science >> Wetenschap >  >> Fysica

Temperatuur (fysica): definitie, formule en voorbeelden

Misschien hebt u al een intuïtief gevoel dat temperatuur een maat is voor de "kou" of "warmte" van een object. Veel mensen zijn geobsedeerd door het controleren van de voorspelling, zodat ze weten wat de temperatuur voor de dag zal zijn. Maar wat betekent temperatuur eigenlijk in de natuurkunde?
Definitie van temperatuur

Temperatuur is een maat voor de gemiddelde kinetische energie per molecuul in een stof. Het verschilt van warmte, hoewel de twee hoeveelheden nauw met elkaar verbonden zijn. Warmte is de energie die wordt overgedragen tussen twee objecten bij verschillende temperaturen.

Elke fysieke substantie waaraan u de eigenschap temperatuur kunt toewijzen, bestaat uit atomen en moleculen. Die atomen en moleculen blijven niet stil, zelfs niet in een vaste stof. Ze bewegen en schommelen constant, maar de beweging gebeurt op zo'n kleine schaal, dat je het niet kunt zien.

Zoals je je waarschijnlijk herinnert uit je studie van mechanica, hebben objecten in beweging een vorm van energie genaamd kinetische energie
die wordt geassocieerd met zowel hun massa als hoe snel ze bewegen. Dus als temperatuur wordt beschreven als gemiddelde kinetische energie per molecuul, wordt de energie geassocieerd met deze moleculaire beweging beschreven.
Temperatuurschalen

Er zijn veel verschillende schalen waarmee u de temperatuur kunt meten, maar de meest voorkomende zijn Fahrenheit, Celsius en Kelvin.

De Fahrenheit-schaal is wat degenen die in de Verenigde Staten en enkele andere landen wonen het meest bekend zijn. Op deze schaal bevriest water bij 32 graden Fahrenheit, en de temperatuur van kokend water is 212 F.

De schaal van Celsius (soms ook aangeduid als Celsius) wordt in de meeste andere landen over de hele wereld gebruikt. Op deze schaal is het vriespunt van water bij 0 ° C en het kookpunt van water bij 100 ° C.

De Kelvin-schaal, genoemd naar Lord Kelvin, is de wetenschappelijke standaard. Nul op deze schaal is op absoluut nul, dat is waar alle moleculaire beweging stopt. Het wordt beschouwd als een absolute temperatuurschaal.
Converteren tussen temperatuurschalen

Om van Celsius naar Fahrenheit te converteren, gebruikt u de volgende relatie:
T_F \u003d \\ frac {9} {5} T_C + 32

Waar T
F
de temperatuur in Fahrenheit is en T C
de temperatuur in Celsius is. 20 graden Celsius is bijvoorbeeld gelijk aan:
T_F \u003d \\ frac {9} {5} 20 + 32 \u003d 68 \\ text {graden Fahrenheit.}

Om in de andere richting te converteren, van Fahrenheit naar Celsius, gebruik het volgende:
T_C \u003d \\ frac {5} {9} (T_F - 32)

Om van Celsius naar Kelvin te converteren, is de formule nog eenvoudiger omdat de incrementgrootte hetzelfde is en ze gewoon anders zijn startwaarden:
T_K \u003d T_C + 273.15

Tips

  • In veel uitdrukkingen in de thermodynamica is de belangrijke hoeveelheid ΔT
    (de verandering in temperatuur) in tegenstelling tot de absolute temperatuur zelf. Omdat de graad Celsius dezelfde grootte heeft als een toename op de schaal van Kelvin, ΔT K
    \u003d ΔT C
    , wat betekent dat deze eenheden in die gevallen uitwisselbaar kunnen worden gebruikt . Wanneer echter een absolute temperatuur vereist is, moet deze in Kelvin zijn.


    Warmteoverdracht

    Wanneer twee objecten met verschillende temperaturen met elkaar in contact staan, zal warmteoverdracht plaatsvinden, met warmte die van het object bij de hogere temperatuur naar het object bij de lagere temperatuur stroomt totdat het thermische evenwicht is bereikt.

    Deze overdracht vindt plaats door botsingen tussen de hogere-energiemoleculen in het hete object met de lagere energie moleculen in het koelere object, waarbij energie in het proces op hen wordt overgedragen totdat voldoende willekeurige botsingen tussen moleculen in de materialen hebben plaatsgevonden dat de energie gelijkmatig over de objecten of stoffen wordt verdeeld. Als resultaat wordt een nieuwe eindtemperatuur bereikt, die ligt tussen de oorspronkelijke temperaturen van de warme en de koele objecten.

    Een andere manier om hieraan te denken is dat de totale energie in beide stoffen uiteindelijk gelijk verdeeld wordt tussen de stoffen.

    De uiteindelijke temperatuur van twee objecten bij verschillende begintemperaturen zodra ze een thermisch evenwicht bereiken, kan worden gevonden met behulp van de relatie tussen warmte-energie Q
    , specifieke warmtecapaciteit c
    , massa m
    en de temperatuurverandering gegeven door de volgende vergelijking:
    Q \u003d mc \\ Delta T

    Voorbeeld: Stel dat 0,1 kg koperen centen ( c c
    \u003d 390 J /kgK) bij 50 graden Celsius worden bij 20 graden Celsius in 0,1 kg water ( c w
    \u003d 4.186 J /kgK) gedruppeld. Wat zal de uiteindelijke temperatuur zijn als het thermische evenwicht is bereikt?

    Oplossing: Overweeg dat de warmte die aan de centen wordt toegevoegd, gelijk is aan de warmte die uit de centen is verwijderd. Dus als het water warmte absorbeert Q w
    waar:
    Q_w \u003d m_wc_w \\ Delta T_w

    Dan voor de koperen centen:
    Q_c \u003d -Q_w \u003d m_cc_c \\ Delta T_c

    Hiermee kunt u de relatie schrijven:
    m_cc_c \\ Delta T_c \u003d -m_wc_w \\ Delta T_w

    Vervolgens kunt u gebruikmaken van het feit dat zowel de koperen centen als het water dezelfde eindtemperatuur moeten hebben, < em> T f
    , zodat:
    \\ Delta T_c \u003d T_f-T_ {ic} \\\\\\ Delta T_w \u003d T_f-T_ {iw}

    Deze ΔT
    uitdrukkingen in de vorige vergelijking, kunt u vervolgens oplossen voor T f
    . Een kleine algebra geeft het volgende resultaat:
    T_f \u003d \\ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}

    Aansluiten van de waarden geeft dan:

    Opmerking : Als u verrast bent dat de waarde zo dicht bij de begintemperatuur van het water ligt, moet u rekening houden met de significante verschillen tussen de specifieke warmte van water en de specifieke warmte van koper. Het kost veel meer energie om een temperatuurverandering in water te veroorzaken dan om een temperatuurverandering in koper te veroorzaken.
    Hoe thermometers werken

    Ouderwetse glazen bol kwikthermometers meten de temperatuur door gebruik te maken van de thermische expansie-eigenschappen van kwik. Kwik zet uit als het warm is en trekt samen als het koel is (en in veel grotere mate dan de glazen thermometer die het bevat.) Dus terwijl het kwik uitzet, stijgt het in de glazen buis, waardoor metingen mogelijk zijn.

    Veerthermometers - degenen die meestal een cirkelvormig gezicht hebben met een metalen wijzer - werken ook af van het principe van thermische uitzetting. Ze bevatten een stuk opgerold metaal dat uitzet en afkoelt op basis van temperatuur, waardoor de aanwijzer beweegt.

    Digitale thermometers maken gebruik van warmtegevoelige vloeibare kristallen om digitale temperatuurdisplays te activeren. Relatie tussen temperatuur en Interne energie

    Terwijl temperatuur een maat is voor de gemiddelde kinetische energie per molecuul, is interne energie het totaal van alle kinetische en potentiële energieën van de moleculen. Voor een ideaal gas, waar potentiële energie van de deeltjes als gevolg van interacties verwaarloosbaar is, wordt de totale interne energie E
    gegeven door de formule:
    E \u003d \\ frac {3} {2} nRT

    Waar n
    het aantal mol is en R
    de universele gasconstante \u003d 8.3145 J /molK.

    Het is niet verwonderlijk dat naarmate de temperatuur stijgt, de thermische energie toeneemt. Deze relatie maakt ook duidelijk waarom de Kelvin-schaal belangrijk is. De interne energie moet elke waarde 0 of groter zijn. Het zou nooit logisch zijn als het negatief zou zijn. Het niet gebruiken van de Kelvin-schaal zou de interne energievergelijking gecompliceerd maken en een constante vereisen om deze te corrigeren. De interne energie wordt 0 bij absolute 0 K.