Вече може да имате интуитивно усещане, че температурата е мярка за "студенината" или "горещината" на даден обект. Много хора са обсебени от проверка на прогнозата, за да знаят каква ще бъде температурата за деня. Но какво всъщност означава температурата във физиката?
Определение на температурата
Температурата е мярка за средната кинетична енергия на молекула в дадено вещество. Той се различава от топлината, въпреки че двете количества са тясно свързани. Топлината е енергията, предавана между два обекта при различни температури.
Всяко физическо вещество, на което бихте могли да припишете свойството на температурата, е направено от атоми и молекули. Тези атоми и молекули не остават неподвижни, дори в твърдо вещество. Те постоянно се движат и се въртят наоколо, но движението се случва в толкова малък мащаб, че не можете да го видите.
Както вероятно си спомняте от изучаването на механика, обектите в движение имат форма на енергия, нареченакинетична енергиякоето е свързано както с тяхната маса, така и с това колко бързо се движат. Така че, когато температурата се описва като средна кинетична енергия на молекула, описва се енергията, свързана с това молекулярно движение.
Температурни скали
Има много различни скали, по които можете да измервате температурата, но най-често срещаните са Фаренхайт, Целзий и Келвин.
Скалата на Фаренхайт е най-добре запозната с тези, които живеят в Съединените щати и няколко други страни. При тази скала водата замръзва при 32 градуса по Фаренхайт, а температурата на врящата вода е 212 F.
Скалата на Целзий (понякога наричана и градус по Целзий) се използва в повечето други страни по света. При тази скала точката на замръзване на водата е при 0 C, а точката на кипене на водата е при 100 C.
Скалата на Келвин, наречена на лорд Келвин, е научният стандарт. Нулата по тази скала е на абсолютна нула, където всички молекулярни движения спират. Счита се за абсолютна температурна скала.
Преобразуване между температурни скали
За да конвертирате от Целзий във Фаренхайт, използвайте следната връзка:
T_F = \ frac {9} {5} T_C + 32
КъдетоTF е температурата във Фаренхайт иT° Се температурата в Целзий. Например 20 градуса по Целзий са еквивалентни на:
T_F = \ frac {9} {5} 20 + 32 = 68 \ текст {градуса по Фаренхайт.}
За да конвертирате в другата посока, от Фаренхайт до Целзий, използвайте следното:
T_C = \ frac {5} {9} (T_F - 32)
За да конвертирате от Целзий в Келвин, формулата е още по-опростена, тъй като размерът на нарастването е еднакъв и те просто имат различни начални стойности:
T_K = T_C + 273,15
Съвети
В много изрази в термодинамиката важното количество еΔT(промяната в температурата), за разлика от самата абсолютна температура. Тъй като степента на Целзий е със същия размер като нарастване по скалата на Келвин,ΔTК = ΔT° С, което означава, че тези единици могат да се използват взаимозаменяеми в тези случаи. Винаги обаче, когато се изисква абсолютна температура, тя трябва да е в Келвин.
Топлообмен
Когато два обекта при различни температури са в контакт помежду си, ще настъпи пренос на топлина, с топлина течаща от обекта при по-висока температура към обекта при по-ниска температура, докато настъпи термично равновесие достигна.
Този трансфер възниква поради сблъсъци между молекулите с по-висока енергия в горещия обект с молекулите с по-ниска енергия в обекта по-хладен, прехвърляйки енергия към ги в процеса, докато не се случат достатъчно случайни сблъсъци между молекули в материалите, че енергията да стане равномерно разпределена между обектите или вещества. В резултат на това се постига нова крайна температура, която се намира между първоначалните температури на горещите и хладните предмети.
Друг начин да мислим за това е, че общата енергия, съдържаща се в двете вещества, в крайна сметка се разпределя еднакво между веществата.
Крайната температура на два обекта при различни начални температури, след като те достигнат топлинно равновесие, може да бъде намерена чрез използване на връзката между топлинната енергияВъпрос:, специфичен топлинен капацитет° С, масами температурната промяна, дадена от следното уравнение:
Q = mc \ Delta T
Пример:Да предположим, че 0,1 кг медни стотинки (° С° С= 390 J / kgK) при 50 градуса по Целзий се пускат в 0,1 kg вода (° Сw= 4,186 J / kgK) при 20 градуса по Целзий. Каква ще бъде крайната температура, след като се постигне термично равновесие?
Решение: Помислете, че топлината, добавена към водата от стотинките, ще бъде равна на топлината, отделена от стотинките. Така че, ако водата абсорбира топлинаВъпрос:wкъдето:
Q_w = m_wc_w \ Delta T_w
Тогава за медни стотинки:
Q_c = -Q_w = m_cc_c \ Delta T_c
Това ви позволява да напишете връзката:
m_cc_c \ Delta T_c = -m_wc_w \ Delta T_w
След това можете да се възползвате от факта, че и медните стотинки, и водата трябва да имат една и съща крайна температура,Tе, така че:
\ Delta T_c = T_f-T_ {ic} \\\ Delta T_w = T_f-T_ {iw}
Включване на тезиΔTизрази в предишното уравнение, след което можете да решите заTе. Малка алгебра дава следния резултат:
T_f = \ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
Включването на стойностите след това дава:
Забележка: Ако сте изненадани, че стойността е толкова близка до началната температура на водата, помислете за значителните разлики между специфичната топлина на водата и специфичната топлина на медта. Отнема много повече енергия, за да предизвика температурна промяна във водата, отколкото за температурна промяна в медта.
Как работят термометрите
Старомодните живачни термометри от стъклени крушки измерват температурата, като използват свойствата на термичното разширение на живака. Живакът се разширява, когато е топъл и се свива, когато се охлажда (и в много по-голяма степен от стъкления термометър който се съдържа.) Така че, когато живакът се разширява, той се издига вътре в стъклената тръба, позволявайки измерване.
Пролетните термометри - тези, които обикновено имат кръгла повърхност с метален указател - също работят по принципа на термичното разширение. Те съдържат парче навит метал, което се разширява и охлажда въз основа на температурата, което кара показалеца да се движи.
Цифровите термометри използват термочувствителни течни кристали за задействане на цифрови температурни дисплеи.
Връзка между температурата и вътрешната енергия
Докато температурата е мярка за средната кинетична енергия на молекула, вътрешната енергия е сумата от всички кинетични и потенциални енергии на молекулите. За идеален газ, където потенциалната енергия на частиците поради взаимодействия е незначителна, общата вътрешна енергияЕ.се дава по формулата:
E = \ frac {3} {2} nRT
Къдетоне броят на бенките иRе универсалната газова константа = 8,3145 J / molK.
Не е изненадващо, че с повишаване на температурата топлинната енергия се увеличава. От тази връзка става ясно и защо е важна скалата на Келвин. Вътрешната енергия трябва да бъде всякаква стойност 0 или по-голяма. Никога няма да има смисъл то да е отрицателно. Неизползването на скалата на Келвин би усложнило вътрешното енергийно уравнение и би изисквало добавяне на константа, за да се коригира. Вътрешната енергия става 0 при абсолютно 0 К.