Температура (физика): дефиниција, формула и примери

Можда већ имате интуитиван осећај да је температура мера „хладноће“ или „врућине“ предмета. Многи људи су опседнути проверавањем прогнозе, тако да знају која ће температура бити за тај дан. Али шта температура заправо значи у физици?

Температура је мера просечне кинетичке енергије по молекулу у супстанци. Разликује се од топлоте, иако су те две количине блиско повезане. Топлота је енергија која се преноси између два предмета на различитим температурама.

Било која физичка супстанца којој бисте могли приписати својство температуре направљена је од атома и молекула. Ти атоми и молекули не мирују, чак ни у чврстом материјалу. Стално се крећу и врте око себе, али кретање се дешава у тако малом обиму, да га не можете видети.

Као што се вероватно сећате из студија механике, предмети у покрету имају облик енергије који се називакинетичке енергијето је повезано и са њиховом масом и са брзином кретања. Дакле, када се температура описује као просечна кинетичка енергија по молекулу, описује се енергија повезана са овим молекуларним кретањем.

Постоји много различитих скала помоћу којих можете мерити температуру, али најчешће су Фахренхеит, Целзијус и Келвин.

Фаренхајтова скала је оно што су најпознатији онима који живе у Сједињеним Државама и неколико других земаља. На овој скали вода се смрзава на 32 степена Фахренхеита, а температура кључале воде је 212 Ф.

Целзијусова скала (која се понекад назива и степени Целзијуса) користи се у већини других земаља широм света. На овој скали тачка ледишта воде је на 0 Ц, а тачка кључања воде на 100 Ц.

Келвинова скала, названа по Лорду Келвину, представља научни стандард. Нула на овој скали је на апсолутној нули, где се заустављају сва молекуларна кретања. Сматра се апсолутном температурном скалом.

Да бисте прешли из Целзијуса у Фахренхеит, користите следећи однос:

ГдеТ.​_​Ф​ је температура у Фахренхеит-у, иТ._Ц.је температура у Целзијусу. На пример, 20 степени Целзијуса је еквивалентно:

Да бисте прешли у други смер, из Фахренхеита у Целзијус, користите следеће:

Да бисте претворили из Целзијуса у Келвина, формула је још једноставнија јер је величина прираста иста, а они само имају различите почетне вредности:

• У многим изразима у термодинамици важна величина јеΔТ(промена температуре) за разлику од саме апсолутне температуре. Пошто је Целзијусов степен исте величине као и прираст на Келвиновој скали,ΔТ_К.​ = ​ΔТ_Ц., што значи да се ове јединице у тим случајевима могу користити као заменљиве. Међутим, кад год је потребна апсолутна температура, она мора бити у Келвинима.

Када су два предмета на различитим температурама у контакту једни са другима, доћи ће до преноса топлоте, топлоте тече од објекта на вишој температури до објекта на нижој температури све док не дође до топлотне равнотеже достигао.

Овај пренос настаје услед судара између молекула више енергије у врућем објекту и молекула ниже енергије у хладнијем објекту, преносећи енергију на њих у процесу док се не догоди довољно случајних судара између молекула у материјалима да енергија постане једнако распоређена између предмета или супстанце. Као резултат, постиже се нова коначна температура која лежи између првобитних температура врућих и хладних предмета.

Други начин да се ово мисли је да укупна енергија садржана у обе супстанце на крају постаје подједнако распоређена између супстанци.

Коначна температура два објекта на различитим почетним температурама када достигну топлотну равнотежу може се наћи коришћењем односа између топлотне енергијеК, специфични топлотни капацитетц, масами промена температуре дата следећом једначином:

​Пример:Претпоставимо 0,1 кг бакарних гроша (ц_ц= 390 Ј / кгК) на 50 степени Целзијуса пада у 0,1 кг воде (ц_в= 4.186 Ј / кгК) на 20 степени Целзијуса. Колика ће бити коначна температура када се постигне топлотна равнотежа?

Решење: Узмите у обзир да ће топлота која се додаје води из гроша једнака топлоти која се уклања из гроша. Па ако вода упија топлотуК_вгде:

Затим за бакрене грошеве:

Ово вам омогућава да напишете однос:

Тада можете искористити чињеницу да и бакарни грош и вода треба да имају исту коначну температуру,Т._ф, тако да:

Прикључујући ихΔТизразе у претходну једначину, за које затим можете решитиТ._ф. Мала алгебра даје следећи резултат:

Прикључивање вредности даје:

Напомена: Ако сте изненађени да је вредност толико близу почетне температуре воде, размотрите значајне разлике између специфичне топлоте воде и специфичне топлоте бакра. Потребно је много више енергије да би се изазвала промена температуре у води него што би проузроковало промену температуре у бакру.

Старомодни термометри од стаклене сијалице мере температуру коришћењем својстава термичког ширења живе. Жива се шири када је топла и скупља се када се хлади (и то у много већем степену од стакленог термометра која га садржи.) Дакле, како се жива шири, она расте унутар стаклене цеви, омогућавајући мерење.

Опружни термометри - они који обично имају кружну површину са металним показивачем - такође делују на принципу топлотног ширења. Садрже комад намотаног метала који се шири и хлади на основу температуре, због чега се показивач помера.

Дигитални термометри користе течне кристале осетљиве на топлоту за покретање дигиталних приказа температуре.

Док је температура мера просечне кинетичке енергије по молекулу, унутрашња енергија је укупан број свих кинетичких и потенцијалних енергија молекула. За идеалан гас, где је потенцијална енергија честица услед интеракција занемарљива, укупна унутрашња енергијаЕ.је дато формулом:

Гденје број мадежа иР.је универзална гасна константа = 8,3145 Ј / молК.

Није изненађујуће, како се температура повећава, топлотна енергија се повећава. Овај однос такође јасно показује зашто је Келвинова скала важна. Унутрашња енергија треба да буде било која вредност 0 или већа. Никада не би имало смисла да то буде негативно. Неупотреба Келвинове скале компликовала би унутрашњу енергетску једначину и захтевала додавање константе да би се исправила. Унутрашња енергија постаје 0 при апсолутних 0 К.