Temperatūra (fizika): apibrėžimas, formulė ir pavyzdžiai

Jau galite suprasti, kad temperatūra yra objekto „šaltumo“ ar „karščio“ matas. Daugelis žmonių yra apsėsti tikrinimo prognozėmis, kad žinotų, kokia bus dienos temperatūra. Tačiau ką iš tikrųjų reiškia temperatūra fizikoje?

Temperatūra yra vidutinė medžiagos molekulės kinetinės energijos matas. Jis skiriasi nuo šilumos, nors abu dydžiai yra glaudžiai susiję. Šiluma yra energija, perduodama tarp dviejų objektų skirtingoje temperatūroje.

Bet kuri fizinė medžiaga, kuriai galite priskirti temperatūros savybę, yra sudaryta iš atomų ir molekulių. Tie atomai ir molekulės nelieka vietoje, net ir kietoje medžiagoje. Jie nuolat juda ir šmaikštauja, bet judesys vyksta tokiu mažu mastu, kad jo nematote.

Kaip jūs tikriausiai atsimenate iš savo mechanikos tyrimo, judantys objektai turi energijos formą, vadinamąkinetinė energijatai siejama tiek su jų mase, tiek su jų judėjimo greičiu. Taigi, kai temperatūra apibūdinama kaip vidutinė molekulės kinetinė energija, aprašoma energija, susijusi su šiuo molekuliniu judesiu.

Yra daug skirtingų skalių, pagal kurias galite matuoti temperatūrą, tačiau dažniausiai jos yra Farenheito, Celsijaus ir Kelvino.

Fahrenheito skalė yra labiausiai žinoma tiems, kurie gyvena JAV ir keliose kitose šalyse. Pagal šią skalę vanduo užšąla 32 laipsnių pagal Celsiją, o verdančio vandens temperatūra yra 212 F.

Celsijaus skalė (kartais dar vadinama Celsijaus laipsniu) naudojama daugumoje kitų pasaulio šalių. Pagal šią skalę vandens užšalimo temperatūra yra 0 C, o vandens virimo temperatūra - 100 C.

Lordo Kelvino vardu pavadinta Kelvino skalė yra mokslinis standartas. Nulis šioje skalėje yra ties absoliutu nuliu, kur sustoja visas molekulinis judėjimas. Tai laikoma absoliučia temperatūros skale.

Norėdami konvertuoti iš Celsijaus į Farenheitą, naudokite šiuos santykius:

KurT​_​F​ yra temperatūra pagal Farenheitą irT_Cyra temperatūra Celsijaus laipsniais. Pavyzdžiui, 20 laipsnių Celsijaus atitinka:

Norėdami konvertuoti kita kryptimi, nuo Farenheito iki Celsijaus, naudokite šiuos veiksmus:

Norėdami konvertuoti iš Celsijaus į Kelviną, formulė yra dar paprastesnė, nes prieaugio dydis yra vienodas, o jų pradinės vertės tiesiog skirtingos:

• Daugelyje termodinamikos išraiškų svarbus yra dydisΔT(temperatūros pokytis) priešingai nei pati absoliuti temperatūra. Kadangi Celsijaus laipsnis yra tokio paties dydžio kaip prieaugis pagal Kelvino skalę,ΔT_K.​ = ​ΔT_C, tai reiškia, kad tais atvejais šiuos vienetus galima naudoti kaip keičiamus. Tačiau bet kada, kai reikalinga absoliuti temperatūra, ji turi būti Kelvine.

Kai du skirtingos temperatūros objektai liečiasi vienas su kitu, atsiranda šilumos perdavimas su šiluma tekantis iš objekto aukštesnėje temperatūroje į objektą žemesnėje temperatūroje, kol bus šilumos pusiausvyra pasiekė.

Šis perdavimas įvyksta dėl susidūrimo tarp didesnės energijos molekulių karštame objekte su mažesnės energijos molekulėmis aušintuvo objekte, perduodant energiją juos procese, kol atsiras pakankamai atsitiktinių medžiagų susidūrimų tarp molekulių, kad energija tolygiai pasiskirstys tarp objektų arba medžiagų. Dėl to pasiekiama nauja galutinė temperatūra, kuri yra tarp pradinių karštų ir vėsių objektų temperatūrų.

Kitas būdas tai pagalvoti yra tai, kad bendra abiejų medžiagų energija galiausiai vienodai pasiskirsto tarp medžiagų.

Galutinė dviejų objektų temperatūra esant skirtingoms pradinėms temperatūroms, kai jie pasiekia šiluminę pusiausvyrą, gali būti nustatyta naudojant šilumos energijos santykįKlausimas, savitasis šilumos pajėgumasc, masėmir temperatūros pokytis, pateiktas pagal šią lygtį:

​Pavyzdys:Tarkime, 0,1 kg vario centų (c_c= 390 J / kgK) esant 50 laipsnių Celsijaus temperatūrai, nuleidžiama į 0,1 kg vandens (c_w= 4,186 J / kgK) esant 20 laipsnių Celsijaus. Kokia bus galutinė temperatūra pasiekus šiluminę pusiausvyrą?

Sprendimas: Apsvarstykite, kad šiluma, pridėta prie vandens iš centų, bus lygi šilumai, pašalintai iš centų. Taigi, jei vanduo sugeria šilumąKlausimas_wkur:

Tada už varinius centus:

Tai leidžia parašyti santykius:

Tada galite pasinaudoti tuo, kad ir vario centų, ir vandens galutinė temperatūra turėtų būti vienoda,T_f, kad:

Šiuos kištukusΔTišraiškas į ankstesnę lygtį, galite išspręstiT_f. Šiek tiek algebros gaunamas toks rezultatas:

Prijungus reikšmes gaunama:

Pastaba: Jei nustebsite, kad vertė yra tokia artima pradinei vandens temperatūrai, apsvarstykite reikšmingus skirtumus tarp specifinės vandens šilumos ir specifinės vario šilumos. Norint sukelti vandens temperatūros pokyčius, reikia daug daugiau energijos nei vario temperatūros pokyčiams.

Senamadiški stiklo lempučių gyvsidabrio termometrai, matuodami gyvsidabrio šiluminio plėtimosi savybes, matuoja temperatūrą. Gyvsidabris išsiplečia, kai šiltas, o atvėsęs susitraukia (ir daug didesniu laipsniu nei stiklinis termometras kuriame yra.) Taigi gyvsidabris išsiplėtęs, jis pakyla į stiklinį vamzdelį, leisdamas matavimas.

Spyruokliniai termometrai - tokie, kurie paprastai turi apvalų veidą su metaliniu žymikliu, taip pat neveikia šiluminio plėtimosi principo. Juose yra suvynioto metalo gabalas, kuris plečiasi ir vėsina pagal temperatūrą, todėl rodyklė juda.

Skaitmeniniai termometrai naudoja šilumai jautrius skystuosius kristalus, kad įjungtų skaitmeninius temperatūros rodiklius.

Nors temperatūra yra vidutinė molekulės kinetinės energijos matas, vidinė energija yra visų molekulių kinetinių ir potencialių energijų suma. Idealioms dujoms, kai dalelių potenciali energija dėl sąveikos yra nereikšminga, bendra vidinė energijaEyra pateiktas pagal formulę:

Kurnyra apgamų irRyra universali dujų konstanta = 8,3145 J / molK.

Nenuostabu, kad didėjant temperatūrai šiluminė energija didėja. Šis santykis taip pat aiškiai parodo, kodėl Kelvino skalė yra svarbi. Vidinė energija turėtų būti bet kokia vertė 0 arba didesnė. Niekada nebūtų prasmės, jei tai būtų neigiama. Nenaudojant Kelvino skalės, būtų apsunkinta vidinė energijos lygtis, todėl norint ją ištaisyti, reikia pridėti konstantą. Vidinė energija tampa 0, kai absoliutus 0 K.