温度（物理学）：定義、式、例

温度は物体の「冷たさ」または「熱さ」の尺度であるという直感的な感覚をすでに持っているかもしれません。 多くの人が天気予報をチェックすることに夢中になっているので、彼らはその日の気温がどうなるかを知っています。 しかし、物理学では温度は本当に何を意味するのでしょうか？

温度は、物質内の分子あたりの平均運動エネルギーの尺度です。 2つの量は密接に関連していますが、熱とは異なります。 熱は、異なる温度で2つのオブジェクト間で伝達されるエネルギーです。

あなたが温度の特性に帰するかもしれないどんな物理的な物質も原子と分子でできています。 それらの原子や分子は、固体の中でも静止しません。 彼らは絶えず動き回っていますが、動きは非常に小さいので、あなたはそれを見ることができません。

力学の研究から思い出すと思いますが、動いている物体には、次のようなエネルギーの形があります。運動エネルギーそれは彼らの質量と彼らがどれだけ速く動いているかに関連しています。 したがって、温度が分子あたりの平均運動エネルギーとして記述される場合、記述されるのはこの分子運動に関連するエネルギーです。

温度を測定するためのさまざまな尺度がありますが、最も一般的な尺度は華氏、摂氏、ケルビンです。

華氏スケールは、米国および他のいくつかの国に住む人々が最もよく知っているものです。 このスケールでは、水は華氏32度で凍結し、沸騰したお湯の温度は華氏212度です。

摂氏スケール（摂氏とも呼ばれる）は、世界中の他のほとんどの国で使用されています。 このスケールでは、水の凝固点は0℃で、水の沸点は100℃です。

ケルビン卿にちなんで名付けられたケルビンスケールは、科学的基準です。 このスケールのゼロは絶対零度であり、ここですべての分子運動が停止します。 これは絶対温度スケールと見なされます。

摂氏から華氏に変換するには、次の関係を使用します。

どこT​_​F​ 華氏の気温であり、T_Cは摂氏での温度です。 たとえば、摂氏20度は次のようになります。

華氏から摂氏への反対方向への変換には、以下を使用します。

摂氏からケルビンに変換するには、増分サイズが同じであり、開始値が異なるだけなので、数式はさらに簡単です。

• 熱力学の多くの表現では、重要な量は次のとおりです。ΔT（温度の変化）絶対温度自体とは対照的です。 摂氏度はケルビンスケールの増分と同じサイズであるため、ΔT_K​ = ​ΔT_C、つまり、これらのユニットはこれらの場合に交換可能に使用できます。 ただし、絶対温度が必要な場合は常にケルビンでなければなりません。

異なる温度の2つの物体が互いに接触すると、熱を伴う熱伝達が発生します 熱平衡が得られるまで、高温の物体から低温の物体に流れる に達した。

この伝達は、高温の物体の高エネルギー分子と低温の物体の低エネルギー分子との衝突により発生し、エネルギーをに伝達します。 材料内の分子間で十分なランダム衝突が発生し、エネルギーがオブジェクト間で均等に分散されるまで、プロセスでそれらを処理します。 物質。 その結果、高温の物体と低温の物体の元の温度の間にある新しい最終温度が達成されます。

これを考える別の方法は、両方の物質に含まれる総エネルギーが最終的に物質間で均等に分配されるようになるということです。

熱平衡に達した後の異なる初期温度での2つのオブジェクトの最終温度は、熱エネルギー間の関係を使用して見つけることができます。Q、比熱容量c、質量mそして、次の式で与えられる温度変化：

​例：0.1 kgの銅ペニー（c_c=摂氏50度で390J / kgK）を0.1 kgの水に落とします（c_w=摂氏20度で4,186J / kgK）。 熱平衡に達した後の最終温度はどうなりますか？

解決策：ペニーから水に加えられる熱は、ペニーから取り除かれる熱と等しくなることを考慮してください。 だから水が熱を吸収するならQ_wどこ：

次に、銅のペニーの場合：

これにより、関係を記述できます。

次に、銅のペニーと水の両方が同じ最終温度を持つ必要があるという事実を利用できます。T_f、 そのような：

これらを差し込むΔT前の方程式に式を追加すると、次の式を解くことができます。T_f. 小さな代数は次の結果をもたらします：

値を差し込むと、次のようになります。

注：値が水の初期温度に非常に近いことに驚いた場合は、水の比熱と銅の比熱の大きな違いを考慮してください。 銅の温度変化を引き起こすよりも、水の温度変化を引き起こすのにはるかに多くのエネルギーが必要です。

昔ながらのガラス球水銀温度計は、水銀の熱膨張特性を利用して温度を測定します。 水銀は暖かいときに膨張し、冷たいときに収縮します（そしてガラス温度計よりもはるかに大きい程度に） 水銀が膨張すると、ガラス管内で上昇し、次のことが可能になります。 測定。

ばね温度計（通常は金属製のポインターが付いた円形の面を持つもの）も、熱膨張の原理に反して機能します。 それらには、温度に基づいて膨張および冷却するコイル状の金属片が含まれており、ポインターが移動します。

デジタル体温計は、感熱性液晶を利用してデジタル温度表示をトリガーします。

温度は分子あたりの平均運動エネルギーの尺度ですが、内部エネルギーは分子のすべての運動エネルギーと位置エネルギーの合計です。 相互作用による粒子の位置エネルギーが無視できる理想気体の場合、内部エネルギーの合計E次の式で与えられます。

どこnはモル数であり、Rはユニバーサルガス定数= 8.3145 J / molKです。

当然のことながら、温度が上昇すると、熱エネルギーが増加します。 この関係は、ケルビンスケールが重要である理由も明らかにします。 内部エネルギーは0以上の任意の値である必要があります。 それが否定的であることは決して意味がありません。 ケルビンスケールを使用しないと、内部エネルギー方程式が複雑になり、それを修正するために定数を追加する必要があります。 内部エネルギーは絶対零度で0になります。