Teplota (fyzika): Definícia, vzorec a príklady

Možno už máte intuitívny pocit, že teplota je mierou „chladu“ alebo „horúčavy“ objektu. Mnoho ľudí je posadnutých kontrolou predpovede, aby vedeli, aká bude teplota za deň. Čo však v skutočnosti znamená teplota vo fyzike?

Teplota je mierou priemernej kinetickej energie na molekulu v látke. Líši sa od tepla, aj keď tieto dve veličiny spolu úzko súvisia. Teplo je energia prenášaná medzi dvoma objektmi pri rôznych teplotách.

Akákoľvek fyzikálna látka, ktorej môžete pripísať vlastnosť teploty, je tvorená atómami a molekulami. Tieto atómy a molekuly nezostávajú nehybné ani v tuhej látke. Neustále sa pohybujú a vrtia sa dokola, ale pohyb sa deje v takom malom rozsahu, že to nevidíte.

Ako si pravdepodobne pamätáte zo svojho štúdia mechaniky, objekty v pohybe majú formu energie zvanejKinetická energiato súvisí s ich hmotnosťou aj s tým, ako rýchlo sa pohybujú. Takže keď je teplota opísaná ako priemerná kinetická energia na molekulu, je opísaná energia spojená s týmto molekulárnym pohybom.

Existuje mnoho rôznych stupníc, pomocou ktorých môžete merať teplotu, ale najčastejšie sú stupne Fahrenheita, Celzia a Kelvina.

Stupnica Fahrenheita je to, čo najviac poznajú tí, ktorí žijú v USA a niekoľkých ďalších krajinách. V tomto rozsahu voda zmrzne pri 32 stupňoch Fahrenheita a teplota vriacej vody je 212 F.

Celsiova stupnica (niekedy označovaná aj ako Celsia) sa používa vo väčšine ostatných krajín sveta. Na tejto stupnici je bod tuhnutia vody pri 0 ° C a bod varu vody pri 100 ° C.

Kelvinova stupnica, pomenovaná pre lorda Kelvina, je vedeckým štandardom. Nula na tejto škále je na absolútnej nule, kde sa zastaví všetok molekulárny pohyb. Považuje sa to za absolútnu teplotnú stupnicu.

Ak chcete previesť z Celzia na Fahrenheita, použite nasledujúci vzťah:

KdeT​_​F​ je teplota vo stupňoch Fahrenheita aT_C.je teplota v stupňoch Celzia. Napríklad 20 stupňov Celzia sa rovná:

Ak chcete prevádzať opačným smerom, z Fahrenheita do Celzia, použite nasledujúci postup:

Pri prevode z Celzia na Kelvin je vzorec ešte jednoduchší, pretože veľkosť prírastku je rovnaká a majú iba rôzne počiatočné hodnoty:

• V mnohých termodynamických výrazoch je dôležitá veličinaΔT(zmena teploty) na rozdiel od samotnej absolútnej teploty. Pretože je stupeň Celzia rovnakej veľkosti ako prírastok na Kelvinovej stupnici,ΔT_K​ = ​ΔT_C., čo znamená, že v týchto prípadoch je možné tieto jednotky zameniť. Kedykoľvek je však požadovaná absolútna teplota, musí byť v Kelvinoch.

Keď sú dva objekty pri rôznych teplotách v kontakte navzájom, dôjde k prenosu tepla prúdiaci z objektu pri vyššej teplote do objektu pri nižšej teplote, kým nie je dosiahnutá tepelná rovnováha dosiahol.

K tomuto prenosu dochádza v dôsledku kolízií medzi molekulami vyššej energie v horúcom objekte s molekulami nižšej energie v chladnejšom objekte, pričom dochádza k prenosu energie do ich v procese, kým nenastane dostatok náhodných kolízií medzi molekulami v materiáloch, aby sa energia rovnomerne rozložila medzi objekty resp látok. Vďaka tomu sa dosiahne nová konečná teplota, ktorá leží medzi pôvodnými teplotami horúcich a chladných predmetov.

Ďalším spôsobom, ako to myslieť, je to, že celková energia obsiahnutá v oboch látkach sa nakoniec rovnomerne rozdelí medzi látky.

Konečnú teplotu dvoch objektov pri rôznych počiatočných teplotách, keď dosiahnu tepelnú rovnováhu, možno zistiť pomocou vzťahu medzi tepelnou energiouQ, Špecifická tepelná kapacitac, omšama teplotná zmena daná nasledujúcou rovnicou:

​Príklad:Predpokladajme 0,1 kg medených pencí (c_c= 390 J / kgK) pri 50 stupňoch Celzia sa vlejú do 0,1 kg vody (c_w= 4 186 J / kg K) pri 20 stupňoch Celzia. Aká bude konečná teplota, keď sa dosiahne tepelná rovnováha?

Riešenie: Zvážte, že teplo pridané do vody z halierov sa bude rovnať teplu odobranému z halierov. Ak teda voda absorbuje teploQ_wkde:

Potom pre medené haliere:

Takto môžete napísať vzťah:

Potom môžete využiť skutočnosť, že medené haliere aj voda by mali mať rovnakú konečnú teplotu,T_ftaké, že:

Tieto sa pripájajúΔTvýrazy do predchádzajúcej rovnice, ktorú potom môžete vyriešiťT_f. Malá algebra dáva nasledujúci výsledok:

Pripojením hodnôt potom získate:

Poznámka: Ak vás prekvapí, že hodnota je tak blízko pôvodnej teplote vody, zvážte významné rozdiely medzi špecifickým teplom vody a špecifickým teplom medi. Na zmenu teploty vo vode je potrebných oveľa viac energie ako na zmenu teploty v medi.

Staromódne ortuťové teplomery so sklenenými žiarovkami merajú teplotu pomocou vlastností tepelnej rozťažnosti ortuti. Ortuť sa rozširuje, keď je teplá, a sťahuje sa, keď je chladná (a v oveľa väčšej miere ako sklenený teplomer ktorý ho obsahuje.) Takže ako sa ortuť rozpína, stúpa vo vnútri sklenenej trubice a umožňuje to meranie.

Pružinové teplomery - tie, ktoré majú zvyčajne kruhovú plochu s kovovým ukazovateľom - tiež využívajú princíp tepelnej rozťažnosti. Obsahujú kúsok stočeného kovu, ktorý sa na základe teploty rozpína ​​a ochladzuje, čo spôsobuje pohyb ukazovateľa.

Digitálne teplomery využívajú na spustenie digitálneho zobrazenia teploty tekuté kryštály citlivé na teplo.

Zatiaľ čo teplota je mierou priemernej kinetickej energie na molekulu, vnútorná energia je súčtom všetkých kinetických a potenciálnych energií molekúl. Pre ideálny plyn, kde je potenciálna energia častíc v dôsledku interakcií zanedbateľná, celková vnútorná energiaEje dané vzorcom:

Kdenje počet mólov aRje univerzálna plynová konštanta = 8,3 145 J / molK.

Nie je prekvapením, že pri zvyšovaní teploty sa zvyšuje tepelná energia. Tento vzťah tiež objasňuje, prečo je Kelvinova stupnica dôležitá. Vnútorná energia by mala mať hodnotu 0 alebo vyššiu. Nikdy by nemalo zmysel, aby to bolo negatívne. Nepoužívanie Kelvinovej stupnice by skomplikovalo rovnicu vnútornej energie a na jej opravu by bolo potrebné pridať konštantu. Vnútorná energia sa stane 0 pri absolútnej 0 K.