Температура (фізика): визначення, формула та приклади

Можливо, ви вже інтуїтивно відчували, що температура є мірою "холоду" або "жару" предмета. Багато людей одержимі перевіркою прогнозу, щоб знати, якою буде температура протягом дня. Але що насправді означає температура у фізиці?

Температура - це міра середньої кінетичної енергії на молекулу речовини. Він відрізняється від тепла, хоча ці дві величини тісно пов’язані. Тепло - це енергія, що передається між двома об’єктами при різних температурах.

Будь-яка фізична речовина, якій ви можете віднести властивість температури, складається з атомів і молекул. Ці атоми та молекули не залишаються нерухомими, навіть у твердому тілі. Вони постійно рухаються і хитаються, але рух відбувається в такому малому масштабі, що його не видно.

Як ви, напевно, пам’ятаєте з вивчення механіки, об’єкти в русі мають назву енергіїкінетична енергіящо пов'язано як з їх масою, так і з тим, як швидко вони рухаються. Отже, коли температура описується як середня кінетична енергія на молекулу, описується саме енергія, пов’язана з цим молекулярним рухом.

Існує безліч різних шкал, за якими можна виміряти температуру, але найпоширенішими є Фаренгейт, Цельсій та Кельвін.

Шкала Фаренгейта - це те, що найбільше знайоме тим, хто живе в США та кількох інших країнах. За цією шкалою вода замерзає при 32 градусах за Фаренгейтом, а температура окропу становить 212 F.

Шкала Цельсія (іноді її також називають градусом Цельсія) використовується в більшості інших країн світу. За цією шкалою температура замерзання води становить 0 ° С, а температура кипіння води - 100 ° С.

Шкала Кельвіна, названа на честь лорда Кельвіна, є науковим стандартом. Нуль за цією шкалою дорівнює абсолютному нулю, де і зупиняється весь рух молекул. Це вважається абсолютною температурною шкалою.

Для переходу з Цельсія в Фаренгейт використовуйте такі відносини:

ДеТ​_​F​ - температура в Фаренгейті, іТ_C.- температура за Цельсієм. Наприклад, 20 градусів Цельсія еквівалентно:

Щоб перейти в інший бік, з Фаренгейта в Цельсій, використовуйте наступне:

Для перетворення з Цельсія в Кельвін формула ще простіша, оскільки розмір приросту однаковий, і вони просто мають різні початкові значення:

• У багатьох виразах термодинаміки важливою є величинаΔT(зміна температури) на відміну від абсолютної температури. Оскільки градус Цельсія має такий самий розмір, як приріст за шкалою Кельвіна,ΔT_К​ = ​ΔT_C., тобто ці одиниці можуть використовуватися як взаємозамінні в цих випадках. Однак будь-коли потрібна абсолютна температура, вона повинна бути в Кельвіні.

Коли два предмети при різних температурах контактують між собою, відбуватиметься тепловіддача разом із теплом тече від об'єкта при більш високій температурі до об'єкта при нижчій температурі до досягнення теплової рівноваги досягли.

Цей перенос відбувається внаслідок зіткнення молекул вищої енергії в гарячому об'єкті з молекулами нижчої енергії в охолоджуваному об'єкті, передаючи енергію їх у процесі до тих пір, поки не відбудеться достатньо випадкових зіткнень між молекулами в матеріалах, щоб енергія стала рівномірно розподілена між об’єктами або речовини. В результаті досягається нова кінцева температура, яка лежить між початковою температурою гарячих та прохолодних предметів.

Інший спосіб думати про це полягає в тому, що загальна енергія, що міститься в обох речовинах, з часом стає рівномірно розподіленою між речовинами.

Кінцеву температуру двох об’єктів при різних початкових температурах, коли вони досягнуть теплової рівноваги, можна знайти, використовуючи зв’язок між тепловою енергієюПитання, питома теплоємністьc, масамі зміна температури, задана наступним рівнянням:

​Приклад:Припустимо, 0,1 кг мідних копійок (c_c= 390 Дж / кгК) при 50 градусах Цельсія опускають в 0,1 кг води (c_w= 4186 Дж / кгК) при 20 градусах Цельсія. Якою буде кінцева температура після досягнення теплової рівноваги?

Рішення: Подумайте, що тепло, що додається до води з копійок, буде дорівнювати теплу, віддаленому від копійок. Отже, якщо вода поглинає теплоПитання_wде:

Тоді за мідні копійки:

Це дозволяє написати відносини:

Тоді ви можете скористатися тим фактом, що і мідні копійки, і вода повинні мати однакову кінцеву температуру,Т_f, такий як:

Підключіть їхΔTвирази в попередньому рівнянні, які ви можете вирішити дляТ_f. Маленька алгебра дає такий результат:

Потім підключення значень дає:

Примітка: Якщо ви здивовані, що значення наближається до початкової температури води, враховуйте суттєві відмінності між питомою теплою води та питомою теплотою міді. Щоб викликати зміну температури води потрібно набагато більше енергії, ніж для зміни температури міді.

Старомодні ртутні термометри зі скляними колбами вимірюють температуру, використовуючи властивості теплового розширення ртуті. Ртуть розширюється при нагріванні і стискається при охолодженні (і набагато більший ступінь, ніж скляний термометр що містить його.) Отож, коли ртуть розширюється, вона піднімається всередині скляної трубки, дозволяючи вимірювання.

Пружинні термометри - ті, які зазвичай мають кругову грань з металевим покажчиком - також працюють за принципом теплового розширення. Вони містять шматок намотаного металу, який розширюється і охолоджується залежно від температури, змушуючи вказівник рухатися.

Цифрові термометри використовують термочутливі рідкі кристали для спрацьовування цифрових температурних дисплеїв.

Хоча температура є мірою середньої кінетичної енергії на молекулу, внутрішня енергія - це сукупність усіх кінетичних та потенційних енергій молекул. Для ідеального газу, де потенційна енергія частинок внаслідок взаємодій незначна, загальна внутрішня енергіяЕзадається формулою:

Деп- кількість родимок іР.- універсальна газова постійна = 8,3145 Дж / мольК.

Не дивно, що зі збільшенням температури теплова енергія зростає. Цей зв’язок також дає зрозуміти, чому шкала Кельвіна важлива. Внутрішня енергія повинна мати будь-яке значення 0 або більше. Ніколи не було б сенсом, щоб це було негативно. Невикористання шкали Кельвіна ускладнить внутрішнє рівняння енергії і потребує додавання константи для її корекції. Внутрішня енергія стає 0 при абсолютній 0 К.