1.8: Енергія - тепло і температура

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20162

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

Цілі навчання

Визначте різницю між температурою і теплом.
Розпізнайте різні шкали, що використовуються для вимірювання температури.
Виконайте перетворення температури з однієї одиниці в іншу.

Поняття температури може здатися вам знайомим, але багато хто плутає температуру з теплом. Температура - це показник того, наскільки гарячим або холодним є об'єкт щодо іншого об'єкта (його теплової енергії), тоді як тепло - це потік теплової енергії між об'єктами з різною температурою. Температура - це міра середньої кінетичної енергії частинок в речовині. У повсякденному використанні температура вказує на міру того, наскільки гарячим або холодним є предмет. Температура - важливий параметр в хімії. Коли речовина змінюється з твердого на рідке, це відбувається тому, що відбулося підвищення температури матеріалу. Хімічні реакції зазвичай протікають швидше, якщо температура підвищена. Багато нестабільні матеріали (наприклад, ферменти) будуть життєздатними довше при більш низьких температурах.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Світиться вугілля зліва представляє високу кінетичну енергію, тоді як сніг та лід праворуч мають набагато нижчу кінетичну енергію.

Для вимірювання температури зазвичай використовуються три різні шкали: Фаренгейт (виражений як° F), Цельсія (° C) та Кельвін (K). Термометри вимірюють температуру за допомогою матеріалів, які розширюються або стискаються при нагріванні або охолодженні. Ртутні або спиртові термометри, наприклад, мають резервуар рідини, який розширюється при нагріванні і стискається при охолодженні, тому стовп рідини подовжується або скорочується в міру зміни температури рідини.

Малюнок\(\PageIndex{2}\) Даніеля Габріеля Фаренгейта (зверху), Андерса Цельсія (в центрі) та лорда Кельвіна (знизу).

Шкала Фаренгейта

Перші термометри були скляними і містили спирт, який розширювався і скорочувався в міру зміни температури. Німецький вчений Даніель Габріель Фаренгейт використовував ртуть у трубці, ідею, висунуту Ісмаелем Булліо. Шкала Фаренгейта була вперше розроблена в 1724 році, і деякий час після цього возитися. Основною проблемою цієї шкали є довільні визначення температури. Температура замерзання води була визначена як,\(32^\text{o} \text{F}\) а температура кипіння як\(212^\text{o} \text{F}\). Шкала Фаренгейта, як правило, не використовується в наукових цілях.

Шкала Цельсія

Шкала Цельсія метричної системи названа на честь шведського астронома Андерса Цельсія (1701-1744). Шкала Цельсія встановлює температуру замерзання\(0^\text{o} \text{C}\) та\(100^\text{o} \text{C}\) температуру кипіння води відповідно. Відстань між цими двома точками ділиться на 100 рівних інтервалів, кожен з яких дорівнює одному градусу. Інший термін, який іноді використовується для шкали Цельсія, - це «за Цельсієм», оскільки між температурами замерзання та кипіння води в цій шкалі є 100 градусів. Однак кращим терміном є «за Цельсієм».

Шкала Кельвіна

Температурна шкала Кельвіна названа на честь шотландського фізика і математика лорда Кельвіна (1824-1907). Він заснований на молекулярному русі, з температурою\(0 \: \text{K}\), також відомою як абсолютний нуль, є точкою, де припиняється весь молекулярний рух. Температура замерзання води за шкалою Кельвіна дорівнює\(273.15 \: \text{K}\), тоді як температура кипіння\(373.15 \: \text{K}\). Зверніть увагу, що в позначенні температури не використовується «градус». На відміну від шкал Фаренгейта та Цельсія, де температури називаються «градусами\(\text{F}\)» або\(\text{C}\) «градусами», ми просто позначили температури в шкалі Кельвіна як кельвіни.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Порівняння шкал температури Фаренгейта, Цельсія та Кельвіна. Оскільки різниця між температурою замерзання води та температурою кипіння води становить 100° як на шкалах Цельсія, так і Кельвіна, розмір градуса Цельсія (° C) та Кельвіна (K) точно однаковий. На відміну від цього, і градус Цельсія, і Кельвін становлять 9/5 розмір градуса Фаренгейта (° F).

Перетворення між масштабами

Кельвін має той же розмір, що і градус Цельсія, тому вимірювання легко перетворюються з одного в інший. Температура замерзання води становить 0° C = 273,15 К; температура кипіння води 100° C = 373,15 К. Шкали Кельвіна і Цельсія пов'язані наступним чином:

\[T \,\text{(in °C)} + 273.15 = T \, \text{(in K)} \label{1.8.1} \]

\[T \; \text{ (in K)} − 273.15 = T \; \text{(in °C)} \label{1.8.2} \]

Градуси за шкалою Фаренгейта, однак, засновані на англійській традиції використання 12 поділів, так само, як 1 фут = 12 дюймів. Співвідношення між градусами Фаренгейта та градусами Цельсія виглядає наступним чином:

\[°C = \dfrac{5}{9} \times (°F-32) \label{1.8.3} \]

\[°F = \dfrac{9}{5} \times (°C)+32 \label{1.8.4} \]

Існує лише одна температура, для якої числове значення однакове як на шкалах Фаренгейта, так і за Цельсієм: −40° C = −40° F.

Приклад\(\PageIndex{1}\): Temperature Conversions

Студентка хворіє температурою 103,5° F, яка її температура в° C і K?

Рішення

Перетворення з Фаренгейта в Цельсія вимагає використання рівняння\(\ref{1.8.3}\):

\(\begin{align*} °C &= \dfrac{5}{9} \times (103.5°F - 32) \\ &= 39.7 \,°C\end{align*}\)

Перетворення з Цельсія в Кельвін вимагає використання рівняння\(\ref{1.8.1}\):

\(\begin{align*} K &= 39.7 \,°C + 273.15 \\ &= 312.9\,K \end{align*}\)

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Перетворіть кожну температуру на° C і° F.

температура поверхні сонця (5800 К)
температура кипіння золота (3080 К)
температура кипіння рідкого азоту (77,36 К)

Відповідь (а): 5527 °C, 9980 °F

Відповідь (б): 2807 °C, 5084 °F

Відповідь (c): -195.8 °C, -320.4 °F

Резюме

Для вимірювання температури зазвичай використовуються три різні шкали: Фаренгейт (виражений як° F), Цельсія (° C) та Кельвін (K).
Температура замерзання води 0° C = 273,15 К; температура кипіння води 100° C = 373,15 К.
І градус Цельсія, і Кельвін становлять 9/5 розмір градуса за Фаренгейтом.