Temperatuur (natuurkunde): definitie, formule en voorbeelden

Je hebt misschien al een intuïtief gevoel dat temperatuur een maat is voor de "koude" of "heetheid" van een object. Veel mensen zijn geobsedeerd met het controleren van de voorspelling, zodat ze weten wat de temperatuur voor die dag zal zijn. Maar wat betekent temperatuur eigenlijk in de natuurkunde?

Temperatuur is een maat voor de gemiddelde kinetische energie per molecuul in een stof. Het is anders dan warmte, hoewel de twee grootheden nauw met elkaar verbonden zijn. Warmte is de energie die wordt overgedragen tussen twee objecten bij verschillende temperaturen.

Elke fysieke substantie waaraan je de eigenschap temperatuur zou kunnen toeschrijven, bestaat uit atomen en moleculen. Die atomen en moleculen blijven niet stil, zelfs niet in een vaste stof. Ze zijn constant in beweging en wiebelen rond, maar de beweging gebeurt op zo'n kleine schaal, dat je het niet kunt zien.

Zoals je je waarschijnlijk herinnert uit je studie van mechanica, hebben bewegende objecten een vorm van energie die

Er zijn veel verschillende schalen waarmee u de temperatuur kunt meten, maar de meest voorkomende zijn Fahrenheit, Celsius en Kelvin.

De Fahrenheit-schaal is waar degenen die in de Verenigde Staten en een paar andere landen wonen het meest bekend mee zijn. Op deze schaal bevriest water bij 32 graden Fahrenheit, en de temperatuur van kokend water is 212 F.

De Celsius-schaal (soms ook wel Celsius genoemd) wordt in de meeste andere landen over de hele wereld gebruikt. Op deze schaal ligt het vriespunt van water bij 0 C en het kookpunt van water bij 100 C.

De Kelvin-schaal, genoemd naar Lord Kelvin, is de wetenschappelijke standaard. Nul op deze schaal is het absolute nulpunt, waar alle moleculaire beweging stopt. Het wordt beschouwd als een absolute temperatuurschaal.

Gebruik de volgende relatie om van Celsius naar Fahrenheit te converteren:

WaarT​_​F​ is de temperatuur in Fahrenheit, enT_Cis de temperatuur in Celsius. 20 graden Celsius is bijvoorbeeld gelijk aan:

Om in de andere richting om te rekenen, van Fahrenheit naar Celsius, gebruik je het volgende:

Om van Celsius naar Kelvin te converteren, is de formule nog eenvoudiger omdat de stapgrootte hetzelfde is en ze alleen verschillende startwaarden hebben:

• In veel uitdrukkingen in de thermodynamica is de belangrijke hoeveelheidT(de verandering in temperatuur) in tegenstelling tot de absolute temperatuur zelf. Omdat de Celsius-graad even groot is als een toename op de Kelvin-schaal,T_K​ = ​T_C, wat betekent dat deze eenheden in die gevallen uitwisselbaar kunnen worden gebruikt. Wanneer echter een absolute temperatuur vereist is, moet deze in Kelvin zijn.

Wanneer twee objecten met verschillende temperaturen met elkaar in contact zijn, zal er warmteoverdracht plaatsvinden, met warmte stromen van het object bij de hogere temperatuur naar het object bij de lagere temperatuur totdat thermisch evenwicht is bereikt.

Deze overdracht vindt plaats als gevolg van botsingen tussen de moleculen met hogere energie in het hete object met de moleculen met lagere energie in het koelere object, waardoor energie wordt overgedragen naar ze in het proces totdat er voldoende willekeurige botsingen tussen moleculen in de materialen zijn opgetreden dat de energie gelijkmatig wordt verdeeld tussen de objecten of stoffen. Hierdoor wordt een nieuwe eindtemperatuur bereikt, die tussen de oorspronkelijke temperaturen van de hete en de koele objecten ligt.

Een andere manier om hieraan te denken is dat de totale energie in beide stoffen uiteindelijk gelijk verdeeld wordt tussen de stoffen.

De eindtemperatuur van twee objecten bij verschillende begintemperaturen zodra ze thermisch evenwicht hebben bereikt, kan worden gevonden door de relatie tussen warmte-energie te gebruikenVraag, specifieke warmte capaciteitc, massamen de temperatuurverandering gegeven door de volgende vergelijking:

​Voorbeeld:Stel dat 0,1 kg koperen centen (c_c= 390 J/kgK) bij 50 graden Celsius vallen in 0,1 kg water (c_{met wie}= 4.186 J/kgK) bij 20 graden Celsius. Wat zal de eindtemperatuur zijn als het thermisch evenwicht is bereikt?

Oplossing: Bedenk dat de warmte die door de centen aan het water wordt toegevoegd, gelijk is aan de warmte die uit de centen wordt verwijderd. Dus als het water warmte absorbeertVraag_{met wie}waar:

Dan voor de koperen centen:

Hiermee kunt u de relatie schrijven:

Dan kun je gebruik maken van het feit dat zowel de koperen centen als het water dezelfde eindtemperatuur moeten hebben,T_f, zoals dat:

Deze aansluitenTuitdrukkingen in de vorige vergelijking, dan kun je oplossen voorT_f. Een beetje algebra geeft het volgende resultaat:

Het inpluggen van de waarden geeft dan:

Opmerking: als je verrast bent dat de waarde zo dicht bij de begintemperatuur van het water ligt, overweeg dan de significante verschillen tussen de soortelijke warmte van water en de soortelijke warmte van koper. Het kost veel meer energie om een ​​temperatuurverandering in water te veroorzaken dan om een ​​temperatuurverandering in koper te veroorzaken.

Ouderwetse kwikthermometers met glazen bol meten de temperatuur door gebruik te maken van de thermische uitzettingseigenschappen van kwik. Kwik zet uit als het warm is en krimpt als het afkoelt (en in veel grotere mate dan de glazen thermometer) die het bevat.) Dus als het kwik uitzet, stijgt het in de glazen buis, waardoor meting.

Veerthermometers - die meestal een cirkelvormig oppervlak hebben met een metalen wijzer - werken ook volgens het principe van thermische uitzetting. Ze bevatten een stuk opgerold metaal dat uitzet en afkoelt op basis van de temperatuur, waardoor de aanwijzer beweegt.

Digitale thermometers maken gebruik van warmtegevoelige vloeibare kristallen om digitale temperatuurweergaven te activeren.

Terwijl temperatuur een maat is voor de gemiddelde kinetische energie per molecuul, is interne energie het totaal van alle kinetische en potentiële energieën van de moleculen. Voor een ideaal gas, waar de potentiële energie van de deeltjes als gevolg van interacties verwaarloosbaar is, is de totale interne energieEwordt gegeven door de formule:

Waarneeis het aantal mol enRis de universele gasconstante = 8,3145 J/molK.

Het is niet verrassend dat als de temperatuur stijgt, de thermische energie toeneemt. Deze relatie maakt ook duidelijk waarom de Kelvin-schaal belangrijk is. De interne energie moet elke waarde 0 of hoger zijn. Het zou nooit logisch zijn als het negatief zou zijn. Het niet gebruiken van de Kelvin-schaal zou de interne energievergelijking bemoeilijken en de toevoeging van een constante vereisen om deze te corrigeren. De interne energie wordt 0 bij absolute 0 K.