ტემპერატურა (ფიზიკა): განმარტება, ფორმულა და მაგალითები

შეიძლება უკვე გქონდეთ ინტუიციური განცდა, რომ ტემპერატურა არის ობიექტის "სიცივის" ან "სიცხის" საზომი. ბევრი ადამიანი გატაცებულია პროგნოზის შემოწმებით, ასე რომ მათ იციან, რა ტემპერატურა იქნება დღეში. მაგრამ რას ნიშნავს სინამდვილეში ტემპერატურა ფიზიკაში?

ტემპერატურა არის საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომი თითო მოლეკულაში ნივთიერებაში. იგი განსხვავდება სითბოსგან, თუმცა ეს ორი სიახლოვე მჭიდროდაა დაკავშირებული. სითბო არის ენერგია, რომელიც გადადის ორ ობიექტს შორის სხვადასხვა ტემპერატურაზე.

ნებისმიერი ფიზიკური ნივთიერება, რომელსაც შესაძლოა ტემპერატურის თვისება მიაკუთვნოთ, შედგება ატომებისა და მოლეკულებისგან. ეს ატომები და მოლეკულები არ რჩება მყარი, თუნდაც მყარ მდგომარეობაში. ისინი მუდმივად მოძრაობენ და ირხევიან, მაგრამ მოძრაობა იმდენად მცირე მასშტაბით ხდება, რომ ვერ ხედავ.

როგორც მოგეხსენებათ მექანიკის შესწავლისას, მოძრავ ობიექტებს აქვთ ენერგიის ფორმაკინეტიკური ენერგიაეს ასოცირდება როგორც მათ მასასთან, ასევე რამდენად სწრაფად მოძრაობენ. ასე რომ, როდესაც ტემპერატურა აღწერილია, როგორც საშუალო კინეტიკური ენერგია თითო მოლეკულაზე, აღწერილია ამ მოლეკულურ მოძრაობასთან დაკავშირებული ენერგია.

არსებობს მრავალი სხვადასხვა სასწორი, რომლითაც შეგიძლიათ გაზომოთ ტემპერატურა, მაგრამ მათ შორის ყველაზე გავრცელებულია ფარენგეიტი, ცელსიუსი და კელვინი.

ფარენჰეიტის შკალი ყველაზე მეტად მათ, ვინც შეერთებულ შტატებში და რამდენიმე სხვა ქვეყანაში ცხოვრობს, იცნობს. ამ მასშტაბით წყალი იყინება ფარენგეიტის 32 გრადუსზე და მდუღარე წყლის ტემპერატურაა 212 F.

ცელსიუსის მასშტაბი (ზოგჯერ მას ცელსიგრადუსსაც უწოდებენ) მსოფლიოს უმეტეს სხვა ქვეყნებში იყენებენ. ამ მასშტაბით წყლის გაყინვის წერტილი არის 0 C და წყლის დუღილის წერტილი 100 C.

კელვინის შკალი, რომელსაც ლორდ კელვინი ეწოდა, სამეცნიერო სტანდარტია. ნულოვანი ამ მასშტაბით არის აბსოლუტური ნულოვანი, სადაც ყველა მოლეკულური მოძრაობა ჩერდება. ითვლება აბსოლუტური ტემპერატურის მასშტაბად.

ცელსიუსიდან ფარენჰეიტში გადასაყვანად გამოიყენეთ შემდეგი ურთიერთობა:

სადთ​_​ვ​ არის ტემპერატურა ფარენგეიტში დათ_გარის ტემპერატურა ცელსიუსში. მაგალითად, 20 გრადუსი ცელსიუსი უდრის:

სხვა მიმართულებით, ფარენჰაიტიდან ცელსიუსამდე გადასასვლელად გამოიყენეთ შემდეგი:

ცელსიუსიდან კელვინში გადასაყვანად, ფორმულა კიდევ უფრო მარტივია, რადგან ზრდის ზომა იგივეა და მათ უბრალოდ აქვთ საწყისი საწყისი მნიშვნელობები:

• თერმოდინამიკის მრავალი გამოთქმით, მნიშვნელოვანი რაოდენობააΔT(ტემპერატურის ცვლილება), აბსოლუტური ტემპერატურისგან განსხვავებით. იმის გამო, რომ ცელსიუსის ხარისხი იგივე ზომაა, როგორც კელვინის მასშტაბის ზრდა,ΔT_კ​ = ​ΔT_გ, რაც ნიშნავს, რომ ამ ერთეულების ჩანაცვლება შესაძლებელია ამ შემთხვევებში. ამასთან, ნებისმიერ დროს საჭიროა აბსოლუტური ტემპერატურა, ეს უნდა იყოს კელვინში.

როდესაც ორი სხვადასხვა ტემპერატურის ობიექტი ერთმანეთთან კონტაქტშია, მოხდება სითბოს გადაცემა, სითბოსთან ერთად მიედინება ობიექტიდან უფრო მაღალ ტემპერატურაზე ობიექტზე ქვედა ტემპერატურაზე, სანამ თერმული წონასწორობა არ იქნება მიაღწია.

ეს გადაცემა ხდება ცხელი ობიექტის უფრო მაღალი ენერგიის მოლეკულების და უფრო გაგრილებული ობიექტის ქვედა ენერგიის მოლეკულების შეჯახების გამო, ენერგიის გადატანისას ისინი პროცესში იქნებიან, სანამ არ მოხდება მასალებში საკმარისი შემთხვევითი შეჯახება მოლეკულებს შორის, რომ ენერგია თანაბრად გადანაწილდება ობიექტებს შორის ან ნივთიერებები. შედეგად მიიღწევა ახალი საბოლოო ტემპერატურა, რომელიც მდებარეობს ცხელი და მაგარი საგნების თავდაპირველ ტემპერატურას შორის.

ამაზე ფიქრის კიდევ ერთი გზაა, რომ ორივე ნივთიერებაში შემავალი მთლიანი ენერგია საბოლოოდ თანაბრად ნაწილდება ნივთიერებებს შორის.

ორი ობიექტის საბოლოო ტემპერატურა სხვადასხვა საწყის ტემპერატურაზე თერმული წონასწორობის მიღწევის შემდეგ შეგიძლიათ იპოვოთ სითბოს ენერგიას შორის კავშირის გამოყენებით.Q, კონკრეტული სითბოს ტევადობაგ, მასამდა ტემპერატურის ცვლილება მოცემულია შემდეგი განტოლებით:

​მაგალითი:დავუშვათ, 0,1 კგ სპილენძის გროშები (გ_გ= 390 J / kgK) 50 გრადუს ცელსიუსზე იშლება 0,1 კგ წყალში (გ_ვ= 4,186 J / kgK) 20 გრადუს ცელსიუსზე. რა იქნება საბოლოო ტემპერატურა თერმული წონასწორობის მიღწევის შემდეგ?

გამოსავალი: ჩათვალეთ, რომ გროშებით წყალში დამატებული სითბო გაუტოლდება გროშებით ამოღებულ სითბოს. ასე რომ, თუ წყალი შთანთქავს სითბოსQ_ვსად:

შემდეგ სპილენძის გროშებისთვის:

ეს საშუალებას გაძლევთ დაწერა ურთიერთობა:

შემდეგ შეგიძლიათ ისარგებლოთ იმ ფაქტით, რომ სპილენძის გროშებსაც და წყალსაც უნდა ჰქონდეთ იგივე საბოლოო ტემპერატურა,თ_ვ, ისეთივე როგორც:

ჩართეთ ესΔTწინა განტოლებაში გამოთქმები, შემდეგ შეგიძლიათ ამოხსნათთ_ვ. პატარა ალგებრა იძლევა შემდეგ შედეგს:

მნიშვნელობების ჩართვა შემდეგ იძლევა:

შენიშვნა: თუ გაგიკვირდათ, რომ ეს მნიშვნელობა წყლის პირველ ტემპერატურასთან ახლოს არის, გაითვალისწინეთ მნიშვნელოვანი განსხვავებები წყლის სპეციფიკურ და სპილენძის სპეციფიკურ სითბოს შორის. წყლის ტემპერატურის შეცვლას გაცილებით მეტი ენერგია სჭირდება, ვიდრე სპილენძის ტემპერატურის ცვლილებას.

ძველმოდური მინის ბოლქვის ვერცხლისწყლის თერმომეტრები ზომავს ტემპერატურას მერკური თერმული გაფართოების თვისებების გამოყენებით. მერკური ფართოვდება, როდესაც თბილი ხდება და იკუმშება, როდესაც ცივა (და გაცილებით დიდი ხარისხით, ვიდრე მინის თერმომეტრი რომელიც შეიცავს მას.) ასე რომ, ვერცხლისწყალი ფართოვდება, ის იზრდება მილის შიგნით, რაც საშუალებას იძლევა გაზომვა.

საგაზაფხულო თერმომეტრები - მათ, რომლებსაც, ჩვეულებრივ, წრიული სახე აქვთ მეტალის მაჩვენებლით - ასევე მოქმედებს თერმული გაფართოების პრინციპი. ისინი შეიცავს დახვეულ ლითონის ნაჭერს, რომელიც ფართოვდება და ცივდება ტემპერატურის საფუძველზე, რის შედეგადაც ხდება მაჩვენებლის გადაადგილება.

ციფრული თერმომეტრები იყენებენ სითბოსადმი მგრძნობიარე თხევად კრისტალებს ციფრული ტემპერატურის ეკრანების გასაღებად

მიუხედავად იმისა, რომ ტემპერატურა არის საშუალო კინეტიკური ენერგიის საზომი თითო მოლეკულაზე, შინაგანი ენერგია არის მოლეკულების ყველა კინეტიკური და პოტენციური ენერგიის ჯამი. იდეალური გაზისთვის, სადაც ნაწილაკების პოტენციური ენერგია ურთიერთქმედების გამო უმნიშვნელოა, მთლიანი შინაგანი ენერგიაემოცემულია ფორმულით:

სადნარის მოლების რაოდენობა დარარის გაზის უნივერსალური მუდმივა = 8.3145 J / molK.

გასაკვირი არ არის, რომ ტემპერატურა იზრდება, თერმული ენერგია იზრდება. ამ ურთიერთობებში ასევე ნათელია, თუ რატომ არის მნიშვნელოვანი კელვინის შკალი. შინაგანი ენერგია უნდა იყოს ნებისმიერი მნიშვნელობა 0 ან მეტი. არასოდეს ექნება აზრი, რომ ის უარყოფითი იყოს. კელვინის მასშტაბის გამოყენება ართულებს შინაგანი ენერგიის განტოლებას და საჭიროებს მუდმივის დამატებას მის გამოსასწორებლად. შინაგანი ენერგია 0 ხდება აბსოლუტურად 0 K– ზე.