Temperatur (fysikk): definisjon, formel og eksempler

Du har kanskje allerede en intuitiv følelse av at temperatur er et mål på "kulde" eller "hethet" til et objekt. Mange er besatt av å sjekke prognosen, slik at de vet hva temperaturen vil være for dagen. Men hva betyr egentlig temperatur i fysikk?

Temperatur er et mål på gjennomsnittlig kinetisk energi per molekyl i et stoff. Det er forskjellig fra varme, selv om de to mengdene er nært beslektede. Varme er energien som overføres mellom to objekter ved forskjellige temperaturer.

Ethvert fysisk stoff som du kan tilskrive temperaturens egenskap til, er laget av atomer og molekyler. Disse atomene og molekylene holder seg ikke stille, selv ikke i et fast stoff. De beveger seg og flirrer hele tiden, men bevegelsen skjer i så liten skala at du ikke kan se den.

Som du sannsynligvis husker fra studiet ditt av mekanikk, har objekter i bevegelse en form for energi kaltkinetisk energisom er forbundet med både massen og hvor raskt de beveger seg. Så når temperaturen beskrives som gjennomsnittlig kinetisk energi per molekyl, er det energien assosiert med denne molekylære bevegelsen som blir beskrevet.

Det er mange forskjellige skalaer som du kan måle temperatur på, men de vanligste er Fahrenheit, Celsius og Kelvin.

Fahrenheit-skalaen er det de som er mest kjent med de som bor i USA og noen få andre land. På denne skalaen fryser vannet ved 32 grader Fahrenheit, og temperaturen på kokende vann er 212 F.

Celsius-skalaen (noen ganger også referert til som celsius) brukes i de fleste andre land rundt om i verden. På denne skalaen er vannets frysepunkt ved 0 C og vannets kokepunkt er 100 C.

Kelvin-skalaen, oppkalt etter Lord Kelvin, er den vitenskapelige standarden. Null på denne skalaen er på absolutt null, det er der all molekylær bevegelse stopper. Det regnes som en absolutt temperaturskala.

For å konvertere fra Celsius til Fahrenheit, bruk følgende forhold:

HvorT​_​F​ er temperaturen i Fahrenheit, ogT_Cer temperaturen i Celsius. For eksempel tilsvarer 20 grader Celsius:

For å konvertere i den andre retningen, fra Fahrenheit til Celsius, bruk følgende:

For å konvertere fra Celsius til Kelvin, er formelen enda enklere fordi trinnstørrelsen er den samme, og de har bare forskjellige startverdier:

• I mange uttrykk i termodynamikk er den viktige mengdenAT(temperaturendringen) i motsetning til selve den absolutte temperaturen. Fordi Celsius-graden er av samme størrelse som en økning på Kelvin-skalaen,AT_K​ = ​AT_C, noe som betyr at disse enhetene kan brukes utskiftbare i slike tilfeller. Imidlertid, når som helst en absolutt temperatur er nødvendig, må den være i Kelvin.

Når to gjenstander ved forskjellige temperaturer er i kontakt med hverandre, vil varmeoverføring forekomme med varme strømmer fra objektet ved høyere temperatur til objektet ved lavere temperatur til termisk likevekt er nådd.

Denne overføringen skjer på grunn av kollisjoner mellom de høyere energimolekylene i den varme gjenstanden med de lavere energimolekylene i den kjøligere gjenstanden, og overfører energi til dem i prosessen til det har skjedd nok tilfeldige kollisjoner mellom molekyler i materialene til at energien blir jevnt fordelt mellom gjenstandene eller stoffer. Som et resultat oppnås en ny sluttemperatur som ligger mellom de opprinnelige temperaturene til de varme og de kjølige gjenstandene.

En annen måte å tenke på dette er at den totale energien i begge stoffene til slutt blir jevnt fordelt mellom stoffene.

Den endelige temperaturen til to objekter ved forskjellige starttemperaturer når de når termisk likevekt, kan bli funnet ved å bruke forholdet mellom varmeenergiSpørsmål, spesifikk varmekapasitetc, massemog temperaturendringen gitt av følgende ligning:

​Eksempel:Anta 0,1 kg kobberpenger (c_c= 390 J / kgK) ved 50 grader Celsius slippes ned i 0,1 kg vann (c_w= 4,186 J / kgK) ved 20 grader Celsius. Hva blir sluttemperaturen når termisk likevekt er oppnådd?

Løsning: Tenk på at varmen som tilsettes vannet fra pennene vil være lik varmen som er fjernet fra pennene. Så hvis vannet absorberer varmeSpørsmål_whvor:

Så for kobberpennene:

Dette lar deg skrive forholdet:

Da kan du benytte deg av det faktum at både kobberpennene og vannet skal ha samme sluttemperatur,T_f, slik at:

Plugg inn disseATuttrykk i forrige ligning, kan du deretter løse forT_f. En liten algebra gir følgende resultat:

Å plugge inn verdiene gir deretter:

Merk: Hvis du er overrasket over at verdien er så nær vannets opprinnelige temperatur, bør du vurdere de signifikante forskjellene mellom den spesifikke varmen av vann og den spesifikke kobbervarmen. Det tar mye mer energi å forårsake en temperaturendring i vann enn å forårsake en temperaturendring i kobber.

Gammeldags kvikksølvtermometre av glasspære måler temperaturen ved å bruke kvikksølvets termiske ekspansjonsegenskaper. Kvikksølv utvides når det er varmt og trekker seg sammen når det er kult (og i mye større grad enn glasstermometeret som inneholder det gjør det.) Så når kvikksølv utvides, stiger det inne i glassrøret, slik at det blir mulig mål.

Vårtermometre - de som vanligvis har et sirkulært ansikt med en metallpeker - fungerer også ut fra prinsippet om termisk ekspansjon. De inneholder et stykke opprullet metall som utvides og avkjøles basert på temperatur, slik at pekeren beveger seg.

Digitale termometre bruker varmesensitive flytende krystaller for å utløse digitale temperaturdisplayer.

Mens temperatur er et mål på den gjennomsnittlige kinetiske energien per molekyl, er indre energi summen av alle kinetiske og potensielle energier i molekylene. For en ideell gass, der potensiell energi til partiklene på grunn av interaksjoner er ubetydelig, den totale interne energienEer gitt av formelen:

Hvorner antall føflekker ogRer den universelle gasskonstanten = 8,3145 J / molK.

Ikke overraskende, når temperaturen øker, øker termisk energi. Dette forholdet gjør det også klart hvorfor Kelvin-skalaen er viktig. Den interne energien skal være hvilken som helst verdi 0 eller større. Det ville aldri være fornuftig at det var negativt. Hvis du ikke bruker Kelvin-skalaen, vil det komplisere den interne energilikningen og kreve tillegg av en konstant for å korrigere den. Den indre energien blir 0 ved absolutt 0 K.