Temperatura (fizyka): definicja, wzór i przykłady

Być może masz już intuicyjne poczucie, że temperatura jest miarą „zimna” lub „gorętności” obiektu. Wiele osób ma obsesję na punkcie sprawdzania prognozy, aby wiedzieć, jaka będzie temperatura na dany dzień. Ale co tak naprawdę oznacza temperatura w fizyce?

Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej na cząsteczkę substancji. Różni się od ciepła, chociaż te dwie wielkości są ze sobą ściśle powiązane. Ciepło to energia przekazywana między dwoma obiektami w różnych temperaturach.

Każda substancja fizyczna, której można przypisać właściwość temperatury, składa się z atomów i cząsteczek. Te atomy i cząsteczki nie pozostają w bezruchu, nawet w ciele stałym. Ciągle się poruszają i podskakują, ale ruch odbywa się na tak małą skalę, że nie widać tego.

Jak zapewne pamiętasz ze swojego studium mechaniki, obiekty w ruchu mają formę energii zwanąenergia kinetycznawiąże się to zarówno z ich masą, jak i szybkością poruszania się. Kiedy więc temperaturę opisuje się jako średnią energię kinetyczną na cząsteczkę, opisujemy energię związaną z tym ruchem molekularnym.

Istnieje wiele różnych skal, według których można mierzyć temperaturę, ale najczęstsze to Fahrenheit, Celsjusz i Kelvin.

Skala Fahrenheita jest najlepiej znana mieszkańcom Stanów Zjednoczonych i kilku innych krajów. W tej skali woda zamarza w temperaturze 32 stopni Fahrenheita, a temperatura wrzącej wody wynosi 212 F.

Skala Celsjusza (czasami nazywana również stopniem Celsjusza) jest używana w większości innych krajów na całym świecie. W tej skali temperatura zamarzania wody wynosi 0 C, a temperatura wrzenia wody 100 C.

Skala Kelvina, nazwana na cześć Lorda Kelvina, jest standardem naukowym. Zero na tej skali to zero absolutne, w którym zatrzymuje się cały ruch molekularny. Jest uważany za bezwzględną skalę temperatury.

Aby przekonwertować z Celsjusza na Fahrenheita, użyj następującej relacji:

GdzieT​_​fa​ to temperatura w stopniach Fahrenheita iT_doto temperatura w stopniach Celsjusza. Na przykład 20 stopni Celsjusza odpowiada:

Aby dokonać konwersji w innym kierunku, od Fahrenheita do Celsjusza, użyj następującego:

Aby przekonwertować z Celsjusza na Kelwiny, formuła jest jeszcze prostsza, ponieważ rozmiar przyrostu jest taki sam, a mają one po prostu różne wartości początkowe:

• W wielu wyrażeniach termodynamiki ważną wielkością jestT(zmiana temperatury) w przeciwieństwie do samej temperatury bezwzględnej. Ponieważ stopień Celsjusza jest taki sam jak przyrost w skali Kelvina,T_K​ = ​T_do, co oznacza, że ​​w takich przypadkach te jednostki mogą być używane zamiennie. Jednak za każdym razem, gdy wymagana jest temperatura bezwzględna, musi ona być w stopniach Kelvina.

Gdy dwa obiekty o różnych temperaturach zetkną się ze sobą, nastąpi wymiana ciepła z ciepłem przepływa z obiektu o wyższej temperaturze do obiektu o niższej temperaturze, aż do osiągnięcia równowagi termicznej osiągnięty.

Przeniesienie to następuje z powodu zderzeń między cząsteczkami o wyższej energii w gorącym obiekcie z cząsteczkami o niższej energii w chłodniejszym obiekcie, przekazując energię do je w procesie, aż do momentu, gdy dojdzie do wystarczającej liczby przypadkowych zderzeń między cząsteczkami w materiałach, aby energia została równomiernie rozłożona między obiektami lub Substancje. W rezultacie osiągana jest nowa temperatura końcowa, która mieści się pomiędzy pierwotnymi temperaturami gorących i chłodnych obiektów.

Innym sposobem myślenia o tym jest to, że całkowita energia zawarta w obu substancjach ostatecznie zostaje równomiernie rozłożona między substancjami.

Temperaturę końcową dwóch obiektów w różnych temperaturach początkowych po osiągnięciu równowagi termicznej można znaleźć na podstawie zależności między energią cieplnąQ, specyficzna pojemność cieplnado, masamoraz zmianę temperatury wyrażoną następującym równaniem:

​Przykład:Załóżmy, że 0,1 kg miedzianych pensów (do_do= 390 J/kgK) w temperaturze 50 stopni Celsjusza wrzuca się do 0,1 kg wody (do_w= 4186 J/kgK) w 20 stopniach Celsjusza. Jaka będzie końcowa temperatura po osiągnięciu równowagi termicznej?

Rozwiązanie: Weź pod uwagę, że ciepło dodawane do wody z pensów będzie równe ciepłu usuniętemu z pensów. Więc jeśli woda pochłania ciepłoQ_wgdzie:

Następnie za miedziane grosze:

To pozwala na napisanie relacji:

Wtedy możesz wykorzystać fakt, że zarówno miedziane pensy, jak i woda powinny mieć tę samą temperaturę końcową,T_fatak, że:

Podłączanie tychTwyrażeń do poprzedniego równania, możesz następnie rozwiązać dlaT_fa. Mała algebra daje następujący wynik:

Podanie wartości daje wtedy:

Uwaga: Jeśli jesteś zaskoczony, że wartość jest tak bliska początkowej temperaturze wody, rozważ znaczne różnice między ciepłem właściwym wody a ciepłem właściwym miedzi. Zmiana temperatury wody wymaga o wiele więcej energii niż zmiana temperatury miedzi.

Staromodne termometry rtęciowe ze szklaną bańką mierzą temperaturę, wykorzystując rozszerzalność cieplną rtęci. Rtęć rozszerza się, gdy jest ciepła i kurczy się, gdy jest chłodna (i w znacznie większym stopniu niż termometr szklany) który ją zawiera). Tak więc, gdy rtęć rozszerza się, unosi się wewnątrz szklanej rurki, pozwalając na pomiary.

Termometry sprężynowe – te, które zwykle mają okrągłą powierzchnię z metalową wskazówką – również działają na zasadzie rozszerzalności cieplnej. Zawierają kawałek zwiniętego metalu, który rozszerza się i stygnie w zależności od temperatury, powodując ruch wskaźnika.

Termometry cyfrowe wykorzystują wrażliwe na ciepło ciekłe kryształy do ​​wyzwalania cyfrowych wyświetlaczy temperatury.

Podczas gdy temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej na cząsteczkę, energia wewnętrzna jest sumą wszystkich energii kinetycznych i potencjalnych cząsteczek. Dla gazu doskonałego, w którym energia potencjalna cząstek na skutek oddziaływań jest pomijalna, całkowita energia wewnętrzna internalmiwyraża się wzorem:

Gdzienieto liczba moli iRjest uniwersalną stałą gazową = 8,3145 J/molK.

Nic dziwnego, że wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia cieplna. Ta zależność wyjaśnia również, dlaczego skala Kelvina jest ważna. Energia wewnętrzna powinna mieć dowolną wartość 0 lub większą. Nigdy nie miałoby sensu, żeby było to negatywne. Nieużywanie skali Kelvina skomplikowałoby wewnętrzne równanie energii i wymagałoby dodania stałej, aby je skorygować. Energia wewnętrzna staje się 0 przy absolutnym 0 K.