3.8: Температура
- Page ID
- 25029
- 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:
\[\begin{align} \ce{^{\circ}C} &= \ce{(^{\circ}F-32)\times 5/9} \label{eq1} \\[4pt] \ce{ ^{\circ}F} &= \left(\ce{^{\circ}C \times 9/5 } \right)+32 \label{eq2} \end{align} \]
- Що таке 98.6 °F в градусах Цельсія?
- Що таке 25,0° C в градусах Фаренгейта?
Рішення
- Використовуючи рівняння\ ref {eq1}, ми маємо
\[\begin{align*} ^{\circ}C &=(98.6-32)\times \dfrac{5}{9} \\[4pt] &= 66.6\times \dfrac{5}{9} \\[4pt] &= 37.0^{\circ}C \end{align*}\nonumber \]
- Використовуючи рівняння\ ref {eq2}, ми маємо
\[\begin{align*} ^{\circ}F &= \left(25.0\times \dfrac{9}{5}\right)+32 \\[4pt] &= 45.0+32 \\[4pt] &= 77.0^{\circ}F \end{align*}\nonumber \]
- Перетворіть 0° F в градуси Цельсія.
- 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.
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.
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.
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\(\PageIndex{1}\).
| 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.
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.
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.
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
\[3.78\,\cancel{g}\times \dfrac{1\,cm^{3}}{0.22\,\cancel{g}}= 17.2\,cm^{3} \nonumber \nonumber \]
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.
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.
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.