Temperatura (fizika): opredelitev, formula in primeri

Morda že imate intuitiven občutek, da je temperatura merilo za "hladnost" ali "vročino" predmeta. Mnogi ljudje so obsedeni s preverjanjem napovedi, zato vedo, kakšna bo temperatura čez dan. Kaj pa v resnici pomeni temperatura v fiziki?

Temperatura je merilo povprečne kinetične energije na molekulo v snovi. Razlikuje se od toplote, čeprav sta ti dve količini tesno povezani. Toplota je energija, ki se prenaša med dvema predmetoma pri različnih temperaturah.

Vsaka fizikalna snov, ki ji lahko pripišete lastnost temperature, je sestavljena iz atomov in molekul. Ti atomi in molekule ne ostanejo pri miru niti v trdni snovi. Nenehno se premikajo in se jigirajo, gibanje pa se zgodi v tako majhnem obsegu, da ga ne vidite.

Kot se verjetno spomnite iz študija mehanike, imajo predmeti v gibanju obliko energijekinetična energijato je povezano tako z njihovo maso kot s hitrostjo gibanja. Ko je torej temperatura opisana kot povprečna kinetična energija na molekulo, je opisana energija, povezana s tem molekularnim gibanjem.

Obstaja veliko različnih meril, na katerih lahko merite temperaturo, najpogostejši pa so Fahrenheit, Celzij in Kelvin.

Lestvica Fahrenheita je tisto, kar najbolj poznajo tisti, ki živijo v ZDA in nekaterih drugih državah. Na tej lestvici voda zmrzne pri 32 stopinjah Fahrenheita, temperatura vrele vode pa je 212 F.

Lestvica Celzija (včasih imenovana tudi stopinja Celzija) se uporablja v večini drugih držav po svetu. Na tej lestvici je ledišče vode pri 0 C, vrelišče vode pri 100 C.

Kelvinova lestvica, imenovana po Lord Kelvin, je znanstveni standard. Ničla na tej lestvici je na absolutni ničli, kjer se ustavi vse molekularno gibanje. Šteje se za absolutno temperaturno lestvico.

Za pretvorbo iz Celzija v Fahrenheit uporabite naslednje razmerje:

KjeT​_​F​ je temperatura v Fahrenheitu inT_Cje temperatura v Celziju. Na primer, 20 stopinj Celzija je enakovredno:

Če želite pretvoriti v drugo smer, od Fahrenheita do Celzija, uporabite naslednje:

Za pretvorbo iz Celzija v Kelvina je formula še enostavnejša, ker je velikost prirastka enaka in imajo le različne začetne vrednosti:

• V mnogih izrazih v termodinamiki je pomembna količinaΔT(sprememba temperature) v nasprotju s samo absolutno temperaturo. Ker je stopinja Celzija enaka kot prirastek po Kelvinovi lestvici,ΔT_K​ = ​ΔT_C, kar pomeni, da se te enote v teh primerih lahko uporabljajo zamenljivo. Kadar koli pa je potrebna absolutna temperatura, mora biti v Kelvinu.

Ko sta dva predmeta pri različnih temperaturah v stiku med seboj, pride do prenosa toplote s toploto ki teče od predmeta pri višji temperaturi do predmeta pri nižji temperaturi, dokler ne doseže toplotnega ravnovesja doseženo.

Do tega prenosa pride zaradi trkov med molekulami višje energije v vročem objektu z molekulami nižje energije v hladnejšem objektu, ki energijo prenaša v jih v procesu, dokler ni prišlo do dovolj naključnih trkov med molekulami v materialih, da se energija enakomerno porazdeli med predmeti oz snovi. Posledično se doseže nova končna temperatura, ki leži med prvotnimi temperaturami vročih in hladnih predmetov.

Drugi način razmišljanja je, da se celotna energija, ki jo vsebujeta obe snovi, sčasoma enakomerno porazdeli med snovi.

Končno temperaturo dveh predmetov pri različnih začetnih temperaturah, ko dosežeta toplotno ravnovesje, lahko določimo z uporabo razmerja med toplotno energijoV, specifična toplotna zmogljivostc, masamin sprememba temperature, podana z naslednjo enačbo:

​Primer:Denimo 0,1 kg bakrenih penijev (c_c= 390 J / kgK) pri 50 stopinjah Celzija spustimo v 0,1 kg vode (c_w= 4.186 J / kgK) pri 20 stopinjah Celzija. Kakšna bo končna temperatura, ko bo doseženo toplotno ravnovesje?

Rešitev: Upoštevajte, da bo toplota, dodana vodi iz penijev, enaka toploti, odstranjeni iz penijev. Torej, če voda absorbira toplotoV_wkje:

Potem za bakrene penije:

To vam omogoča, da napišete razmerje:

Potem lahko izkoristite dejstvo, da morajo imeti bakreni peni in voda enako končno temperaturo,T_f, tako da:

Priključite jihΔTizraze v prejšnjo enačbo, ki jih lahko nato rešite zaT_f. Majhna algebra daje naslednji rezultat:

Vstavljanje vrednosti nato da:

Opomba: Če ste presenečeni, da je vrednost tako blizu začetne temperature vode, upoštevajte pomembne razlike med specifično toploto vode in specifično toploto bakra. Potrebno je veliko več energije, da povzroči temperaturno spremembo vode, kot pa, da povzroči temperaturno spremembo bakra.

Staromodni živosrebrni termometri iz steklenih čebulic merijo temperaturo z uporabo lastnosti toplotnega raztezanja živega srebra. Živo srebro se razširi, ko je toplo in se skrči, ko se ohladi (in v veliko večji meri kot stekleni termometer ki ga vsebuje.) Ko se živo srebro širi, se dvigne znotraj steklene cevi, kar omogoča merjenje.

Vzmetni termometri - tisti, ki imajo običajno krožno ploskev s kovinskim kazalcem - delujejo tudi po principu toplotnega raztezanja. Vsebujejo kos navite kovine, ki se širi in ohladi glede na temperaturo, zaradi česar se kazalec premika.

Digitalni termometri za sprožitev digitalnih temperaturnih prikazov uporabljajo toplotno občutljive tekoče kristale.

Medtem ko je temperatura merilo povprečne kinetične energije na molekulo, je notranja energija vsota vseh kinetičnih in potencialnih energij molekul. Za idealen plin, kjer je potencialna energija delcev zaradi interakcij zanemarljiva, je celotna notranja energijaEje podan s formulo:

Kjenje število molov inRje univerzalna plinska konstanta = 8,3145 J / molK.

Ni presenetljivo, da se s povečanjem temperature toplotna energija povečuje. To razmerje tudi jasno pove, zakaj je Kelvinova lestvica pomembna. Notranja energija mora biti poljubna vrednost 0 ali več. Nikoli ne bi bilo smiselno, da bi bilo negativno. Neuporaba Kelvinove lestvice bi zapletla notranjo energijsko enačbo in zahtevala dodatek konstante, da jo popravimo. Notranja energija postane 0 pri absolutnih 0 K.