Teil võib juba olla intuitiivne tunne, et temperatuur on eseme "külmuse" või "kuumuse" mõõdupuu. Paljud inimesed on kinnisideeks prognoosi kontrollima, et nad teaksid, milline on selle päeva temperatuur. Kuid mida temperatuur füüsikas tegelikult tähendab?
Temperatuuri määratlus
Temperatuur on keskmise kineetilise energia mõõt aine molekulis. See erineb kuumusest, kuigi need kaks suurust on omavahel tihedalt seotud. Soojus on kahe objekti vahel erineval temperatuuril ülekantav energia.
Kõik füüsikalised ained, millele võite omistada temperatuuri omadust, koosnevad aatomitest ja molekulidest. Need aatomid ja molekulid ei püsi paigal isegi tahkes aines. Nad liiguvad pidevalt ja sebivad ringi, kuid liikumine toimub nii väikeses mahus, et te ei näe seda.
Nagu te tõenäoliselt oma mehaanika uurimisest meenute, on liikuvatel objektidel nn energia vormkineetiline energiamis on seotud nii nende massiga kui ka nende liikumise kiirusega. Niisiis, kui temperatuuri kirjeldatakse keskmise kineetilise energiana molekuli kohta, kirjeldatakse just selle molekulaarse liikumisega seotud energiat.
Temperatuuriskaalad
Temperatuuri mõõtmiseks on palju erinevaid skaalasid, kuid kõige tavalisemad on Fahrenheit, Celsius ja Kelvin.
Fahrenheiti skaala on kõige paremini tuttav neile, kes elavad Ameerika Ühendriikides ja mõnes teises riigis. Selles skaalas külmub vesi temperatuuril 32 kraadi Fahrenheiti ja keeva vee temperatuur on 212 F.
Celsiuse skaalat (mida mõnikord nimetatakse ka Celsiuse astmeks) kasutatakse enamikus teistes maailma riikides. Selles skaalas on vee külmumistemperatuur 0 C ja vee keemistemperatuur 100 C.
Lord Kelvini nime kandev Kelvini skaala on teaduslik standard. Null selles skaalas on absoluutsel nullil, kus kogu molekulaarne liikumine peatub. Seda peetakse absoluutseks temperatuuriskaalaks.
Temperatuuriskaalade teisendamine
Celsiuse järgi Fahrenheiti teisendamiseks kasutage järgmist suhet:
T_F = \ frac {9} {5} T_C + 32
KusTF on temperatuur Fahrenheiti jaTCon temperatuur Celsiuse järgi. Näiteks 20 kraadi Celsiuse järgi vastab:
T_F = \ frac {9} {5} 20 + 32 = 68 \ tekst {kraadi Fahrenheiti kraadi.}
Teises suunas teisendamiseks, Fahrenheitist Celsiuse järgi, kasutage järgmist:
T_C = \ frac {5} {9} (T_F - 32)
Celsiuse järgi kelvini teisendamiseks on valem veelgi lihtsam, kuna juurdekasvu suurus on sama ja neil on lihtsalt erinevad algväärtused:
T_K = T_C + 273,15
Näpunäited
Termodünaamika paljudes väljendites on oluline suurusΔT(temperatuuri muutus) erinevalt absoluutsest temperatuurist endast. Kuna Celsiuse kraad on sama suur kui Kelvini skaala juurdekasv,ΔTK = ΔTC, mis tähendab, et neid üksusi saab sellistel juhtudel kasutada vahetatavana. Kuid alati, kui on vaja absoluutset temperatuuri, peab see olema kelvinites.
Soojusülekanne
Kui kaks erineval temperatuuril olevat objekti on üksteisega kontaktis, toimub soojusülekanne voolab kõrgemal temperatuuril olevast objektist madalama temperatuuriga objektini, kuni termiline tasakaal on jõudnud.
See ülekanne toimub kuuma objekti kõrgema energiaga molekulide kokkupõrgete jahedama objekti madalama energiaga molekulide vahel, mis kannavad energiat üle neid protsessis seni, kuni materjalides on toimunud piisavalt juhuslikke kokkupõrkeid, et energia jaotuks objektide vahel võrdselt või aineid. Selle tulemusena saavutatakse uus lõpptemperatuur, mis jääb kuumade ja jahedate esemete esialgsete temperatuuride vahele.
Teine võimalus sellele mõelda on see, et mõlemas aines sisalduv koguenergia jaguneb lõpuks ainete vahel võrdselt.
Kahe objekti lõpptemperatuuri erinevatel algtemperatuuridel saab pärast soojusenergia tasakaalu saavutamist soojusenergia vahelise seose abilQ, erisoojusvõimsusc, massmja järgmise võrrandi abil saadud temperatuurimuutus:
Q = mc \ Delta T.
Näide:Oletame, et 0,1 kg vasest sente (cc= 390 J / kgK) 50 kraadi juures lastakse 0,1 kg vette (cw= 4 186 J / kgK) temperatuuril 20 kraadi Celsiuse järgi. Milline on lõplik temperatuur pärast termilise tasakaalu saavutamist?
Lahendus: arvestage, et sentidest vette lisatav soojus võrdub sentidest eemaldatud soojusega. Nii et kui vesi neelab soojustQwkus:
Q_w = m_wc_w \ Delta T_w
Siis vask penni jaoks:
Q_c = -Q_w = m_cc_c \ Delta T_c
See võimaldab teil suhte kirjutada:
m_cc_c \ Delta T_c = -m_wc_w \ Delta T_w
Siis saate ära kasutada asjaolu, et nii vasepennidel kui ka veel peaks olema sama lõpptemperatuur,Tf, selline, et:
\ Delta T_c = T_f-T_ {ic} \\\ Delta T_w = T_f-T_ {iw}
Nende ühendamineΔTavaldised eelmisesse võrrandisse, saate seejärel lahendadaTf. Väike algebra annab järgmise tulemuse:
T_f = \ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
Seejärel annab väärtuste ühendamine:
Märkus. Kui olete üllatunud, et väärtus on nii lähedal vee algtemperatuurile, võtke arvesse vee erisoojuse ja vase erisoojuse olulisi erinevusi. Temperatuuri muutuse tekitamiseks vees kulub palju rohkem energiat kui vase temperatuurimuutusele.
Kuidas termomeetrid töötavad
Vanamoodsad klaaspirniga elavhõbeda termomeetrid mõõdavad temperatuuri, kasutades elavhõbeda soojuspaisumisomadusi. Elavhõbe paisub soojana ja jahtudes tõmbub kokku (ja palju suuremal määral kui klaasist termomeeter mis seda sisaldab.) Nii et elavhõbe laienedes tõuseb see klaastoru sisse, võimaldades seda mõõtmine.
Kevadised termomeetrid - need, millel on tavaliselt metallist osutiga ümmargune nägu - töötavad ka soojuspaisumise põhimõttest. Need sisaldavad keerdunud metallitükki, mis paisub ja jahtub temperatuuri alusel, põhjustades kursori liikumise.
Digitaalsed termomeetrid kasutavad digitaalsete temperatuurinäidikute käivitamiseks kuumustundlikke vedelkristalle.
Temperatuuri ja siseenergia suhe
Kui temperatuur on keskmise kineetilise energia näitaja molekuli kohta, siis siseenergia on kõigi molekulide kineetiliste ja potentsiaalsete energiate koguarv. Ideaalse gaasi korral, kus osakeste potentsiaalne energia on vastastikmõjude tõttu tühine, on kogu siseenergiaEon antud valemiga:
E = \ frac {3} {2} nRT
Kusnon moolide arv jaRon universaalne gaasikonstant = 8,3145 J / molK.
Pole üllatav, et temperatuuri tõustes suureneb soojusenergia. See suhe teeb ka selgeks, miks on Kelvini skaala oluline. Sisemine energia peaks olema mis tahes väärtus 0 või suurem. Kunagi ei oleks mõtet olla negatiivne. Kelvini skaala mittekasutamine raskendaks siseenergia võrrandit ja nõuaks selle parandamiseks konstandi lisamist. Siseenergia saab 0 absoluutse 0 K juures.