온도가 물체의 "차가움"또는 "뜨거움"의 척도라는 직관적 인 감각을 이미 가지고있을 수 있습니다. 많은 사람들이 일기 예보 확인에 집착하여 그날 기온이 얼마인지 알 수 있습니다. 하지만 물리학에서 온도는 실제로 무엇을 의미합니까?
온도의 정의
온도는 물질의 분자 당 평균 운동 에너지를 측정 한 것입니다. 두 양은 밀접하게 관련되어 있지만 열과는 다릅니다. 열은 서로 다른 온도에서 두 물체 사이에 전달되는 에너지입니다.
당신이 온도의 속성이라고 생각할 수있는 모든 물리적 물질은 원자와 분자로 이루어져 있습니다. 이러한 원자와 분자는 고체 상태에서도 가만히 있지 않습니다. 그들은 끊임없이 움직이고 움직이고 있지만 움직임은 너무 작아서 여러분이 볼 수 없습니다.
역학 연구에서 기억할 수 있듯이 움직이는 물체는운동 에너지그것은 질량과 움직이는 속도와 관련이 있습니다. 따라서 온도가 분자 당 평균 운동 에너지로 설명 될 때 설명되는 것은 분자 운동과 관련된 에너지입니다.
온도 눈금
온도를 측정하는 데 사용할 수있는 여러 가지 척도가 있지만 가장 일반적인 척도는 화씨, 섭씨 및 켈빈입니다.
화씨 척도는 미국과 다른 몇몇 국가에 거주하는 사람들이 가장 잘 알고있는 척도입니다. 이 규모에서 물은 화씨 32도에서 얼고 끓는 물의 온도는 212F입니다.
섭씨 눈금 (때때로 섭씨라고도 함)은 전 세계 대부분의 다른 국가에서 사용됩니다. 이 척도에서 물의 빙점은 0C이고 물의 끓는점은 100C입니다.
Lord Kelvin의 이름 인 Kelvin 척도가 과학적 표준입니다. 이 척도의 0은 모든 분자 운동이 멈추는 절대 0에 있습니다. 절대 온도 눈금으로 간주됩니다.
온도 눈금 간 변환
섭씨에서 화씨로 변환하려면 다음 관계를 사용하십시오.
T_F = \ frac {9} {5} T_C + 32
어디티에프 화씨 온도이고티씨섭씨 온도입니다. 예를 들어 섭씨 20 도는 다음과 같습니다.
T_F = \ frac {9} {5} 20 + 32 = 68 \ text {화씨}
화씨에서 섭씨로 다른 방향으로 변환하려면 다음을 사용하십시오.
T_C = \ frac {5} {9} (T_F-32)
섭씨에서 켈빈으로 변환하려면 증분 크기가 같고 시작 값이 다르기 때문에 공식이 더 간단합니다.
T_K = T_C + 273.15
팁
열역학의 많은 표현에서 중요한 양은ΔT(온도 변화) 절대 온도 자체가 아닙니다. 섭씨도는 켈빈 눈금의 증분과 크기가 같기 때문에ΔT케이 = ΔT씨,이 경우 이러한 단위를 서로 바꿔서 사용할 수 있습니다. 그러나 절대 온도가 필요할 때마다 켈빈 단위 여야합니다.
열전달
온도가 다른 두 물체가 서로 접촉하면 열과 함께 열이 전달됩니다. 열 평형이 될 때까지 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 흐르는 도달했습니다.
이 전달은 뜨거운 물체의 고 에너지 분자와 차가운 물체의 저에너지 분자 사이의 충돌로 인해 발생하여 에너지를 물질의 분자 사이에 충분한 무작위 충돌이 발생하여 에너지가 물체 사이에 균등하게 분배되거나 물질. 결과적으로 뜨거운 물체와 차가운 물체의 원래 온도 사이에있는 새로운 최종 온도가 달성됩니다.
이것을 생각하는 또 다른 방법은 두 물질에 포함 된 총 에너지가 결국 물질간에 균등하게 분배된다는 것입니다.
열 평형에 도달하면 서로 다른 초기 온도에서 두 물체의 최종 온도는 열 에너지 간의 관계를 사용하여 찾을 수 있습니다.큐, 비열 용량씨, 질량미디엄그리고 다음 방정식에 의해 주어진 온도 변화 :
Q = mc \ 델타 T
예:0.1kg의 구리 페니 (씨씨= 390 J / kgK)를 섭씨 50도에서 0.1kg의 물 (씨w= 4,186 J / kgK) 섭씨 20도에서. 열 평형이 달성되면 최종 온도는 얼마입니까?
솔루션: 페니에서 물에 추가 된 열이 페니에서 제거 된 열과 같다는 것을 고려하십시오. 그래서 물이 열을 흡수하면큐w어디:
Q_w = m_wc_w \ 델타 T_w
그런 다음 구리 동전의 경우 :
Q_c = -Q_w = m_cc_c \ 델타 T_c
이를 통해 관계를 작성할 수 있습니다.
m_cc_c \ 델타 T_c = -m_wc_w \ 델타 T_w
그러면 구리 동전과 물의 최종 온도가 같아야한다는 사실을 활용할 수 있습니다.티에프, 다음과 같습니다.
\ 델타 T_c = T_f-T_ {ic} \\\ 델타 T_w = T_f-T_ {iw}
이들을 연결ΔT식을 이전 방정식으로 변환하면 다음을 해결할 수 있습니다.티에프. 약간의 대수를 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
T_f = \ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
값을 연결하면 다음이 제공됩니다.
참고: 값이 물의 초기 온도에 너무 가깝다는 사실에 놀란다면 물의 비열과 구리의 비열 사이의 중요한 차이를 고려하십시오. 구리의 온도 변화를 일으키는 것보다 물의 온도 변화를 일으키는 데 더 많은 에너지가 필요합니다.
온도계의 작동 원리
구식 유리 구 수은 온도계는 수은의 열팽창 특성을 이용하여 온도를 측정합니다. 수은은 따뜻할 때 팽창하고 차가울 때 수축합니다 (유리 온도계보다 훨씬 더 큰 정도) 수은이 팽창하면 유리관 내부로 올라와 측정.
일반적으로 금속 포인터가있는 원형면을 가진 스프링 온도계도 열팽창 원리에 따라 작동합니다. 여기에는 온도에 따라 팽창 및 냉각되어 포인터가 움직 이도록하는 코일 금속 조각이 포함되어 있습니다.
디지털 온도계는 열에 민감한 액정을 사용하여 디지털 온도 표시를 트리거합니다.
온도와 내부 에너지의 관계
온도는 분자 당 평균 운동 에너지의 척도이지만 내부 에너지는 분자의 모든 운동 및 잠재적 에너지의 총합입니다. 상호 작용으로 인한 입자의 위치 에너지가 무시할 수있는 이상 기체의 경우 총 내부 에너지이자형공식은 다음과 같습니다.
E = \ frac {3} {2} nRT
어디엔두더지의 수이며아르 자형범용 기체 상수 = 8.3145 J / molK입니다.
당연히 온도가 상승하면 열 에너지가 증가합니다. 이 관계는 또한 켈빈 척도가 중요한 이유를 명확히합니다. 내부 에너지는 0 이상의 값이어야합니다. 그것이 부정적이라는 것은 결코 말이되지 않습니다. 켈빈 척도를 사용하지 않으면 내부 에너지 방정식이 복잡해지고이를 수정하기 위해 상수를 추가해야합니다. 내부 에너지는 절대 0K에서 0이됩니다.