Temperatuur (0)

Tartu Kutsehariduskeskus
Iseseisev töö
Füüsika
Koostaja :Kristjan Hindre
LE208
Juhendaja :Dimitri Luppa
Tartu 2010
Temperatuur
Temperatuur on füüsikaline suurus, mis iseloomustab süsteemi või keha soojuslikku olekut ehk soojusastet.
Termodünaamilise tasakaalu puhul on süsteemi kõigi osade temperatuur ühesugune. Temperatuuride erinevuse korral siirdub soojus kõrgema temperatuuriga osadelt madalama temperatuuriga osadele, kuni temperatuuride ühtlustumiseni.
Molekulaarkineetilise teooria kohaselt iseloomustab tasakaalustatud süsteemi temperatuur aatomite, molekulide ja teiste süsteemi moodustavate osakeste soojusliikumise intensiivsust. Seda statistilises füüsika seadustega kirjeldades on temperatuur süsteemi (keha) mikroosakeste soojusliikumise keskmise kineetilise energia mõõt.
Temperatuuri mõõtmise seadet nimetatakse termomeetriks. Lihtsaima võimaluse temperatuuri kvantitatiivseks iseloomustamiseks annab mitmesuguste vedeliktermomeetrite kasutamine (vedeliku soojuspaisumise määr sõltub temperatuurist). Samas soojuspaisumistegur ise sõltub ka temperatuurist, mistõttu sellist temperatuuriskaalat ei saa pidada universaalseks. Parema temperatuuriskaala annab gaasitermomeeter (põhineb gaasi paisumisel ), sest reaalsed gaasid käituvad teatavatel tingimustel sarnaselt ideaalse gaasiga. Temperatuuri kui füüsikalise suuruse täpne defineerimine osutub üllatavalt keeruliseks. Üks lihtsamaid teid absoluutse temperatuuriskaala defineerimiseks on soojusjõumasina kasuteguri kaudu (termodünaamikas näidatakse, et mistahes ideaalse soojusjõumasina kasutegur on määratud ainult soojendaja ning jahutaja temperatuuride vahega ega sõltu töötava substantsi loomusest). Sellisel viisil defineeritud absoluutne temperatuur osutub võrdseks gaasitermomeetri temperatuuriga. Erinevalt teistest temperatuuriskaaladest langeb absoluutse temperatuuriskaala nullpunkt kokku selle temperatuuriga, kus aine sisemuses igasugune soojusliikumine lakkab (see on -273,15 °C).
Sellist absoluutset temperatuuriskaalat, kus vee kolmikpunkti temperatuur on defineeritud võrdseks 273,16 kraadiga, nimetatakse Kelvini skaalaks. Sellise temperatuuri ühikut nimetatakse kelviniks (tähis K) ning see on temperatuuri mõõtühikuks SI-süsteemis.
Maailmas oli temperatuuri mõõtmiseks erinevate teadlaste poolt loodud väga erinevate ühiku väärtustega temperatuuri skaalasid, mida oli vaja mõõtetulemustest arusaamiseks pidevalt teisendada. Selle probleemi lahendamiseks ja temperatuuri mõõtmise ühtlustamiseks loodi 1927. aastal esimene Rahvusvaheline praktiline temperatuuriskaala mille aluseks võeti Celsiuse skaala. Praegu kehtiv praktiline temperatuuriskaala võeti vastu 1990. aastal (International Temperature Scale of 1990 ehk ITS-90), mis on järjekorras seitsmes.
Rahvusvahelise praktiline temperatuuriskaala ITS-90 sisuks on 17 looduslike
Rahvusvaheline praktiline temperatuuriskaala annab ette 17 referentspunkti, millel on looduslikud etalonid ning mis jäävad vahemikku 3...1358 K. Referentspunktideks on madalatel temperatuuridel gaaside kolmikpunktid ja kõrgetel metallide sulamistemperatuurid. Viimane vastuvõetud temperatuuriskaala defineerib nii rahvusvahelise Kelvini temperatuuri, mille tähiseks on T90 ja sümboliks K, kui ka rahvusvahelise Celsiuse temperatuuri, mille tähiseks on t90 ja sümboliks °C. Ühtlasi seotakse need kaks skaalat omavahel.
t90/°C = T90/K - 273,15
Takistuse temperatuurisõltuvus Töö eesmärk:

Metalli ja pooljuhi takistuse tempe-ratuurisõltuvuse võrdlemine, poolju-hi omajuhtivuse tekkimiseks vajali-ku aktivatsioonienergia arvutamine.

Töövahendid:
Metalli ja pooljuhi tükid õliga täidetud katseklaasides, elektriahi, termomeetrid , autotransformaator, oommeeter, lüliti, ühendusjuhtmed.
Töö teoreetilised alused.
Küllalt laias temperatuurivahemikus sõltub juhi takistus temperatuurist järgmiselt:
[1]
Kus Ro on takistus 0 oC juures, t on temperatuur oC ja  on takistuse temperatuuritegur
(punastel metallidel ). Takistuse temperatuuriteguri  leidmiseks on otstarbekas mõõta takistus kahel erineval temperatuuril
, .
Viimase avaldise läbijagamisel ja teisendamisel saame
[2]
Vaatame pooljuhi elektrijuhtivust. Kui pooljuhis elektron saab energia W, siis läheb ta juhtivustsooni. Valentstsoonis tekib vakantne koht nn. auk, mille võib peaaegu energiakaota täita mõne teine valentstsooni elektron. Elektroni üleminek juhtivustsooni tähendab sisuliselt ühe valentssideme purustamist. Kuna auk kujutab endast elektroni jaoks madalama potensiaaliga kohta, siis augu täidab uus elektron jne. See tähendab aga augu liikumist kristallvõres. Augu liikumine on ekvivalentne positiivse laengu liikumisega tahkes kehas. Kui pole suunatud elektrivälja, siis võtab auk nagu elektrongi osa soojusliikumisest.Välisesse elektrivälja paigutatud pooljuhis lisandub laengukandjate kaootilisele liikumisele suunatud liikumine ehk elektrivool . Elektron ja auk moodustuvad koos, sellepärast nimetatakse pooljuhte, kus vabade elektronide arv võrdub aukude arvuga, omapooljuhtideks. Elektronide ligikaudne kontsentratsioon n juhtivustsoonis on arvutatav Boltzmanni jaotusseadusest tuleneva valemiga
[3]
kus N on aatomite arv ruumiühikus, T on absoluutne temperatuur, k on Boltzmanni konstant. W/2 on ühe laengukandja vabastamiseks vajalik energia (aktivatsioonienergia W kulutamisel tekib paar elektron-auk). Pooljuhi erijuhtivus avaldub järgmiselt:
[4]
kus b+ ja b- on vastavalt augu ja elektroni liikuvus ja eo on elementaarlaeng . Kuna R~1/, siis takistuse temperatuurisõltuvus avaldub kujul
[5]
kus Ro oleks takistus temperatuuril T. Logaritmides seost [5], saame
Mõõtes 2 erineval temperatuuril pooljuhi takistuse, saame arvutada aktivatsioonienergia W. Valemist [6]
Lahutades esimesest avaldisest teise ja teisendades, saame
[7]
Metalli takistuse temperatuuritegur:
Metalli takistus 0o C juures:
Pooljuhi takistuse temperatuurisõltuvuse lähendussirge võrrandi kordaja:
Pooljuhi omajuhtivuse aktivatsioonienergia: