S-ar putea să aveți deja un sentiment intuitiv că temperatura este o măsură a „răcirii” sau „căldurii” unui obiect. Mulți oameni sunt obsedați de verificarea prognozei, astfel încât să știe care va fi temperatura pentru ziua respectivă. Dar ce înseamnă cu adevărat temperatura în fizică?
Definiția Temperature
Temperatura este o măsură a energiei cinetice medii pe moleculă dintr-o substanță. Este diferit de căldură, deși cele două cantități sunt strâns legate. Căldura este energia transferată între două obiecte la temperaturi diferite.
Orice substanță fizică căreia i-ați putea atribui proprietatea temperaturii este formată din atomi și molecule. Acești atomi și molecule nu rămân nemișcate, nici măcar într-un solid. Se mișcă și se mișcă constant, dar mișcarea are loc la o scară atât de mică, încât nu o puteți vedea.
După cum vă amintiți probabil din studiul mecanicii, obiectele în mișcare au o formă de energie numităenergie kineticăcare este asociat atât cu masa lor, cât și cu cât de repede se mișcă. Deci, atunci când temperatura este descrisă ca energie cinetică medie pe moleculă, este descrisă energia asociată cu această mișcare moleculară.
Scale de temperatură
Există multe scale diferite prin care ați putea măsura temperatura, dar cele mai frecvente sunt Fahrenheit, Celsius și Kelvin.
Scara Fahrenheit este cea cu care sunt cei mai familiarizați cei care locuiesc în Statele Unite și alte câteva țări. Pe această scară, apa îngheață la 32 de grade Fahrenheit, iar temperatura apei clocotite este de 212 F.
Scara Celsius (uneori denumită și centigrad) este utilizată în majoritatea celorlalte țări din întreaga lume. Pe această scară, punctul de îngheț al apei este la 0 C, iar punctul de fierbere al apei este la 100 C.
Scara Kelvin, numită astfel pentru Lord Kelvin, este standardul științific. Zero pe această scară este la zero absolut, care este locul în care se oprește toată mișcarea moleculară. Este considerată o scară de temperatură absolută.
Conversia între scale de temperatură
Pentru a converti de la Celsius la Fahrenheit, utilizați următoarea relație:
T_F = \ frac {9} {5} T_C + 32
UndeTF este temperatura în Fahrenheit șiTCeste temperatura în grade Celsius. De exemplu, 20 de grade Celsius este echivalent cu:
T_F = \ frac {9} {5} 20 + 32 = 68 \ text {grade Fahrenheit.}
Pentru a converti în cealaltă direcție, de la Fahrenheit la Celsius, utilizați următoarele:
T_C = \ frac {5} {9} (T_F - 32)
Pentru a converti de la Celsius la Kelvin, formula este și mai simplă, deoarece dimensiunea incrementului este aceeași și au doar valori de pornire diferite:
T_K = T_C + 273,15
sfaturi
În multe expresii din termodinamică, cantitatea importantă esteΔT(schimbarea temperaturii) spre deosebire de temperatura absolută în sine. Deoarece gradul Celsius are aceeași dimensiune ca un increment pe scara Kelvin,ΔTK = ΔTC, ceea ce înseamnă că aceste unități pot fi utilizate interschimbabile în aceste cazuri. Cu toate acestea, de fiecare dată când este necesară o temperatură absolută, aceasta trebuie să fie în Kelvin.
Transfer de căldură
Când două obiecte la temperaturi diferite sunt în contact unul cu celălalt, va avea loc transferul de căldură, cu căldură care curge de la obiect la temperatura mai mare la obiect la temperatura mai scăzută până când echilibrul termic este atins.
Acest transfer are loc datorită coliziunilor dintre moleculele cu energie superioară din obiectul fierbinte cu moleculele cu energie inferioară din obiectul mai rece, transferând energia către acestea până când au avut loc suficiente coliziuni aleatorii între molecule din materiale, încât energia devine distribuită în mod egal între obiecte sau substanțe. Ca urmare, se atinge o nouă temperatură finală, care se află între temperaturile inițiale ale obiectelor fierbinți și cele reci.
O altă modalitate de a gândi acest lucru este că energia totală conținută în ambele substanțe devine în cele din urmă distribuită în mod egal între substanțe.
Temperatura finală a două obiecte la temperaturi inițiale diferite odată ce ating echilibrul termic poate fi găsită utilizând relația dintre energia termicăÎ, capacitate termică specificăc, masamși schimbarea de temperatură dată de următoarea ecuație:
Q = mc \ Delta T
Exemplu:Să presupunem 0,1 kg de bani de cupru (cc= 390 J / kgK) la 50 de grade Celsius sunt scăpate în 0,1 kg de apă (cw= 4.186 J / kgK) la 20 grade Celsius. Care va fi temperatura finală după atingerea echilibrului termic?
Soluție: Luați în considerare că căldura adăugată în apă din bănuți va fi egală cu căldura eliminată din bănuți. Deci dacă apa absoarbe călduraÎwUnde:
Q_w = m_wc_w \ Delta T_w
Apoi pentru bănuții de cupru:
Q_c = -Q_w = m_cc_c \ Delta T_c
Acest lucru vă permite să scrieți relația:
m_cc_c \ Delta T_c = -m_wc_w \ Delta T_w
Apoi, puteți folosi faptul că atât banii de cupru, cât și apa ar trebui să aibă aceeași temperatură finală,Tf, astfel încât:
\ Delta T_c = T_f-T_ {ic} \\\ Delta T_w = T_f-T_ {iw}
Conectarea acestoraΔTexpresii în ecuația anterioară, apoi puteți rezolva pentruTf. O mică algebră dă următorul rezultat:
T_f = \ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
Conectarea valorilor oferă apoi:
Notă: Dacă sunteți surprins că valoarea este atât de apropiată de temperatura inițială a apei, luați în considerare diferențele semnificative dintre căldura specifică a apei și căldura specifică a cuprului. Este nevoie de mult mai multă energie pentru a provoca o schimbare de temperatură în apă decât pentru a provoca o schimbare de temperatură în cupru.
Cum funcționează termometrele
Termometrele cu mercur cu becuri de sticlă de modă veche măsoară temperatura utilizând proprietățile de dilatare termică ale mercurului. Mercurul se extinde când este cald și se contractă când este rece (și într-un grad mult mai mare decât termometrul de sticlă care îl conține.) Deci, pe măsură ce mercurul se extinde, acesta crește în interiorul tubului de sticlă, permițând măsurare.
Termometrele cu arc - cele care au de obicei o față circulară cu un indicator metalic - funcționează, de asemenea, în afara principiului expansiunii termice. Acestea conțin o bucată de metal înfășurat care se extinde și se răcește în funcție de temperatură, determinând deplasarea indicatorului.
Termometrele digitale utilizează cristale lichide sensibile la căldură pentru a declanșa afișaje digitale de temperatură.
Relația dintre temperatură și energie internă
În timp ce temperatura este o măsură a energiei cinetice medii pe moleculă, energia internă este totalul tuturor energiilor cinetice și potențiale ale moleculelor. Pentru un gaz ideal, unde energia potențială a particulelor datorită interacțiunilor este neglijabilă, energia internă totalăEeste dat de formula:
E = \ frac {3} {2} nRT
Undeneste numărul de alunițe șiReste constanta gazului universal = 8,3145 J / molK.
Nu este surprinzător, pe măsură ce temperatura crește, energia termică crește. Această relație arată, de asemenea, de ce este importantă scara Kelvin. Energia internă ar trebui să fie de orice valoare 0 sau mai mare. Nu ar avea niciodată sens să fie negativ. Dacă nu utilizați scara Kelvin ar complica ecuația energiei interne și ar fi nevoie de adăugarea unei constante pentru a o corecta. Energia internă devine 0 la 0 K. absolut
