbagai titik leleh dikompensasi ( efek yang biasanya berjumlah tidak lebih dari setengah milikelvin di ketinggian yang berbeda dan tekanan barometrik yang mungkin ditemui ) . Standar bahkan mengkompensasi efek tekanan karena seberapa dalam probe suhu dicelupkan ke dalam sampel . ITS - 90 juga menggambarkan perbedaan antara " beku " dan " mencair " poin . Perbedaan tergantung pada apakah panas yang menuju ( melting ) atau di luar ( pembekuan ) sampel ketika pengukuran dilakukan . Hanya gallium diukur saat mencair , semua logam lainnya diukur sedangkan sampel beku .

Sering ada perbedaan kecil antara pengukuran dikalibrasi per ITS - 90 dan suhu termodinamika . Sebagai contoh, pengukuran yang tepat menunjukkan bahwa titik didih air VSMOW bawah satu atmosfer standar tekanan sebenarnya 373.1339 K ( 99,9839 ° C ) ketika fanatik terhadap definisi dua titik suhu termodinamika . Ketika dikalibrasi untuk ITS - 90 , di mana seseorang harus interpolasi antara titik mendefinisikan gallium dan indium , titik didih air VSMOW adalah sekitar 10 mK kurang , sekitar 99,974 ° C. Kebajikan ITS - 90 adalah bahwa laboratorium lain di bagian lain dunia akan mengukur suhu yang sama dengan mudah karena keuntungan dari standar kalibrasi internasional yang komprehensif menampilkan banyak nyaman spasi , direproduksi , poin mendefinisikan mencakup berbagai suhu .

skala Celsius

Artikel utama: Celsius

Celsius ( dikenal sampai tahun 1948 sebagai celcius ) adalah skala suhu yang dinamai astronom Swedia Anders Celsius ( 1701-1744 ) , yang mengembangkan skala suhu yang sama dua tahun sebelum kematiannya . Derajat Celsius ( ° C ) dapat merujuk pada suhu tertentu pada skala Celcius serta unit untuk menunjukkan interval suhu ( perbedaan suhu antara dua atau ketidakpastian ) .

Dari 1744 sampai 1954 , 0 ° C didefinisikan sebagai titik beku air dan 100 ° C didefinisikan sebagai titik didih air , baik pada tekanan satu atmosfir standar. [ Rujukan? ] Meskipun

korelasi mendefinisikan biasanya diajarkan dalam sekolah hari ini , oleh kesepakatan internasional unit " derajat Celcius " dan skala Celsius saat ini didefinisikan oleh dua titik yang berbeda : nol mutlak , dan triple point VSMOW ( air khusus disiapkan ) . Definisi ini juga justru berkaitan skala Celcius dengan skala Kelvin , yang mendefinisikan unit dasar SI suhu termodinamika ( simbol : K ) . Nol mutlak , suhu hipotetis tapi tak terjangkau di mana materi pameran nol entropi , didefinisikan sebagai tepat 0 K dan -273,15 ° C. Nilai suhu titik tripel air didefinisikan sebagai tepatnya 273,16 K dan 0,01 ° C. [ 6 ]

Definisi ini perbaikan besarnya kedua derajat Celcius dan Kelvin sebagai tepatnya 1 bagian dalam bagian 273,16 , perbedaan antara nol mutlak dan titik tripel air . Dengan demikian , ia menetapkan besarnya satu derajat Celsius dan satu kelvin sebagai persis sama . Selain itu, menetapkan perbedaan antara titik nol dua skala ' sebagai tepatnya 273,15 derajat Celsius ( -273,15 ° C = 0 K dan 0 ° C = 273,15 K ) . [ 7 ]

skala termodinamika

Lihat juga : suhu termodinamika dan Kelvin

Skala termodinamika berbeda dari skala empiris dalam bahwa itu adalah mutlak . Hal ini didasarkan pada hukum dasar termodinamika atau mekanika statistik , bukan dari beberapa bahan kerja yang dipilih sewenang-wenang . Selain itu mencakup berbagai macam suhu dan memiliki hubungan sederhana dengan jumlah mikroskopis seperti energi kinetik rata-rata partikel (lihat teorema ekuipartisi ) . Dalam percobaan ITS - 90 digunakan untuk perkiraan skala termodinamika karena realisasi sederhana .

definisi

Lord Kelvin merancang skala termodinamika berdasarkan pada efisiensi mesin panas seperti yang ditunjukkan di bawah ini :

Efisiensi mesin adalah pekerjaan dibagi dengan panas diperkenalkan ke sistem atau

    \ eta = \ frac { W_ { } } { cy q_H } = \ frac { q_H - q_C } { } q_H = 1 - \ frac { } { q_C q_H } \ qquad ( 1 ) ,

mana WCY adalah kerja yang dilakukan per siklus . Dengan demikian , efisiensi hanya bergantung pada QC / QH .

Karena Carnot teorema , mesin panas reversibel yang beroperasi antara temperatur T1 dan T2 harus memiliki efisiensi yang sama , yang berarti , efisiensi merupakan fungsi dari hanya suhu :

    \ frac { } { q_C q_H } = f ( T_H , T_C ) \ qquad ( 2 ) .

Selain itu, mesin panas reversibel yang beroperasi antara temperatur T1 dan T3 harus memiliki efisiensi yang sama sebagai salah satu yang terdiri dari dua siklus , satu antara T1 dan lain ( perantara ) suhu T2 , dan yang kedua antara T2andT3 . Ini hanya bisa terjadi jika

    f ( T_1 , T_3 ) = \ frac { } { q_3 Q_1 } = \ frac { q_2 q_3 } { Q_1 q_2 } = f ( T_1 , T_2 ) f ( T_2 , T_3 ) .

Mengkhususkan diri pada kasus yang T_1 adalah suhu acuan tetap : suhu titik tripel air . Kemudian untuk anyT2and T3 ,

    f ( T_2 , T_3 ) = \ frac { f ( T_1 , T_3 ) } { f ( T_1 , T_2 ) } = \ frac { 273,16 \ cdot f ( T_1 , T_3 ) } { 273,16 \ cdot f ( T_1 , T_2 ) } .

Oleh karena itu , jika suhu termodinamika didefinisikan oleh

    T = 273,16 \ cdot f ( T_1 , T ) \ ,

maka fungsi f , dipandang sebagai fungsi temperatur termodinamika , adalah

    f ( T_2 , T_3 ) = \ frac { T_3 } { } T_2 ,

dan T1 temperatur referensi memiliki nilai 273,16 . (Tentu saja setiap suhu referensi dan setiap nilai numerik positif dapat digunakan - pilihan di sini sesuai dengan skala Kelvin . )

Kesetaraan skala gas ideal

Ini mengikuti segera bahwa

    \ frac { } { q_C q_H } = f ( T_H , T_C ) = \ frac { T_C } { } T_H . \ qquad ( 3 ) .

Mengganti Persamaan 3 kembali ke Persamaan 1 memberikan hubungan untuk efisiensi dalam hal suhu :

    \ eta = 1 - \ frac { q_C } { } q_H = 1 - \ frac { } { T_C T_H } \ qquad ( 4 ) .

Hal ini identik dengan rumus efisiensi untuk Carnot siklus , yang secara efektif menggunakan skala gas ideal . Jadi ini berarti dua skala numerik sama di setiap titik .

Tabel konversi antara unit suhu yang berbeda

TemperatureFrom Wikipedia, the free encyclopedia

This article is about the thermodynamic property. For other uses, see Temperature (disambiguation).

A map of global long term monthly average surface air temperatures in Mollweide projection.

A temperature is a numerical measure of hot and cold in a body that is in its own state of internal thermal equilibrium. Its measurement is by detection of heat radiation or particle velocity or kinetic energy, or by the bulk behavior of a thermometric material. It may be calibrated in any of various temperature scales, Celsius, Fahrenheit, Kelvin, etc. The fundamental physical definition of temperature is provided by thermodynamics.

Measurements with a small thermometer, or by detection of heat radiation, can show that the temperature of a body of material can vary from time to time and from place to place within it. If changes happen too fast, or with too small a spacing, within a body, it may be impossible to define its temperature.

Within a body that exchanges no energy or matter with its surroundings, temperature tends to become spatially uniform as time passes. When a path permeable only to heat is open between two bodies, energy always transfers spontaneously as heat from a hotter body to a colder one. The transfer rate depends on the thermal conductivity of the path or boundary between them. Between two bodies with the same temperature, no heat flows. These bodies are said to be in thermal equilibrium.

The kinetic theory offers a valuable but limited account of the behavior of the materials of macroscopic systems. It indicates the absolute temperature as proportional to the average kinetic energy of the random microscopic motions of their constituent microscopic particles such as electrons, atoms, and molecules.

Thermal vibration of a segment of protein alpha helix. The amplitude of the vibrations increases with temperature.

The coldest theoretical temperature is called absolute zero. It can be approached but not reached in any actual physical system. It is denoted by 0 K on the Kelvin scale, −273.15 °C on the Celsius scale, and −459.67 °F on the Fahrenheit scale. In matter at absolute zero, the motions of microscopic constituents are minimal.

Temperature is important in all fields of natural science, including physics, geology, chemistry, atmospheric sciences and biology.

Contents

1 Use in science 2 Temperature scales 3 Thermodynamic approach to temperature

o 3.1 Kinds of temperature scale 3.1.1 Empirically based scales 3.1.2 Theoretically based scales 3.1.3 Absolute thermodynamic scale

o 3.2 Definition of the Kelvin scale o 3.3 Temperature an intensive variable o 3.4 Temperature local when local thermodynamic equilibrium prevails

4 Kinetic theory approach to temperature 5 Basic theory

o 5.1 Temperature for bodies in thermodynamic equilibrium o 5.2 Temperature for bodies in a steady state but not in thermodynamic equilibrium o 5.3 Temperature for bodies not in a steady state o 5.4 Thermodynamic equilibrium axiomatics

6 Heat capacity 7 Temperature measurement

o 7.1 Units 7.1.1 Conversion 7.1.2 Plasma physics

8 Theoretical foundation o 8.1 Kinetic theory of gases o 8.2 Zeroth law of thermodynamics o 8.3 Second law of thermodynamics o 8.4 Definition from statistical mechanics o 8.5 Generalized temperature from single particle statistics o 8.6 Negative temperature

9 Examples of temperature 10 See also 11 Notes and references

o 11.1 Bibliography of cited references 12 Further reading 13 External links

Use in scienceThis section needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. (January 2013)

Annual mean temperature around the world

Many things depend on temperature, such as

physical properties of materials including the phase (solid, liquid, gaseous or plasma), density, solubility, vapor pressure, electrical conductivity

rate and extent to which chemical reactions occur the amount and properties of thermal radiation emitted from the surface of an object speed of sound is a function of the square root of the absolute temperature

Temperature scalesSee also: Scale of temperature

This section needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. (August 2013)

Temperature scales differ in two ways: the point chosen as zero degrees, and the magnitudes of incremental units or degrees on the scale.

The Celsius scale (°C) is used for common temperature measurements in most of the world. It is an empirical scale. It developed by a historical progress, which led to its zero point 0°C being defined by the freezing point of water, with additional degrees defined so that 100°C was the boiling point of water, both at sea-level atmospheric pressure. Because of the 100 degree interval, it is called a centigrade scale.[1] Since the standardization of the kelvin in the International System of Units, it has subsequently been redefined in terms of the equivalent fixing points on the Kelvin scale, and so that a temperature increment of one degree celsius is the same as an increment of one kelvin, though they differ by an additive offset of 273.15.

The United States commonly uses the Fahrenheit scale, on which water freezes at 32 °F and boils at 212 °F at sea-level atmospheric pressure.

Many scientific measurements use the kelvin temperature scale (unit symbol  K), named in honor of the Scottish physicist who first defined it. It is a thermodynamic or absolute temperature scale. Its zero point, 0K, is defined to coincide with coldest physically-possible temperature (called absolute zero). Its degrees are defined through thermodynamics. The temperature of absolute zero occurs at 0K = -273.15°C (or −459.67 °F), and the freezing point of water at sea-level atmospheric pressure occurs at 273.15K =0°C.

The International System of Units (SI) defines a scale and unit for the kelvin or thermodynamic temperature by using the reliably reproducible temperature of the triple point of water as a second reference point (the first reference point being 0 K at absolute zero). The triple point is a singular state with its own unique and invariant temperature and pressure, along with, for a fixed mass of water in a vessel of fixed volume, an autonomically and stably self-determining partition into three mutually contacting phases, vapour, liquid, and solid, dynamically depending only on the total internal energy of the mass of water. For historical reasons, the triple point temperature of water is fixed at 273.16 units of the measurement increment.

Thermodynamic approach to temperature

Temperature is one of the principal quantities in the study of thermodynamics.

Kinds of temperature scale

There is a variety of kinds of temperature scale. It may be convenient to classify them as empirically and theoretically based. Empirical temperature scales are historically older, while theoretically based scales arose in the middle of the nineteenth century.[2][3]

Empirically based scales

Empirically based temperature scales rely directly on measurements of simple physical properties of materials. For example, the length of a column of mercury, confined in in a glass-walled capillary tube, is dependent largely on temperature, and is the basis of the very useful mercury-in-glass thermometer. Such scales are valid only within convenient ranges of temperature. For example, above the boiling point of mercury, a mercury-in-glass thermometer is impracticable. Most materials expand with temperature increase, but some materials, such as water, contract with temperature increase over some specific range, and then they are hardly useful as thermometric materials. A material is of no use as a thermometer near one of its phase-change temperatures, for example its boiling-point.

In spite of these restrictions, most generally used practical thermometers are of the empirically based kind. Especially, it was used for calorimetry, which contributed greatly to the discovery of thermodynamics. Nevertheless, empirical thermometry has serious drawbacks when judged as a basis for theoretical physics. Empirically based thermometers, beyond their base as simple direct measurements of ordinary physical properties of thermometric materials, can be re-calibrated, by use of theoretical physical reasoning, and this can extend their range of adequacy.

Theoretically based scales

Theoretically based temperature scales are based directly on theoretical arguments, especially those of thermodynamics, of kinetic theory, and of quantum mechanics. They rely on theoretical properties of idealized devices and materials. They are more or less comparable with practically feasible physical devices and materials. Theoretically based temperature scales are used to provide calibrating standards for practical empirically based thermometers.

The accepted fundamental thermodynamic temperature scale is the Kelvin scale, based on an ideal cyclic process envisaged for a Carnot heat engine.

An ideal material on which a temperature scale can be based is the ideal gas. The pressure exerted by a fixed volume and mass of an ideal gas is directly proportional to its temperature. Some natural gases show so nearly ideal properties over suitable temperature ranges that they can be used for thermometry; this was important during the development of thermodynamics, and is still of practical importance today.[4][5]

Measurement of the spectrum of electromagnetic radiation from an ideal three-dimensional black body can provide an accurate temperature measurement because the frequency of maximum spectral radiance of black-body radiation is directly proportional to the temperature of the black body; this is known as Wien's displacement law, and has a theoretical explanation in Planck's law and the Bose–Einstein law.

Measurement of the spectrum of noise-power produced by an electrical resistor can also provide an accurate temperature measurement. The resistor has two terminals and is in effect a one-dimensional body. The Bose-Einstein law for this case indicates that the noise-power is directly proportional to the temperature of the resistor and to the value of its resistance and to the noise band-width. In a given frequency band, the noise-power has equal contributions from every frequency, and is called Johnson noise. If the value of the resistance is known then the temperature can be found.[6][7]

If molecules, or atoms, or electrons, are emitted from a material and their velocities are measured, the spectrum of their velocities often nearly obeys a theoretical law called the Maxwell–Boltzmann distribution, which gives a well-founded measurement of temperatures for which the law holds.[8] There have not yet been successful experiments of this same kind that directly use the Fermi–Dirac distribution for thermometry, but perhaps that will be achieved in future.[9]

Absolute thermodynamic scale

The Kelvin scale is called absolute for two reasons. One is Kelvin's, that its formal character is independent of the properties of particular materials. The other reason is that its zero is in a sense absolute, in that it indicates absence of microscopic classical motion of the constituent particles of matter, so that they have a limiting specific heat of zero for zero temperature, according to the third law of thermodynamics. Nevertheless, a Kelvin temperature has a definite numerical value, that has been arbitrarily chosen by tradition. This numerical value also depends on the properties of water, which has a gas–liquid–solid triple point that can be reliably reproduced as a standard experimental phenomenon. The choice of this triple point is also arbitrary and by convention. The Kelvin scale is also called the thermodynamic scale.

Definition of the Kelvin scale

The thermodynamic definition of temperature is due to Kelvin.

It is framed in terms of an idealized device called a Carnot engine, imagined to define a continuous cycle of states of its working body. The cycle is imagined to run so slowly that at each point of the cycle the working body is in a state of thermodynamic equilibrium. There are four limbs in such a Carnot cycle. The engine consists of four bodies. The main one is called the working body. Two of them are called heat reservoirs, so large that their respective non-deformation variables are not changed by transfer of energy as heat through a wall permeable only to heat to the working body. The fourth body is able to exchange energy with the working body only through adiabatic work; it may be called the work reservoir. The substances and states of the two heat reservoirs should be chosen so that they are not in thermal equilibrium with one another. This means that they must be at different fixed temperatures, one, labeled here with the number 1, hotter than the other, labeled here with the number 2. This can be tested by connecting the heat reservoirs successively to an auxiliary empirical thermometric body that starts each time at a convenient fixed intermediate temperature. The thermometric body should be composed of a material that has a strictly monotonic relation between its chosen empirical thermometric variable and the amount of adiabatic isochoric work done on it. In order to settle the structure and sense of operation of the Carnot cycle, it is convenient to use such a material also for the working body; because most materials are of this kind, this is hardly a restriction of the generality of this definition. The Carnot cycle is considered to start from an initial condition of the working body that was reached by the completion of a reversible adiabatic compression. From there, the working body is initially connected by a wall permeable only to heat to the heat reservoir number 1, so that during the first limb of the cycle it expands and does work on the work reservoir. The second limb of the cycle sees the working body expand adiabatically and reversibly, with no energy exchanged as heat, but more energy being transferred as work to the work reservoir. The third limb of the cycle sees the working body connected, through a wall permeable only to heat, to the heat reservoir 2, contracting and accepting energy as work from the work reservoir. The cycle is closed by reversible adiabatic compression of the working body, with no energy transferred as heat, but energy being transferred to it as work from the work reservoir.

With this set-up, the four limbs of the reversible Carnot cycle are characterized by amounts of energy transferred, as work from the working body to the work reservoir, and as heat from the heat reservoirs to the working body. The amounts of energy transferred as heat from the heat reservoirs are measured through the changes in the non-deformation variable of the working body, with reference to the previously known properties of that body, the amounts of work done on the work reservoir, and the first law of thermodynamics. The amounts of energy transferred as heat respectively from reservoir 1 and from reservoir 2 may then be denoted respectively Q1 and Q2. Then the absolute or thermodynamic temperatures, T1 and T2, of the reservoirs are defined so that to be such that

Kelvin's original work postulating absolute temperature was published in 1848. It was based on the work of Carnot, before the formulation of the first law of thermodynamics. Kelvin wrote in his 1848 paper that his scale was absolute in the sense that it was defined

"independently of the properties of any particular kind of matter." His definitive publication, which sets out the definition just stated, was printed in 1853, a paper read in 1851.[10][11][12]

This definition rests on the physical assumption that there are readily available walls permeable only to heat. In his detailed definition of a wall permeable only to heat, Carathéodory includes several ideas. The non-deformation state variable of a closed system is represented as a real number. A state of thermal equilibrium between two closed systems connected by a wall permeable only to heat means that a certain mathematical relation holds between the state variables, including the respective non-deformation variables, of those two systems (that particular mathematical relation is regarded by Buchdahl as a preferred statement of the zeroth law of thermodynamics).[13] Also, referring to thermal contact equilibrium, "whenever each of the systems S1 and S2 is made to reach equilibrium with a third system S3 under identical conditions, the systems S1 and S2 are in mutual equilibrium."[14]

It may viewed as a re-statement of the principle stated by Maxwell in the words: "All heat is of the same kind."[15] This physical idea is also expressed by Bailyn as a possible version of the zeroth law of thermodynamics: "All diathermal walls are equivalent."[16] Thus the present definition of thermodynamic temperature rests on the zeroth law of thermodynamics. Explicitly, this present definition of thermodynamic temperature also rests on the first law of thermodynamics, for the determination of amounts of energy transferred as heat.

Implicitly for this definition, the second law of thermodynamics provides information that establishes the virtuous character of the temperature so defined. It provides that any working substance that complies with the requirement stated in this definition will lead to the same ratio of thermodynamic temperatures, which in this sense is universal, or absolute. The second law of thermodynamics also provides that the thermodynamic temperature defined in this way is positive, because this definition requires that the heat reservoirs not be in thermal equilibrium with one another, and the cycle can be imagined to operate only in one sense if net work is to be supplied to the work reservoir.

Numerical details are settled by making one of the heat reservoirs a cell at the triple point of water, which is defined to have an absolute temperature of 273.16 K.[17] The zeroth law of thermodynamics allows this definition to be used to measure the absolute or thermodynamic temperature of an arbitrary body of interest, by making the other heat reservoir have the same temperature as the body of interest.

Temperature an intensive variable

In thermodynamic terms, temperature is an intensive variable because it is equal to a differential coefficient of one extensive variable with respect to another, for a given body. It thus has the dimensions of a ratio of two extensive variables. In thermodynamics, two bodies are often considered as connected by contact with a common wall, which has some specific permeability properties. Such specific permeability can be referred to a specific intensive variable. An example is a diathermic wall that is permeable only to heat; the intensive variable for this case is temperature. When the two bodies have been in contact for a very long time, and have settled to a permanent steady state, the relevant intensive variables are equal in the two bodies; for a diathermal wall, this statement is sometimes called the zeroth law of thermodynamics.[18][19][20]

In particular, when the body is described by stating its internal energy U, an extensive variable, as a function of its entropy S, also an extensive variable, and other state variables V,

N, with U = U (S, V, N), then the temperature is equal to the partial derivative of the internal energy with respect to the entropy:

[19][20][21]

Likewise, when the body is described by stating its entropy S as a function of its internal energy U, and other state variables V, N, with S = S (U, V, N), then the reciprocal of the temperature is equal to the partial derivative of the entropy with respect to the internal energy:

[19][21][22]

The above definition, equation (1), of the absolute temperature is due to Kelvin. It refers to systems closed to transfer of matter, and has special emphasis on directly experimental procedures. A presentation of thermodynamics by Gibbs starts at a more abstract level and deals with systems open to the transfer of matter; in this development of thermodynamics, the equations (2) and (3) above are actually alternative definitions of temperature.[23]

Temperature local when local thermodynamic equilibrium prevails

Real world bodies are often not in thermodynamic equilibrium and not homogeneous. For study by methods of classical irreversible thermodynamics, a body is usually spatially and temporally divided conceptually into 'cells' of small size. If classical thermodynamic equilibrium conditions for matter are fulfilled to good approximation in such a 'cell', then it is homogeneous and a temperature exists for it. If this is so for every 'cell' of the body, then local thermodynamic equilibrium is said to prevail throughout the body.[24][25][26][27][28]

It makes good sense, for example, to say of the extensive variable U, or of the extensive variable S, that it has a density per unit volume, or a quantity per unit mass of the system, but it makes no sense to speak of density of temperature per unit volume or quantity of temperature per unit mass of the system. On the other hand, it makes no sense to speak of the internal energy at a point, while when local thermodynamic equilibrium prevails, it makes good sense to speak of the temperature at a point. Consequently, temperature can vary from point to point in a medium that is not in global thermodynamic equilibrium, but in which there is local thermodynamic equilibrium.

Thus, when local thermodynamic equilibrium prevails in a body, temperature can be regarded as a spatially varying local property in that body, and this is because temperature is an intensive variable.

Kinetic theory approach to temperature

A more thorough account of this is below at Theoretical foundation.

Kinetic theory provides a microscopic explanation of temperature, based on macroscopic systems' being composed of many microscopic particles, such as molecules and ions of various species, the particles of a species being all alike. It explains macroscopic phenomena through the classical mechanics of the microscopic particles. The equipartition theorem of kinetic theory asserts that each classical degree of freedom of a freely moving particle has an average kinetic energy of kBT/2 where kB denotes Boltzmann's constant. The translational motion of the particle has three degrees of freedom, so that, except at very low temperatures where quantum effects predominate, the average translational kinetic energy of a freely moving particle in a system with temperature T will be 3kBT/2.

It is possible to measure the average kinetic energy of constituent microscopic particles if they are allowed to escape from the bulk of the system. The spectrum of velocities has to be measured, and the average calculated from that. It is not necessarily the case that the particles that escape and are measured have the same velocity distribution as the particles that remain in the bulk of the system, but sometimes a good sample is possible.

Molecules, such as oxygen (O2), have more degrees of freedom than single spherical atoms: they undergo rotational and vibrational motions as well as translations. Heating results in an increase in temperature due to an increase in the average translational kinetic energy of the molecules. Heating will also cause, through equipartitioning, the energy associated with vibrational and rotational modes to increase. Thus a diatomic gas will require more energy input to increase its temperature by a certain amount, i.e. it will have a greater heat capacity than a monatomic gas.

The process of cooling involves removing internal energy from a system. When no more energy can be removed, the system is at absolute zero, though this cannot be achieved experimentally. Absolute zero is the null point of the thermodynamic temperature scale, also called absolute temperature. If it were possible to cool a system to absolute zero, all classical motion of its particles would cease and they would be at complete rest in this classical sense. Microscopically in the description of quantum mechanics, however, matter still has zero-point energy even at absolute zero, because of the uncertainty principle.

Basic theory

Temperature is a measure of a quality of a state of a material [29] The quality may be regarded as a more abstract entity than any particular temperature scale that measures it, and is called hotness by some writers. The quality of hotness refers to the state of material only in a particular locality, and in general, apart from bodies held in a steady state of thermodynamic equilibrium, hotness varies from place to place. It is not necessarily the case that a material in a particular place is in a state that is steady and nearly homogeneous enough to allow it to have a well-defined hotness or temperature. Hotness may be represented abstractly as a one-dimensional manifold. Every valid temperature scale has its own one-to-one map into the hotness manifold.[30][31]

When two systems in thermal contact are at the same temperature no heat transfers between them. When a temperature difference does exist heat flows spontaneously from the warmer system to the colder system until they are in thermal equilibrium. Heat transfer occurs by conduction or by thermal radiation.[32][33][34][35][36][37][38][39]

Experimental physicists, for example Galileo and Newton,[40] found that there are indefinitely many empirical temperature scales. Nevertheless, the zeroth law of thermodynamics says that they all measure the same quality.

Temperature for bodies in thermodynamic equilibrium

For experimental physics, hotness means that, when comparing any two given bodies in their respective separate thermodynamic equilibria, any two suitably given empirical thermometers with numerical scale readings will agree as to which is the hotter of the two given bodies, or that they have the same temperature.[41] This does not require the two thermometers to have a linear relation between their numerical scale readings, but it does require that the relation between their numerical readings shall be strictly monotonic.[42][43] A definite sense of greater hotness can be had, independently of calorimetry, of thermodynamics, and of properties of particular materials, from Wien's displacement law of thermal radiation: the temperature of a bath of thermal radiation is proportional, by a universal constant, to the frequency of the maximum of its frequency spectrum; this frequency is always positive, but can have values that tend to zero. Thermal radiation is initially defined for a cavity in thermodynamic equilibrium. These physical facts justify a mathematical statement that hotness exists on an ordered one-dimensional manifold. This is a fundamental character of temperature and thermometers for bodies in their own thermodynamic equilibrium.[2][30][31][44][45]

Except for a system undergoing a first-order phase change such as the melting of ice, as a closed system receives heat, without change in its volume and without change in external force fields acting on it, its temperature rises. For a system undergoing such a phase change so slowly that departure from thermodynamic equilibrium can be neglected, its temperature remains constant as the system is supplied with latent heat. Conversely, a loss of heat from a closed system, without phase change, without change of volume, and without change in external force fields acting on it, decreases its temperature.[46]

Temperature for bodies in a steady state but not in thermodynamic equilibrium

While for bodies in their own thermodynamic equilibrium states, the notion of temperature requires that all empirical thermometers must agree as to which of two bodies is the hotter or that they are at the same temperature, this requirement is not safe for bodies that are in steady states though not in thermodynamic equilibrium. It can then well be that different empirical thermometers disagree about which is the hotter, and if this is so, then at least one of the bodies does not have a well defined absolute thermodynamic temperature. Nevertheless, any one given body and any one suitable empirical thermometer can still support notions of empirical, non-absolute, hotness and temperature, for a suitable range of processes. This is a matter for study in non-equilibrium thermodynamics.

Temperature for bodies not in a steady state

When a body is not in a steady state, then the notion of temperature becomes even less safe than for a body in a steady state not in thermodynamic equilibrium. This is also a matter for study in non-equilibrium thermodynamics.

Thermodynamic equilibrium axiomatics

For axiomatic treatment of thermodynamic equilibrium, since the 1930s, it has become customary to refer to a zeroth law of thermodynamics. The customarily stated minimalist version of such a law postulates only that all bodies, which when thermally connected would be in thermal equilibrium, should be said to have the same temperature by definition, but by itself does not establish temperature as a quantity expressed as a real number on a scale. A more physically informative version of such a law views empirical temperature as a chart on a hotness manifold.[30][45][47] While the zeroth law permits the definitions of many different empirical scales of temperature, the second law of thermodynamics selects the definition of a single preferred, absolute temperature, unique up to an arbitrary scale factor, whence called the thermodynamic temperature.[2][30][48][49][50][51] If internal energy is considered as a function of the volume and entropy of a homogeneous system in thermodynamic equilibrium, thermodynamic absolute temperature appears as the partial derivative of internal energy with respect the entropy at constant volume. Its natural, intrinsic origin or null point is absolute zero at which the entropy of any system is at a minimum. Although this is the lowest absolute temperature described by the model, the third law of thermodynamics postulates that absolute zero cannot be attained by any physical system.

Heat capacitySee also: Heat capacity and Calorimetry

When a sample is heated, meaning it receives thermal energy from an external source, some of the introduced heat is converted into kinetic energy, the rest to other forms of internal energy, specific to the material. The amount converted into kinetic energy causes the temperature of the material to rise. The introduced heat ( ) divided by the observed temperature change is the heat capacity (C) of the material.

If heat capacity is measured for a well defined amount of substance, the specific heat is the measure of the heat required to increase the temperature of such a unit quantity by one unit of temperature. For example, to raise the temperature of water by one kelvin (equal to one degree Celsius) requires 4186 joules per kilogram (J/kg)..

Temperature measurement

A typical Celsius thermometer measures a winter day temperature of -17°C.

See also: Timeline of temperature and pressure measurement technology, International Temperature Scale of 1990, and Comparison of temperature scales

Temperature measurement using modern scientific thermometers and temperature scales goes back at least as far as the early 18th century, when Gabriel Fahrenheit adapted a thermometer (switching to mercury) and a scale both developed by Ole Christensen Rømer. Fahrenheit's scale is still in use in the United States for non-scientific applications.

Temperature is measured with thermometers that may be calibrated to a variety of temperature scales. In most of the world (except for Belize, Myanmar, Liberia and the United States), the Celsius scale is used for most temperature measuring purposes. Most scientists measure temperature using the Celsius scale and thermodynamic temperature using the Kelvin scale, which is the Celsius scale offset so that its null point is 0K = −273.15°C, or absolute zero. Many engineering fields in the U.S., notably high-tech and US federal specifications (civil and military), also use the Kelvin and Celsius scales. Other engineering fields in the U.S. also rely upon the Rankine scale (a shifted Fahrenheit scale) when working in thermodynamic-related disciplines such as combustion.

Units

The basic unit of temperature in the International System of Units (SI) is the kelvin. It has the symbol K.

For everyday applications, it is often convenient to use the Celsius scale, in which 0°C corresponds very closely to the freezing point of water and 100°C is its boiling point at sea level. Because liquid droplets commonly exist in clouds at sub-zero temperatures, 0°C is better defined as the melting point of ice. In this scale a temperature difference of 1 degree Celsius is the same as a 1kelvin increment, but the scale is offset by the temperature at which ice melts (273.15 K).

By international agreement[52] the Kelvin and Celsius scales are defined by two fixing points: absolute zero and the triple point of Vienna Standard Mean Ocean Water, which is water specially prepared with a specified blend of hydrogen and oxygen isotopes. Absolute zero is defined as precisely 0K and −273.15°C. It is the temperature at which all classical translational motion of the particles comprising matter ceases and they are at complete rest in the classical model. Quantum-mechanically, however, zero-point motion remains and has an associated energy, the zero-point energy. Matter is in its ground state,[53] and contains no thermal energy. The triple point of water is defined as 273.16K and 0.01°C. This definition serves the following purposes: it fixes the magnitude of the kelvin as being precisely 1 part in 273.16 parts of the difference between absolute zero and the triple point of water; it establishes that one kelvin has precisely the same magnitude as one degree on the Celsius scale; and it establishes the difference between the null points of these scales as being 273.15K (0K = −273.15°C and 273.16K = 0.01°C).

In the United States, the Fahrenheit scale is widely used. On this scale the freezing point of water corresponds to 32 °F and the boiling point to 212 °F. The Rankine scale, still used in fields of chemical engineering in the U.S., is an absolute scale based on the Fahrenheit increment.

Conversion

The following table shows the temperature conversion formulas for conversions to and from the Celsius scale.

from Celsius to Celsius

Fahrenheit [°F] = [°C] × 9⁄5 + 32 [°C] = ([°F] − 32) × 5⁄9

Kelvin [K] = [°C] + 273.15 [°C] = [K] − 273.15

Rankine [°R] = ([°C] + 273.15) × 9⁄5 [°C] = ([°R] − 491.67) × 5⁄9

Delisle [°De] = (100 − [°C]) × 3⁄2 [°C] = 100 − [°De] × 2⁄3

Newton [°N] = [°C] × 33⁄100 [°C] = [°N] × 100⁄33

Réaumur [°Ré] = [°C] × 4⁄5 [°C] = [°Ré] × 5⁄4

Rømer [°Rø] = [°C] × 21⁄40 + 7.5 [°C] = ([°Rø] − 7.5) × 40⁄21

Plasma physics

The field of plasma physics deals with phenomena of electromagnetic nature that involve very high temperatures. It is customary to express temperature in electronvolts (eV) or kiloelectronvolts (keV), where 1 eV = 11605K. In the study of QCD matter one routinely encounters temperatures of the order of a few hundred MeV, equivalent to about 1012K.

Theoretical foundationSee also: Thermodynamic temperature

Historically, there are several scientific approaches to the explanation of temperature: the classical thermodynamic description based on macroscopic empirical variables that can be measured in a laboratory; the kinetic theory of gases which relates the macroscopic description to the probability distribution of the energy of motion of gas particles; and a microscopic explanation based on statistical physics and quantum mechanics. In addition, rigorous and purely mathematical treatments have provided an axiomatic approach to classical thermodynamics and temperature.[54] Statistical physics provides a deeper understanding by describing the atomic behavior of matter, and derives macroscopic properties from statistical averages of microscopic states, including both classical and quantum states. In the fundamental physical description, using natural units, temperature may be measured directly in units of energy. However, in the practical systems of measurement for science, technology, and commerce, such as the modern metric system of units, the macroscopic and the microscopic descriptions are interrelated by the Boltzmann constant, a proportionality factor that scales temperature to the microscopic mean kinetic energy.

The microscopic description in statistical mechanics is based on a model that analyzes a system into its fundamental particles of matter or into a set of classical or quantum-mechanical oscillators and considers the system as a statistical ensemble of microstates. As a collection of classical material particles, temperature is a measure of the mean energy of motion, called kinetic energy, of the particles, whether in solids, liquids, gases, or plasmas. The kinetic energy, a concept of classical mechanics, is half the mass of a particle times its speed squared. In this mechanical interpretation of thermal motion, the kinetic energies of material particles may reside in the velocity of the particles of their translational or vibrational motion or in the inertia of their rotational modes. In monatomic perfect gases and, approximately, in most gases, temperature is a measure of the mean particle kinetic energy. It also determines the probability distribution function of the energy. In condensed matter, and particularly in solids, this purely mechanical description is often less useful and the oscillator model provides a better description to account for quantum mechanical phenomena. Temperature determines the statistical occupation of the microstates of the ensemble. The microscopic definition of temperature is only meaningful in the thermodynamic limit, meaning for large ensembles of states or particles, to fulfill the requirements of the statistical model.

In the context of thermodynamics, the kinetic energy is also referred to as thermal energy. The thermal energy may be partitioned into independent components attributed to the degrees of freedom of the particles or to the modes of oscillators in a thermodynamic system. In general, the number of these degrees of freedom that are available for the equipartitioning of

energy depend on the temperature, i.e. the energy region of the interactions under consideration. For solids, the thermal energy is associated primarily with the vibrations of its atoms or molecules about their equilibrium position. In an ideal monatomic gas, the kinetic energy is found exclusively in the purely translational motions of the particles. In other systems, vibrational and rotational motions also contribute degrees of freedom.

Kinetic theory of gases

A theoretical understanding of temperature in an ideal gas can be obtained from the Kinetic theory.

Maxwell and Boltzmann developed a kinetic theory that yields a fundamental understanding of temperature in gases.[55] This theory also explains the ideal gas law and the observed heat capacity of monatomic (or 'noble') gases.[56][57][58]

Plots of pressure vs temperature for three different gas samples extrapolate to absolute zero.

The ideal gas law is based on observed empirical relationships between pressure (p), volume (V), and temperature (T), and was recognized long before the kinetic theory of gases was developed (see Boyle's and Charles's laws). The ideal gas law states:[59]

where n is the number of moles of gas and R = 8.314472(15) J mol−1K−1 is the gas constant.

This relationship gives us our first hint that there is an absolute zero on the temperature scale, because it only holds if the temperature is measured on an absolute scale such as Kelvins. The ideal gas law allows one to measure temperature on this absolute scale using the gas thermometer. The temperature in kelvins can be defined as the pressure in pascals of one mole of gas in a container of one cubic meter, divided by the gas constant.

Although it is not a particularly convenient device, the gas thermometer provides an essential theoretical basis by which all thermometers can be calibrated. As a practical matter it is not possible to use a gas thermometer to measure absolute zero temperature since the gases tend to condense into a liquid long before the temperature reaches zero. It is possible, however, to extrapolate to absolute zero by using the ideal gas law, as shown in the figure.

The kinetic theory assumes that pressure is caused by the force associated with individual atoms striking the walls, and that all energy is translational kinetic energy. Using a sophisticated symmetry argument,[60] Boltzmann deduced what is now called the Maxwell–Boltzmann probability distribution function for the velocity of particles in an ideal gas. From that probability distribution function, the average kinetic energy, Ek (per particle), of a monatomic ideal gas is:[57][61]

where the Boltzmann constant, k, is the Avogadro number divided by the ideal gas constant, and vrms is the root-mean-square speed. Thus the ideal gas law states that internal energy is directly proportional to temperature.[62] This direct proportionality between temperature and internal energy is a special case of the equipartition theorem, and holds only in the classical limit of an ideal gas. It does not hold for most substances, although it is true that temperature is a monotonic(non-decreasing) function of internal energy.

Zeroth law of thermodynamicsMain article: Zeroth law of thermodynamics

Energy can be transferred between two bodies by a wide variety of processes that include conduction, convection, radiation, phase changes, and Joule (ohmic) heating. (See heat transfer.) While all these processes can be called heat, for our purposes it is best to view heat as the transfer of energy via between conduction two bodies in thermal contact. Energy transfer due to compression/decompression is not heat, but is instead called work.

The exchange of energy will, in turn, cause other state variables to change. For example, if one of the two bodies is a thermometer, an important state variable that changes is the volume. Left isolated from other bodies, the two connected bodies eventually reach a state of thermal equilibrium in which no further changes occur.

One statement of the zeroth law of thermodynamics is that if two systems are each in thermal equilibrium with a third system, then they are also in thermal equilibrium with each other. This statement is taken to justify a statement that all three systems have the same temperature, but, by itself, it does not justify the idea of temperature as a numerical scale for a concept of hotness which exists on a one-dimensional manifold with a sense of greater hotness. Sometimes the zeroth law is stated to provide the latter justification.[47] For suitable

systems, an empirical temperature scale may be defined by the variation of one of the other state variables, such as pressure, when all other coordinates are fixed. The second law of thermodynamics is used to define an absolute thermodynamic temperature scale for systems in thermal equilibrium.

Second law of thermodynamicsMain article: Second law of thermodynamics

In the previous section certain properties of temperature were expressed by the zeroth law of thermodynamics. It is also possible to define temperature in terms of the second law of thermodynamics which deals with entropy. Entropy is often thought of as a measure of the disorder in a system. The second law states that any process will result in either no change or a net increase in the entropy of the universe. This can be understood in terms of probability.

For example, in a series of coin tosses, a perfectly ordered system would be one in which either every toss comes up heads or every toss comes up tails. This means that for a perfectly ordered set of coin tosses, there is only one set of toss outcomes possible: the set in which 100% of tosses come up the same. On the other hand, there are multiple combinations that can result in disordered or mixed systems, where some fraction are heads and the rest tails. A disordered system can be 90% heads and 10% tails, or it could be 98% heads and 2% tails, et cetera. As the number of coin tosses increases, the number of possible combinations corresponding to imperfectly ordered systems increases. For a very large number of coin tosses, the combinations to ~50% heads and ~50% tails dominates and obtaining an outcome significantly different from 50/50 becomes extremely unlikely. Thus the system naturally progresses to a state of maximum disorder or entropy.

It has been previously stated that temperature governs the transfer of heat between two systems and it was just shown that the universe tends to progress so as to maximize entropy, which is expected of any natural system. Thus, it is expected that there is some relationship between temperature and entropy. To find this relationship, the relationship between heat, work and temperature is first considered. A heat engine is a device for converting thermal energy into mechanical energy, resulting in the performance of work, and analysis of the Carnot heat engine provides the necessary relationships. The work from a heat engine corresponds to the difference between the heat put into the system at the high temperature, qH and the heat ejected at the low temperature, qC. The efficiency is the work divided by the heat put into the system or:

where wcy is the work done per cycle. The efficiency depends only on qC/qH. Because qC and qH correspond to heat transfer at the temperatures TC and TH, respectively, qC/qH should be some function of these temperatures:

Carnot's theorem states that all reversible engines operating between the same heat reservoirs are equally efficient. Thus, a heat engine operating between T1 and T3 must have the same

efficiency as one consisting of two cycles, one between T1 and T2, and the second between T2 and T3. This can only be the case if:

which implies:

Since the first function is independent of T2, this temperature must cancel on the right side, meaning f(T1,T3) is of the form g(T1)/g(T3) (i.e. f(T1,T3) = f(T1,T2)f(T2,T3) = g(T1)/g(T2)· g(T2)/g(T3) = g(T1)/g(T3)), where g is a function of a single temperature. A temperature scale can now be chosen with the property that:

Substituting Equation 4 back into Equation 2 gives a relationship for the efficiency in terms of temperature:

Notice that for TC = 0 K the efficiency is 100% and that efficiency becomes greater than 100% below 0 K. Since an efficiency greater than 100% violates the first law of thermodynamics, this implies that 0 K is the minimum possible temperature. In fact the lowest temperature ever obtained in a macroscopic system was 20 nK, which was achieved in 1995 at NIST. Subtracting the right hand side of Equation 5 from the middle portion and rearranging gives:

where the negative sign indicates heat ejected from the system. This relationship suggests the existence of a state function, S, defined by:

where the subscript indicates a reversible process. The change of this state function around any cycle is zero, as is necessary for any state function. This function corresponds to the entropy of the system, which was described previously. Rearranging Equation 6 gives a new definition for temperature in terms of entropy and heat:

For a system, where entropy S(E) is a function of its energy E, the temperature T is given by:

,

i.e. the reciprocal of the temperature is the rate of increase of entropy with respect to energy.

Definition from statistical mechanics

Statistical mechanics defines temperature based on a system's fundamental degrees of freedom. Eq.(10) is the defining relation of temperature. Eq. (9) can be derived from the principles underlying the fundamental thermodynamic relation.

Generalized temperature from single particle statistics

It is possible to extend the definition of temperature even to systems of few particles, like in a quantum dot. The generalized temperature is obtained by considering time ensembles instead of configuration space ensembles given in statistical mechanics in the case of thermal and particle exchange between a small system of fermions (N even less than 10) with a single/double occupancy system. The finite quantum grand canonical ensemble,[63] obtained under the hypothesis of ergodicity and orthodicity, allows to express the generalized temperature from the ratio of the average time of occupation 1 and 2 of the single/double occupancy system:[64]

where EF is the Fermi energy which tends to the ordinary temperature when N goes to infinity.

Negative temperatureMain article: Negative temperature

On the empirical temperature scales, which are not referenced to absolute zero, a negative temperature is one below the zero-point of the scale used. For example, dry ice has a sublimation temperature of −78.5°C which is equivalent to −109.3°F. On the absolute Kelvin scale, however, this temperature is 194.6 K. On the absolute scale of thermodynamic temperature no material can exhibit a temperature smaller than or equal to 0 K, both of which are forbidden by the third law of thermodynamics.

In the quantum mechanical description of electron and nuclear spin systems that have a limited number of possible states, and therefore a discrete upper limit of energy they can attain, it is possible to obtain a negative temperature, which is numerically indeed less than absolute zero. However, this is not the macroscopic temperature of the material, but instead the temperature of only very specific degrees of freedom, that are isolated from others and do not exchange energy by virtue of the equipartition theorem.

A negative temperature is experimentally achieved with suitable radio frequency techniques that cause a population inversion of spin states from the ground state. As the energy in the system increases upon population of the upper states, the entropy increases as well, as the system becomes less ordered, but attains a maximum value when the spins are evenly distributed among ground and excited states, after which it begins to decrease, once again achieving a state of higher order as the upper states begin to fill exclusively. At the point of maximum entropy, the temperature function shows the behavior of a singularity, because the slope of the entropy function decreases to zero at first and then turns negative. Since temperature is the inverse of the derivative of the entropy, the temperature formally goes to infinity at this point, and switches to negative infinity as the slope turns negative. At energies higher than this point, the spin degree of freedom therefore exhibits formally a negative thermodynamic temperature. As the energy increases further by continued population of the excited state, the negative temperature approaches zero asymptotically.[65] As the energy of the system increases in the population inversion, a system with a negative temperature is not colder than absolute zero, but rather it has a higher energy than at positive temperature, and may be said to be in fact hotter at negative temperatures. When brought into contact with a system at a positive temperature, energy will be transferred from the negative temperature regime to the positive temperature region.

suhu

Dari Wikipedia , ensiklopedia bebas

Artikel ini adalah tentang properti termodinamika . Untuk kegunaan lain , lihat Suhu ( disambiguasi ) .

Sebuah peta suhu jangka panjang global yang rata-rata bulanan permukaan udara di Mollweide proyeksi .

Suhu A adalah ukuran numerik dari panas dan dingin dalam tubuh yang dalam keadaan sendiri kesetimbangan termal dalam negeri. Pengukurannya adalah dengan deteksi radiasi panas atau kecepatan partikel atau energi kinetik , atau oleh perilaku sebagian besar bahan thermometric . Ini dapat dikalibrasi dalam salah satu dari berbagai skala suhu , Celcius , Fahrenheit , Kelvin , dll Definisi fisik dasar temperatur disediakan oleh termodinamika .

Pengukuran dengan termometer kecil , atau dengan deteksi radiasi panas , dapat menunjukkan bahwa suhu tubuh material dapat bervariasi dari waktu ke waktu dan dari tempat ke tempat di dalamnya . Jika perubahan terjadi terlalu cepat , atau terlalu kecil dengan suatu jarak, dalam tubuh , mungkin mustahil untuk menentukan suhu.

Dalam tubuh yang pertukaran tidak ada energi atau materi dengan lingkungannya , suhu cenderung menjadi spasial seragam seiring berjalannya waktu. Ketika jalan permeabel hanya

untuk panas terbuka antara dua benda , energi selalu transfer spontan sebagai panas dari tubuh lebih panas ke yang dingin . Transfer rate tergantung pada konduktivitas termal dari jalur atau batas antara mereka . Antara dua benda dengan suhu yang sama , tidak ada panas mengalir . Badan-badan ini dikatakan berada dalam kesetimbangan termal .

Teori kinetik menawarkan akun berharga namun terbatas dari perilaku bahan sistem makroskopik . Hal ini menunjukkan suhu mutlak sebagai sebanding dengan energi kinetik rata-rata gerakan mikroskopis acak partikel mikroskopis konstituen mereka seperti elektron , atom , dan molekul .

Getaran termal dari segmen protein alpha helix . Amplitudo getaran meningkat dengan suhu .

Suhu terdingin teoritis disebut nol mutlak . Hal ini dapat didekati tetapi tidak tercapai dalam sistem fisik yang sebenarnya . Hal ini dilambangkan dengan 0 K pada skala Kelvin , -273,15 ° C pada skala Celcius , dan -459,67 ° F pada skala Fahrenheit . Dalam materi pada nol mutlak , gerakan konstituen mikroskopis yang minimal .

Suhu adalah penting dalam semua bidang ilmu alam , termasuk fisika , geologi, kimia , ilmu atmosfer dan biologi .

isi

    1 Penggunaan dalam ilmu

    2 skala Suhu

    3 pendekatan termodinamika suhu

        3.1 Jenis skala suhu

            3.1.1 skala berbasis empiris

            3.1.2 skala berdasarkan teori

            3.1.3 skala termodinamika Absolute

        3.2 Definisi skala Kelvin

        3.3 Suhu variabel intensif

        3.4 Suhu lokal ketika kesetimbangan termodinamika lokal berlaku

    4 Kinetic pendekatan teori suhu

    5 Dasar Teori

        5.1 Suhu bagi tubuh dalam kesetimbangan termodinamika

        5.2 Suhu bagi tubuh dalam keadaan stabil tapi tidak dalam kesetimbangan termodinamika

        5.3 Suhu bagi tubuh tidak dalam keadaan stabil

        5.4 Termodinamika axiomatics kesetimbangan

    6 Kapasitas Panas

    7 Pengukuran suhu

        7.1 Unit

            7.1.1 Konversi

            7.1.2 Plasma fisika

    8 yayasan Teoritis

        8.1 Teori Kinetik gas

        8.2 zeroth hukum termodinamika

        8.3 Hukum Kedua Termodinamika

        8.4 Definisi dari mekanika statistik

        8.5 Generalized suhu dari statistik partikel tunggal

        8.6 Suhu Negatif

    9 Contoh suhu

    10 Lihat juga

    11 Catatan dan referensi

        11.1 Bibliografi referensi dikutip

    12 Bacaan lebih lanjut

    13 Pranala luar

Gunakan dalam ilmu

Bagian ini membutuhkan tambahan kutipan untuk verifikasi . Silakan bantu memperbaiki artikel ini dengan menambahkan kutipan ke sumber terpercaya . Disertai rujukan bahan mungkin sulit dan dihapus . ( Januari 2013 )

Suhu rata-rata tahunan di seluruh dunia

Banyak hal tergantung pada temperatur , seperti

    sifat fisik bahan termasuk fase ( padat, cair , gas atau plasma ) , densitas, kelarutan , tekanan uap , konduktivitas listrik

    Tingkat dan sejauh mana terjadi reaksi kimia

    jumlah dan sifat dari radiasi termal yang dipancarkan dari permukaan suatu benda

    kecepatan suara adalah fungsi dari akar kuadrat dari temperatur absolut

skala suhu

Lihat juga : Skala suhu

Bagian ini membutuhkan tambahan kutipan untuk verifikasi . Silakan bantu memperbaiki artikel ini dengan menambahkan kutipan ke sumber terpercaya . Disertai rujukan bahan mungkin sulit dan dihapus . ( Agustus 2013 )

Skala temperatur berbeda dalam dua cara : titik terpilih sebagai nol derajat , dan besaran unit tambahan atau derajat pada skala.

Skala Celsius ( ° C ) digunakan untuk pengukuran suhu umum di sebagian besar dunia . Ini adalah skala empiris . Ini dikembangkan oleh kemajuan historis , yang menyebabkan nol titik 0 ° C yang didefinisikan oleh titik beku air , dengan gelar tambahan didefinisikan sehingga 100 ° C adalah titik didih air , baik di permukaan laut tekanan atmosfer . Karena interval 100 derajat , hal itu disebut skala Celcius . [ 1 ] Sejak standarisasi kelvin dalam Sistem Satuan Internasional , telah kemudian telah didefinisikan kembali sebagai setara memperbaiki poin pada skala Kelvin , dan agar selisih suhu satu derajat celsius adalah sama dengan kenaikan satu kelvin , meskipun mereka berbeda dengan aditif offset 273,15 .

Amerika Serikat umumnya menggunakan skala Fahrenheit , di mana air membeku pada 32 ° F dan mendidih pada 212 ° F di permukaan laut tekanan atmosfer .

Banyak pengukuran ilmiah menggunakan skala kelvin suhu (unit simbol K ) , dinamai untuk menghormati fisikawan Skotlandia yang pertama kali didefinisikan itu . Ini adalah skala suhu termodinamika atau absolut . Titik nol , 0K , didefinisikan bertepatan dengan temperatur fisik - mungkin terdingin ( disebut nol mutlak ) . Its derajat didefinisikan melalui termodinamika . Suhu nol mutlak terjadi pada 0K = -273,15 ° C ( -459,67 atau ° F) , dan titik beku air pada permukaan laut tekanan atmosfer terjadi pada 273.15K = 0 ° C.

The Sistem Internasional Satuan ( SI ) mendefinisikan skala dan satuan untuk kelvin atau suhu termodinamika dengan menggunakan suhu andal direproduksi dari titik tripel air sebagai titik acuan kedua ( titik acuan pertama adalah 0 K pada nol mutlak ) . Triple point adalah negara tunggal dengan suhu sendiri yang unik dan invarian dan tekanan , bersama dengan , untuk sebuah massa tetap air dalam bejana volume tetap, partisi otonom dan stabil diri menentukan menjadi tiga fase yang saling menghubungi , uap , cairan , dan solid , dinamis tergantung hanya pada energi internal total massa air . Untuk alasan historis , suhu titik tripel air adalah tetap pada 273,16 unit selisih pengukuran .

Pendekatan termodinamika suhu

Suhu merupakan salah satu besaran pokok dalam studi termodinamika .

Jenis skala suhu

Ada berbagai jenis skala suhu . Mungkin mudah untuk mengklasifikasikan mereka sebagai empiris dan teoritis berbasis . Skala temperatur empiris secara historis lebih tua , sedangkan skala yang berbasis teoritis muncul di pertengahan abad kesembilan belas . [ 2 ] [ 3 ]

Sisik berbasis empiris

Skala suhu berbasis empiris bergantung langsung pada pengukuran sifat fisik sederhana dari bahan . Sebagai contoh, panjang kolom air raksa , dikurung dalam dalam tabung berdinding kaca kapiler , tergantung sebagian besar pada suhu , dan merupakan dasar dari yang sangat berguna merkuri -in - kaca termometer . Timbangan tersebut hanya berlaku dalam rentang suhu nyaman . Sebagai contoh, di atas titik didih air raksa , termometer merkuri -in - kaca tidak praktis . Kebanyakan bahan berkembang dengan peningkatan suhu , tetapi beberapa bahan , seperti air , kontrak dengan kenaikan suhu atas beberapa rentang tertentu , dan

kemudian mereka hampir tidak berguna sebagai bahan thermometric . Bahan A tidak ada gunanya sebagai termometer dekat salah satu suhu perubahan fase , misalnya didih - titik .

Meskipun pembatasan ini , yang paling umum digunakan termometer praktis dari jenis berbasis empiris . Terutama , itu digunakan untuk kalorimetri , yang memberikan kontribusi besar terhadap penemuan termodinamika . Namun demikian , thermometry empiris memiliki kelemahan serius ketika dinilai sebagai dasar untuk teori fisika . Termometer berbasis empiris , di luar basis mereka sebagai pengukuran sederhana langsung dari sifat fisik biasa bahan thermometric , dapat dikalibrasi ulang , dengan menggunakan penalaran fisik teoritis , dan ini dapat memperluas jangkauan mereka kecukupan .

Skala berdasarkan teori

Skala suhu berbasis teoritis didasarkan langsung pada argumen teoretis , terutama termodinamika , teori kinetik , dan mekanika kuantum . Mereka bergantung pada sifat teoritis perangkat ideal dan bahan . Mereka lebih atau kurang sebanding dengan perangkat fisik praktis hal itu layak dan bahan . Skala suhu berbasis teoritis yang digunakan untuk menyediakan standar kalibrasi untuk termometer berbasis empiris praktis .

Diterima mendasar skala suhu termodinamika adalah skala Kelvin , didasarkan pada proses siklus yang ideal dipertimbangkan untuk mesin panas Carnot .

Bahan yang ideal yang dapat didasarkan skala suhu adalah gas ideal . Tekanan yang diberikan oleh volume tetap dan massa gas ideal berbanding lurus dengan suhu. Beberapa gas alam menunjukkan sifat sehingga hampir ideal di atas suhu yang sesuai berkisar bahwa mereka dapat digunakan untuk thermometry ; . Ini penting selama pengembangan termodinamika , dan masih dari kepentingan praktis hari ini [ 4 ] [ 5 ]

Pengukuran spektrum radiasi elektromagnetik dari benda hitam tiga dimensi yang ideal dapat memberikan pengukuran temperatur yang akurat karena frekuensi maksimum pancaran spektral radiasi benda hitam berbanding lurus dengan suhu tubuh hitam; ini dikenal sebagai perpindahan Wien hukum , dan memiliki penjelasan teoritis dalam hukum Planck dan hukum Bose - Einstein .

Pengukuran spektrum noise - listrik yang dihasilkan oleh resistor listrik juga dapat memberikan pengukuran temperatur yang akurat . Resistor memiliki dua terminal dan berlaku

tubuh satu - dimensi . The Bose - Einstein hukum untuk kasus ini menunjukkan bahwa kebisingan daya berbanding lurus dengan suhu resistor dan nilai resistansi dan kebisingan pita lebar . Dalam pita frekuensi tertentu , suara - listrik memiliki kontribusi yang sama dari setiap frekuensi , dan disebut Johnson kebisingan . Jika nilai resistance tersebut diketahui maka suhu dapat ditemukan . [ 6 ] [ 7 ]

Jika molekul , atau atom , atau elektron , yang dipancarkan dari bahan dan kecepatan mereka diukur , spektrum kecepatan mereka sering hampir mematuhi hukum teoritis yang disebut distribusi Maxwell - Boltzmann , yang memberikan pengukuran yang beralasan suhu dimana hukum berlaku. [ 8 ] Ada belum percobaan sukses yang sama ini yang secara langsung menggunakan distribusi Fermi - Dirac untuk thermometry , tapi mungkin yang akan dicapai di masa depan . [ 9 ]

Skala termodinamika mutlak

The Kelvin skala disebut mutlak karena dua alasan . Salah satunya adalah Kelvin , bahwa karakter formal independen dari sifat bahan tertentu . Alasan lain adalah bahwa nol adalah dalam arti absolut , dalam hal ini menunjukkan tidak adanya gerak klasik mikroskopis partikel penyusun materi , sehingga mereka telah membatasi panas spesifik dari nol untuk suhu nol , sesuai dengan hukum ketiga termodinamika . Namun demikian , suhu Kelvin memiliki nilai numerik yang pasti , yang telah sewenang-wenang dipilih oleh tradisi . Nilai numerik ini juga tergantung pada sifat-sifat air , yang memiliki titik tripel gas - cair - padat yang dapat diandalkan direproduksi sebagai fenomena eksperimental standar. Pilihan titik tripel ini juga sewenang-wenang dan dengan konvensi . The Kelvin skala juga disebut skala termodinamika .

Definisi skala Kelvin

Definisi termodinamika suhu ini disebabkan Kelvin .

Hal ini dibingkai dalam hal perangkat ideal disebut mesin Carnot , membayangkan untuk mendefinisikan suatu siklus yang berkelanjutan dari negara tubuhnya bekerja . Siklus ini membayangkan berjalan begitu lambat bahwa pada setiap titik dari siklus tubuh bekerja dalam keadaan kesetimbangan termodinamika . Ada empat anggota badan dalam suatu siklus Carnot . Mesin terdiri dari empat mayat . Yang utama disebut tubuh bekerja . Dua dari mereka yang disebut waduk panas , begitu besar sehingga variabel non - deformasi masing-masing tidak diubah oleh transfer energi sebagai panas melalui dinding permeabel hanya untuk panas ke tubuh bekerja . Tubuh keempat adalah mampu bertukar energi dengan tubuh bekerja hanya melalui kerja adiabatik , melainkan dapat disebut reservoir kerja . Zat dan

negara-negara dari dua reservoir panas harus dipilih sehingga mereka tidak berada dalam kesetimbangan termal dengan satu sama lain . Ini berarti bahwa mereka harus tetap pada temperatur yang berbeda , satu , diberi label di sini dengan nomor 1 , lebih panas dari yang lain , berlabel sini dengan nomor 2 . Hal ini dapat diuji dengan menghubungkan waduk panas berturut-turut ke tubuh thermometric empiris tambahan yang dimulai setiap kali pada suhu menengah tetap nyaman . Tubuh thermometric harus terdiri dari bahan yang memiliki hubungan ketat monoton antara yang dipilih empiris variabel thermometric dan jumlah pekerjaan isochoric adiabatik dilakukan di atasnya . Dalam rangka untuk menyelesaikan struktur dan rasa operasi siklus Carnot , akan lebih mudah untuk menggunakan bahan seperti juga bagi tubuh bekerja , karena sebagian besar bahan yang semacam ini , hal ini hampir tidak pembatasan umum dari definisi ini . Siklus Carnot dianggap mulai dari kondisi awal tubuh kerja yang dicapai oleh selesainya kompresi adiabatik reversibel . Dari sana , tubuh bekerja pada awalnya dihubungkan oleh dinding permeabel hanya untuk panas ke heat waduk nomor 1 , sehingga selama dahan pertama dari siklus mengembang dan tidak bekerja pada reservoir kerja . Ekstremitas kedua siklus melihat tubuh bekerja memperluas adiabatik dan reversibel , tanpa energi dipertukarkan sebagai panas , tapi lebih banyak energi yang ditransfer sebagai pekerjaan ke reservoir kerja . Ekstremitas ketiga siklus melihat tubuh bekerja terhubung , melalui dinding permeabel hanya untuk panas , ke reservoir panas 2 , kontraktor dan menerima energi sebagai pekerjaan dari reservoir kerja . Siklus ini ditutup oleh reversibel kompresi adiabatik tubuh bekerja , dengan tidak ada energi yang ditransfer sebagai panas , tapi energi yang ditransfer ke sebagai pekerjaan dari reservoir kerja .

Dengan set -up , empat anggota badan dari siklus Carnot reversibel yang ditandai dengan jumlah energi yang ditransfer , sebagai pekerjaan dari tubuh bekerja untuk reservoir kerja , dan sebagai panas dari reservoir panas ke tubuh bekerja . Jumlah energi yang ditransfer sebagai panas dari reservoir panas diukur melalui perubahan variabel non - deformasi tubuh bekerja , dengan mengacu pada sifat sebelumnya dikenal tubuh itu, jumlah pekerjaan yang dilakukan pada reservoir kerja , dan hukum pertama termodinamika . Jumlah energi yang ditransfer sebagai panas masing-masing dari reservoir 1 dan dari reservoir 2 Mei kemudian dinotasikan masing-masing Q1 dan Q2 . Kemudian suhu absolut atau termodinamika , T1 dan T2 , waduk didefinisikan sehingga harus sedemikian rupa sehingga

    T_1 / T_2 = - . Q_1 / Q_2 \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , ( 1 )

Karya asli Kelvin mendalilkan suhu mutlak diterbitkan pada tahun 1848 . Hal ini didasarkan pada karya Carnot , sebelum perumusan hukum pertama termodinamika . Kelvin menulis dalam kertas 1848 bahwa skala itu adalah mutlak dalam arti bahwa hal itu didefinisikan " independen dari sifat dari setiap jenis tertentu dari materi. " Publikasi definitif , yang

menetapkan definisi hanya menyatakan , dicetak pada tahun 1853 , makalah baca pada tahun 1851 . [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Definisi ini bertumpu pada asumsi fisik yang ada dinding tersedia permeabel hanya untuk panas . Dalam definisi rinci dinding permeabel hanya untuk panas , Carathéodory mencakup beberapa ide . Variabel negara non - deformasi dari sistem tertutup direpresentasikan sebagai bilangan real . Sebuah keadaan kesetimbangan termal antara dua sistem tertutup dihubungkan oleh dinding permeabel hanya untuk panas berarti bahwa hubungan matematis tertentu memiliki antara variabel negara , termasuk variabel non - deformasi masing-masing , dari dua sistem ( bahwa hubungan matematis tertentu dianggap oleh Buchdahl sebagai pernyataan disukai hukum termodinamika ke nol ) [ 13 ] Juga , mengacu pada keseimbangan kontak termal , " kapanpun . setiap sistem S1 dan S2 dibuat untuk mencapai kesetimbangan dengan sistem ketiga S3 bawah kondisi yang sama , sistem S1 dan . S2 di reksa keseimbangan " [ 14 ] ini mungkin dipandang sebagai pernyataan kembali prinsip dinyatakan oleh Maxwell dalam kata-kata : " . Semua panas adalah dari jenis yang sama " [ 15 ] ide fisik ini juga diungkapkan oleh Bailyn sebagai versi yang mungkin dari hukum ke nol termodinamika : " . Semua dinding diathermal setara " [ 16 ] Jadi definisi ini suhu termodinamika bersandar pada hukum ke nol termodinamika . Secara eksplisit , definisi saat ini suhu termodinamika juga bertumpu pada hukum pertama termodinamika , untuk penentuan jumlah energi yang ditransfer sebagai panas .

Secara implisit definisi ini , hukum kedua termodinamika memberikan informasi yang menetapkan karakter berbudi luhur suhu sehingga didefinisikan . Ini menyediakan bahwa setiap substansi kerja yang sesuai dengan persyaratan yang tercantum dalam definisi ini akan menyebabkan rasio yang sama dari suhu termodinamika , yang dalam hal ini bersifat universal , atau absolut . Hukum kedua termodinamika juga menyatakan bahwa suhu termodinamika didefinisikan dengan cara ini adalah positif, karena definisi ini mensyaratkan bahwa waduk panas tidak berada dalam kesetimbangan termal dengan satu sama lain , dan siklus bisa dibayangkan untuk beroperasi hanya dalam satu akal jika kerja bersih harus dipasok ke reservoir kerja .

Rincian numerik diselesaikan dengan membuat salah satu panas reservoir sel pada triple point air , yang didefinisikan memiliki temperatur absolut dari 273,16 K. [ 17 ] Hukum ke nol termodinamika memungkinkan definisi ini digunakan untuk mengukur mutlak atau suhu termodinamika badan sewenang-wenang yang menarik , dengan membuat reservoir panas lainnya memiliki suhu yang sama dengan tubuh yang menarik .

Suhu variabel intensif

Secara termodinamika , temperatur adalah variabel intensif karena sama dengan koefisien diferensial satu variabel luas terhadap yang lain , untuk tubuh tertentu . Ini tentunya memiliki dimensi rasio dua variabel luas . Dalam termodinamika , dua badan sering dianggap sebagai dihubungkan oleh kontak dengan dinding umum , yang memiliki beberapa sifat permeabilitas tertentu . Permeabilitas tertentu tersebut dapat disebut variabel intensif tertentu . Contohnya adalah dinding diathermic yang permeabel hanya untuk panas , variabel intensif untuk kasus ini adalah temperatur . Ketika dua mayat telah di kontak untuk waktu yang sangat lama , dan telah menetap ke keadaan stabil permanen , variabel intensif yang relevan adalah sama dalam dua badan , karena dinding diathermal , pernyataan ini kadang-kadang disebut hukum ke nol termodinamika . [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]

Secara khusus , ketika tubuh digambarkan dengan menyatakan energi U internal, variabel luas , sebagai fungsi entropi S nya , juga merupakan variabel yang luas , dan lainnya variabel state V , N , dengan U = U ( S , V , N ) , maka suhu sama dengan turunan parsial dari energi internal sehubungan dengan entropi :

    T = \ left ( \ frac { \ partial U } { \ S parsial } \ right ) _ { V , N } \ , . \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , ( 2 ) [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

Demikian juga , ketika tubuh digambarkan dengan menyatakan entropi S sebagai fungsi energi internal U , dan lainnya variabel state V , N , S = S dengan ( U , V , N ) , maka kebalikan dari suhu sama dengan turunan parsial entropi sehubungan dengan energi internal :

    \ frac { 1 } { T } = \ left ( \ frac { \ partial S } { \ partial U } \ right ) _ { V , N } \ , . \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , \ , ( 3 ) [ 19 ] [ 21 ] [ 22 ]

Definisi di atas , persamaan ( 1 ) , suhu mutlak adalah karena Kelvin . Hal ini mengacu pada sistem tertutup untuk mentransfer materi , dan memiliki penekanan khusus pada prosedur eksperimental langsung . Presentasi termodinamika oleh Gibbs dimulai pada tingkat yang lebih abstrak dan penawaran dengan sistem terbuka untuk transfer materi ; . Dalam pembangunan ini termodinamika, persamaan ( 2 ) dan ( 3 ) di atas sebenarnya definisi alternatif suhu [ 23 ]

Suhu lokal ketika kesetimbangan termodinamika lokal berlaku

Badan dunia nyata sering tidak dalam kesetimbangan termodinamika dan tidak homogen . Untuk penelitian dengan metode termodinamika ireversibel klasik , tubuh biasanya spasial dan temporal dibagi konseptual menjadi ' sel ' dari ukuran kecil . Jika kondisi kesetimbangan termodinamika klasik dalam hal ini terpenuhi dengan pendekatan yang baik dalam seperti ' sel ' , maka itu adalah homogen dan suhu ada untuk itu . Jika hal ini sehingga untuk setiap ' sel ' dari tubuh , maka kesetimbangan termodinamika setempat dikatakan berlaku di seluruh tubuh . [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]

Ini masuk akal , misalnya , mengatakan dari variabel luas U , atau dari variabel S luas , bahwa ia memiliki kepadatan per satuan volume , atau jumlah per satuan massa sistem, tetapi tidak masuk akal untuk berbicara tentang kepadatan suhu per satuan volume atau kuantitas suhu per satuan massa dari sistem. Di sisi lain , tidak masuk akal untuk berbicara tentang energi internal pada suatu titik , sedangkan saat kesetimbangan termodinamika lokal berlaku , itu masuk akal untuk berbicara tentang suhu pada suatu titik . Akibatnya , suhu dapat bervariasi dari titik ke titik dalam media yang tidak dalam kesetimbangan termodinamika global, tetapi di dalamnya ada kesetimbangan termodinamika setempat .

Dengan demikian , ketika kesetimbangan termodinamika lokal berlaku di tubuh , suhu dapat dianggap sebagai spasial bervariasi properti lokal dalam tubuh itu , dan ini adalah karena suhu merupakan variabel intensif .

Pendekatan teori kinetik suhu

Sebuah account yang lebih menyeluruh dari hal ini adalah di bawah pada pondasi Teoritis .

Teori kinetik memberikan penjelasan mikroskopis suhu , berdasarkan sistem makroskopik ' yang terdiri dari banyak partikel mikroskopis , seperti molekul dan ion dari berbagai jenis , partikel-partikel dari spesies yang semua sama . Ini menjelaskan fenomena makroskopik melalui mekanika klasik dari partikel mikroskopis . The equipartition Teorema teori kinetik menegaskan bahwa setiap derajat kebebasan klasik dari partikel bebas bergerak memiliki energi kinetik rata-rata kBT / 2 dimana kB menunjukkan konstanta Boltzmann . Gerak translasi partikel memiliki tiga derajat kebebasan , sehingga , kecuali pada suhu yang sangat rendah di mana efek kuantum mendominasi , rata-rata energi kinetik translasi dari partikel bebas bergerak dalam sistem dengan suhu T akan 3kBT / 2 .

Hal ini dimungkinkan untuk mengukur energi kinetik rata-rata partikel mikroskopis konstituen jika mereka diizinkan untuk melarikan diri dari sebagian besar sistem. Spektrum kecepatan harus diukur , dan rata-rata dihitung dari itu. Hal ini tidak selalu terjadi bahwa

partikel yang melarikan diri dan diukur memiliki distribusi kecepatan yang sama seperti partikel yang tetap dalam sebagian besar sistem, tapi kadang-kadang contoh yang baik adalah mungkin .

Molekul , seperti oksigen ( O2 ) , memiliki derajat lebih kebebasan dari atom tunggal bulat : mereka menjalani gerakan rotasi dan vibrasi serta terjemahan . Hasil pemanasan dalam peningkatan suhu akibat peningkatan rata-rata energi kinetik translasi molekul . Pemanasan juga akan menyebabkan , melalui equipartitioning , energi yang terkait dengan mode getaran dan rotasi meningkat. Jadi gas diatomik akan memerlukan masukan energi yang lebih meningkat suhunya dengan jumlah tertentu , yakni akan memiliki kapasitas panas lebih besar dari gas monoatomik .

Proses pendinginan melibatkan menghapus energi internal dari sistem. Bila tidak ada lagi energi dapat dihapus , sistem ini pada nol mutlak , meskipun ini tidak dapat dicapai secara eksperimental . Nol mutlak adalah titik nol dari skala temperatur termodinamika , juga disebut temperatur absolut . Jika hal itu mungkin untuk mendinginkan sistem untuk nol mutlak , semua gerak klasik partikel yang akan berhenti dan mereka akan berada di istirahat total dalam arti klasik ini . Mikroskopis dalam deskripsi mekanika kuantum , bagaimanapun , masalah masih memiliki energi titik nol bahkan pada nol mutlak , karena prinsip ketidakpastian .

teori dasar

Suhu adalah ukuran dari kualitas keadaan bahan [ 29 ] kualitas ini dapat dianggap sebagai entitas yang lebih abstrak daripada skala suhu tertentu yang mengukur itu , dan disebut hotness oleh beberapa penulis . Kualitas hotness mengacu pada kondisi material hanya di sebuah wilayah tertentu , dan secara umum , terlepas dari tubuh yang diadakan dalam keadaan stabil kesetimbangan termodinamika , panas bervariasi dari satu tempat ke tempat lain. Hal ini belum tentu demikian bahwa bahan di tempat tertentu dalam keadaan yang stabil dan hampir cukup homogen untuk memungkinkan untuk memiliki keseksian yang terdefinisi dengan baik atau suhu . Hotness dapat diwakili secara abstrak sebagai manifold satu - dimensi . Setiap skala suhu yang valid memiliki sendiri satu-ke - satu peta ke manifold hotness . [ 30 ] [ 31 ]

Ketika dua sistem dalam kontak termal pada suhu yang sama ada transfer panas antara mereka . Bila perbedaan suhu memang ada aliran panas secara spontan dari sistem yang lebih hangat ke sistem dingin sampai mereka berada dalam kesetimbangan termal . Perpindahan panas terjadi melalui konduksi atau radiasi termal . [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]

Fisikawan eksperimental , misalnya Galileo dan Newton , [ 40 ] menemukan bahwa ada banyak skala tanpa batas suhu empiris . Namun demikian , hukum termodinamika ke nol mengatakan bahwa mereka semua mengukur kualitas yang sama .

Suhu bagi tubuh dalam kesetimbangan termodinamika

Untuk percobaan fisika , panas berarti bahwa , ketika membandingkan dua benda yang diberikan pada masing-masing kesetimbangan termodinamika mereka terpisah , dua sesuai diberikan termometer empiris dengan skala numerik bacaan akan setuju untuk yang lebih panas dari dua badan yang diberikan , atau bahwa mereka memiliki [ 42 ] suhu yang sama . [ 41 ] ini tidak memerlukan dua termometer untuk memiliki hubungan linear antara pembacaan skala numerik mereka , tetapi tidak mengharuskan bahwa hubungan antara pembacaan numerik mereka harus benar-benar monoton . [ 43 ] sebuah rasa yang pasti hotness yang lebih besar dapat memiliki , secara independen dari kalorimetri , termodinamika , dan sifat bahan tertentu , dari hukum perpindahan Wien radiasi termal : suhu mandi radiasi termal sebanding , dengan suatu konstanta universal, dengan frekuensi maksimum spektrum frekuensi , frekuensi ini selalu positif , tetapi dapat memiliki nilai yang cenderung nol . Radiasi termal pada awalnya ditetapkan untuk rongga dalam kesetimbangan termodinamika . Fakta-fakta fisik membenarkan pernyataan matematika yang hotness ada pada memerintahkan berjenis satu dimensi . Ini adalah karakter dasar suhu dan termometer untuk tubuh dalam kesetimbangan termodinamika mereka sendiri . [ 2 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 44 ] [ 45 ]

Kecuali untuk sistem menjalani orde pertama fase perubahan seperti mencairnya es , sebagai sistem tertutup menerima panas , tanpa perubahan volume dan tanpa perubahan medan gaya eksternal yang bekerja pada itu , suhunya naik . Untuk sistem seperti mengalami perubahan fasa sangat lambat sehingga keberangkatan dari kesetimbangan termodinamika dapat diabaikan , suhu tetap konstan karena sistem disertakan dengan panas laten . Sebaliknya, hilangnya panas dari sistem tertutup , tanpa perubahan fasa , tanpa perubahan volume, dan tanpa perubahan medan gaya eksternal yang bekerja pada itu , menurunkan suhu. [ 46 ]

Suhu bagi tubuh dalam keadaan stabil tapi tidak dalam kesetimbangan termodinamika

Sementara untuk tubuh sendiri di negara kesetimbangan termodinamika mereka , gagasan suhu mensyaratkan bahwa semua termometer empiris harus setuju untuk yang dari dua badan lebih panas atau bahwa mereka berada pada suhu yang sama , persyaratan ini tidak aman untuk tubuh yang berada di stabil negara meskipun tidak dalam kesetimbangan termodinamika . Hal ini kemudian dapat saja bahwa termometer empiris yang berbeda tidak setuju tentang yang merupakan panas , dan jika memang demikian , maka setidaknya salah satu badan tidak memiliki suhu termodinamika didefinisikan dengan baik mutlak . Namun

demikian , salah satu yang diberikan tubuh dan satu termometer empiris yang cocok masih dapat mendukung gagasan empiris , non - absolut , panas dan suhu , untuk berbagai proses yang sesuai . Ini adalah masalah untuk studi dalam termodinamika non - ekuilibrium .

Suhu bagi tubuh tidak dalam keadaan stabil

Ketika tubuh tidak dalam keadaan stabil , maka gagasan suhu menjadi lebih kurang aman daripada tubuh dalam keadaan stabil tidak dalam kesetimbangan termodinamika . Ini juga merupakan masalah untuk studi dalam termodinamika non - ekuilibrium .

Axiomatics kesetimbangan termodinamika

Untuk pengobatan aksiomatik kesetimbangan termodinamika , sejak 1930-an , telah menjadi kebiasaan untuk merujuk kepada hukum termodinamika ke nol . Versi minimalis yang lazim dinyatakan hukum tersebut mendalilkan hanya itu semua badan , yang ketika termal terhubung akan dalam kesetimbangan termal , harus dikatakan memiliki suhu yang sama dengan definisi , tetapi dengan sendirinya tidak menetapkan suhu sebagai suatu kuantitas dinyatakan sebagai nyata nomor pada skala . Yang lebih informatif fisik versi hukum seperti itu dilihat temperatur empiris sebagai grafik pada manifold hotness . [ 30 ] [ 45 ] [ 47 ] Sementara hukum zeroth memungkinkan definisi dari berbagai skala empiris yang berbeda suhu , hukum kedua termodinamika memilih definisi , suhu mutlak pilihan tunggal , unik sampai dengan faktor skala sewenang-wenang , dari mana disebut suhu termodinamika . [ 2 ] [ 30 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] Jika energi internal dianggap sebagai fungsi dari volume dan entropi dari sistem homogen dalam kesetimbangan termodinamika , temperatur absolut termodinamika muncul sebagai turunan parsial energi internal sehubungan entropi pada volume konstan . Its alami , asal intrinsik atau null titik nol mutlak di mana entropi sistem apapun adalah minimal . Meskipun ini adalah temperatur absolut terendah dijelaskan oleh model , hukum ketiga termodinamika mendalilkan bahwa nol mutlak tidak dapat dicapai oleh setiap sistem fisik .

kapasitas panas

Lihat juga : kapasitas panas dan kalorimetri

Ketika sampel dipanaskan , yang berarti menerima energi panas dari sumber eksternal , beberapa panas diperkenalkan diubah menjadi energi kinetik , sisanya untuk bentuk lain dari energi internal khusus untuk materi. Jumlah diubah menjadi energi kinetik menyebabkan suhu bahan meningkat. Panas diperkenalkan ( \ Delta Q ) dibagi dengan perubahan suhu yang diamati adalah kapasitas panas ( C ) material.

    C = \ frac { \ Delta Q } { \ Delta T }

Jika kapasitas panas diukur dengan jumlah didefinisikan dengan baik substansi , panas spesifik adalah ukuran dari panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu seperti kuantitas satuan per satu satuan suhu .

Temperature measurementFrom Wikipedia, the free encyclopedia

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. (August 2010)

This article needs attention from an expert in measurement. Please add a reason or a talk parameter to this template to explain the issue with the article. WikiProject Measurement (or its Portal) may be able to help recruit an expert. (August 2010)

A medical/clinical thermometer showing the temperature of 38.7 °C

Attempts of standardized temperature measurement have been reported as early as 170 AD by Claudius Galenus.[1] The modern scientific field has its origins in the works by Florentine scientists in the 17th century. Early devices to measure temperature were called thermoscopes. The first sealed thermometer was constructed in 1641 by the Grand Duke of Toscani, Ferdinand II.[1] The development of today's thermometers and temperature scales began in the early 18th century, when Gabriel Fahrenheit adapted a thermometer using mercury and a scale both developed by Ole Christensen Rømer. Fahrenheit's scale is still in use, alongside the Celsius scale and the Kelvin scale.

Contents

1 Technologies 2 Surface air temperature 3 Comparison of temperature scales

4 Standards 5 See also 6 US (ASME) Standards 7 References 8 External links

Technologies

Many methods have been developed for measuring temperature. Most of these rely on measuring some physical property of a working material that varies with temperature. One of the most common devices for measuring temperature is the glass thermometer. This consists of a glass tube filled with mercury or some other liquid, which acts as the working fluid. Temperature increase causes the fluid to expand, so the temperature can be determined by measuring the volume of the fluid. Such thermometers are usually calibrated so that one can read the temperature simply by observing the level of the fluid in the thermometer. Another type of thermometer that is not really used much in practice, but is important from a theoretical standpoint, is the gas thermometer.

Other important devices for measuring temperature include:

Thermocouples Thermistors Resistance temperature detector (RTD) Pyrometer Langmuir probes (for electron temperature of a plasma) Infrared Other thermometers

One must be careful when measuring temperature to ensure that the measuring instrument (thermometer, thermocouple, etc.) is really the same temperature as the material that is being measured. Under some conditions heat from the measuring instrument can cause a temperature gradient, so the measured temperature is different from the actual temperature of the system. In such a case the measured temperature will vary not only with the temperature of the system, but also with the heat transfer properties of the system. An extreme case of this effect gives rise to the wind chill factor, where the weather feels colder under windy conditions than calm conditions even though the temperature is the same. What is happening is that the wind increases the rate of heat transfer from the body, resulting in a larger reduction in body temperature for the same ambient temperature.

The theoretical basis for thermometers is the zeroth law of thermodynamics which postulates that if you have three bodies, A, B and C, if A and B are at the same temperature, and B and C are at the same temperature then A and C are at the same temperature. B, of course, is the thermometer.

The practical basis of thermometry is the existence of triple point cells. Triple points are conditions of pressure, volume and temperature such that three phases are simultaneously present, for example solid, vapor and liquid. For a single component there are no degrees of freedom at a triple point and any change in the three variables results in one or more of the phases vanishing from the cell. Therefore, triple point cells can be used as universal references for temperature and pressure. (See Gibbs phase rule)

Under some conditions it becomes possible to measure temperature by a direct use of the Planck's law of black body radiation. For example, the cosmic microwave background temperature has been measured from the spectrum of photons observed by satellite observations such as the WMAP. In the study of the quark-gluon plasma through heavy-ion collisions, single particle spectra sometimes serve as a thermometer.

Surface air temperature

Meteorological observatories measure the temperature and humidity of the air near the surface of the Earth usually using thermometers placed in a Stevenson screen, a standardized well-ventilated white-painted instrument shelter. The thermometers should be positioned 1.25–2 m above the ground. Important note.[2] Details of this setup are defined by the World Meteorological Organization (WMO).

The true daily mean, obtained from a thermograph, is approximated by the mean of 24 hourly readings (which is not the same as the mean of the daily minimum and maximum readings).[3]

The world's average surface air temperature is about 15 °C. For information on temperature changes relevant to climate change or Earth's geologic past see: Temperature record.

pengukuran temperatur

Dari Wikipedia , ensiklopedia bebas

Artikel ini membutuhkan tambahan kutipan untuk verifikasi . Silakan bantu memperbaiki artikel ini dengan menambahkan kutipan ke sumber terpercaya . Disertai rujukan bahan mungkin sulit dan dihapus . ( Agustus 2010)

Artikel ini membutuhkan perhatian dari seorang ahli dalam pengukuran . Harap menambahkan alasan atau parameter berbicara dengan template ini untuk menjelaskan masalah ini dengan artikel. WikiProject Pengukuran ( atau yang Portal ) mungkin dapat membantu merekrut seorang ahli . ( Agustus 2010)

Termometer medis / klinis yang menunjukkan suhu 38,7 ° C

Upaya pengukuran temperatur standar telah dilaporkan sedini 170 AD oleh Claudius Galenus . [ 1 ] Bidang ilmiah modern memiliki asal-usul dalam karya-karya oleh para ilmuwan Florentine di abad ke-17 . Perangkat awal untuk mengukur suhu disebut thermoscopes . Termometer disegel pertama dibangun pada tahun 1641 oleh Grand Duke of Toscani , Ferdinand II . [ 1 ] Perkembangan termometer hari ini dan skala suhu dimulai pada abad ke-18 awal, ketika Gabriel Fahrenheit diadaptasi termometer menggunakan merkuri dan skala kedua dikembangkan oleh Ole Christensen Rømer . Skala Fahrenheit adalah masih digunakan , di samping skala Celsius dan skala Kelvin .

isi

    1 Teknologi

    Suhu udara 2 Surface

    3 Perbandingan skala suhu

    4 Standar

    5 Lihat juga

    6 US ( ASME ) Standar

    7 Referensi

    8 Pranala luar

teknologi

Banyak metode yang telah dikembangkan untuk mengukur suhu . Sebagian besar bergantung pada pengukuran beberapa sifat fisik dari bahan kerja yang bervariasi dengan suhu . Salah satu perangkat yang paling umum untuk mengukur suhu adalah termometer kaca . Ini terdiri dari sebuah tabung gelas diisi dengan air raksa atau cairan lain , yang bertindak sebagai fluida kerja . Kenaikan suhu menyebabkan cairan untuk memperluas , sehingga suhu dapat ditentukan dengan mengukur volume cairan . Termometer tersebut biasanya dikalibrasi sehingga seseorang dapat membaca suhu hanya dengan mengamati tingkat cairan dalam termometer . Tipe lain dari termometer yang tidak benar-benar digunakan banyak dalam praktek, tetapi penting dari sudut pandang teoritis , adalah termometer gas .

Perangkat penting lainnya untuk mengukur suhu meliputi:

    termokopel

    termistor

    Detektor suhu resistansi ( RTD )

    pengukur api

    Probe Langmuir ( untuk suhu elektron dari plasma )

    inframerah

    termometer lain

Satu harus berhati-hati ketika mengukur suhu untuk memastikan bahwa alat ukur ( termometer , termokopel , dll ) benar-benar suhu yang sama sebagai bahan yang sedang diukur . Dalam beberapa kondisi panas dari alat ukur dapat menyebabkan gradien suhu , sehingga suhu diukur berbeda dari suhu yang sebenarnya dari sistem . Dalam kasus seperti suhu diukur akan bervariasi tidak hanya dengan suhu sistem, tetapi juga dengan sifat perpindahan panas dari sistem . Kasus ekstrim dari efek ini menimbulkan angin dingin faktor , di mana cuaca terasa lebih dingin dalam kondisi berangin daripada kondisi tenang meskipun suhu adalah sama . Apa yang terjadi adalah bahwa angin meningkatkan laju perpindahan panas dari tubuh , menghasilkan penurunan yang lebih besar dalam suhu tubuh untuk suhu lingkungan yang sama .

Dasar teoritis untuk termometer adalah hukum ke nol termodinamika yang mendalilkan bahwa jika Anda memiliki tiga mayat , A , B dan C , jika A dan B berada pada suhu yang sama , dan B dan C berada pada suhu yang sama maka A dan C yang pada suhu yang sama . B , tentu saja, adalah termometer .

Dasar praktis thermometry adalah adanya sel titik tripel . Poin tiga kondisi tekanan , volume dan suhu sehingga tiga fase yang bersamaan hadir , misalnya padat , uap dan cair . Untuk komponen tunggal tidak ada derajat kebebasan pada titik triple dan setiap perubahan dalam tiga hasil variabel dalam satu atau lebih fase menghilang dari sel . Oleh karena itu , sel-sel titik tripel dapat digunakan sebagai referensi universal untuk suhu dan tekanan . ( Lihat fase Gibbs aturan )

Dalam beberapa kondisi menjadi mungkin untuk mengukur suhu dengan penggunaan langsung dari hukum Planck radiasi benda hitam . Sebagai contoh, suhu kosmik latar belakang gelombang mikro telah diukur dari spektrum foton diamati oleh pengamatan satelit seperti WMAP tersebut . Dalam studi dari plasma quark - gluon melalui tabrakan berat - ion, spektrum partikel tunggal kadang-kadang berfungsi sebagai termometer .

Suhu udara permukaan

Observatorium meteorologi mengukur suhu dan kelembaban udara di dekat permukaan bumi biasanya menggunakan termometer ditempatkan di layar Stevenson , seorang standar berventilasi instrumen bercat putih penampungan . Termometer harus diposisikan 1,25-2 m di

atas tanah . Catatan penting . [ 2 ] Detail dari konfigurasi ini didefinisikan oleh Organisasi Meteorologi Dunia ( WMO ) .

The rata-rata harian yang benar , yang diperoleh dari thermograph a , didekati oleh rata-rata dari 24 pembacaan per jam ( yang tidak sama dengan rata-rata minimum harian dan pembacaan maksimum ) . [ 3 ]

Rata-rata suhu udara permukaan di dunia adalah sekitar 15 ° C. Untuk informasi tentang perubahan suhu yang relevan dengan perubahan iklim atau masa lalu geologi Bumi lihat : catatan Suhu .