Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

3.8: Температура

  • Page ID
    25029
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Мета навчання
    • Дізнайтеся про різні температурні шкали, які зазвичай використовуються в хімії.
    • Визначте щільність і використовуйте її як коефіцієнт перетворення.

    Є й інші одиниці хімії, які є важливими, і ми розглянемо інші протягом всієї книги. Однією з фундаментальних величин в науці є температура. Температура - це міра середньої кількості енергії руху, або кінетичної енергії, яку містить система. Температури виражаються за допомогою шкал, які використовують одиниці, звані градусами, і є кілька температурних шкал у використанні. У Сполучених Штатах загальноприйнятою шкалою температури є шкала Фаренгейта (символізується° F і розмовляється як «градуси Фаренгейта»). У цій шкалі температура замерзання рідкої води (температура, при якій рідка вода перетворюється на твердий лід) становить 32° F, а температура кипіння води (температура, при якій рідка вода перетворюється на пару) становить 212° F.

    Наука також використовує інші шкали для вираження температури. Шкала Цельсія (позначається° C і розмовляється як «градуси Цельсія») - це температурна шкала, де 0° C - точка замерзання води, а 100° C - точка кипіння води; шкала розділена на 100 поділів між цими двома орієнтирами і розширена вище і нижче. Порівнюючи шкали Фаренгейта та Цельсія, можна визначити перетворення між двома шкалами:

    \[\begin{align} \ce{^{\circ}C} &= \ce{(^{\circ}F-32)\times 5/9} \label{eq1} \\[4pt] \ce{ ^{\circ}F} &= \left(\ce{^{\circ}C \times 9/5 } \right)+32 \label{eq2} \end{align} \]

    Приклад\(\PageIndex{1}\): Conversions
    1. Що таке 98.6 °F в градусах Цельсія?
    2. Що таке 25,0° C в градусах Фаренгейта?
    Рішення
    1. Використовуючи рівняння\ ref {eq1}, ми маємо

    \[\begin{align*} ^{\circ}C &=(98.6-32)\times \dfrac{5}{9} \\[4pt] &= 66.6\times \dfrac{5}{9} \\[4pt] &= 37.0^{\circ}C \end{align*}\nonumber \]

    1. Використовуючи рівняння\ ref {eq2}, ми маємо

    \[\begin{align*} ^{\circ}F &= \left(25.0\times \dfrac{9}{5}\right)+32 \\[4pt] &= 45.0+32 \\[4pt] &= 77.0^{\circ}F \end{align*}\nonumber \]

    Вправа\(\PageIndex{1}\)
    1. Перетворіть 0° F в градуси Цельсія.
    2. Перетворіть 212° C на градуси за Фаренгейтом.
    Відповідь

    −17.8 °C

    Відповідь б

    414 °F

    Фундаментальною одиницею температури (ще однією фундаментальною одиницею науки, що доводить нас до чотирьох) в СІ є Кельвін (K). Температурна шкала Кельвіна (зверніть увагу, що назва шкали великими літерами слово Кельвін, але сама одиниця - малі регістри) використовує градуси, які мають той же розмір, що і градус Цельсія, але числова шкала зміщена вгору на 273,15 одиниць. Тобто перетворення між шкалами Кельвіна і Цельсія виглядає наступним чином:

    \[K = {^{\circ}C + 273.15}\nonumber \]

     

    Для більшості цілей допустимо використовувати 273 замість 273.15. Зверніть увагу, що шкала Кельвіна не використовує слово градуси; про температуру 295 К говорять як «двісті дев'яносто п'ять кельвінів», а не «двісті дев'яносто п'ять градусів Кельвіна».

    Причина того, що шкала Кельвіна визначається таким чином, полягає в тому, що існує мінімально можлива температура, яка називається абсолютним нулем (нуль кельвінів). Температурна шкала Кельвіна встановлена так, що 0 К дорівнює абсолютному нулю, а температура відраховується зверху звідти. Нормальна температура в приміщенні становить близько 295 К, як видно в наступному прикладі.

    Приклад\(\PageIndex{2}\): Room Temperature

    Якщо нормальна температура в приміщенні 72,0° F, яка кімнатна температура в градусах Цельсія та Кельвіна?

    Рішення

    Для початку скористаємося формулою для визначення температури в градусах Цельсія:

    \[\begin{align*} ^{\circ}C &= (72.0-32)\times \dfrac{5}{9} \nonumber \\[4pt] &= 40.0\times \dfrac{5}{9} \nonumber \\[4pt] &= 22.2^{\circ}C \end{align*}\nonumber \]

    Потім скористаємося відповідною формулою вище для визначення температури за шкалою Кельвіна:

    \[\begin{align*} K &= 22.2^{\circ}C+273.15 \nonumber \\[4pt] &= 295.4K \end{align*}\nonumber \]

    Так, температура в приміщенні становить близько 295 К.

    Вправа\(\PageIndex{2}\)

    Що таке 98,6° F за шкалою Кельвіна?

    Відповідь

    310.2 КМ

    Малюнок\(\PageIndex{1}\) порівнює три температурні шкали. Зауважте, що наука використовує шкали Цельсія і Кельвіна майже виключно; практично жоден практикуючий хімік не висловлює лабораторно виміряні температури за шкалою Фаренгейта. Насправді США - одна з небагатьох країн світу, яка досі щодня використовує шкалу Фаренгейта. Інші дві країни - Ліберія та М'янма (колишня Бірма). Люди, які їдуть біля кордонів Канади чи Мексики, можуть забрати місцеві радіостанції на іншій стороні кордону, які виражають щоденну погоду в градусах Цельсія, тому не плутайте їх погодні звіти.

    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Температура за Фаренгейтом, Цельсієм та Кельвіном. Порівняння трьох температурних шкал.

    Щільність

    Щільність - це фізична властивість, яка визначається як маса речовини, розділена на його обсяг:

    \[density= \dfrac{mass}{volume}\Rightarrow d= \dfrac{m}{v}\nonumber \]

    Щільність зазвичай є виміряною властивістю речовини, тому її числове значення впливає на значні цифри в розрахунку. Зверніть увагу, що щільність визначається через дві неоднакові одиниці, масу та об'єм. Це означає, що загальна щільність має похідні одиниці, як і швидкість. Загальні одиниці по щільності включають г/мл, г/см 3, г/л, кг/л і навіть кг/м 3. Щільності для деяких поширених речовин наведені в табл\(\PageIndex{1}\).

    Таблиця\(\PageIndex{1}\): Щільності деяких поширених речовин
    Речовина Щільність (г/мл або г/см 3)
    вода 1.0
    золото 19.3
    ртуті 13,6
    повітря 0,0012
    пробка 0,22-0,26
    алюміній 2.7
    залізо 7.87

    Через те, як він визначається, щільність може виступати в якості коефіцієнта перетворення для перемикання між одиницями маси та обсягу. Наприклад, припустимо, у вас є зразок алюмінію, який має обсяг 7,88 см 3. Як же визначити, яка маса алюмінію у вас, не вимірюючи її? Для його розрахунку можна використовувати обсяг. Якщо помножити заданий обсяг на відому щільність (з таблиці\(\PageIndex{1}\)), одиниці об'єму скасують і залишать вам одиниці маси, повідомивши вам масу зразка:

    \[7.88\,\cancel{cm^{3}}\times \dfrac{2.7\,g}{\cancel{cm^{3}}}= 21\, g \text{ of aluminium} \nonumber \nonumber \]

    де ми обмежили нашу відповідь двома значущими цифрами.

    Приклад\(\PageIndex{3}\): Mercury

    Яка маса 44,6 мл ртуті?

    Рішення

    Використовуйте щільність з таблиці\(\PageIndex{1}\) «Щільності деяких поширених речовин» як коефіцієнт перетворення для переходу від обсягу до маси:

    \[44.6\,\cancel{mL}\times \dfrac{13.6\,g}{\cancel{mL}}= 607\,g \nonumber \nonumber \]

    Маса ртуті - 607 г.

    Вправа\(\PageIndex{3}\)

    Яка маса 25,0 см 3 заліза?

    Відповідь

    197 г

    Щільність також може використовуватися як коефіцієнт перетворення для перетворення маси в об'єм, але слід дотримуватися обережності. Ми вже продемонстрували, що число, яке йде з щільністю, зазвичай йде в чисельник, коли щільність записується як дріб. Візьмемо щільність золота, наприклад:

    \[d=19.3\,g/mL =\dfrac{19.3\,g}{mL} \nonumber \nonumber \]

    Хоча на це раніше не вказувалося, можна припустити, що в знаменнику є 1:

    \[d=19.3\,g/mL =\dfrac{19.3\,g}{mL} \nonumber \nonumber \]

    Тобто значення щільності говорить нам, що у нас є 19,3 грама на кожен 1 мілілітр об'єму, а 1 - точне число. Коли ми хочемо використовувати щільність для перетворення з маси в об'єм, чисельник і знаменник щільності потрібно переключити - тобто ми повинні прийняти зворотну щільність. При цьому переміщаємо не тільки одиниці, а й цифри:

    \[\dfrac{1}{d}= \dfrac{1\,mL}{19.3\,g} \nonumber \nonumber \]

    Ця зворотна щільність все ще є корисним коефіцієнтом перетворення, але тепер одиниця маси скасується і буде введена одиниця обсягу. Таким чином, якщо ми хочемо знати обсяг 45,9 г золота, ми встановили б конверсію наступним чином:

    \[45.9\,\cancel{g}\times \dfrac{1\,mL}{19.3\cancel{g}}= 2.38\,mL \nonumber \nonumber \]

    Зверніть увагу, як масові одиниці скасовуються, залишаючи одиницю гучності, що і є те, що ми шукаємо.

    Приклад\(\PageIndex{4}\): Calculating Volume from Density

    Пробкова пробка від пляшки вина має масу 3,78 м Якщо щільність пробки 0,22 г/см 3, який обсяг пробки?

    Рішення

    Щоб використовувати щільність як коефіцієнт перетворення, нам потрібно взяти зворотну так, щоб одиниця маси щільності знаходилася в знаменнику. Беручи взаємний, знаходимо:

    \[\dfrac{1}{d}= \dfrac{1\,cm^{3}}{0.22\,g} \nonumber \nonumber \]

    Ми можемо використовувати цей вираз як коефіцієнт перетворення. Так

    \[3.78\,\cancel{g}\times \dfrac{1\,cm^{3}}{0.22\,\cancel{g}}= 17.2\,cm^{3} \nonumber \nonumber \]

    Вправа\(\PageIndex{4}\)

    Який обсяг 3,78 г золота?

    Відповідь

    0.196 см 3

    Необхідно використовувати обережність з щільністю в якості коефіцієнта перетворення. Переконайтеся, що одиниці маси однакові, або одиниці об'єму однакові, перш ніж використовувати щільність для перетворення в іншу одиницю. Часто одиницю заданої кількості потрібно спочатку перетворити у відповідну одиницю, перш ніж застосовувати щільність як коефіцієнт перетворення.

    Застосування продуктів харчування та напоїв: Температура приготування

    Оскільки градуси Фаренгейта є загальною шкалою температури в Сполучених Штатах, кухонні прилади, такі як духовки, калібруються в цій шкалі. Прохолодна духовка може бути лише 150° F, тоді як пиріг може бути випіканий при 350° F, а курка смажена при 400° F Налаштування смаження на багатьох печах становить 500° F, що, як правило, є найвищою температурою в побутовій печі.

    Людям, які живуть на великих висотах, як правило, 2,000 футів над рівнем моря або вище, іноді закликають використовувати дещо інші інструкції з приготування їжі на деяких продуктах, таких як торти та хліб, оскільки вода кипить при меншій температурі, чим вище по висоті ви йдете, а це означає, що продукти готуються повільніше. Наприклад, у Клівленді вода зазвичай кипить при 212° F (100° C), але в Денвері, високому місті, вода кипить приблизно при 200° F (93,3° C), що може значно подовжити час приготування. Хорошим кулінарам потрібно знати про це.

    М'ясний термометр з циферблатом, із зовнішньою шкалою Фаренгейта та внутрішньою шкалою Цельсія.

    Термометр для м'яса з циферблатом. Зверніть увагу на маркування температур Фаренгейта (зовнішня шкала) та Цельсія (внутрішня шкала). Рецептів приготування їжі в духовці можна використовувати найрізноманітніші цифри, в залежності від країни, в якій ви перебуваєте. (CC BY2.0 Бев Скайкс)

    На іншому кінці відбувається варіння під тиском. Скороварка - це закрита посудина, що дозволяє парі нарощувати додатковий тиск, що підвищує температуру, при якій вода закипає. Хороша скороварка може досягати температури до 252° F (122° C); при цих температурах їжа готується набагато швидше, ніж зазвичай. Велику обережність необхідно використовувати з скороварками через високий тиск і високу температуру. (Коли скороварка використовується для стерилізації медичних інструментів, її називають автоклавом.)

    Інші країни використовують шкалу Цельсія в повсякденних цілях. Тому циферблати духовки на своїх кухнях маркуються градусами Цельсія. Американські кухарі можуть заплутати використання печей за кордоном - піч 425° F у Сполучених Штатах еквівалентна духовці 220° C в інших країнах. У наші дні багато термометри печі позначені обома температурними шкалами.

    Ключові виноси

    • Хімія використовує шкали Цельсія та Кельвіна для вираження температур.
    • Температура за шкалою Кельвіна - це температура за Цельсієм плюс 273,15.
    • Мінімально можлива температура дорівнює абсолютному нулю і присвоюється 0 К за шкалою Кельвіна.
    • Щільність пов'язує масу і об'єм речовини.
    • Щільність може бути використана для розрахунку обсягу з заданої маси або маси з заданого обсягу.