Temperatura este legată de senzația pe care o experimentăm atunci când atingem anumite obiecte. Această senzație ne permite să le clasificăm în obiecte reci, de exemplu un cub de gheață, și obiecte fierbinți, de exemplu o ceașcă de cafea clocotită. În acest capitol vom examina mai îndeaproape ce înseamnă temperatura în fizică. Vom explica:
- Noțiunea de temperatură
- Ce sunt termometrele
- Care sunt cele mai frecvente scări de temperatură
- Cum se face conversia între diferite scări de temperatură
- Ce este zero absolut
Conceptul de temperatură
Temperatura ne permite să cunoaștem nivelul de energie termică al unui corp. Particulele dintr-un corp se deplasează cu o anumită viteză, astfel încât fiecare particulă are o anumită energie cinetică. Valoarea medie a acestei energii cinetice <Ec> este direct legată de temperatura corpului. Astfel, cu cât energia cinetică medie a particulelor este mai mare, cu atât temperatura este mai mare, iar cu cât energia cinetică medie este mai mică, cu atât temperatura este mai mică.
Temperatura este o mărime scalară care măsoară cantitatea de energie termică pe care o are un corp. În cazul gazelor, valoarea sa este proporțională cu energia cinetică medie a moleculelor, conform expresiei:
Unde:
- Temperatura T: Unitatea sa de măsură în Sistemul Internațional este Kelvin ( K )
- Constanta universală k: Este o constantă egală pentru toate gazele. Unitatea sa de măsură în Sistemul Internațional este Kelvin per joule ( K/J )
- Energia cinetică medie a moleculelor de gaz <Ec>: Aceasta este valoarea medie a energiei cinetice a moleculelor de gaz. Unitatea sa de măsură în Sistemul Internațional este Joule ( J )
Rețineți că, spre deosebire de alte mărimi, cum ar fi viteza sau accelerația, temperatura nu este o mărime mecanică, ci o mărime statistică.
Distribuția vitezelor particulelor unui gaz (și, prin urmare, distribuția energiei cinetice a fiecărei particule) , este guvernată de legea de distribuție a lui Maxwell. În imaginea următoare vă puteți face o idee calitativă despre efectul pe care îl are creșterea temperaturii asupra moleculelor unui gaz.
Pentru aceeași substanță, cu cât temperatura este mai mare, cu atât viteza particulelor care o compun este mai mare. În mod similar, în fiecare grafic se poate observa cum, cu cât temperatura este mai mare, cu atât mai mare este gama de viteze care pot fi atinse datorită distribuției Maxwell. De exemplu, în primul grafic se poate observa cum majoritatea particulelor au viteze mici (valorile lor sunt concentrate în apropierea originii coordonatelor) și, pe măsură ce temperatura crește, concentrația vitezei particulelor devine mai mare.
Pe de altă parte, când punem două corpuri în contact, are loc un schimb de energie termică: temperatura trece de la cel cu temperatura mai ridicată la cel cu temperatura mai scăzută. Dacă lăsăm să treacă suficient timp, cele două temperaturi se egalizează. Astfel, atunci când atingem un corp care are o temperatură mai mică decât a noastră, simțim frig, iar dacă acesta are o temperatură mai ridicată, simțim căldură. Motivul este tocmai acest schimb de energie termică între degetul nostru și corpul în cauză.
Cum măsurăm temperatura?
Temperatura este o mărime statistică, deci nu o putem măsura direct. Pentru a o măsura, ne folosim de diferite mărimi care variază odată cu ea, cum ar fi înălțimea unei coloane de mercur, rezistența electrică sau volumul și presiunea unui gaz. Aceste mărimi se numesc mărimi termometrice.
Pentru a măsura temperatura folosim termometre. Un termometru este un dispozitiv care ne permite să facem legătura între o mărime termometrică și temperatură.
Tipuri de termometre
Există diferite tipuri de termometre în funcție de mărimea fizică măsurată, care variază în funcție de temperatură. În cele ce urmează este prezentată o listă a unora dintre cele mai importante. Numele termometrelor și o scurtă descriere sunt indicate cu caractere italice.
- Bazat pe dilatare
- Gaze
- Variație de volum: Termometru cu gaz la presiune constantă. Volumul gazului variază în funcție de temperatură. Ele sunt foarte precise și sunt în general folosite pentru calibrarea altor termometre
- Schimbare de presiune: Termometru cu gaz cu volum constant. Presiunea gazului variază în funcție de temperatură. Ele sunt foarte precise și sunt în general folosite pentru calibrarea altor termometre
- Lichide
- Coloana de mercur: Termometru cu mercur. Înălțimea coloanei de mercur variază în funcție de temperatură. Comercializarea și utilizarea acestuia este interzisă în unele țări, cum ar fi Spania
- Colonelul de alcool colorat: Termometru pentru alcool. Înălțimea coloanei de alcool colorat variază în funcție de temperatură. A fost primul care a fost creat
- Gaze
- Solizi
- Schimbare de lungime: Termometru bimetalic. Se compune din două plăci din metale diferite, unite rigid între ele. Ansamblul se îndoaie într-un arc de cerc proporțional cu modificarea temperaturii. Acest lucru se datorează faptului că fiecare placă are un coeficient de dilatare diferit, iar schimbările de temperatură determină schimbări diferite în lungimile lor
- Rezistență
- Semiconductor: Termistor. Semiconductorii sunt materiale care se comportă ca niște conductori sau izolatori în funcție de temperatură. Acest lucru le face dispozitive pentru măsurarea temperaturii
- Platină: Termometru de platină. Rezistența electrică a platinei variază liniar cu temperatura
- Efectul termoelectric
- Thermocuplul: Este o pereche de îmbinări (suduri) a două fire conductoare din metale diferite. Una dintre joncțiuni este menținută la o temperatură de referință constantă. Forța electromotoare generată depinde de diferența de temperatură dintre suduri
- Radiație infraroșie
- Termometru infraroșu: Corpurile fierbinți emit căldură sub formă de radiație electromagnetică, captată de acest tip de termometru
- Pirometru optic: Sunt utilizate în mod normal pentru a măsura temperaturi de peste 700 °C. Acestea se bazează pe schimbarea culorii cu care strălucesc obiectele fierbinți. De la roșu închis la galben, ajungând aproape la alb la aproximativ 1300º C
Scale de temperatură
Temperatura se măsoară indirect prin intermediul mărimilor termometrice. După cum vom vedea, vom folosi valorile acestor mărimi în anumite stări fixe pentru a calibra termometrele, stabilind astfel o scală. Exemple ale acestor stări fixe sunt înghețarea sau fierberea apei.
Există trei scări majore pentru măsurarea temperaturii:
- Celsius
- Farenheit
- Kelvin
Să ne uităm la procesul pentru fiecare scală în parte.
Scala centigradă sau Celsius
- Punctului normal de îngheț al apei i se atribuie o valoare de 0 pe termometru
- Punctului normal de fierbere al apei i se atribuie o valoare de 100 pe termometru
- Acest interval este împărțit în 100 de părți egale. Fiecare dintre acestea se numește grad Celsius ( ºC )
Scala Fahrenheit
- Punctului normal de îngheț al apei i se atribuie o valoare de 32 pe termometru
- Punctului normal de fierbere al apei i se atribuie o valoare de 212 pe termometru
- Acest interval este împărțit în 180 de părți egale. Fiecare dintre acestea se numește grad Fahrenheit ( ºF )
Kelvin, scara absolută sau scara Kelvin
Aceasta este scara utilizată în Sistemul Internațional de Unități de măsură. Pentru a defini scara absolută, vom defini mai întâi temperatura zero absolut și punctul triplu al apei.
Temperatura zero absolut
Este cea mai joasă stare de temperatură pe care o poate avea un corp. În această stare, mișcarea atomilor și moleculelor care alcătuiesc corpul ar fi zero. Este o temperatură teoretică care nu poate fi atinsă în practică.
Punctul triplu al apei
Punctul triplu al apei este acel cuplu temperatură-presiune în care apa coexistă în stare solidă, lichidă și gazoasă. Mai exact, temperatura ar fi de 0,01 ºC, iar presiunea de 611,73 Pa.
Proces
- Cei mai mici temperaturi care pot exista, zero absolut, i se atribuie valoarea 0 pe termometru
- Valoarea 273.16 este atribuit punctului triplu al apei
- Mărimea gradelor Kelvin se potrivește cu cea a gradelor Celsius
Kelvinul este unitatea de temperatură utilizată în Sistemul Internațional de Unități.
Din moment ce atribuim 0 K la zero absolut, nu există temperaturi negative pe scara Kelvin.
Din moment ce mărimea gradelor este aceeași pe scara Kelvin și pe scara Celsius, o creștere a temperaturii în grade Kelvin coincide cu o creștere în grade Celsius.
Conversie de scări
Având în vedere că tC, tF și T este temperatura exprimată în grade Celsius, Fahrenheit și respectiv Kelvin, vom folosi următoarele expresii pentru a converti între scări.