יתכן שכבר יש לך תחושה אינטואיטיבית שטמפרטורה היא מדד ל"קור "או" חום "של אובייקט. אנשים רבים אובססיביים לבדוק את התחזית כדי שיידעו מה תהיה הטמפרטורה להיום. אבל מה באמת אומר הטמפרטורה בפיזיקה?
הגדרת טמפרטורה
טמפרטורה היא מדד לאנרגיה קינטית ממוצעת למולקולה בחומר. זה שונה מחום, אם כי שתי הכמויות קשורות זו לזו. חום הוא האנרגיה המועברת בין שני עצמים בטמפרטורות שונות.
כל חומר פיזי שאליו אתה יכול לייחס את תכונת הטמפרטורה עשוי מאטומים ומולקולות. אותם אטומים ומולקולות אינם נשארים בשקט, אפילו במוצק. הם נעים כל הזמן וממצחקים, אבל התנועה מתרחשת בקנה מידה כה קטן, עד שאי אפשר לראות אותה.
כפי שאתה כנראה זוכר ממחקר המכניקה שלך, לאובייקטים בתנועה יש סוג של אנרגיה הנקראתאנרגיה קינטיתזה קשור גם למסה שלהם וגם כמה מהר הם נעים. לכן כאשר הטמפרטורה מתוארת כאנרגיה קינטית ממוצעת למולקולה, האנרגיה הקשורה לתנועה מולקולרית זו מתוארת.
מאזני טמפרטורה
ישנם מאזניים רבים ושונים באמצעותם ניתן למדוד טמפרטורה, אך הנפוצים ביותר הם פרנהייט, צלזיוס וקלווין.
סולם פרנהייט הוא מה שמי שחי בארצות הברית ובכמה מדינות אחרות מכיר ביותר. בקנה מידה זה מים קופאים ב 32 מעלות פרנהייט, וטמפרטורת המים הרותחים היא 212 F.
סולם צלזיוס (המכונה לפעמים גם צלזיוס) משמש ברוב המדינות האחרות ברחבי העולם. בקנה מידה זה נקודת הקפאה של מים היא 0 צלזיוס ונקודת הרתיחה של מים היא 100 צלזיוס.
סולם קלווין, על שמו של לורד קלווין, הוא הסטנדרט המדעי. אפס בסולם זה הוא באפס מוחלט, שם כל התנועה המולקולרית נעצרת. זה נחשב לסולם טמפרטורה מוחלט.
המרה בין מאזני טמפרטורה
כדי להמיר מצלזיוס לפרנהייט, השתמש במערכת היחסים הבאה:
T_F = \ frac {9} {5} T_C + 32
איפהטF היא הטמפרטורה בפרנהייט, וטגהיא הטמפרטורה בצלזיוס. לדוגמא, 20 מעלות צלזיוס שוות ערך ל:
T_F = \ frac {9} {5} 20 + 32 = 68 \ טקסט {מעלות פרנהייט.}
כדי להמיר בכיוון השני, מפרנהייט לצלסיוס, השתמש בהמשך:
T_C = \ frac {5} {9} (T_F - 32)
כדי להמיר מסלסיוס לקלווין, הנוסחה פשוטה אפילו יותר מכיוון שגודל התוספת זהה, ויש להם רק ערכי התחלה שונים:
T_K = T_C + 273.15
טיפים
בביטויים רבים בתרמודינמיקה, הכמות החשובה היאΔT(שינוי הטמפרטורה) לעומת הטמפרטורה המוחלטת עצמה. מכיוון שדרגת צלזיוס זהה לגידול בסולם קלווין,ΔTק = ΔTג, כלומר יחידות אלה יכולות להיות ניתנות להחלפה באותם מקרים. עם זאת, בכל פעם שנדרשת טמפרטורה מוחלטת, היא חייבת להיות בקלווין.
העברת חום
כאשר שני עצמים בטמפרטורות שונות נמצאים במגע זה עם זה, תתרחש העברת חום, עם חום זורם מהאובייקט בטמפרטורה הגבוהה יותר לאובייקט בטמפרטורה נמוכה יותר עד שיווי משקל תרמי הוא השיג.
העברה זו מתרחשת עקב התנגשויות בין מולקולות האנרגיה הגבוהה יותר באובייקט החם לבין מולקולות האנרגיה הנמוכה יותר באובייקט הקריר יותר, והעברת אנרגיה ל אותם בתהליך עד שהתרחשו מספיק התנגשויות אקראיות בין מולקולות בחומרים שהאנרגיה מתפזרת באופן שווה בין האובייקטים או חומרים. כתוצאה מכך, מושגת טמפרטורה סופית חדשה הנמצאת בין הטמפרטורות המקוריות של האובייקטים החמים והאובייקטים הקרירים.
דרך נוספת לחשוב על כך היא שהאנרגיה הכוללת הכלולה בשני החומרים מתפזרת בסופו של דבר בין החומרים.
ניתן למצוא את הטמפרטורה הסופית של שני עצמים בטמפרטורות התחלתיות שונות ברגע שהם מגיעים לשיווי משקל תרמי באמצעות הקשר בין אנרגיית החוםש, קיבולת חום ספציפיתג, מסהMושינוי הטמפרטורה הניתן על ידי המשוואה הבאה:
Q = mc \ Delta T
דוגמא:נניח 0.1 ק"ג אגורות נחושת (גג= 390 J / kgK) ב 50 מעלות צלזיוס נופלים ל 0.1 ק"ג מים (גw= 4,186 J / kgK) ב -20 מעלות צלזיוס. מה תהיה הטמפרטורה הסופית לאחר השגת שיווי משקל תרמי?
פתרון: קחו בחשבון שהחום שנוסף למים מהפרוטות ישווה לחום שהוסר מהפרוטות. אז אם המים סופגים חוםשwאיפה:
Q_w = m_wc_w \ דלתא T_w
ואז לפרוטות הנחושת:
Q_c = -Q_w = m_cc_c \ דלתא T_c
זה מאפשר לך לכתוב את הקשר:
m_cc_c \ דלתא T_c = -m_wc_w \ דלתא T_w
אז אתה יכול להשתמש בעובדה שגם גרושות הנחושת וגם המים צריכות להיות באותה הטמפרטורה הסופית,טf, כך ש:
\ דלתא T_c = T_f-T_ {ic} \\\ דלתא T_w = T_f-T_ {iw}
תקע אלהΔTביטויים למשוואה הקודמת, ואז תוכלו לפתור את הבעיהטf. אלגברה קטנה נותנת את התוצאה הבאה:
T_f = \ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
חיבור הערכים ואז נותן:
הערה: אם אתה מופתע שהערך קרוב כל כך לטמפרטורה הראשונית של המים, שקול את ההבדלים המשמעותיים בין חום המים הספציפי לחום הנחושת הספציפי. נדרש הרבה יותר אנרגיה בכדי לגרום לשינוי טמפרטורה במים מאשר לגרום לשינוי טמפרטורה בנחושת.
כיצד פועלים מדחומים
מדחומי כספית נורת זכוכית מיושנים מודדים טמפרטורה על ידי שימוש בתכונות התפשטות תרמית של כספית. כספית מתרחבת כשהיא חמה ומתכווצת כשהיא קרירה (ובמידה הרבה יותר גדולה מאשר מדחום הזכוכית המכיל אותו כן.) אז ככל שהכספית מתרחבת, היא עולה בתוך צינור הזכוכית ומאפשרת זאת מדידה.
מדחומי קפיצים - כאלה שיש להם בדרך כלל פנים עגולות עם מצביע מתכת - פועלים גם מעקרון ההתרחבות התרמית. הם מכילים פיסת מתכת מפותלת המתרחבת ומתקררת על סמך הטמפרטורה וגורמת למצביע לנוע.
מדחומים דיגיטליים משתמשים בגבישים נוזליים הרגישים לחום כדי להפעיל תצוגות טמפרטורה דיגיטליות.
הקשר בין טמפרטורה לאנרגיה פנימית
בעוד הטמפרטורה היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת למולקולה, האנרגיה הפנימית היא סך כל האנרגיות הקינטיות והפוטנציאליות של המולקולות. עבור גז אידיאלי, שבו האנרגיה הפוטנציאלית של החלקיקים עקב יחסי גומלין היא זניחה, האנרגיה הפנימית הכוללתהניתן על ידי הנוסחה:
E = \ frac {3} {2} nRT
איפהנהוא מספר השומות ורהוא קבוע הגז האוניברסלי = 8.3145 J / molK.
באופן לא מפתיע, ככל שהטמפרטורה עולה, האנרגיה התרמית עולה. קשר זה גם מבהיר מדוע סולם קלווין חשוב. האנרגיה הפנימית צריכה להיות כל ערך 0 ומעלה. זה לעולם לא יהיה הגיוני שזה יהיה שלילי. אי שימוש בסולם קלווין יסבך את משוואת האנרגיה הפנימית ויצריך תוספת של קבוע לתיקונה. האנרגיה הפנימית הופכת ל 0 ב- 0 K. מוחלטת