Potresti già avere la sensazione intuitiva che la temperatura sia una misura della "freddezza" o della "piccantezza" di un oggetto. Molte persone sono ossessionate dal controllare le previsioni in modo da sapere quale sarà la temperatura per il giorno. Ma cosa significa veramente temperatura in fisica?
Definizione di temperatura
La temperatura è una misura dell'energia cinetica media per molecola in una sostanza. È diverso dal calore, sebbene le due quantità siano intimamente correlate. Il calore è l'energia trasferita tra due oggetti a temperature diverse.
Qualsiasi sostanza fisica a cui potresti attribuire la proprietà della temperatura è costituita da atomi e molecole. Quegli atomi e molecole non rimangono fermi, nemmeno in un solido. Si muovono e si muovono costantemente, ma il movimento avviene su una scala così piccola, che non puoi vederlo.
Come probabilmente ricordi dal tuo studio di meccanica, gli oggetti in movimento hanno una forma di energia chiamata energia cinetica Esistono molte scale diverse con cui misurare la temperatura, ma i più comuni sono Fahrenheit, Celsius e Kelvin. La scala Fahrenheit è ciò che hanno più familiarità con coloro che vivono negli Stati Uniti e in alcuni altri paesi. Su questa scala l'acqua si congela a 32 gradi Fahrenheit e la temperatura dell'acqua bollente è di 212 F. La scala Celsius (a volte indicata anche come centigrado) è utilizzata nella maggior parte degli altri paesi del mondo. Su questa scala il punto di congelamento dell'acqua è a 0 ° C e il punto di ebollizione dell'acqua è a 100 C. La scala di Kelvin, chiamata Lord Kelvin, è lo standard scientifico. Lo zero su questa scala è allo zero assoluto, che è dove tutti i movimenti molecolari si fermano. È considerata una scala di temperatura assoluta. Per convertire da Celsius a Fahrenheit, utilizzare la seguente relazione: Dove T Per convertire nell'altra direzione, da Fahrenheit a Celsius, usa quanto segue: Per convertire da Celsius a Kelvin, la formula è ancora più semplice perché la dimensione dell'incremento è la stessa e hanno solo differenti valori iniziali: Suggerimenti In molte espressioni della termodinamica, la quantità importante è ΔT Quando due oggetti a temperature diverse sono in contatto tra loro, si verificherà un trasferimento di calore, con il calore che fluisce dall'oggetto a temperatura più elevata all'oggetto a temperatura più bassa fino al raggiungimento dell'equilibrio termico. Questo trasferimento si verifica a causa di collisioni tra le molecole di energia superiore nell'oggetto caldo con l'energia a energia inferiore molecole nell'oggetto più freddo, trasferendo energia ad esse nel processo fino a quando non si sono verificate abbastanza collisioni casuali tra molecole nei materiali che l'energia viene equamente distribuita tra gli oggetti o le sostanze. Di conseguenza, viene raggiunta una nuova temperatura finale, che si trova tra le temperature originali degli oggetti caldi e freddi. Un altro modo di pensare a questo è che l'energia totale contenuta in entrambe le sostanze alla fine viene equamente distribuita tra le sostanze. La temperatura finale di due oggetti a diverse temperature iniziali una volta raggiunti l'equilibrio termico può essere trovata utilizzando la relazione tra energia termica Q Esempio: supponiamo che 0,1 kg di penny di rame ( c c Soluzione: considerare che il calore aggiunto all'acqua dai penny sarà uguale al calore rimosso dai penny. Quindi se l'acqua assorbe il calore Q w Quindi per i penny di rame: Ciò ti consente di scrivere la relazione: Quindi puoi sfruttare il fatto che sia i penny di rame che l'acqua dovrebbero avere la stessa temperatura finale, < em> T f Collegamento di questi ΔT Il collegamento dei valori quindi dà: Nota : Se sei sorpreso che il valore sia così vicino alla temperatura iniziale dell'acqua, considera le differenze significative tra il calore specifico dell'acqua e il calore specifico del rame. Ci vuole molta più energia per causare un cambiamento di temperatura nell'acqua rispetto a un cambiamento di temperatura nel rame. I termometri a mercurio con bulbo di vetro vecchio stile misurano la temperatura usando le proprietà di espansione termica del mercurio. Il mercurio si espande quando è caldo e si contrae quando è freddo (e in misura molto maggiore rispetto al termometro in vetro che lo contiene). Quindi, quando il mercurio si espande, sale all'interno del tubo di vetro, consentendo la misurazione. Termometri a molla - quelli che di solito hanno una faccia circolare con un puntatore di metallo - funzionano anche in base al principio di espansione termica. Contengono un pezzo di metallo arrotolato che si espande e si raffredda in base alla temperatura, causando il movimento del puntatore. I termometri digitali utilizzano cristalli liquidi sensibili al calore per attivare i display digitali della temperatura. Mentre la temperatura è una misura dell'energia cinetica media per molecola, l'energia interna è il totale di tutte le energie cinetiche e potenziali delle molecole. Per un gas ideale, dove l'energia potenziale delle particelle dovuta alle interazioni è trascurabile, l'energia interna totale E Dove n Non sorprende che, con l'aumentare della temperatura, aumenta l'energia termica. Questa relazione chiarisce anche perché la scala Kelvin è importante. L'energia interna dovrebbe essere qualsiasi valore 0 o maggiore. Non avrebbe mai senso che fosse negativo. Non usare la scala di Kelvin complicherebbe l'equazione di energia interna e richiederebbe l'aggiunta di una costante per correggerla. L'energia interna diventa 0 a 0 K. assoluti
che è associata sia alla loro massa che alla velocità con cui si muovono. Quindi, quando la temperatura è descritta come energia cinetica media per molecola, è l'energia associata a questo movimento molecolare che viene descritta.
Scale di temperatura
Conversione tra scale di temperatura
T_F \u003d \\ frac {9} {5} T_C + 32
F
è la temperatura in Fahrenheit e T C
è la temperatura in gradi Celsius. Ad esempio, 20 gradi Celsius equivalgono a:
T_F \u003d \\ frac {9} {5} 20 + 32 \u003d 68 \\ text {gradi Fahrenheit.}
T_C \u003d \\ frac {5} {9} (T_F - 32)
T_K \u003d T_C + 273.15
(la modifica in temperatura) rispetto alla temperatura assoluta stessa. Poiché il grado Celsius ha le stesse dimensioni di un incremento sulla scala Kelvin, ΔT K
\u003d ΔT C
, il che significa che queste unità possono essere utilizzate intercambiabili in quei casi . Tuttavia, ogni volta che è richiesta una temperatura assoluta, questa deve essere in gradi Kelvin.
Trasferimento di calore
, capacità termica specifica c
, massa m
e variazione di temperatura data dalla seguente equazione:
Q \u003d mc \\ Delta T
\u003d 390 J /kgK) a 50 gradi Celsius vengono fatti cadere in 0,1 kg di acqua ( c w
\u003d 4.186 J /kgK) a 20 gradi Celsius. Quale sarà la temperatura finale una volta raggiunto l'equilibrio termico?
dove:
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
, in modo tale che:
\\ Delta T_c \u003d T_f-T_ {ic} \\\\\\ Delta T_w \u003d T_f-T_ {iw}
espressioni nell'equazione precedente, è quindi possibile risolvere per T f
. Una piccola algebra dà il seguente risultato:
T_f \u003d \\ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
Come funzionano i termometri
Rapporto tra temperatura e Energia interna
è data dalla formula:
E \u003d \\ frac {3} {2} nRT
è il numero di moli e R
è la costante di gas universale \u003d 8,3145 J /molK.
