Lämpötila (fysiikka): Määritelmä, kaava ja esimerkkejä

Sinulla voi jo olla intuitiivinen tunne, että lämpötila mittaa kohteen "kylmyyttä" tai "kuumuutta". Monet ihmiset ovat pakkomielteisiä ennusteen tarkistamiseen, jotta he tietävät päivän lämpötilan. Mutta mitä lämpötila todella tarkoittaa fysiikassa?

Lämpötila on aineen keskimääräisen kineettisen energian mitta molekyyliä kohti. Se eroaa lämmöstä, vaikka nämä kaksi määrää ovat läheisesti yhteydessä toisiinsa. Lämpö on kahden kohteen välillä eri lämpötiloissa siirtyvä energia.

Kaikki fyysiset aineet, joille voit määrätä lämpötilan ominaisuuden, on valmistettu atomeista ja molekyyleistä. Nuo atomit ja molekyylit eivät pysy paikallaan edes kiinteässä aineessa. He liikkuvat jatkuvasti ja heiluttavat ympäriinsä, mutta liike tapahtuu niin pienessä mittakaavassa, että et näe sitä.

Kuten luultavasti muistat mekaniikkatutkimuksestasi, liikkuvilla esineillä on energiamuoto, jota kutsutaankineettinen energiajoka liittyy sekä niiden massaan että siihen, kuinka nopeasti he liikkuvat. Joten kun lämpötilaa kuvataan keskimääräiseksi kineettiseksi energiaksi molekyyliä kohti, kuvataan tähän molekyyliliikkeeseen liittyvää energiaa.

Lämpötilaa voidaan mitata monilla eri asteikoilla, mutta yleisimmät ovat Fahrenheit, Celsius ja Kelvin.

Fahrenheit-asteikko tunnetaan parhaiten Yhdysvalloissa ja muutamissa muissa maissa asuvista. Tässä mittakaavassa vesi jäätyy 32 astetta Fahrenheit-astetta ja kiehuvan veden lämpötila on 212 F.

Celsius-asteikkoa (jota kutsutaan joskus myös asteeksi) käytetään useimmissa muissa maissa ympäri maailmaa. Tässä asteikossa veden jäätymispiste on 0 C ja veden kiehumispiste 100 C.

Lord Kelvinille nimetty Kelvin-asteikko on tieteellinen standardi. Tämän asteikon nolla on absoluuttisella nollalla, missä kaikki molekyyliliikkeet pysähtyvät. Sitä pidetään absoluuttisena lämpötila-asteikkona.

Muunna Celsiuksesta Fahrenheitiksi käyttämällä seuraavaa suhdetta:

MissäT​_​F​ on lämpötila Fahrenheitissa jaT_Con lämpötila celsiusasteina. Esimerkiksi 20 astetta vastaa:

Muunna toiseen suuntaan, Fahrenheitista Celsiukseen, käyttämällä seuraavaa:

Muunna Celsiuksesta Kelviniksi kaava on vielä yksinkertaisempi, koska kasvun koko on sama, ja niillä on vain erilaiset lähtöarvot:

• Termodynamiikan monissa ilmaisuissa tärkeä määrä onΔT(lämpötilan muutos) toisin kuin itse absoluuttinen lämpötila. Koska Celsius-aste on saman kokoinen kuin Kelvin-asteikon lisäys,ΔT_K​ = ​ΔT_C, mikä tarkoittaa, että näitä yksiköitä voidaan käyttää vaihdettavissa näissä tapauksissa. Kuitenkin milloin tahansa absoluuttista lämpötilaa vaaditaan, sen on oltava kelvineinä.

Kun kaksi eri lämpötilassa olevaa esinettä ovat kosketuksessa toistensa kanssa, lämmönsiirto tapahtuu lämmön kanssa virtaa esineestä korkeammassa lämpötilassa esineeseen alemmassa lämpötilassa, kunnes lämpö tasapaino on saavuttanut.

Tämä siirto tapahtuu kuuman kohteen korkeamman energiamolekyylin ja viileämmän objektin matalamman energiamolekyylin törmäysten vuoksi ne prosessissa, kunnes materiaaleissa on tapahtunut tarpeeksi satunnaisia ​​törmäyksiä, jotta energia jakautuu tasaisesti esineiden tai aineita. Tämän seurauksena saavutetaan uusi loppulämpötila, joka on kuumien ja viileiden esineiden alkuperäisten lämpötilojen välillä.

Toinen tapa ajatella tätä on, että molempien aineiden sisältämä kokonaisenergia jakautuu lopulta tasaisesti aineiden välillä.

Kahden kohteen lopullinen lämpötila eri alkulämpötiloissa, kun ne ovat saavuttaneet lämpötasapainon, voidaan löytää käyttämällä lämpöenergian suhdettaQ, ominaislämpökapasiteettic, massamja lämpötilan muutos seuraavan yhtälön avulla:

​Esimerkki:Oletetaan, että 0,1 kg kuparipenniä (c_c= 390 J / kgK) tiputetaan 50 celsiusasteessa 0,1 kg veteen (c_w= 4,186 J / kgK) lämpötilassa 20 celsiusastetta. Mikä on lopullinen lämpötila, kun terminen tasapaino saavutetaan?

Ratkaisu: Harkitse, että senttien veteen lisätty lämpö on yhtä suuri kuin senttien poistettu lämpö. Joten jos vesi imee lämpöäQ_wmissä:

Sitten kuparipennille:

Tämän avulla voit kirjoittaa suhteen:

Sitten voit hyödyntää sitä, että sekä kuparipennillä että vedellä on oltava sama lopullinen lämpötila,T_f, siten että:

Liittämällä nämäΔTlausekkeita edelliseen yhtälöön, voit sitten ratkaistaT_f. Pieni algebra antaa seuraavan tuloksen:

Kytkemällä arvot saadaan sitten:

Huomaa: Jos olet yllättynyt siitä, että arvo on niin lähellä veden alkulämpötilaa, ota huomioon veden ominaislämmön ja kuparin ominaislämmön väliset merkittävät erot. Veden lämpötilan muutoksen aikaansaaminen vie paljon enemmän energiaa kuin kuparin lämpötilan muutos.

Vanhanaikaiset lasisipulilämpömittarit mittaavat lämpötilaa hyödyntämällä elohopean lämpölaajenemisominaisuuksia. Elohopea laajenee lämpimänä ja supistuu viileänä (ja paljon enemmän kuin lasilämpömittari jonka elohopea laajenee, se nousee lasiputken sisään sallien mittaus.

Jousilämpömittarit - ne, joilla on yleensä pyöreä pinta metalliosoittimella - toimivat myös lämpölaajenemisperiaatteen ulkopuolella. Ne sisältävät käämin metallikappaletta, joka laajenee ja jäähtyy lämpötilan perusteella aiheuttaen osoittimen liikkumisen.

Digitaaliset lämpömittarit käyttävät lämpöherkkiä nestekiteitä digitaalisten lämpötilanäyttöjen käynnistämiseen.

Vaikka lämpötila on keskimääräisen kineettisen energian mitta molekyyliä kohden, sisäinen energia on molekyylien kaikkien kineettisten ja potentiaalienergioiden summa. Ihanteelliselle kaasulle, jossa vuorovaikutuksesta johtuva hiukkasten potentiaalinen energia on merkityksetön, sisäinen kokonaisenergiaEsaadaan kaavalla:

Missänon moolien jaRon yleinen kaasuvakio = 8,3145 J / molK.

Ei ole yllättävää, että lämpötilan noustessa lämpöenergia kasvaa. Tämä suhde tekee myös selväksi, miksi Kelvin-asteikko on tärkeä. Sisäisen energian tulisi olla mikä tahansa arvo 0 tai suurempi. Ei olisi koskaan järkevää olla negatiivinen. Kelvin-asteikon käyttämättä jättäminen vaikeuttaa sisäistä energiayhtälöä ja vaatii vakion lisäämisen sen korjaamiseksi. Sisäisestä energiasta tulee 0 absoluuttisella 0 K.