Temperatura (fizika): definicija, formula i primjeri

Možda već imate intuitivan osjećaj da je temperatura mjera "hladnoće" ili "vrućine" predmeta. Mnogi su ljudi opsjednuti provjerom prognoze kako bi znali koja će temperatura biti za taj dan. Ali što temperatura zapravo znači u fizici?

Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije po molekuli u tvari. Razlikuje se od topline, iako su dvije količine usko povezane. Toplina je energija koja se prenosi između dva predmeta na različitim temperaturama.

Bilo koja fizička tvar kojoj biste mogli pripisati svojstvo temperature sastoji se od atoma i molekula. Ti atomi i molekule ne miruju, čak ni u krutini. Stalno se kreću i vrte se, ali kretanje se događa na tako maloj razini, da ga ne možete vidjeti.

Kao što se vjerojatno sjećate iz studija mehanike, predmeti u pokretu imaju oblik energije koji se nazivakinetička energijato je povezano s njihovom masom i brzinom kretanja. Dakle, kada se temperatura opisuje kao prosječna kinetička energija po molekuli, opisuje se energija povezana s tim molekularnim kretanjem.

Postoji mnogo različitih ljestvica pomoću kojih možete mjeriti temperaturu, ali najčešće su Fahrenheit, Celzijus i Kelvin.

Fahrenheitova ljestvica je ono što su najpoznatiji onima koji žive u Sjedinjenim Državama i nekoliko drugih zemalja. Na ovoj ljestvici voda se smrzava na 32 stupnja Fahrenheita, a temperatura kipuće vode je 212 F.

Celzijeva ljestvica (ponekad se naziva i Celzijeva) koristi se u većini drugih zemalja širom svijeta. Na ovoj skali tačka smrzavanja vode je na 0 C, a tačka ključanja vode na 100 C.

Kelvinova ljestvica, nazvana po Lordu Kelvinu, znanstveni je standard. Nula na ovoj ljestvici je na apsolutnoj nuli, gdje se zaustavlja svako molekularno kretanje. Smatra se apsolutnom temperaturnom skalom.

Za pretvorbu iz Celzija u Fahrenheit upotrijebite sljedeći odnos:

GdjeT​_​F​ je temperatura u Fahrenheitu iT_Cje temperatura u Celzijusu. Na primjer, 20 Celzijevih stupnjeva ekvivalentno je:

Za pretvorbu u drugom smjeru, iz Fahrenheita u Celzijus, upotrijebite sljedeće:

Da biste pretvorili iz Celzija u Kelvina, formula je još jednostavnija, jer je veličina prirasta ista, a oni jednostavno imaju različite početne vrijednosti:

• U mnogim izrazima u termodinamici važna veličina jeΔT(promjena temperature) za razliku od same apsolutne temperature. Budući da je Celzijev stupanj iste veličine kao i prirast na Kelvinovoj ljestvici,ΔT_K​ = ​ΔT_C, što znači da se ove jedinice u tim slučajevima mogu koristiti zamjenjivo. Međutim, kad god je potrebna apsolutna temperatura, ona mora biti u Kelvinima.

Kada su dva predmeta na različitim temperaturama u međusobnom kontaktu, doći će do prijenosa topline, s toplinom teče od objekta na višoj temperaturi do objekta na nižoj temperaturi sve dok toplinska ravnoteža nije dosegla.

Ovaj prijenos nastaje zbog sudara između molekula više energije u vrućem objektu s molekulama niže energije u hladnijem objektu, prenoseći energiju na ih u procesu dok se ne dogodi dovoljno slučajnih sudara između molekula u materijalima da energija postane jednako raspoređena između predmeta ili tvari. Kao rezultat, postiže se nova konačna temperatura koja se nalazi između izvornih temperatura vrućih i hladnih predmeta.

Drugi način da se o tome razmišlja je da ukupna energija sadržana u obje tvari na kraju postane jednako raspoređena između tvari.

Konačna temperatura dvaju predmeta na različitim početnim temperaturama nakon što dosegnu toplinsku ravnotežu može se pronaći korištenjem odnosa između toplinske energijeP, specifični toplinski kapacitetc, masami promjena temperature zadana sljedećom jednadžbom:

​Primjer:Pretpostavimo da je 0,1 kg bakrenih groša (c_c= 390 J / kgK) na 50 Celzijevih stupnjeva padne u 0,1 kg vode (c_w= 4.186 J / kgK) na 20 Celzijevih stupnjeva. Kolika će biti konačna temperatura nakon postizanja toplinske ravnoteže?

Rješenje: Uzmite u obzir da će toplina dodana vodi iz novčića biti jednaka toplini uklonjenoj iz novčića. Pa ako voda upija toplinuP_wgdje:

Zatim za bakrene novčiće:

To vam omogućuje da napišete odnos:

Tada možete iskoristiti činjenicu da i bakreni peni i voda trebaju imati istu konačnu temperaturu,T_f, takav da:

Priključujući ihΔTizraze u prethodnu jednadžbu, a zatim možete riješitiT_f. Mala algebra daje sljedeći rezultat:

Priključivanje vrijednosti tada daje:

Napomena: Ako ste iznenađeni što je vrijednost toliko blizu početne temperature vode, razmotrite značajne razlike između specifične topline vode i specifične topline bakra. Potrebno je puno više energije da bi se izazvala promjena temperature u vodi nego što bi izazvalo promjenu temperature u bakru.

Staromodni termometri od staklenih žarulja mjere temperaturu koristeći se svojstvima toplinskog širenja žive. Živa se širi kad je topla i skuplja kad se hladi (i to u mnogo većem stupnju od staklenog termometra koja ga sadrži.) Dakle, dok se živa širi, ona raste unutar staklene cijevi, što joj omogućuje mjerenje.

Opružni termometri - oni koji obično imaju kružnu plohu s metalnim pokazivačem - također rade na principu toplinskog širenja. Sadrže komad namotanog metala koji se širi i hladi na temelju temperature, zbog čega se pokazivač pomiče.

Digitalni termometri upotrebljavaju tekućinske kristale osjetljive na toplinu za pokretanje digitalnih prikaza temperature.

Iako je temperatura mjera prosječne kinetičke energije po molekuli, unutarnja energija je zbroj svih kinetičkih i potencijalnih energija molekula. Za idealan plin, gdje je potencijalna energija čestica uslijed interakcija zanemariva, ukupna unutarnja energijaEdaje se formulom:

Gdjenje broj madeža iRje univerzalna plinska konstanta = 8,3145 J / molK.

Nije iznenađujuće, kako se temperatura povećava, toplinska energija raste. Ovaj odnos također jasno pokazuje zašto je važna Kelvinova ljestvica. Unutarnja energija trebala bi biti bilo koja vrijednost 0 ili veća. Nikad ne bi imalo smisla da to bude negativno. Neupotreba Kelvinove ljestvice zakomplicirala bi unutarnju energetsku jednadžbu i zahtijevala dodavanje konstante kako bi se ispravila. Unutarnja energija postaje 0 pri apsolutnih 0 K.