Temperatura jest związana z wrażeniami, jakich doświadczamy, gdy dotykamy pewnych obiektów. To odczucie pozwala nam klasyfikować je na obiekty zimne, np. kostkę lodu, i gorące, np. wrzącą filiżankę kawy. W tym rozdziale przyjrzymy się bliżej temu, co w fizyce oznacza pojęcie temperatury. Wyjaśnimy:
- Pojęcie temperatury
- Co to są termometry
- Jakie są najpopularniejsze skale temperatury
- Jak przeliczać pomiędzy różnymi skalami temperatury
- Co to jest zero bezwzględne
Pojęcie temperatury
Temperatura pozwala nam poznać poziom energii cieplnej ciała. Cząsteczki w ciele poruszają się z pewną prędkością, więc każda cząsteczka ma pewną energię kinetyczną. Średnia wartość tej energii kinetycznej <Ec> jest bezpośrednio związana z temperaturą ciała. Tak więc, im wyższa średnia energia kinetyczna cząsteczek, tym wyższa temperatura, a im niższa średnia energia kinetyczna, tym niższa temperatura.
Temperatura jest wielkością skalarną, która mierzy ilość energii cieplnej ciała. W przypadku gazów jego wartość jest proporcjonalna do średniej energii kinetycznej cząsteczek, zgodnie z wyrażeniem:
Gdzie:
- Temperatura T: Jej jednostką miary w systemie międzynarodowym jest Kelwin ( K )
- Stała uniwersalna k: Jest to stała jednakowa dla wszystkich gazów. Jego jednostką miary w systemie międzynarodowym jest Kelwin na dżul ( K/J )
- Średnia energia kinetyczna cząsteczek gazu <Ec>: Jest to średnia wartość energii kinetycznej cząsteczek gazu. Jej jednostką miary w systemie międzynarodowym jest dżul ( J )
Zauważ, że w przeciwieństwie do innych wielkości, takich jak prędkość czy przyspieszenie, temperatura nie jest wielkością mechaniczną, lecz statystyczną.
Rozkładem prędkości cząsteczek gazu (a zatem rozkładem energii kinetycznej każdej cząsteczki) rządzi prawo rozkładu Maxwella. Na poniższym rysunku można uzyskać jakościowe wyobrażenie o tym, jaki wpływ na cząsteczki gazu ma wzrost temperatury.
Dla tej samej substancji, im wyższa temperatura, tym większa prędkość cząsteczek, które ją tworzą. Podobnie na każdym wykresie widać, że im wyższa temperatura, tym większy zakres prędkości, które można osiągnąć ze względu na rozkład Maxwella. Na przykład, na pierwszym wykresie widać, jak większość cząstek ma małe prędkości (ich wartości są skoncentrowane w pobliżu początku współrzędnych), a wraz ze wzrostem temperatury koncentracja prędkości cząstek staje się bardziej rozproszona.
Z drugiej strony, kiedy stykają się dwa ciała, następuje wymiana energii cieplnej: temperatura przepływa od tego o wyższej temperaturze do tego o niższej. Jeśli pozwolimy, aby upłynęło wystarczająco dużo czasu, obie temperatury się wyrównają. Tak więc, gdy dotykamy ciała, które ma niższą temperaturę od nas, odczuwamy zimno, a gdy ma ono wyższą temperaturę, odczuwamy gorąco. Powodem jest właśnie ta wymiana energii cieplnej pomiędzy naszym palcem a danym ciałem.
Jak zmierzyć temperaturę?
Temperatura jest wielkością statystyczną, więc nie możemy jej zmierzyć bezpośrednio. Aby ją zmierzyć, wykorzystujemy różne wielkości, które zmieniają się wraz z nią, takie jak wysokość słupa rtęci, opór elektryczny lub objętość i ciśnienie gazu. Wielkości te nazywamy wielkościami termometrycznymi.
Do pomiaru temperatury używamy termometrów. Termometr to urządzenie, które pozwala nam powiązać jakąś wielkość termometryczną z temperaturą.
Typy termometrów
Istnieją różne typy termometrów w zależności od mierzonej wielkości fizycznej, która zmienia się w zależności od temperatury. Poniżej znajduje się lista kilku głównych z nich. Nazwa termometru i krótki opis są podane kursywą.
- Podstawa dylatacji
- Gazy
- Zmiana objętości: Termometr gazowy przy stałym ciśnieniu. Objętość gazu zmienia się w zależności od temperatury. Są one bardzo dokładne i są zazwyczaj używane do kalibracji innych termometrów
- Zmiana ciśnienia: Termometr gazowy o stałej objętości. Ciśnienie gazu zmienia się w zależności od temperatury. Są one bardzo dokładne i są zazwyczaj używane do kalibracji innych termometrów
- Płyny
- Kolumna rtęciowa: Termometr rtęciowy. Wysokość słupa rtęci zmienia się w zależności od temperatury. Jego wprowadzanie do obrotu i używanie jest zabronione w niektórych krajach, takich jak Hiszpania
- Kolumna barwionego alkoholu: Termometr alkoholowy. Wysokość kolumny z zabarwionym alkoholem zmienia się w zależności od temperatury. Jako pierwszy został stworzony
- Solidy
- Zmiana długości: Termometr bimetaliczny. Składa się z dwóch płyt z różnych metali sztywno połączonych ze sobą. Zespół wygina się po łuku proporcjonalnie do zmiany temperatury. Dzieje się tak dlatego, że każda płytka ma inny współczynnik rozszerzalności i zmiany temperatury powodują różne zmiany ich długości
- Gazy
- Based on electrical properties
- Resistance
- Semiconductor: Thermistor. Półprzewodniki to materiały, które w zależności od temperatury zachowują się jak przewodniki lub izolatory. To czyni je urządzeniami do pomiaru temperatury
- Platinum: Platynowy termometr. Opór elektryczny platyny zmienia się liniowo z temperaturą
- Efekt termoelektryczny
- Termopara: Jest to para splotów (spoin) dwóch drutów przewodzących z różnych metali. Jeden z węzłów jest utrzymywany w stałej temperaturze odniesienia. Generowana siła elektromotoryczna zależy od różnicy temperatur pomiędzy spoinami
- Resistance
- Na podstawie promieniowania cieplnego
- Promieniowanie podczerwone
- Termometr podczerwony: Gorące ciała emitują ciepło w postaci promieniowania elektromagnetycznego, wychwytywanego przez ten typ termometru
- Promieniowanie podczerwone
- Światło widzialne
- Pirometr optyczny: Zwykle stosuje się je do pomiaru temperatur powyżej 700 °C. Opierają się one na zmianie koloru, z jakim świecą gorące obiekty. Od ciemnoczerwonej do żółtej, prawie do białej przy około 1300º C
Skale temperatury
Temperaturę mierzy się pośrednio poprzez wielkości termometryczne. Jak zobaczymy, wartości tych wielkości w pewnych ustalonych stanach będziemy wykorzystywać do kalibrowania termometrów, ustalając w ten sposób skalę. Przykładem takich stałych stanów jest zamarzanie lub wrzenie wody.
Istnieją trzy główne skale pomiaru temperatury:
- Celsjusza
- Farenheita
- Kelwina
Przyjrzyjrzyjrzyjmy się procesowi dla każdej konkretnej skali.
Skala Celsjusza
- Normalna temperatura zamarzania wody jest przypisana do wartości 0 na termometrze
- Normalna temperatura wrzenia wody jest przypisana do wartości 100 na termometrze
- Ten zakres jest podzielony na 100 równych części. Każdy z nich nazywany jest stopniem Celsjusza ( ºC )
skala Fahrenheita
- Normalnej temperaturze zamarzania wody przypisana jest wartość 32 na termometrze
- Normalnej temperaturze wrzenia wody przypisana jest wartość 212 na termometrze
- Ten zakres podzielony jest na 180 równych części. Każdy z nich nazywany jest stopniem Fahrenheita ( ºF )
Kelwin, absolutny lub skala Kelvina
Jest to skala używana w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar. Aby zdefiniować skalę absolutną, najpierw zdefiniujemy temperaturę zera bezwzględnego i punkt potrójny wody.
Temperatura zera bezwzględnego
Jest to najniższy stan temperatury, jaki może mieć ciało. W tym stanie ruch atomów i cząsteczek tworzących ciało byłby równy zeru. Jest to temperatura teoretyczna, która nie może być osiągnięta w praktyce.
Punkt potrójny wody
Punkt potrójny wody to para temperatura-ciśnienie, w której woda współistnieje w stanie stałym, ciekłym i gazowym. Konkretnie, temperatura wynosiłaby 0,01 ºC, a ciśnienie 611,73 Pa.
Proces
- Najniższa temperatura, jaka może istnieć, zero absolutne, jest przypisana wartości 0 na termometrze
- Wartość 273.16 jest przypisane do punktu potrójnego wody
- Wielkość stopni Kelvina jest dopasowana do stopni Celsjusza
Kelwin jest jednostką temperatury stosowaną w Międzynarodowym Układzie Jednostek Miar.
Ponieważ przypisujemy 0 K do zera bezwzględnego, nie ma ujemnych temperatur w skali Kelvina.
Ponieważ wielkość stopni jest taka sama w skali Kelvina i Celsjusza, wzrost temperatury w stopniach Kelvina pokrywa się ze wzrostem w stopniach Celsjusza.
Konwersja skal
Mając na uwadze, że tC, tF i T to temperatura wyrażona odpowiednio w stopniach Celsjusza, Fahrenheita i Kelvina, będziemy używać następujących wyrażeń do konwersji między skalami.