Potresti già avere la sensazione intuitiva che la temperatura sia una misura del "freddo" o del "caldo" di un oggetto. Molte persone sono ossessionate dal controllare le previsioni in modo da sapere quale sarà la temperatura per la giornata. Ma cosa significa veramente la temperatura in fisica?
Definizione di temperatura
La temperatura è una misura dell'energia cinetica media per molecola in una sostanza. È diverso dal calore, sebbene le due quantità siano intimamente correlate. Il calore è l'energia trasferita tra due oggetti a temperature diverse.
Qualsiasi sostanza fisica a cui si possa attribuire la proprietà della temperatura è costituita da atomi e molecole. Quegli atomi e quelle molecole non stanno fermi, nemmeno in un solido. Si muovono e si muovono costantemente, ma il movimento avviene su una scala così piccola che non puoi vederlo.
Come probabilmente ricorderai dal tuo studio della meccanica, gli oggetti in movimento hanno una forma di energia chiamataenergia cineticache è associato sia alla loro massa che alla velocità con cui si muovono. Quindi, quando la temperatura è descritta come energia cinetica media per molecola, è l'energia associata a questo movimento molecolare che viene descritta.
Scale di temperatura
Esistono molte scale diverse con cui misurare la temperatura, ma le più comuni sono Fahrenheit, Celsius e Kelvin.
La scala Fahrenheit è quella con cui hanno più familiarità coloro che vivono negli Stati Uniti e in pochi altri paesi. Su questa scala l'acqua si congela a 32 gradi Fahrenheit e la temperatura dell'acqua bollente è di 212 F.
La scala Celsius (a volte indicata anche come centigrado) viene utilizzata nella maggior parte degli altri paesi del mondo. Su questa scala il punto di congelamento dell'acqua è a 0 C e il punto di ebollizione dell'acqua è a 100 C.
La scala Kelvin, che prende il nome da Lord Kelvin, è lo standard scientifico. Lo zero su questa scala è allo zero assoluto, che è il punto in cui si ferma tutto il movimento molecolare. È considerata una scala di temperatura assoluta.
Conversione tra scale di temperatura
Per convertire da Celsius a Fahrenheit, usa la seguente relazione:
T_F = \frac{9}{5}T_C + 32
DoveTF è la temperatura in Fahrenheit, eTCè la temperatura in gradi Celsius. Ad esempio, 20 gradi Celsius sono equivalenti a:
T_F = \frac{9}{5}20 + 32 = 68\text{ gradi Fahrenheit.}
Per convertire nell'altra direzione, da Fahrenheit a Celsius, utilizzare quanto segue:
T_C = \frac{5}{9}(T_F - 32)
Per convertire da Celsius a Kelvin, la formula è ancora più semplice perché la dimensione dell'incremento è la stessa e hanno solo valori iniziali diversi:
T_K=T_C+273,15
Suggerimenti
In molte espressioni della termodinamica, la quantità importante èT(la variazione di temperatura) rispetto alla temperatura assoluta stessa. Poiché il grado Celsius ha le stesse dimensioni di un incremento sulla scala Kelvin,TK = TC, il che significa che queste unità possono essere utilizzate in modo intercambiabile in quei casi. Tuttavia, ogni volta che è richiesta una temperatura assoluta, deve essere in Kelvin.
Trasferimento di calore
Quando due oggetti a temperature diverse sono in contatto tra loro, si verificherà un trasferimento di calore, con calore heat scorre dall'oggetto alla temperatura più alta all'oggetto alla temperatura più bassa fino a quando l'equilibrio termico è raggiunto.
Questo trasferimento si verifica a causa di collisioni tra le molecole a energia più elevata nell'oggetto caldo con le molecole a energia inferiore nell'oggetto più freddo, trasferendo energia a loro nel processo fino a quando si sono verificate abbastanza collisioni casuali tra le molecole nei materiali che l'energia diventa equamente distribuita tra gli oggetti o sostanze. Di conseguenza, si ottiene una nuova temperatura finale, che si trova tra le temperature originali degli oggetti caldi e freddi.
Un altro modo di pensare a questo è che l'energia totale contenuta in entrambe le sostanze alla fine diventa equamente distribuita tra le sostanze.
La temperatura finale di due oggetti a diverse temperature iniziali una volta raggiunto l'equilibrio termico può essere trovata utilizzando la relazione tra energia termicaQ, capacità termica specificac, massame la variazione di temperatura data dalla seguente equazione:
Q = mc\Delta T
Esempio:Supponiamo 0,1 kg di centesimi di rame (cc= 390 J/kgK) a 50 gradi Celsius vengono fatti cadere in 0,1 kg di acqua (cw= 4,186 J/kgK) a 20 gradi Celsius. Quale sarà la temperatura finale una volta raggiunto l'equilibrio termico?
Soluzione: Considera che il calore aggiunto all'acqua dalle monetine sarà uguale al calore sottratto alle monetine. Quindi se l'acqua assorbe caloreQwdove:
Q_w = m_wc_w\Delta T_w
Quindi per le monetine di rame:
Q_c=-Q_w = m_cc_c\Delta T_c
Questo ti permette di scrivere la relazione:
m_cc_c\Delta T_c=-m_wc_w\Delta T_w
Quindi puoi sfruttare il fatto che sia i penny di rame che l'acqua dovrebbero avere la stessa temperatura finale,Tf, tale che:
\Delta T_c=T_f-T_{ic}\\\Delta T_w=T_f-T_{iw}
Collegando questiTespressioni nell'equazione precedente, puoi quindi risolvere perTf. Un po' di algebra dà il seguente risultato:
T_f = \frac{m_cc_c T_{ic}+m_wc_w T_{iw}}{m_cc_c+m_wc_w}
Inserendo i valori si ottiene quindi:
Nota: se sei sorpreso che il valore sia così vicino alla temperatura iniziale dell'acqua, considera le differenze significative tra il calore specifico dell'acqua e il calore specifico del rame. Ci vuole molta più energia per provocare un cambiamento di temperatura nell'acqua che non per causare un cambiamento di temperatura nel rame.
Come funzionano i termometri
I termometri a mercurio a bulbo di vetro vecchio stile misurano la temperatura sfruttando le proprietà di espansione termica del mercurio. Il mercurio si espande quando è caldo e si contrae quando è freddo (e in misura molto maggiore rispetto al termometro di vetro che lo contiene lo fa.) Quindi, mentre il mercurio si espande, sale all'interno del tubo di vetro, consentendo misurazione.
Anche i termometri a molla, quelli che di solito hanno una faccia circolare con un puntatore metallico, funzionano secondo il principio dell'espansione termica. Contengono un pezzo di metallo arrotolato che si espande e si raffredda in base alla temperatura, facendo muovere il puntatore.
I termometri digitali utilizzano cristalli liquidi sensibili al calore per attivare i display digitali della temperatura.
Relazione tra temperatura ed energia interna
Mentre la temperatura è una misura dell'energia cinetica media per molecola, l'energia interna è il totale di tutte le energie cinetiche e potenziali delle molecole. Per un gas ideale, dove l'energia potenziale delle particelle dovuta alle interazioni è trascurabile, l'energia interna totaleEè dato dalla formula:
E = \frac{3}{2}nRT
Dovenè il numero di moli eRè la costante universale dei gas = 8,3145 J/molK.
Non sorprende che, all'aumentare della temperatura, aumenti l'energia termica. Questa relazione chiarisce anche perché la scala Kelvin è importante. L'energia interna dovrebbe essere qualsiasi valore 0 o maggiore. Non avrebbe mai senso che fosse negativo. Non usare la scala Kelvin complicherebbe l'equazione dell'energia interna e richiederebbe l'aggiunta di una costante per correggerla. L'energia interna diventa 0 a 0 K assoluto.