Θερμοκρασία (Φυσική): Ορισμός, τύπος και παραδείγματα

Μπορεί να έχετε ήδη μια διαισθητική αίσθηση ότι η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της «ψυχρότητας» ή της «ζεστασιάς» ενός αντικειμένου. Πολλοί άνθρωποι έχουν εμμονή με τον έλεγχο της πρόβλεψης, ώστε να γνωρίζουν ποια θα είναι η θερμοκρασία για την ημέρα. Αλλά τι σημαίνει πραγματικά η θερμοκρασία στη φυσική;

Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας ανά μόριο σε μια ουσία. Διαφέρει από τη θερμότητα, αν και οι δύο ποσότητες σχετίζονται στενά. Η θερμότητα είναι η ενέργεια που μεταφέρεται μεταξύ δύο αντικειμένων σε διαφορετικές θερμοκρασίες.

Οποιαδήποτε φυσική ουσία στην οποία μπορείτε να αποδώσετε την ιδιότητα της θερμοκρασίας αποτελείται από άτομα και μόρια. Αυτά τα άτομα και τα μόρια δεν παραμένουν ακίνητα, ακόμη και σε στερεά. Κινούνται συνεχώς και τρελαίνονται, αλλά η κίνηση συμβαίνει σε τόσο μικρή κλίμακα που δεν μπορείτε να την δείτε.

Όπως πιθανώς θυμάστε από τη μελέτη της μηχανικής, τα αντικείμενα σε κίνηση έχουν μια μορφή ενέργειας που ονομάζεταικινητική ενέργεια

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές κλίμακες με τις οποίες μπορείτε να μετρήσετε τη θερμοκρασία, αλλά οι πιο συνηθισμένες είναι Fahrenheit, Celsius και Kelvin.

Η κλίμακα Fahrenheit είναι αυτό που γνωρίζουν όσοι ζουν στις Ηνωμένες Πολιτείες και σε μερικές άλλες χώρες. Σε αυτήν την κλίμακα το νερό παγώνει στους 32 βαθμούς Φαρενάιτ και η θερμοκρασία του βραστού νερού είναι 212 Φ.

Η κλίμακα Κελσίου (μερικές φορές αναφέρεται και ως Κελσίου) χρησιμοποιείται στις περισσότερες άλλες χώρες του κόσμου. Σε αυτήν την κλίμακα το σημείο ψύξης του νερού είναι στους 0 C και το σημείο βρασμού του νερού είναι στους 100 C.

Η κλίμακα Kelvin, που ονομάστηκε για τον Λόρδο Kelvin, είναι το επιστημονικό πρότυπο. Το μηδέν σε αυτήν την κλίμακα είναι στο απόλυτο μηδέν, όπου σταματά όλη η μοριακή κίνηση. Θεωρείται απόλυτη κλίμακα θερμοκρασίας.

Για να μετατρέψετε από Κελσίου σε Φαρενάιτ, χρησιμοποιήστε την ακόλουθη σχέση:

ΟπουΤ​_​φά​ είναι η θερμοκρασία σε Fahrenheit, καιΤ_ντοείναι η θερμοκρασία σε Κελσίου. Για παράδειγμα, 20 βαθμοί Κελσίου ισοδυναμεί με:

Για μετατροπή προς την άλλη κατεύθυνση, από Φαρενάιτ σε Κελσίου, χρησιμοποιήστε τα εξής:

Για να μετατρέψετε από Κελσίου σε Kelvin, ο τύπος είναι ακόμη πιο απλός, επειδή το μέγεθος αύξησης είναι το ίδιο και έχουν απλώς διαφορετικές τιμές εκκίνησης:

• Σε πολλές εκφράσεις στη θερμοδυναμική, η σημαντική ποσότητα είναιΔΤ(η αλλαγή θερμοκρασίας) σε αντίθεση με την ίδια την απόλυτη θερμοκρασία. Επειδή ο βαθμός Κελσίου είναι το ίδιο μέγεθος με μια αύξηση στην κλίμακα Kelvin,ΔΤ_κ​ = ​ΔΤ_ντο, που σημαίνει ότι αυτές οι μονάδες μπορούν να χρησιμοποιηθούν εναλλάξιμες σε αυτές τις περιπτώσεις. Ωστόσο, όποτε απαιτείται απόλυτη θερμοκρασία, πρέπει να βρίσκεται στο Kelvin.

Όταν δύο αντικείμενα σε διαφορετικές θερμοκρασίες έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, θα πραγματοποιηθεί μεταφορά θερμότητας, με θερμότητα ρέει από το αντικείμενο στην υψηλότερη θερμοκρασία προς το αντικείμενο στην χαμηλότερη θερμοκρασία έως ότου είναι η θερμική ισορροπία έφτασε.

Αυτή η μεταφορά συμβαίνει λόγω συγκρούσεων μεταξύ των μορίων υψηλότερης ενέργειας στο θερμό αντικείμενο με τα μόρια χαμηλότερης ενέργειας στο ψυχρότερο αντικείμενο, μεταφέροντας ενέργεια σε στη διαδικασία μέχρι να εμφανιστούν αρκετές τυχαίες συγκρούσεις μεταξύ μορίων στα υλικά που η ενέργεια κατανέμεται εξίσου μεταξύ των αντικειμένων ή ουσίες. Ως αποτέλεσμα, επιτυγχάνεται μια νέα τελική θερμοκρασία, η οποία βρίσκεται μεταξύ των αρχικών θερμοκρασιών των καυτών και των δροσερών αντικειμένων.

Ένας άλλος τρόπος να το σκεφτούμε είναι ότι η συνολική ενέργεια που περιέχεται και στις δύο ουσίες τελικά κατανέμεται εξίσου μεταξύ των ουσιών.

Η τελική θερμοκρασία δύο αντικειμένων σε διαφορετικές αρχικές θερμοκρασίες μόλις φτάσουν στη θερμική ισορροπία μπορεί να βρεθεί χρησιμοποιώντας τη σχέση μεταξύ της θερμικής ενέργειαςΕρ, ειδική θερμοχωρητικότηταντο, μάζαΜκαι η αλλαγή θερμοκρασίας που δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση:

​Παράδειγμα:Ας υποθέσουμε ότι 0,1 κιλά χαλκού πένες (ντο_ντο= 390 J / kgK) στους 50 βαθμούς Κελσίου πέφτουν σε 0,1 kg νερού (ντο_β= 4,186 J / kgK) στους 20 βαθμούς Κελσίου. Ποια θα είναι η τελική θερμοκρασία μόλις επιτευχθεί θερμική ισορροπία;

Λύση: Λάβετε υπόψη ότι η θερμότητα που προστίθεται στο νερό από τις πένες θα ισούται με τη θερμότητα που απομακρύνεται από τις πένες. Έτσι, εάν το νερό απορροφά θερμότηταΕρ_βόπου:

Στη συνέχεια, για τις χάλκινες πένες:

Αυτό σας επιτρέπει να γράψετε τη σχέση:

Στη συνέχεια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το γεγονός ότι τόσο οι χάλκινες πένες όσο και το νερό πρέπει να έχουν την ίδια τελική θερμοκρασία,Τ_φά, έτσι ώστε:

Συνδέοντας αυτάΔΤεκφράσεις στην προηγούμενη εξίσωση, μπορείτε στη συνέχεια να λύσετεΤ_φά. Μια μικρή άλγεβρα δίνει το ακόλουθο αποτέλεσμα:

Η σύνδεση με τις τιμές δίνει στη συνέχεια:

Σημείωση: Εάν εκπλαγείτε που η τιμή είναι τόσο κοντά στην αρχική θερμοκρασία του νερού, λάβετε υπόψη τις σημαντικές διαφορές μεταξύ της συγκεκριμένης θερμότητας του νερού και της συγκεκριμένης θερμότητας του χαλκού. Χρειάζεται πολύ περισσότερη ενέργεια για να προκαλέσει αλλαγή θερμοκρασίας στο νερό από ό, τι για να προκαλέσει αλλαγή θερμοκρασίας στο χαλκό.

Τα παλιομοδίτικα θερμόμετρα υδραργύρου υδραργύρου μετρούν τη θερμοκρασία χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες θερμικής διαστολής του υδραργύρου. Ο υδράργυρος διαστέλλεται όταν ζεσταίνεται και συστέλλεται όταν κρυώσει (και σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό από το θερμόμετρο γυαλιού που περιέχει.) Έτσι, καθώς ο υδράργυρος διαστέλλεται, ανεβαίνει μέσα στον γυάλινο σωλήνα, επιτρέποντας μέτρηση.

Τα θερμόμετρα άνοιξη - αυτά που συνήθως έχουν κυκλική όψη με μεταλλικό δείκτη - λειτουργούν επίσης από την αρχή της θερμικής διαστολής. Περιέχουν ένα κομμάτι κουλουριασμένου μετάλλου που διαστέλλεται και ψύχεται με βάση τη θερμοκρασία, προκαλώντας την κίνηση του δείκτη.

Τα ψηφιακά θερμόμετρα χρησιμοποιούν υγρούς κρύσταλλους ευαίσθητους στη θερμότητα για να ενεργοποιήσουν ψηφιακές οθόνες θερμοκρασίας.

Ενώ η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας ανά μόριο, η εσωτερική ενέργεια είναι το σύνολο όλων των κινητικών και πιθανών ενεργειών των μορίων. Για ένα ιδανικό αέριο, όπου η πιθανή ενέργεια των σωματιδίων λόγω αλληλεπιδράσεων είναι αμελητέα, η συνολική εσωτερική ενέργειαμιδίνεται από τον τύπο:

Οπουνείναι ο αριθμός των γραμμομορίων καιΡείναι η γενική σταθερά αερίου = 8,3145 J / molK.

Δεν αποτελεί έκπληξη, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η θερμική ενέργεια αυξάνεται. Αυτή η σχέση καθιστά επίσης σαφές γιατί η κλίμακα Kelvin είναι σημαντική. Η εσωτερική ενέργεια πρέπει να έχει οποιαδήποτε τιμή 0 ή μεγαλύτερη. Δεν θα είχε νόημα να είναι αρνητικό. Η μη χρήση της κλίμακας Kelvin θα περιπλέξει την εσωτερική ενεργειακή εξίσωση και θα απαιτήσει την προσθήκη μιας σταθεράς για τη διόρθωσή της. Η εσωτερική ενέργεια γίνεται 0 σε απόλυτο 0 K.