Temperatur (fysik): Definition, formel og eksempler

Du har måske allerede en intuitiv fornemmelse af, at temperaturen er et mål for "kulde" eller "hotness" af et objekt. Mange mennesker er besat af at kontrollere prognosen, så de ved, hvad temperaturen vil være for dagen. Men hvad betyder temperatur egentlig i fysik?

Temperatur er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Molekyle i et stof. Det er forskelligt fra varme, selvom de to mængder er nært beslægtede. Varme er den energi, der overføres mellem to objekter ved forskellige temperaturer.

Ethvert fysisk stof, som du kan tilskrive egenskaben ved temperatur, er lavet af atomer og molekyler. Disse atomer og molekyler forbliver ikke stille, selv ikke i et fast stof. De bevæger sig konstant og fniser rundt, men bevægelsen sker i en så lille skala, at du ikke kan se den.

Som du sandsynligvis husker fra dit studie af mekanik, har objekter i bevægelse en form for energi kaldetkinetisk energider er forbundet med både deres masse og hvor hurtigt de bevæger sig. Så når temperaturen beskrives som gennemsnitlig kinetisk energi pr. Molekyle, er det energien forbundet med denne molekylære bevægelse, der beskrives.

Der er mange forskellige skalaer, hvormed du måske måler temperaturen, men de mest almindelige er Fahrenheit, Celsius og Kelvin.

Fahrenheit-skalaen er, hvad de, der bor i USA og et par andre lande, er mest fortrolige med. På denne skala fryser vand ved 32 grader Fahrenheit, og temperaturen i kogende vand er 212 F.

Celsius-skalaen (undertiden også kaldet celsius) bruges i de fleste andre lande rundt om i verden. På denne skala er frysepunktet for vand ved 0 C og vandets kogepunkt er 100 C.

Kelvin-skalaen, opkaldt efter Lord Kelvin, er den videnskabelige standard. Nul på denne skala er på absolut nul, det er her al molekylær bevægelse stopper. Det betragtes som en absolut temperaturskala.

For at konvertere fra Celsius til Fahrenheit skal du bruge følgende forhold:

HvorT​_​F​ er temperaturen i Fahrenheit, ogT_Cer temperaturen i Celsius. For eksempel svarer 20 grader Celsius til:

For at konvertere i den anden retning, fra Fahrenheit til Celsius, skal du bruge følgende:

For at konvertere fra Celsius til Kelvin er formlen endnu enklere, fordi stigningsstørrelsen er den samme, og de har bare forskellige startværdier:

• I mange udtryk inden for termodynamik er den vigtige mængdeAT(ændringen i temperatur) i modsætning til selve den absolutte temperatur. Fordi Celsius-graden er den samme størrelse som en forøgelse på Kelvin-skalaen,AT_K​ = ​AT_C, hvilket betyder, at disse enheder kan bruges udskiftelige i disse tilfælde. Men når som helst en absolut temperatur kræves, skal den være i Kelvin.

Når to objekter ved forskellige temperaturer er i kontakt med hinanden, vil der forekomme varmeoverførsel med varme flyder fra objektet ved den højere temperatur til objektet ved den lavere temperatur, indtil termisk ligevægt er nået.

Denne overførsel sker på grund af kollisioner mellem de højere energimolekyler i den varme genstand med de lavere energimolekyler i den køligere genstand og overfører energi til dem i processen, indtil der er sket nok tilfældige kollisioner mellem molekyler i materialerne, at energien bliver ligeligt fordelt mellem objekterne eller stoffer. Som et resultat opnås en ny endelig temperatur, der ligger mellem de originale temperaturer på de varme og de kølige genstande.

En anden måde at tænke på dette er, at den samlede energi indeholdt i begge stoffer til sidst bliver ligeligt fordelt mellem stofferne.

Den endelige temperatur på to objekter ved forskellige starttemperaturer, når de når termisk ligevægt, kan findes ved at bruge forholdet mellem varmeenergiSpørgsmål, specifik varmekapacitetc, massemog temperaturændringen givet ved følgende ligning:

​Eksempel:Antag 0,1 kg kobber øre (c_c= 390 J / kgK) ved 50 grader Celsius falder ned i 0,1 kg vand (c_w= 4.186 J / kgK) ved 20 grader Celsius. Hvad vil den endelige temperatur være, når den termiske ligevægt er opnået?

Løsning: Overvej, at varmen, der tilsættes vandet fra øre, vil svare til varmen fjernet fra øre. Så hvis vandet absorberer varmeSpørgsmål_whvor:

Så for kobber øre:

Dette giver dig mulighed for at skrive forholdet:

Derefter kan du gøre brug af det faktum, at både kobberpennene og vandet skal have den samme endelige temperatur,T_f, sådan at:

Tilslutter disseATudtryk i den tidligere ligning, kan du derefter løse forT_f. En lille algebra giver følgende resultat:

Tilslutning af værdierne giver derefter:

Bemærk: Hvis du er overrasket over, at værdien er så tæt på vandets oprindelige temperatur, skal du overveje de signifikante forskelle mellem den specifikke varme af vand og den specifikke varme af kobber. Det tager meget mere energi at forårsage en temperaturændring i vand, end det gør at forårsage en temperaturændring i kobber.

Gammeldags kviksølvtermometre af glaspære måler temperaturen ved at bruge kviksølvets termiske ekspansionsegenskaber. Kviksølv udvides, når det er varmt og trækker sig sammen, når det er køligt (og i meget større grad end glastermometeret som indeholder det gør.) Så når kviksølvet udvides, stiger det inde i glasrøret og giver mulighed for det måling.

Fjedertermometre - dem, der normalt har en cirkulær overflade med en metalpeger - fungerer også ud fra princippet om termisk ekspansion. De indeholder et stykke oprullet metal, der udvides og afkøles baseret på temperatur, hvilket får markøren til at bevæge sig.

Digitale termometre bruger varmefølsomme flydende krystaller til at udløse digitale temperaturdisplays.

Mens temperaturen er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Molekyle, er intern energi summen af ​​alle de kinetiske og potentielle energier af molekylerne. For en ideel gas, hvor den potentielle energi af partiklerne på grund af interaktioner er ubetydelig, den samlede interne energiEer givet ved formlen:

Hvorner antallet af mol ogRer den universelle gaskonstant = 8,3145 J / molK.

Ikke overraskende, når temperaturen stiger, stiger termisk energi. Dette forhold gør det også klart, hvorfor Kelvin-skalaen er vigtig. Den interne energi skal være enhver værdi 0 eller større. Det ville aldrig give mening at det var negativt. Ikke at bruge Kelvin-skalaen ville komplicere den interne energiligning og kræve tilføjelse af en konstant for at rette den. Den indre energi bliver 0 ved absolut 0 K.