Temperatur (fysik): Definition, formel & eksempler

I mange udtryk i termodynamik er den vigtige mængde ΔT
(ændringen i temperatur) i modsætning til selve den absolutte temperatur. Fordi Celsius-graden er af samme størrelse som et forøgelse på Kelvin-skalaen, ΔT <sub>K
\u003d ΔT C
, hvilket betyder, at disse enheder kan bruges udskiftelige i disse tilfælde . Men når som helst en absolut temperatur kræves, skal det være i Kelvin.


Varmeoverførsel</sub>

Når to objekter ved forskellige temperaturer er i kontakt med hinanden, vil varmeoverførsel forekomme, med varme, der flyder fra objektet ved den højere temperatur til objektet ved den lavere temperatur, indtil termisk ligevægt er nået.

Denne overførsel sker på grund af kollisioner mellem molekylerne med højere energi i det varme objekt med den lavere energi molekyler i det køligere objekt, hvor energi overføres til dem i processen, indtil der er opstået nok tilfældige kollisioner mellem molekyler i materialerne, til at energien bliver ligeligt fordelt mellem objekterne eller stofferne. Som et resultat opnås en ny endelig temperatur, der ligger mellem de originale temperaturer på de varme og de kølige genstande.

En anden måde at tænke på dette er, at den samlede energi, der er indeholdt i begge stoffer, til sidst bliver lige fordelt mellem stofferne.

Den endelige temperatur for to objekter ved forskellige indledende temperaturer, når de når termisk ligevægt, kan findes ved at bruge forholdet mellem varmeenergi Q
, specifik varmekapacitet c
, masse m
og temperaturændringen givet ved følgende ligning:
Q \u003d mc \\ Delta T

Eksempel: Antag 0,1 kg kobberpenge ( c _{c
\u003d 390 J /kgK) ved 50 grader Celsius falder i 0,1 kg vand ( c w
\u003d 4,186 J /kgK) ved 20 grader Celsius. Hvad er den endelige temperatur, når den termiske ligevægt er opnået?}

Løsning: Overvej, at varmen, der tilføjes vandet fra øre, vil svare til den varme, der fjernes fra øre. Så hvis vandet absorberer varme Q _{w
hvor:
Q_w \u003d m_wc_w \\ Delta T_w}

Så for kobber-øre:
Q_c \u003d -Q_w \u003d m_cc_c \\ Delta T_c

Dette giver dig mulighed for at skrive forholdet:
m_cc_c \\ Delta T_c \u003d -m_wc_w \\ Delta T_w

Derefter kan du gøre brug af det faktum, at både kobberhuller og vandet skal have den samme endelige temperatur, < em> T _{f
, således at:
\\ Delta T_c \u003d T_f-T_ {ic} \\\\\\ Delta T_w \u003d T_f-T_ {iw}}

Tilslutter disse ΔT
udtryk i den forrige ligning, kan du derefter løse for T _{f
. En lille algebra giver følgende resultat:
T_f \u003d \\ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}}

Tilslutning af værdierne giver derefter:

Bemærk : Hvis du er overrasket over, at værdien er så tæt på vandets starttemperatur, skal du overveje de betydelige forskelle mellem den specifikke vandvarme og den specifikke kobbervarme. Det kræver meget mere energi at forårsage en temperaturændring i vand end det gør for at forårsage en temperaturændring i kobber.
Sådan fungerer termometre

Gammeldags glaspære kviksølvtermometre måler temperaturen ved at bruge kviksølvs termiske ekspansionsegenskaber. Kviksølv udvides når det er varmt og sammentrækker sig, når det er køligt (og i meget større grad end det glastermometer, der indeholder det gør.) Så når kviksølvet ekspanderer, stiger det inde i glasrøret, hvilket giver mulighed for måling.

Fjedertermometre - dem, der normalt har et cirkulært flade med en metalviser - fungerer også ud fra princippet om termisk ekspansion. De indeholder et stykke opviklet metal, der ekspanderer og afkøles baseret på temperatur, hvilket får markøren til at bevæge sig.

Digitale termometre bruger varmefølsomme flydende krystaller til at udløse digitale temperaturdisplay.
Forholdet mellem temperatur og Intern energi

Mens temperatur er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. Molekyle, er intern energi summen af alle de kinetiske og potentielle energier i molekylerne. For en ideel gas, hvor partiklernes potentielle energi på grund af interaktioner er ubetydelig, gives den samlede interne energi E
ved formlen:
E \u003d \\ frac {3} {2} nRT

Hvor n
er antallet af mol, og R
er den universelle gaskonstant \u003d 8,3145 J /molK.

Ikke overraskende, når temperaturen stiger, stiger termisk energi. Dette forhold gør det også klart, hvorfor Kelvin-skalaen er vigtig. Den interne energi skal være en hvilken som helst værdi 0 eller derover. Det ville aldrig give mening at være negativ. Hvis man ikke bruger Kelvin-skalaen, vil det komplicere den interne energiligning og kræve tilføjelse af en konstant for at rette den. Den interne energi bliver 0 ved absolut 0 K.