คุณอาจมีความรู้สึกโดยสัญชาตญาณแล้วว่าอุณหภูมิเป็นตัววัด "ความเย็น" หรือ "ความร้อน" ของวัตถุ หลายคนหมกมุ่นอยู่กับการตรวจสอบพยากรณ์อากาศเพื่อที่พวกเขาจะได้รู้ว่าอุณหภูมิจะเป็นอย่างไรในวันนั้น แต่อุณหภูมิในฟิสิกส์มีความหมายอย่างไร?
ความหมายของอุณหภูมิ
อุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลในสาร มันแตกต่างจากความร้อนแม้ว่าปริมาณทั้งสองจะสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด ความร้อนคือพลังงานที่ถ่ายโอนระหว่างวัตถุสองชิ้นที่อุณหภูมิต่างกัน
สารทางกายภาพใดๆ ที่คุณอาจระบุถึงคุณสมบัติของอุณหภูมินั้นประกอบด้วยอะตอมและโมเลกุล อะตอมและโมเลกุลเหล่านั้นไม่อยู่นิ่ง แม้แต่ในของแข็ง พวกมันเคลื่อนไหวตลอดเวลาและกระตุกไปมา แต่การเคลื่อนไหวนั้นเกิดขึ้นในระดับเล็กๆ ที่คุณมองไม่เห็น
ตามที่คุณน่าจะจำได้จากการศึกษาเกี่ยวกับกลศาสตร์ วัตถุที่เคลื่อนที่จะมีรูปแบบพลังงานที่เรียกว่าพลังงานจลน์ที่เกี่ยวข้องกับมวลและความเร็วในการเคลื่อนที่ ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิถูกอธิบายว่าเป็นพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุล ก็จะเป็นพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลนี้ซึ่งกำลังถูกอธิบาย
เครื่องวัดอุณหภูมิ
มีสเกลต่างๆ มากมายที่คุณสามารถวัดอุณหภูมิได้ แต่สเกลที่พบบ่อยที่สุดคือฟาเรนไฮต์ เซลเซียส และเคลวิน
มาตราส่วนฟาเรนไฮต์คือสิ่งที่ผู้ที่อาศัยอยู่ในสหรัฐอเมริกาและประเทศอื่นๆ สองสามประเทศคุ้นเคยมากที่สุด ในระดับนี้น้ำจะแข็งตัวที่ 32 องศาฟาเรนไฮต์และอุณหภูมิของน้ำเดือดคือ 212 F.
มาตราส่วนเซลเซียส (บางครั้งเรียกว่าเซนติเกรด) ถูกใช้ในประเทศอื่นๆ ส่วนใหญ่ทั่วโลก ในระดับนี้จุดเยือกแข็งของน้ำอยู่ที่ 0 C และจุดเดือดของน้ำอยู่ที่ 100 C
มาตราส่วนเคลวิน ตั้งชื่อตามลอร์ดเคลวิน เป็นมาตรฐานทางวิทยาศาสตร์ ศูนย์ในระดับนี้อยู่ที่ศูนย์สัมบูรณ์ ซึ่งเป็นที่ที่การเคลื่อนที่ของโมเลกุลทั้งหมดหยุดลง ถือว่าเป็นมาตราส่วนอุณหภูมิสัมบูรณ์
การแปลงระหว่างเครื่องชั่งอุณหภูมิ
ในการแปลงจากเซลเซียสเป็นฟาเรนไฮต์ ให้ใช้ความสัมพันธ์ต่อไปนี้:
T_F = \frac{9}{5}T_C + 32
ที่ไหนตู่F คือ อุณหภูมิในหน่วยฟาเรนไฮต์ และตู่คคืออุณหภูมิในเซลเซียส ตัวอย่างเช่น 20 องศาเซลเซียสเทียบเท่ากับ:
T_F = \frac{9}{5}20 + 32 = 68\text{ องศาฟาเรนไฮต์}
ในการแปลงจากฟาเรนไฮต์เป็นเซลเซียส ให้ทำดังนี้:
T_C = \frac{5}{9}(T_F - 32)
ในการแปลงจากเซลเซียสเป็นเคลวิน สูตรนี้ง่ายกว่าเพราะขนาดที่เพิ่มขึ้นเท่ากัน และมีค่าเริ่มต้นต่างกัน:
T_K=T_C+273.15
เคล็ดลับ
ในหลายนิพจน์ทางอุณหพลศาสตร์ ปริมาณที่สำคัญคือΔT(การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ) ซึ่งตรงข้ามกับอุณหภูมิสัมบูรณ์นั่นเอง เนื่องจากองศาเซลเซียสมีขนาดเท่ากับการเพิ่มขึ้นในระดับเคลวินΔTK = ΔTคหมายความว่าหน่วยเหล่านี้สามารถใช้แทนกันได้ในกรณีเหล่านั้น อย่างไรก็ตาม เมื่อใดก็ตามที่ต้องการอุณหภูมิสัมบูรณ์ อุณหภูมิจะต้องอยู่ในหน่วยเคลวิน
การถ่ายเทความร้อน
เมื่อวัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิต่างกันสัมผัสกัน จะเกิดการถ่ายเทความร้อนด้วยความร้อน ไหลจากวัตถุที่อุณหภูมิสูงขึ้นสู่วัตถุที่อุณหภูมิต่ำกว่าจนสมดุลความร้อน ถึง
การถ่ายโอนนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการชนกันระหว่างโมเลกุลพลังงานสูงในวัตถุร้อนกับโมเลกุลพลังงานต่ำในวัตถุที่เย็นกว่าโดยถ่ายโอนพลังงานไปยัง ในกระบวนการจนกว่าจะเกิดการชนกันแบบสุ่มเพียงพอระหว่างโมเลกุลในวัสดุจนพลังงานมีการกระจายอย่างเท่าเทียมกันระหว่างวัตถุหรือ สาร ผลลัพธ์ที่ได้คืออุณหภูมิสุดท้ายใหม่ ซึ่งอยู่ระหว่างอุณหภูมิดั้งเดิมของวัตถุร้อนและวัตถุเย็น
วิธีคิดอีกอย่างหนึ่งก็คือพลังงานทั้งหมดที่มีอยู่ในสารทั้งสองจะกระจายตัวเท่ากันระหว่างสารทั้งสองในที่สุด
อุณหภูมิสุดท้ายของวัตถุสองชิ้นที่อุณหภูมิเริ่มต้นต่างกันเมื่อวัตถุไปถึงสมดุลความร้อนจะพบได้โดยใช้ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานความร้อนคิว, ความจุความร้อนจำเพาะค, มวลมและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่กำหนดโดยสมการต่อไปนี้:
Q = mc\Delta T
ตัวอย่าง:สมมติว่าเหรียญเพนนีทองแดง 0.1 กิโลกรัม (คค= 390 J/kgK) ที่อุณหภูมิ 50 องศาเซลเซียส ตกลงไปในน้ำ 0.1 กิโลกรัม (คw= 4,186 J/kgK) ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส อุณหภูมิสุดท้ายจะเป็นเท่าใดเมื่อบรรลุสมดุลทางความร้อนแล้ว
วิธีแก้ปัญหา: พิจารณาว่าความร้อนที่เติมลงในน้ำจากเหรียญเพนนีจะเท่ากับความร้อนที่นำออกจากเหรียญเพนนี ดังนั้นหากน้ำดูดซับความร้อนคิวwที่ไหน:
Q_w = m_wc_w\เดลต้า T_w
จากนั้นสำหรับเพนนีทองแดง:
Q_c=-Q_w = m_cc_c\Delta T_c
สิ่งนี้ช่วยให้คุณเขียนความสัมพันธ์:
m_cc_c\Delta T_c=-m_wc_w\Delta T_w
จากนั้นคุณสามารถใช้ความจริงที่ว่าทั้งเพนนีทองแดงและน้ำควรมีอุณหภูมิสุดท้ายเท่ากันตู่ฉ, ดังนั้น:
\Delta T_c=T_f-T_{ic}\\\Delta T_w=T_f-T_{iw}
เสียบปลั๊กΔTนิพจน์ในสมการก่อนหน้า จากนั้นคุณสามารถแก้หาตู่ฉ. พีชคณิตเล็กน้อยให้ผลลัพธ์ต่อไปนี้:
T_f = \frac{m_cc_c T_{ic}+m_wc_w T_{iw}}{m_cc_c+m_wc_w}
การเสียบค่าจะทำให้:
หมายเหตุ: หากคุณแปลกใจว่าค่านั้นใกล้เคียงกับอุณหภูมิเริ่มต้นของน้ำมาก ให้พิจารณาความแตกต่างที่สำคัญระหว่างความร้อนจำเพาะของน้ำกับความร้อนจำเพาะของทองแดง ต้องใช้พลังงานเป็นจำนวนมากในการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในน้ำมากกว่าที่จะทำให้อุณหภูมิของทองแดงเปลี่ยนแปลง
เทอร์โมมิเตอร์ทำงานอย่างไร
เทอร์โมมิเตอร์ปรอทแบบกระเปาะแก้วแบบเก่าวัดอุณหภูมิโดยใช้คุณสมบัติการขยายตัวทางความร้อนของปรอท ปรอทจะขยายตัวเมื่ออุ่นและหดตัวเมื่อเย็น (และมากกว่าเทอร์โมมิเตอร์แบบแก้วมาก) ซึ่งบรรจุอยู่) ดังนั้นเมื่อปรอทขยายตัว มันก็จะลอยขึ้นภายในหลอดแก้ว ทำให้ allowing การวัด
เทอร์โมมิเตอร์แบบสปริงซึ่งปกติจะมีหน้าเป็นวงกลมพร้อมตัวชี้แบบโลหะก็ใช้หลักการของการขยายตัวทางความร้อนได้เช่นกัน ประกอบด้วยชิ้นส่วนของโลหะขดที่ขยายตัวและทำให้เย็นลงตามอุณหภูมิ ทำให้ตัวชี้เคลื่อนที่
เทอร์โมมิเตอร์แบบดิจิตอลใช้ผลึกเหลวที่ไวต่อความร้อนเพื่อกระตุ้นการแสดงอุณหภูมิแบบดิจิตอล
ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิและพลังงานภายใน
ในขณะที่อุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุล พลังงานภายในคือผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ทั้งหมดของโมเลกุล สำหรับก๊าซในอุดมคติ ซึ่งพลังงานศักย์ของอนุภาคอันเนื่องมาจากปฏิกิริยามีน้อยมาก พลังงานภายในทั้งหมดอีถูกกำหนดโดยสูตร:
E = \frac{3}{2}nRT
ที่ไหนนคือจำนวนโมลและRคือค่าคงที่แก๊สสากล = 8.3145 J/molK
ไม่น่าแปลกใจเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พลังงานความร้อนก็เพิ่มขึ้น ความสัมพันธ์นี้ยังทำให้เห็นได้ชัดเจนว่าเหตุใดมาตราส่วนเคลวินจึงมีความสำคัญ พลังงานภายในควรเป็นค่าใดๆ 0 หรือมากกว่า มันไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะเป็นลบ การไม่ใช้มาตราส่วนเคลวินจะทำให้สมการพลังงานภายในซับซ้อนและจำเป็นต้องเพิ่มค่าคงที่เพื่อแก้ไข พลังงานภายในกลายเป็น 0 ที่ 0 K สัมบูรณ์