Du kanske redan har en intuitiv känsla av att temperaturen är ett mått på "förkylning" eller "hethet" hos ett objekt. Många är besatta av att kontrollera prognosen så att de vet vad temperaturen kommer att vara för dagen. Men vad betyder egentligen temperatur i fysiken?
Definition av temperatur
Temperatur är ett mått på genomsnittlig kinetisk energi per molekyl i ett ämne. Det skiljer sig från värme, även om de två kvantiteterna är intimt relaterade. Värme är energin som överförs mellan två föremål vid olika temperaturer.
Varje fysiskt ämne som du kan tillskriva egenskaperna hos temperaturen är gjord av atomer och molekyler. Dessa atomer och molekyler förblir inte stilla, inte ens i ett fast ämne. De rör sig ständigt och fnissar runt, men rörelsen sker i så liten skala att du inte kan se den.
Som du troligen kommer ihåg från din studie av mekanik har föremål i rörelse en form av energi kallas kinetisk energi och som är associerad med både deras massa och hur snabbt de rör sig. Så när temperaturen beskrivs som genomsnittlig kinetisk energi per molekyl, är det energin förknippad med denna molekylrörelse som beskrivs. Det finns många olika skalor som du kan mäta temperatur, 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 vatten 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 vattenets fryspunkt vid 0 C och kokpunkten för vatten är 100 C. Kelvin-skalan, uppkallad efter Lord Kelvin, är den vetenskapliga standarden. Noll på denna skala är på absolut noll, vilket är där all molekylrörelse stoppar. Det betraktas som en absolut temperaturskala. För att konvertera från Celsius till Fahrenheit, använd följande förhållande: Där T För att konvertera i den andra riktningen, från Fahrenheit till Celsius, använd följande: För att konvertera från Celsius till Kelvin är formeln ännu enklare eftersom tilläggsstorleken är densamma, och de har bara olika startvärden: Tips I många uttryck inom termodynamik är den viktiga mängden ΔT När två föremål vid olika temperaturer är i kontakt med varandra, kommer värmeöverföring att ske, med värme som flyter från objektet vid den högre temperaturen till objektet vid den lägre temperaturen tills termisk jämvikt uppnås. Denna överföring sker på grund av kollisioner mellan molekylerna med högre energi i det heta objektet med den lägre energin. molekyler i det svalare objektet, överför energi till dem i processen tills tillräckligt slumpmässiga kollisioner mellan molekyler i materialen har inträffat att energin blir lika fördelad mellan föremål eller ämnen. Som ett resultat uppnås en ny slutlig temperatur, som ligger mellan de ursprungliga temperaturen på de varma och de svala föremålen. Ett annat sätt att tänka på detta är att den totala energin i båda ämnena så småningom blir jämnt fördelad mellan ämnena. Den slutliga temperaturen för två föremål vid olika initiala temperaturer när de når termisk jämvikt kan hittas genom att använda förhållandet mellan värmeenergi Q Exempel: Antag 0,1 kg kopparpennor ( c Lösning: Tänk på att värmen som tillförs vattnet från pennies kommer att vara lika med värmen som tas bort från pennies. Så om vattnet tar upp värme Q w Sedan för kopparpennorna: Detta gör att du kan skriva förhållandet: Då kan du använda det faktum att både kopparpennorna och vattnet ska ha samma slutliga temperatur, < em> T f Ansluta dessa ΔT Ansluter värdena ger sedan: Obs : Om du är förvånad över att värdet ligger så nära vattnets initiala temperatur bör du överväga de betydande skillnaderna mellan den specifika vattenvärmen och den specifika kopparvärmen. Det kräver mycket mer energi för att orsaka en temperaturförändring i vatten än för att orsaka en temperaturförändring i koppar. Fjädertermometrar - de som vanligtvis har en cirkulär yta med en metallpekare - fungerar också efter principen om termisk expansion. De innehåller ett stycke av spiralformad metall som expanderar och kyler baserat på temperatur, vilket får pekaren att röra sig. Digitala termometrar använder värmekänsliga flytande kristaller för att utlösa digitala temperaturskärmar. Medan temperaturen är ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin per molekyl, är den inre energin summan av alla molekylernas kinetiska och potentiella energier. För en idealisk gas, där partiklarnas potentiella energi på grund av interaktioner är försumbar, ges den totala inre energin E Där n Inte förvånande när temperaturen ökar ökar värmeenergin. Detta förhållande gör det också klart varför Kelvin-skalan är viktig. Den inre energin bör vara valfritt värde 0 eller högre. Det vore aldrig vettigt att det var negativt. Att inte använda Kelvin-skalan skulle komplicera den interna energikvationen och kräva tillsättning av en konstant för att korrigera den. Den inre energin blir 0 vid absolut 0 K.
Temperaturskalor
Konvertering mellan temperaturskalor och
T_F \u003d \\ frac {9} {5} T_C + 32
F
är temperaturen i Fahrenheit, och T C 3 är temperaturen i Celsius. Till exempel är 20 grader Celsius ekvivalent med:
T_F \u003d \\ frac {9} {5} 20 + 32 \u003d 68 \\ text {grader Fahrenheit.}
T_C \u003d \\ frac {5} {9} (T_F - 32)
T_K \u003d T_C + 273.15
(förändringen i temperatur) i motsats till själva absoluta temperaturen. Eftersom Celsius-graden är av samma storlek som en ökning på Kelvin-skalan, ΔT K
\u003d ΔT C
, vilket betyder att dessa enheter kan användas utbytbara i dessa fall . Men närhelst en absolut temperatur krävs, måste den vara i Kelvin.
Värmeöverföring
, specifik värmekapacitet c
, massa m
och temperaturförändringen som ges av följande ekvation:
Q \u003d mc \\ Delta T
\u003d 390 J /kgK) vid 50 grader Celsius tappas i 0,1 kg vatten ( c
var:
Q_w \u003d m_wc_w \\ Delta T_w
Q_c \u003d -Q_w \u003d m_cc_c \\ Delta T_c
m_cc_c \\ Delta T_c \u003d -m_wc_w \\ Delta T_w
, så att:
\\ Delta T_c \u003d T_f-T_ {ic} \\\\\\ Delta T_w \u003d T_f-T_ {iw}
uttryck i den föregående ekvationen, kan du sedan lösa för T f
. Lite algebra ger följande resultat:
T_f \u003d \\ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
Hur termometrar fungerar | kvicksilverens värmeutvidgningsegenskaper. Kvicksilver expanderar när det är varmt och sammandras när det är svalt (och i mycket större grad än glastermometern som innehåller den gör.) Så när kvicksilver expanderar, stiger det in i glasröret, vilket gör det möjligt att mäta.
Förhållande mellan temperatur och Intern energi
med formeln:
E \u003d \\ frac {3} {2} nRT
är antalet mol och R
är den universella gaskonstanten \u003d 8,3145 J /molK.
