A hőmérséklet ahhoz az érzéshez kapcsolódik, amelyet akkor tapasztalunk, amikor bizonyos tárgyakat megérintünk. Ez az érzés lehetővé teszi számunkra, hogy hideg tárgyakra, például jégkockára, és forró tárgyakra, például forró kávéra, osztályozzuk őket. Ebben a fejezetben közelebbről megvizsgáljuk, hogy mit értünk hőmérséklet alatt a fizikában. Elmagyarázzuk:
- A hőmérséklet fogalma
- Mi a hőmérő
- Melyek a leggyakoribb hőmérsékleti skálák
- Hogyan lehet átváltani a különböző hőmérsékleti skálák között
- Mi az abszolút nulla
A hőmérséklet fogalma
A hőmérséklet segítségével megismerhetjük egy test hőenergia szintjét. A testben lévő részecskék egy bizonyos sebességgel mozognak, így minden egyes részecskének van egy bizonyos mozgási energiája. Ennek a kinetikus energiának <Ec> az átlagértéke közvetlen kapcsolatban áll a test hőmérsékletével. Tehát minél nagyobb a részecskék átlagos mozgási energiája, annál magasabb a hőmérséklet, és minél kisebb az átlagos mozgási energia, annál alacsonyabb a hőmérséklet.
A hőmérséklet egy skalármennyiség, amely egy test hőenergiájának mennyiségét méri. Gázok esetében értéke a molekulák átlagos mozgási energiájával arányos, a következő kifejezés szerint:
Hol:
- Hőmérséklet T: A nemzetközi rendszerben a Kelvin ( K )
- Univerzális állandó k: Ez minden gázra azonos állandó. Mértékegysége a nemzetközi rendszerben a Kelvin per joule ( K/J )
- A gázmolekulák átlagos mozgási energiája <Ec>: Ez a gázmolekulák átlagos mozgási energiaértéke. A nemzetközi rendszerben a mértékegysége a Joule ( J )
Megjegyezzük, hogy más mennyiségekkel ellentétben, mint például a sebesség vagy a gyorsulás, a hőmérséklet nem mechanikai, hanem statisztikai mennyiség.
A gáz részecskéi sebességének eloszlását (és így az egyes részecskék mozgási energiájának eloszlását) a Maxwell-féle eloszlási törvény szabályozza. Az alábbi képen minőségi képet kaphatunk arról, hogy a hőmérséklet növekedése milyen hatással van egy gáz molekuláira.
Egyazon anyag esetében minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb az azt alkotó részecskék sebessége. Hasonlóképpen, mindegyik grafikonon látható, hogy minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a Maxwell-eloszlás miatt elérhető sebességek tartománya. Az első grafikonon például látható, hogy a legtöbb részecske sebessége alacsony (értékeik a koordináták origójának közelében koncentrálódnak), és ahogy a hőmérséklet emelkedik, a részecskék sebességének koncentrációja egyre jobban kitágul.
Másrészt, amikor két testet érintkezésbe hozunk, hőenergiacsere történik: a hőmérséklet a magasabb hőmérsékletű testből az alacsonyabb hőmérsékletű testbe áramlik. Ha elég időt hagyunk eltelni, a két hőmérséklet kiegyenlítődik. Ha tehát egy nálunk alacsonyabb hőmérsékletű testet érintünk, akkor hideget érzünk, ha pedig magasabb hőmérsékletű, akkor meleget. Ennek oka pontosan ez a hőenergiacsere az ujjunk és a kérdéses test között.
Hogyan mérjük a hőmérsékletet?
A hőmérséklet statisztikai mennyiség, ezért nem tudjuk közvetlenül mérni. Méréséhez különböző, vele együtt változó mennyiségeket használunk, például a higanyoszlop magasságát, az elektromos ellenállást vagy a gáz térfogatát és nyomását. Ezeket a mennyiségeket termometriai mennyiségeknek nevezzük.
A hőmérséklet mérésére hőmérőket használunk. A hőmérő olyan eszköz, amely lehetővé teszi, hogy valamilyen hőmérési mennyiséget összekapcsoljunk a hőmérséklettel.
A hőmérők típusai
A hőmérőknek különböző típusai vannak a mért fizikai mennyiségtől függően, amely a hőmérséklet függvényében változik. Az alábbiakban felsorolunk néhányat a legfontosabbak közül. A hőmérők neve és rövid leírása dőlt betűvel szerepel.
- Táguláson alapuló
- Gázok
- Térfogatváltozás: Gázhőmérő állandó nyomáson. A gáz térfogata a hőmérséklet függvényében változik. Nagyon pontosak, és általában más hőmérők kalibrálására használják őket
- Nyomásváltozás: Állandó térfogatú gázhőmérő. A gáz nyomása a hőmérséklet függvényében változik. Nagyon pontosak, és általában más hőmérők kalibrálására használják őket
- Folyadékok
- Higanyoszlop: higanyos hőmérő. A higanyoszlop magassága a hőmérséklet függvényében változik. Bizonyos országokban, például Spanyolországban, tilos a forgalmazása és használata
- Színezett alkohol oszlop: Alkoholhőmérő. A színezett alkoholoszlop magassága a hőmérséklet függvényében változik. Ez volt az első, amit létrehoztak
- Szilárdságok
- Hosszváltozás: Bimetál hőmérő. Két különböző fémből készült lemezből áll, amelyek mereven össze vannak kötve. A szerelvény a hőmérsékletváltozással arányosan ívben meghajlik. Ennek az az oka, hogy minden lemeznek más a tágulási együtthatója, és a hőmérsékletváltozás különböző változásokat okoz a hosszukban
- Gázok
- Az elektromos tulajdonságok alapján
- ellenállás
- Semiconductor: Thermistor. A félvezetők olyan anyagok, amelyek hőmérsékletüktől függően vezetőként vagy szigetelőként viselkednek. Ez teszi őket a hőmérséklet mérésére szolgáló eszközökké
- Platina: Platina hőmérő. A platina elektromos ellenállása lineárisan változik a hőmérséklettel
- Thermoelektromos hatás
- Thermoelem: Két különböző fémből készült vezetőhuzal összeillesztett (hegesztett) párja. Az egyik csomópontot állandó referencia-hőmérsékleten tartják. A keletkező elektromotoros erő a hegesztési varratok közötti hőmérsékletkülönbségtől függ
- ellenállás
- Infravörös sugárzás
- Infravörös hőmérő: A forró testek elektromágneses sugárzás formájában bocsátanak ki hőt, amelyet az ilyen típusú hőmérő
- Optikai pirométer: Általában 700 °C feletti hőmérséklet mérésére használják. Ezek a forró tárgyak izzásának színváltozásán alapulnak. A sötétvöröstől a sárgáig, 1300º C körül szinte elérve a fehéret
Hőmérsékleti skálák
A hőmérsékletet közvetett módon, a termometriai nagyságrendeken keresztül mérik. Mint látni fogjuk, ezeknek a mennyiségeknek az értékeit bizonyos rögzített állapotokban a hőmérők kalibrálásához használjuk, így létrehozva egy skálát. Ezekre a rögzített állapotokra példa a víz fagyása vagy forrása.
A hőmérséklet mérésére három fő skála létezik:
- Celsius
- Farenheit
- Kelvin
Nézzük meg az egyes skálák folyamatát.
Centigrade vagy Celsius skála
- A víz normál fagyáspontja a hőmérőn 0 értéket kap
- A víz normál forráspontja a hőmérőn 100 értéket kap
- Ez a tartomány 100 egyenlő részre van osztva. Ezek mindegyikét Celsius foknak ( ºC )
Fahrenheit skála
- A víz normál fagyáspontja a hőmérőn 32-es értéket kap
- A víz normál forráspontja a hőmérőn 212-es értéket kap
- Ez a tartomány 180 egyenlő részre oszlik. Ezek mindegyikét Fahrenheit foknak ( ºF )
Kelvin, abszolút vagy Kelvin-skála
Ez a Nemzetközi Egységrendszerben használt skála. Az abszolút skála meghatározásához először definiáljuk az abszolút nulla hőmérsékletet és a víz hármaspontját.
Az abszolút nulla hőmérséklet
Ez a legalacsonyabb hőmérsékleti állapot, amelyet egy test elérhet. Ebben az állapotban a testet alkotó atomok és molekulák mozgása nulla lenne. Ez egy elméleti hőmérséklet, amelyet a gyakorlatban nem lehet elérni.
Víz hármaspont
A víz hármaspontja az a hőmérséklet-nyomás páros, amelyben a víz szilárd, folyékony és gáz halmazállapotban létezik. Konkrétan a hőmérséklet 0,01 ºC, a nyomás pedig 611,73 Pa.
Folyamat
- A létező legalacsonyabb hőmérséklet, az abszolút nulla, a hőmérőn a 0 értéket kapja
- A 273-as érték.16 a víz hármaspontjához van rendelve
- A Kelvin fokok mérete a Celsius fokokhoz van illesztve
A Kelvin a nemzetközi mértékegységrendszerben használt hőmérsékleti egység.
Mivel az abszolút nullához 0 K-t rendelünk, a Kelvin-skálán nincsenek negatív hőmérsékletek.
Mivel a fokok mérete a Kelvin- és a Celsius-skálán azonos, a Kelvin- fokban mért hőmérsékletnövekedés egybeesik a Celsius-fok növekedésével.
Skálák átváltása
Nem feledve, hogy tC, tF és T a hőmérséklet Celsius-fokban, Fahrenheitben, illetve Kelvinben kifejezve, a következő kifejezéseket fogjuk használni a skálák közötti átváltáshoz.