Возможно, у вас уже есть интуитивное ощущение, что температура является мерой «холода» или «жара» объекта. Многие люди одержимы проверкой прогноза, чтобы знать, какая температура будет на день. Но что на самом деле означает температура в физике?
Определение температуры
Температура - это мера средней кинетической энергии на молекулу вещества. Он отличается от тепла, хотя эти две величины тесно связаны. Тепло - это энергия, передаваемая между двумя объектами при разных температурах.
Любая физическая субстанция, которой вы могли бы приписать свойство температуры, состоит из атомов и молекул. Эти атомы и молекулы не остаются неподвижными даже в твердом теле. Они постоянно двигаются и покачиваются, но движение происходит в таком маленьком масштабе, что вы его не видите.
Как вы, вероятно, помните из своего изучения механики, движущиеся объекты имеют форму энергии, называемуюкинетическая энергияэто связано как с их массой, так и с тем, насколько быстро они движутся. Итак, когда температура описывается как средняя кинетическая энергия на молекулу, описывается энергия, связанная с этим молекулярным движением.
Температурные шкалы
Существует множество различных шкал, с помощью которых вы можете измерять температуру, но наиболее распространенными являются шкалы Фаренгейта, Цельсия и Кельвина.
Шкала Фаренгейта - это то, с чем лучше всего знакомы те, кто живет в Соединенных Штатах и некоторых других странах. По этой шкале вода замерзает до 32 градусов по Фаренгейту, а температура кипящей воды составляет 212 F.
Шкала Цельсия (иногда также называемая градусом Цельсия) используется в большинстве других стран мира. По этой шкале точка замерзания воды составляет 0 ° C, а точка кипения воды составляет 100 ° C.
Шкала Кельвина, названная в честь лорда Кельвина, является научным стандартом. Ноль на этой шкале соответствует абсолютному нулю, на котором останавливается все молекулярное движение. Считается абсолютной температурной шкалой.
Преобразование температурных шкал
Чтобы преобразовать градусы Цельсия в градусы Фаренгейта, используйте следующее соотношение:
T_F = \ frac {9} {5} T_C + 32
ГдеТF это температура в градусах Фаренгейта, аТCэто температура в градусах Цельсия. Например, 20 градусов Цельсия эквивалентны:
T_F = \ frac {9} {5} 20 + 32 = 68 \ text {градусы Фаренгейта.}
Для преобразования в другом направлении, от Фаренгейта до Цельсия, используйте следующее:
T_C = \ frac {5} {9} (T_F - 32)
Для преобразования из Цельсия в Кельвин формула еще проще, потому что размер приращения тот же, и у них просто разные начальные значения:
Т_К = Т_С + 273,15
Советы
Во многих выражениях термодинамики важной величиной являетсяΔT(изменение температуры) в отличие от самой абсолютной температуры. Поскольку градус Цельсия равен размеру приращения шкалы Кельвина,ΔTK = ΔTC, что означает, что в этих случаях эти единицы можно использовать как взаимозаменяемые. Однако в любое время, когда требуется абсолютная температура, она должна быть в градусах Кельвина.
Теплопередача
Когда два объекта с разными температурами контактируют друг с другом, происходит теплопередача с теплом. течет от объекта с более высокой температурой к объекту с более низкой температурой до тех пор, пока не установится тепловое равновесие. достиг.
Эта передача происходит из-за столкновений между молекулами с более высокой энергией в горячем объекте с молекулами с более низкой энергией в более холодном объекте, передавая энергию в их в процессе до тех пор, пока не произойдет достаточно случайных столкновений между молекулами в материалах, чтобы энергия равномерно распределялась между объектами или вещества. В результате достигается новая конечная температура, которая находится между исходными температурами горячих и холодных объектов.
Другой способ думать об этом заключается в том, что общая энергия, содержащаяся в обоих веществах, в конечном итоге становится равномерно распределенной между веществами.
Конечная температура двух объектов при разных начальных температурах, когда они достигают теплового равновесия, может быть определена с помощью соотношения между тепловой энергиейQ, удельная теплоемкостьc, массами изменение температуры, определяемое следующим уравнением:
Q = mc \ Delta T
Пример:Допустим 0,1 кг медных пенсов (cc= 390 Дж / кг · К) при 50 градусах Цельсия опускают в 0,1 кг воды (cш= 4,186 Дж / кг · К) при 20 градусах Цельсия. Какой будет конечная температура после достижения теплового равновесия?
Решение: Учтите, что тепло, добавляемое к воде от пенсов, будет равно теплу, отводимому от монет. Итак, если вода поглощает теплоQшгде:
Q_w = m_wc_w \ Delta T_w
Затем за медные гроши:
Q_c = -Q_w = m_cc_c \ Delta T_c
Это позволяет записать отношения:
m_cc_c \ Delta T_c = -m_wc_w \ Delta T_w
Тогда вы можете использовать тот факт, что и медные монеты, и вода должны иметь одинаковую конечную температуру,Тж, такое, что:
\ Delta T_c = T_f-T_ {ic} \\\ Delta T_w = T_f-T_ {iw}
Подключив этиΔTвыражения в предыдущее уравнение, вы можете затем решить дляТж. Небольшая алгебра дает следующий результат:
T_f = \ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
Затем вставка значений дает:
Примечание. Если вы удивлены тем, что это значение так близко к начальной температуре воды, обратите внимание на существенные различия между удельной теплотой воды и удельной теплотой меди. Чтобы вызвать изменение температуры воды, требуется гораздо больше энергии, чем для изменения температуры меди.
Как работают термометры
Старомодные ртутные термометры со стеклянной колбой измеряют температуру, используя свойства ртути по тепловому расширению. Ртуть расширяется в тепле и сжимается в холодном состоянии (и в гораздо большей степени, чем стеклянный термометр. в которой он содержится.) По мере того, как ртуть расширяется, она поднимается внутри стеклянной трубки, позволяя измерение.
Пружинные термометры - те, которые обычно имеют круглую поверхность с металлической стрелкой - также работают по принципу теплового расширения. Они содержат кусок свернутого в спираль металла, который расширяется и охлаждается в зависимости от температуры, заставляя указатель двигаться.
Цифровые термометры используют термочувствительные жидкие кристаллы для запуска цифровых дисплеев температуры.
Связь между температурой и внутренней энергией
В то время как температура является мерой средней кинетической энергии на молекулу, внутренняя энергия - это сумма всех кинетических и потенциальных энергий молекул. Для идеального газа, где потенциальная энергия частиц из-за взаимодействий пренебрежимо мала, полная внутренняя энергияEдается формулой:
E = \ frac {3} {2} nRT
Гдепэто количество родинок ир- универсальная газовая постоянная = 8,3145 Дж / моль · K.
Неудивительно, что с повышением температуры увеличивается тепловая энергия. Эта взаимосвязь также проясняет, почему важна шкала Кельвина. Внутренняя энергия должна иметь любое значение 0 или больше. Это никогда не имело бы смысла быть отрицательным. Отказ от использования шкалы Кельвина усложнит уравнение внутренней энергии и потребует добавления константы для его исправления. Внутренняя энергия становится равной 0 при абсолютном 0 К.