Temperatūra (fizika): definīcija, formula un piemēri

Jums jau var būt intuitīva nojauta, ka temperatūra ir objekta "aukstuma" vai "karstuma" mērs. Daudzi cilvēki ir apsēsti ar prognožu pārbaudi, lai viņi zinātu, kāda būs dienas temperatūra. Bet ko fizikā patiesībā nozīmē temperatūra?

Temperatūra ir vidējās kinētiskās enerģijas mērs uz molekulu vielā. Tas atšķiras no siltuma, lai gan abi lielumi ir cieši saistīti. Siltums ir enerģija, kas tiek nodota starp diviem objektiem dažādās temperatūrās.

Jebkura fiziska viela, kurai jūs varētu piedēvēt temperatūras īpašību, sastāv no atomiem un molekulām. Šie atomi un molekulas nepaliek nekustīgi pat cietā stāvoklī. Viņi nepārtraukti pārvietojas un žonglē apkārt, bet kustība notiek tik mazā mērogā, ka to nevar redzēt.

Kā jūs, iespējams, atceraties no sava mehānikas pētījuma, kustībā esošajiem objektiem ir enerģijas veids, ko sauckinētiskā enerģijatas ir saistīts gan ar viņu masu, gan ar to, cik ātri viņi pārvietojas. Tātad, kad temperatūra tiek aprakstīta kā vidējā kinētiskā enerģija uz vienu molekulu, tiek aprakstīta ar šo molekulāro kustību saistītā enerģija.

Ir daudz dažādu mērogu, pēc kuriem jūs varat izmērīt temperatūru, taču visbiežāk tie ir Fārenheits, Celsija un Kelvins.

Fārenheita skala ir visvairāk pazīstama tiem, kas dzīvo Amerikas Savienotajās Valstīs un dažās citās valstīs. Šajā mērogā ūdens sasalst 32 grādos pēc Fārenheita, un verdoša ūdens temperatūra ir 212 F.

Celsija skalu (dažreiz to dēvē arī par centigrādi) izmanto lielākajā daļā citu pasaules valstu. Šajā skalā ūdens sasalšanas temperatūra ir 0 C un ūdens viršanas temperatūra ir 100 C.

Kelvina skala, kas nosaukta lordam Kelvinam, ir zinātniskais standarts. Nulle šajā skalā ir absolūtā nulle, kur apstājas visa molekulārā kustība. To uzskata par absolūtu temperatūras skalu.

Lai konvertētu no Celsija uz Fārenheitu, izmantojiet šādas attiecības:

KurT​_​F​ ir temperatūra Fārenheitā unT_Cir temperatūra pēc Celsija. Piemēram, 20 grādi pēc Celsija ir ekvivalenti:

Lai pārvērstu citā virzienā, no Fārenheita uz Celsija, izmantojiet šo:

Lai konvertētu no Celsija uz Kelvinu, formula ir vēl vienkāršāka, jo pieauguma lielums ir vienāds, un tiem ir tikai dažādas sākuma vērtības:

• Daudzās termodinamikas izpausmēs svarīgais lielums irΔT(temperatūras izmaiņas) pretstatā pašai absolūtai temperatūrai. Tā kā Celsija grāds ir tāds pats kā pieaugums pēc Kelvina skalas,ΔT_K​ = ​ΔT_C, kas nozīmē, ka šajos gadījumos šīs vienības var izmantot savstarpēji aizstājamas. Tomēr jebkurā laikā ir nepieciešama absolūta temperatūra, tai jābūt Kelvinos.

Kad divi objekti dažādās temperatūrās saskaras viens ar otru, notiks siltuma pārnese ar siltumu plūst no objekta augstākā temperatūrā uz objektu zemākā temperatūrā, līdz ir termiskais līdzsvars sasniegts.

Šī nodošana notiek sadursmju starp karstajā objektā esošajām augstākas enerģijas molekulām ar vēsākā objektā esošajām zemākas enerģijas molekulām, pārnesot enerģiju uz tos procesā līdz notiek pietiekami daudz nejaušu sadursmju starp molekulām materiālos, ka enerģija kļūst vienādi sadalīta starp objektiem vai vielas. Rezultātā tiek sasniegta jauna galīgā temperatūra, kas atrodas starp sākotnējo karsto un vēso priekšmetu temperatūru.

Vēl viens veids, kā domāt par to, ir tas, ka abās vielās esošā kopējā enerģija galu galā vienādi sadalās starp vielām.

Divu objektu galīgo temperatūru dažādās sākotnējās temperatūrās, kad tie sasniedz termisko līdzsvaru, var atrast, izmantojot sakarību starp siltumenerģijuJ, īpatnējā siltuma jaudac, masamun temperatūras izmaiņas, kas norādītas šādā vienādojumā:

​Piemērs:Pieņemsim, ka 0,1 kg vara santīmu (c_c= 390 J / kgK) temperatūrā 50 grādi pēc Celsija tiek nolaisti 0,1 kg ūdens (c_w= 4,186 J / kgK) pie 20 grādiem pēc Celsija. Kāda būs galīgā temperatūra, kad tiks sasniegts termiskais līdzsvars?

Risinājums: ņemiet vērā, ka siltums, kas pievienots ūdenim no santīmiem, būs vienāds ar siltumu, kas noņemts no santīmiem. Tātad, ja ūdens absorbē siltumuJ_wkur:

Tad par vara santīmiem:

Tas ļauj rakstīt attiecības:

Tad jūs varat izmantot faktu, ka gan vara santīmiem, gan ūdenim jābūt vienādai galīgajai temperatūrai,T_f, tāds, ka:

Pievienojot šosΔTizteiksmes iepriekšējā vienādojumā, pēc tam varat atrisinātT_f. Neliela algebra dod šādu rezultātu:

Pievienojot vērtības, iegūst:

Piezīme: Ja esat pārsteigts, ka vērtība ir tik tuvu ūdens sākotnējai temperatūrai, ņemiet vērā būtiskās atšķirības starp īpatnējo ūdens siltumu un vara īpatnējo siltumu. Lai izraisītu temperatūras izmaiņas ūdenī, nepieciešams daudz vairāk enerģijas nekā vara temperatūras izmaiņām.

Vecmodīgi stikla spuldzes dzīvsudraba termometri mēra temperatūru, izmantojot dzīvsudraba termiskās izplešanās īpašības. Dzīvsudrabs izplešas, kad silts, un saraujas, kad ir vēss (un daudz lielākā mērā nekā stikla termometrs kas to satur.) Tā kā dzīvsudrabs izplešas, tas paceļas stikla caurules iekšpusē, ļaujot mērīšana.

Pavasara termometri - tie, kuriem parasti ir apaļa seja ar metāla rādītāju - darbojas arī no termiskās izplešanās principa. Tie satur ruļļa metāla gabalu, kas izplešas un atdziest, pamatojoties uz temperatūru, izraisot rādītāja kustību.

Digitālie termometri izmanto karstumjutīgus šķidros kristālus, lai iedarbinātu digitālos temperatūras displejus.

Kamēr temperatūra ir vienas molekulas vidējās kinētiskās enerģijas mērs, iekšējā enerģija ir visu molekulu kinētisko un potenciālo enerģiju kopsumma. Ideālai gāzei, kur daļiņu potenciālā enerģija mijiedarbības dēļ ir nenozīmīga, kopējā iekšējā enerģijaEizsaka pēc formulas:

Kurnir molu unRir universālā gāzes konstante = 8,3145 J / molK.

Nav pārsteidzoši, ka, paaugstinoties temperatūrai, palielinās siltumenerģija. Šīs attiecības arī skaidri parāda, kāpēc Kelvina skala ir svarīga. Iekšējai enerģijai jābūt jebkurai vērtībai 0 vai lielākai. Nekad nebūtu jēgas, ja tas būtu negatīvs. Neizmantojot Kelvina skalu, būtu sarežģīts iekšējais enerģijas vienādojums un tā labošanai būtu jāpievieno konstante. Iekšējā enerģija kļūst par 0 pie absolūtā 0 K.