Temperatur (fysik): Definition, formel och exempel

Du kanske redan har en intuitiv känsla av att temperaturen är ett mått på ett "förkylning" eller "hethet". Många är besatta av att kontrollera prognosen så att de vet vad temperaturen blir för dagen. Men vad betyder temperatur egentligen i fysik?

Temperatur är ett mått på genomsnittlig kinetisk energi per molekyl i ett ämne. Det skiljer sig från värme, även om de två kvantiteterna är nära besläktade. Värme är den energi som överförs mellan två objekt vid olika temperaturer.

Varje fysisk substans som du kan tillskriva temperaturens egenskaper är gjord av atomer och molekyler. Dessa atomer och molekyler förblir inte stilla, inte ens i ett fast ämne. De rör sig ständigt och jigglar runt, men rörelsen sker i en så liten skala att du inte kan se den.

Som du förmodligen minns från din studie av mekanik har objekt i rörelse en form av energirörelseenergisom är förknippat med både deras massa och hur snabbt de rör sig. Så när temperaturen beskrivs som genomsnittlig kinetisk energi per molekyl är det energin associerad med denna molekylära rörelse som beskrivs.

Det finns många olika skalor med vilka du kan mäta temperaturen, men de vanligaste är Fahrenheit, Celsius och Kelvin.

Fahrenheit-skalan är vad de som bor i USA och några andra länder är mest bekanta med. På denna skala fryser vattnet vid 32 grader Fahrenheit och temperaturen på kokande vatten är 212 F.

Celsius-skalan (ibland även kallad celsius) används i de flesta andra länder runt om i världen. På denna skala är fryspunkten för vatten vid 0 ° C och kokpunkten för vatten är vid 100 ° C.

Kelvin-skalan, uppkallad efter Lord Kelvin, är den vetenskapliga standarden. Noll på denna skala är vid absolut noll, det är där all molekylär rörelse slutar. Det anses vara en absolut temperaturskala.

För att konvertera från Celsius till Fahrenheit, använd följande förhållande:

VarT​_​F​ är temperaturen i Fahrenheit, ochT_Cär temperaturen i Celsius. Till exempel motsvarar 20 grader Celsius:

För att konvertera i andra riktningen, från Fahrenheit till Celsius, använd följande:

För att konvertera från Celsius till Kelvin är formeln ännu enklare eftersom stegstorleken är densamma och de bara har olika startvärden:

• I många uttryck inom termodynamik är den viktiga kvantitetenAT(temperaturförändringen) i motsats till själva den absoluta temperaturen. Eftersom Celsius-graden har samma storlek som en ökning på Kelvin-skalan,AT_K​ = ​AT_C, vilket innebär att dessa enheter kan användas utbytbara i dessa fall. Men när som helst en absolut temperatur krävs måste den vara i Kelvin.

När två objekt vid olika temperaturer är i kontakt med varandra kommer värmeöverföring att ske med värme strömmar från föremålet vid den högre temperaturen till föremålet vid den lägre temperaturen tills termisk jämvikt är nådde.

Denna överföring sker på grund av kollisioner mellan de högre energimolekylerna i det heta föremålet med de lägre energimolekylerna i det svalare föremålet och överför energi till dem i processen tills tillräckligt slumpmässiga kollisioner mellan molekyler i materialen har inträffat för att energin blir lika fördelad mellan objekten eller ämnen. Som ett resultat uppnås en ny slutstemperatur som ligger mellan de heta och de kalla föremålens ursprungliga temperaturer.

Ett annat sätt att tänka på detta är att den totala energin i båda ämnena så småningom blir lika fördelad mellan ämnena.

Den slutliga temperaturen för två objekt vid olika initialtemperaturer när de når termisk jämvikt kan hittas genom att använda förhållandet mellan värmeenergiF, specifik värmekapacitetc, massamoch temperaturförändringen som ges av följande ekvation:

​Exempel:Anta 0,1 kg kopparpennor (c_c= 390 J / kgK) vid 50 grader Celsius tappas i 0,1 kg vatten (c_w= 4,186 J / kgK) vid 20 grader Celsius. Vad blir den slutliga temperaturen när termisk jämvikt uppnås?

Lösning: Tänk på att värmen som läggs till vattnet från pennorna kommer att motsvara värmen som tas bort från pennorna. Så om vattnet absorberar värmeF_wvar:

Sedan för kopparpennorna:

Detta låter dig skriva förhållandet:

Då kan du utnyttja det faktum att både kopparpennorna och vattnet ska ha samma slutliga temperatur,T_f, Så att:

Ansluter dessaATuttryck i föregående ekvation, kan du sedan lösa förT_f. En liten algebra ger följande resultat:

Att koppla in värdena ger sedan:

Obs! Om du är förvånad över att värdet ligger så nära vattnets ursprungliga temperatur, överväg de betydande skillnaderna mellan den specifika värmen av vatten och den specifika värmen av koppar. Det tar mycket mer energi att orsaka en temperaturförändring i vatten än att orsaka en temperaturförändring i koppar.

Gammaldags kvicksilvertermometrar av glödlampor mäter temperaturen genom att använda kvicksilvers värmeutvidgningsegenskaper. Kvicksilver expanderar när det är varmt och kontraherar när det är kallt (och i mycket större grad än glastermometern som innehåller det gör det.) Så när kvicksilver expanderar stiger det inuti glasröret och möjliggör mått.

Fjädertermometrar - de som vanligtvis har en cirkulär yta med en metallpekare - fungerar också av principen om termisk expansion. De innehåller en bit lindad metall som expanderar och svalnar baserat på temperatur, vilket gör att pekaren rör sig.

Digitala termometrar använder värmekänsliga flytande kristaller för att utlösa digitala temperaturdisplayer.

Medan temperaturen är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin per molekyl är den inre energin summan av alla kinetiska och potentiella energier i molekylerna. För en idealisk gas, där partikelns potentiella energi på grund av interaktioner är försumbar, den totala inre energinEges med formeln:

Varnär antalet mol ochRär den universella gaskonstanten = 8,3145 J / molK.

Inte överraskande, när temperaturen ökar ökar termisk energi. Detta förhållande gör det också tydligt varför Kelvin-skalan är viktig. Den interna energin bör vara vilket värde som helst eller högre. Det skulle aldrig vara meningsfullt att det skulle vara negativt. Att inte använda Kelvin-skalan skulle komplicera den interna energiekvationen och kräva tillsättning av en konstant för att korrigera den. Den inre energin blir 0 vid absolut 0 K.