Teplota (fyzika): Definice, vzorec a příklady

Možná už máte intuitivní pocit, že teplota je měřítkem „chladu“ nebo „horkosti“ objektu. Mnoho lidí je posedlých kontrolou předpovědi, aby věděli, jaká bude teplota za den. Co ale ve fyzice vlastně znamená teplota?

Teplota je měřítkem průměrné kinetické energie na molekulu v látce. Liší se od tepla, i když obě veličiny spolu úzce souvisejí. Teplo je energie přenášená mezi dvěma objekty při různých teplotách.

Jakákoli fyzikální látka, které byste mohli připisovat vlastnost teploty, je tvořena atomy a molekulami. Tyto atomy a molekuly nezůstávají v klidu, ani v pevné látce. Neustále se pohybují a vrtí kolem, ale pohyb se děje v tak malém měřítku, že to nevidíte.

Jak si pravděpodobně pamatujete ze svého studia mechaniky, objekty v pohybu mají tzv. Formu energieKinetická energieto je spojeno jak s jejich hmotou, tak s tím, jak rychle se pohybují. Když je tedy teplota popsána jako průměrná kinetická energie na molekulu, je popsána energie spojená s tímto molekulárním pohybem.

Existuje mnoho různých stupnic, pomocí kterých můžete měřit teplotu, ale nejběžnější jsou Fahrenheit, Celsius a Kelvin.

Stupnice Fahrenheita je to, co ti, kdo žijí ve Spojených státech a několika dalších zemích, nejvíce znají. V tomto měřítku voda zmrzne na 32 stupňů Fahrenheita a teplota vroucí vody je 212 F.

Stupnice Celsia (někdy také označovaná jako Celsia) se používá ve většině ostatních zemí světa. Na této stupnici je bod tuhnutí vody při 0 ° C a bod varu vody při 100 ° C.

Kelvinova stupnice, pojmenovaná pro lorda Kelvina, je vědecký standard. Nula na této stupnici je na absolutní nule, což je místo, kde se zastaví veškerý molekulární pohyb. Považuje se to za absolutní teplotní stupnici.

Chcete-li převést z Celsia na Fahrenheita, použijte následující vztah:

KdeT​_​F​ je teplota ve stupních Fahrenheita aT_Cje teplota ve stupních Celsia. Například 20 stupňů Celsia odpovídá:

Chcete-li převést opačným směrem, z Fahrenheita na Celsia, použijte následující postup:

Chcete-li převést z Celsia na Kelvina, je vzorec ještě jednodušší, protože velikost přírůstku je stejná a mají pouze různé počáteční hodnoty:

• V mnoha termodynamických výrazech je důležitá veličinaΔT(změna teploty) na rozdíl od samotné absolutní teploty. Protože stupeň Celsia má stejnou velikost jako přírůstek na Kelvinově stupnici,ΔT_K.​ = ​ΔT_C, což znamená, že v těchto případech lze tyto jednotky použít zaměnitelně. Kdykoli je však nutná absolutní teplota, musí být v Kelvinech.

Když jsou dva objekty při různých teplotách ve vzájemném kontaktu, dojde k přenosu tepla s teplem proudící z objektu při vyšší teplotě do objektu při nižší teplotě, dokud není tepelná rovnováha dosáhl.

K tomuto přenosu dochází v důsledku kolizí mezi molekulami vyšší energie v horkém objektu s molekulami nižší energie v chladnějším objektu, čímž se energie přenáší na je v procesu, dokud nenastane dostatek náhodných srážek mezi molekulami v materiálech, aby se energie rovnoměrně rozložila mezi objekty nebo látky. Výsledkem je nová konečná teplota, která leží mezi původními teplotami horkých a chladných předmětů.

Další způsob, jak o tom uvažovat, je, že celková energie obsažená v obou látkách se nakonec rovnoměrně rozdělí mezi látky.

Konečnou teplotu dvou objektů při různých počátečních teplotách, jakmile dosáhnou tepelné rovnováhy, lze zjistit pomocí vztahu mezi tepelnou energiíQ, specifická tepelná kapacitaC, Hmotnostma změna teploty daná následující rovnicí:

​Příklad:Předpokládejme 0,1 kg měděných pencí (C_C= 390 J / kgK) při 50 stupních Celsia se nakapou do 0,1 kg vody (C_w= 4 186 J / kg K) při 20 stupních Celsia. Jaká bude konečná teplota po dosažení tepelné rovnováhy?

Řešení: Vezměte v úvahu, že teplo přidané do vody z haléře se bude rovnat teplu odebranému z haléře. Pokud tedy voda absorbuje teploQ_wkde:

Pak pro měděné haléře:

To vám umožní napsat vztah:

Pak můžete využít skutečnosti, že měděné haléře i voda by měly mít stejnou konečnou teplotu,T_Ftakové, že:

Zapojením těchtoΔTvýrazy do předchozí rovnice, které pak můžete vyřešitT_F. Malá algebra dává následující výsledek:

Připojením hodnot pak získáte:

Poznámka: Pokud vás překvapilo, že se hodnota tak blíží počáteční teplotě vody, zvažte významné rozdíly mezi měrným teplem vody a měrným teplem. Vyvolání změny teploty ve vodě vyžaduje mnohem více energie než vyvolání změny teploty ve mědi.

Staromódní rtuťové teploměry se skleněnými baňkami měří teplotu pomocí vlastností tepelné roztažnosti rtuti. Rtuť se za tepla rozpíná a za studena smršťuje (a v mnohem větší míře než skleněný teploměr který ji obsahuje.) Takže jak se rtuť rozpíná, stoupá uvnitř skleněné trubice, což umožňuje měření.

Pružinové teploměry - ty, které mají obvykle kruhovou plochu s kovovým ukazatelem - také fungují na principu tepelné roztažnosti. Obsahují kousek stočeného kovu, který se rozpíná a ochlazuje na základě teploty, což způsobuje pohyb ukazatele.

Digitální teploměry využívají ke spouštění digitálních teplotních displejů tekuté krystaly citlivé na teplo.

Zatímco teplota je měřítkem průměrné kinetické energie na molekulu, vnitřní energie je souhrnem všech kinetických a potenciálních energií molekul. Pro ideální plyn, kde je potenciální energie částic v důsledku interakcí zanedbatelná, celková vnitřní energieEje dáno vzorcem:

Kdenje počet krtků aRje univerzální plynová konstanta = 8,1445 J / molK.

Není divu, že s rostoucí teplotou se zvyšuje tepelná energie. Tento vztah také objasňuje, proč je Kelvinova stupnice důležitá. Vnitřní energie by měla být jakákoli hodnota 0 nebo vyšší. Nikdy by nemělo smysl, aby to bylo negativní. Nepoužívání Kelvinovy ​​stupnice by komplikovalo rovnici vnitřní energie a vyžadovalo by přidání konstanty, která by ji opravila. Vnitřní energie se stane 0 při absolutní 0 K.