Lehet, hogy már megérzi, hogy a hőmérséklet a tárgy "hidegségének" vagy "forróságának" mértéke. Sok ember megszállottja az előrejelzés ellenőrzése, így tudják, milyen hőmérséklet lesz aznap. De mit jelent valójában a hőmérséklet a fizikában?
A hőmérséklet meghatározása
A hőmérséklet az anyag molekulájára jutó átlagos kinetikus energia mértéke. Ez különbözik a hőtől, bár a két mennyiség szorosan összefügg. A hő két objektum között, különböző hőmérsékleteken átvitt energia.
Bármely fizikai anyag, amelynek tulajdoníthatja a hőmérséklet tulajdonságát, atomokból és molekulákból áll. Ezek az atomok és molekulák még szilárd anyagban sem maradnak helyben. Folyamatosan mozognak és kirándulnak, de a mozgás olyan kicsiben történik, hogy nem látja.
Ahogy valószínűleg a mechanika tanulmányából felidézi, a mozgásban lévő tárgyaknak van egy energiaformájakinetikus energiaami mind a tömegükhöz, mind a sebességükhöz kapcsolódik. Tehát, amikor a hőmérsékletet molekulánként átlagos kinetikus energiaként írják le, akkor a molekuláris mozgáshoz kapcsolódó energiát írják le.
Hőmérséklet mérlegek
Sokféle skála létezik, amelyekkel mérheti a hőmérsékletet, de a leggyakoribbak a Fahrenheit, a Celsius és a Kelvin.
A Fahrenheit-skála az, aki leginkább az Egyesült Államokban és néhány más országban él. Ezen a skálán a víz 32 Fahrenheit fokon fagy, a forrásban lévő víz hőmérséklete 212 F.
A Celsius-skálát (amelyet néha centigrádnak is neveznek) a világ legtöbb más országában használják. Ezen a skálán a víz fagyáspontja 0 C, a forrás forráspontja 100 C.
Az Lord Kelvinnek elnevezett Kelvin-skála a tudományos szabvány. Ezen a skálán a nulla abszolút nulla, ahol az összes molekuláris mozgás megáll. Abszolút hőmérsékleti skálának számít.
Átalakítás a hőmérsékleti skálák között
A Celsius-ról Fahrenheit-re való konvertáláshoz használja a következő kapcsolatot:
T_F = \ frac {9} {5} T_C + 32
HolTF a hőmérséklet Fahrenheitben, ésTCa hőmérséklet Celsius-fokban. Például 20 Celsius fok egyenértékű:
T_F = \ frac {9} {5} 20 + 32 = 68 \ szöveg {Fahrenheit fok.}
A másik irányba történő átváltáshoz, Fahrenheit-ről Celsiusra, használja a következőket:
T_C = \ frac {5} {9} (T_F - 32)
A Celsiusról Kelvinre való átszámításhoz a képlet még egyszerűbb, mert a növekmény mérete megegyezik, és csak különböző kiindulási értékekkel rendelkeznek:
T_K = T_C + 273,15
Tippek
A termodinamika számos kifejezésében a fontos mennyiség azΔT(a hőmérséklet változása) ellentétben magával az abszolút hőmérséklettel. Mivel a Celsius-fok akkora, mint a Kelvin-skála növekménye,ΔTK = ΔTC, vagyis ezek az egységek felcserélhetők abban az esetben. Bármikor szükség van abszolút hőmérsékletre, annak Kelvinben kell lennie.
Hőátadás
Amikor két, különböző hőmérsékletű tárgy érintkezik egymással, hőátadás történik, hővel a magasabb hőmérsékleten lévő tárgyról az alacsonyabb hőmérsékletű tárgyra áramlik, amíg a hőegyensúly meg nem lesz elérte.
Ez az átadás a forró tárgyban lévő nagyobb energiájú molekulák és a hűvösebb tárgyban lévő alacsonyabb energiájú molekulák ütközése miatt következik be, energiát továbbítva a mindaddig, amíg elegendő véletlenszerű ütközés nem következik be az anyagokban lévő molekulák között, hogy az energia egyenletesen oszlik el a tárgyak között, anyagok. Ennek eredményeként új végső hőmérsékletet érnek el, amely a forró és a hűvös tárgyak eredeti hőmérséklete között helyezkedik el.
Egy másik módszer erre gondolni, hogy a mindkét anyagban lévő összes energia végül egyenlően oszlik el az anyagok között.
Két objektum végső hőmérséklete különböző kezdeti hőmérsékleteken, ha elérik a hőegyensúlyt, megtalálható a hőenergia kapcsolatának felhasználásávalQ, fajlagos hőkapacitásc, tömegmés a hőmérsékletváltozást az alábbi egyenlettel adjuk meg:
Q = mc \ Delta T
Példa:Tegyük fel, hogy 0,1 kg réz fillér (cc= 390 J / kgK) 50 Celsius-fokon 0,1 kg vízbe (cw= 4,186 J / kgK) 20 Celsius-fokon. Mekkora lesz a végső hőmérséklet a hőegyensúly elérése után?
Megoldás: Vegye figyelembe, hogy a fillérekből a vízbe adott hő megegyezik a fillérekből eltávolított hővel. Tehát ha a víz elnyeli a hőtQwhol:
Q_w = m_wc_w \ Delta T_w
Aztán a réz fillérekért:
Q_c = -Q_w = m_cc_c \ Delta T_c
Ez lehetővé teszi a kapcsolat megírását:
m_cc_c \ Delta T_c = -m_wc_w \ Delta T_w
Akkor felhasználhatja azt a tényt, hogy a réz filléreknek és a víznek is azonos véghőmérsékletűnek kell lennie,Tf, oly módon, hogy:
\ Delta T_c = T_f-T_ {ic} \\\ Delta T_w = T_f-T_ {iw}
Csatlakoztassa ezeketΔTkifejezéseket az előző egyenletbe, akkor megoldhatjaTf. Egy kis algebra a következő eredményt adja:
T_f = \ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
Az értékek bedugása ekkor a következőket adja:
Megjegyzés: Ha meglepődik, hogy az érték olyan közel van a víz kezdeti hőmérsékletéhez, vegye figyelembe a víz és a réz fajhője közötti jelentős különbségeket. Sokkal több energiára van szükség a víz hőmérséklet-változásának előidézéséhez, mint a réz hőmérséklet-változásához.
Hogyan működnek a hőmérők
Régimódi üveghagymás higanymérők mérik a hőmérsékletet a higany hőtágulási tulajdonságainak felhasználásával. A higany meleg állapotban tágul és hűvös állapotban összehúzódik (és sokkal nagyobb mértékben, mint az üveghőmérő amely tartalmazza.) Tehát ahogy a higany tágul, az üvegcső belsejében emelkedik, lehetővé téve mérés.
A rugós hőmérők - amelyek általában kör alakúak és fém mutatóval rendelkeznek - szintén működnek a hőtágulás elvén. Tartalmaznak egy tekercselt fémdarabot, amely a hőmérséklet függvényében tágul és hűl, aminek következtében a mutató elmozdul.
A digitális hőmérők hőérzékeny folyadékkristályokat használnak a digitális hőmérséklet-kijelzők elindításához.
A hőmérséklet és a belső energia kapcsolata
Míg a hőmérséklet a molekulánkénti átlagos kinetikus energia mértéke, a belső energia a molekulák összes kinetikus és potenciális energiájának összessége. Ideális gáz esetében, ahol a részecskék kölcsönhatásokból adódó potenciális energiája elhanyagolható, a teljes belső energiaEképlet adja meg:
E = \ frac {3} {2} nRT
Holnaz anyajegyek száma ésRaz univerzális gázállandó = 8,3145 J / molK.
Nem meglepő, hogy a hőmérséklet növekedésével nő a hőenergia. Ez a kapcsolat világossá teszi azt is, hogy miért fontos a Kelvin-skála. A belső energiának bármilyen értéknek 0-nak vagy nagyobbnak kell lennie. Soha nem lenne értelme negatívnak lenni. A Kelvin-skála hiánya bonyolítja a belső energiaegyenletet, és korrekcióhoz állandó hozzáadását igényli. A belső energia 0 lesz abszolút 0 K értéknél.