Wir wissen jetzt, dass ein Temperaturanstieg einem Anstieg der durchschnittlichen kinetischen Energie von Atomen und Molekülen entspricht. Ein Ergebnis dieser erhöhten Bewegung ist, dass der durchschnittliche Abstand zwischen Atomen und Molekülen mit zunehmender Temperatur zunimmt. Dieses phänomen, bekannt als thermische expansion ist die grundlage für temperatur messung durch flüssigkeit thermometer.
Gängige Flüssigkeitsthermometer verwenden die Wärmeausdehnung von Alkohol in einem Glas- oder Kunststoffrohr, um die Temperatur zu messen. Aufgrund der thermischen Ausdehnung ändert sich das Alkoholvolumen mit der Temperatur. Das Thermometer muss kalibriert werden, indem die verschiedenen Flüssigkeitsstände markiert werden, wenn das Thermometer in einer Umgebung mit einer bekannten Temperatur aufgestellt wird, z. B. Wasser, das auf Meereshöhe kocht.
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Bimetallstreifen
Verschiedene Materialien dehnen sich beim Erhitzen (oder Abkühlen) thermisch unterschiedlich aus (oder ziehen sich zusammen). Bimetallstreifen verlassen sich auf dieses Phänomen, um die Temperatur zu messen. Wenn zwei verschiedene Materialien zusammengeklebt werden, verbiegt sich die resultierende Struktur, wenn sich die Temperatur aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung jedes Materials ändert.
Lineare Wärmeausdehnung
Bei den meisten gängigen Materialien ist die Längenänderung (
), die durch eine Temperaturänderung (
) verursacht wird, proportional zur ursprünglichen Länge (
) und kann mit dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (
) und der folgenden Gleichung modelliert werden:
Die folgende Tabelle enthält die linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten für verschiedene feste Materialien. Mehr expansive (ha!) tabellen finden Sie online.
| Material | Coefficient of Linear Expansion (1/°C) |
|---|---|
| Solids | |
| Aluminum | 25 × 10−6 |
| Brass | 19 × 10−6 |
| Copper | 17 × 10−6 |
| Gold | 14 × 10−6 |
| Iron or steel | 12 × 10−6 |
| Invar (nickel-iron alloy) | 0.9 × 10−6 |
| Lead | 29 × 10−6 |
| Silver | 18 × 10−6 |
| Glass (ordinary) | 9 × 10−6 |
| Glass (Pyrex®) | 3 × 10−6 |
| Quartz | 0.4 × 10-6 |
| Beton, Ziegel | ~12 × 10-6 |
| Marmor (Durchschnitt) | 2,5 × 10-6 |
Die Hauptspannweite der Golden Gate Bridge in San Francisco ist am kältesten 1275 m lang. Die Brücke ist Temperaturen von -15 ° C bis 40 ° C ausgesetzt. Wie ist ihre Längenänderung zwischen diesen Temperaturen? Angenommen, die Brücke besteht vollständig aus Stahl.
Wir können die Gleichung für die lineare Wärmeausdehnung verwenden:
Setzen Sie alle bekannten Werte in die Gleichung ein, einschließlich des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten für Stahl und der Anfangs- und Endtemperaturen:
Obwohl im Vergleich zur Länge der Brücke nicht groß, ist die Längenänderung von fast einem Meter beobachtbar und wichtig. Die thermische Ausdehnung könnte dazu führen, dass Brücken knicken, wenn nicht Lücken, sogenannte Dehnungsfugen, in das Design einbezogen werden.
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Temperatureinheiten
Thermometer messen die Temperatur nach genau definierten Maßstäben. Die drei gebräuchlichsten Temperaturskalen sind Fahrenheit, Celsius und Kelvin. Auf der Celsius-Skala beträgt der Gefrierpunkt von Wasser 0 ° C und der Siedepunkt 100 ° C. Die Temperatureinheit auf dieser Skala ist der Grad Celsius (° C). Die Fahrenheit skala (°F) hat die einfrieren punkt von wasser bei 32 °F und die siedepunkt 212 °F. Sie können sehen, dass 100 Celsius grad spanne die gleiche palette wie 180 Fahrenheit grad. Somit ist eine Temperaturdifferenz von einem Grad auf der Celsius-Skala 1,8-mal so groß wie eine Differenz von einem Grad auf der Fahrenheit-Skala, wie durch die beiden oberen Skalen im folgenden Diagramm dargestellt.
Die Kelvin-Skala
Die Definition der Temperatur in Bezug auf die Molekularbewegung legt nahe, dass es eine niedrigstmögliche Temperatur geben sollte, bei der die durchschnittliche mikroskopische kinetische Energie von Molekülen Null ist (oder das Minimum, das durch die Quantennatur der Teilchen zulässig ist). Experimente bestätigen die Existenz einer solchen Temperatur, die als absoluter Nullpunkt bezeichnet wird. Eine absolute Temperaturskala ist eine, deren Nullpunkt dem absoluten Nullpunkt entspricht. Solche Skalen sind in der Wissenschaft praktisch, da mehrere physikalische Größen, wie der Druck in einem Gas, direkt mit der absoluten Temperatur zusammenhängen. Darüber hinaus können wir mit absoluten Skalen Temperaturverhältnisse verwenden, die mit relativen Skalen nicht möglich sind. Zum Beispiel ist 200 K die doppelte Temperatur von 100 K, aber 200 ° C ist nicht die doppelte Temperatur von 100 ° C.
Die Kelvin-Skala ist die absolute Temperaturskala, die in der Wissenschaft häufig verwendet wird. Die SI-Temperatureinheit ist das Kelvin, das K abgekürzt wird (aber nicht von einem Gradzeichen begleitet wird). Somit ist 0 K der absolute Nullpunkt, was -273,15 ° C entspricht. Die Größe der Einheiten Celsius und Kelvin ist gleich eingestellt, so dass Temperaturunterschiede (
) sowohl in Kelvin als auch in Grad Celsius den gleichen Wert haben. Infolgedessen betragen der Gefrier- und der Siedepunkt von Wasser in der Kelvin-Skala 273,15 K bzw. 373,15 K, wie im vorherigen Diagramm dargestellt.
Sie können zwischen den verschiedenen Temperaturskalen konvertieren Gleichungen oder verschiedene Konversationsprogramme, darunter auch einige online zugänglich.
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Temperaturmessung
Neben der thermischen Ausdehnung können weitere temperaturabhängige physikalische Eigenschaften zur Temperaturmessung herangezogen werden. Solche Eigenschaften umfassen elektrischen Widerstand und optische Eigenschaften wie Reflexion, Emission und Absorption verschiedener Farben. Die lichtbasierte Temperaturmessung wird im nächsten Kapitel wieder auftauchen.
- Klinisches Thermometer von Menchi über Wikimedia Commons ↵
- OpenStax Universitätsphysik, Universitätsphysik. In: OpenStax CNX. 10. Mai 2018 http://cnx.org/contents/[email protected]. ↵
- Michiel1972 , via Wikimedia Commons ↵
- „Web-based hypothermia information: a critical assessment of Internet resources and a comparison to peer-reviewed literature“ by Dr. Eric Christian, Cosmicopia, NASA is in the Public Domain ↵
- Der Inhalt dieses Kapitels wurde von OpenStax University Phyiscs adaptiert, die Sie kostenlos herunterladen können unter http://cnx.org/contents/[email protected]. ↵
ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen (z.B., Atome und Moleküle) in einem Objekt, das bestimmt, wie relativ heiß oder kalt sich ein Objekt anfühlt
Energie, die ein Körper aufgrund seiner Bewegung besitzt, Energie, die von einem bewegten Objekt gespeichert wird
Die Zunahme der Volumenänderung eines Objekts, die sich aus einer Temperaturänderung ergibt.
ein Gerät, das die Temperatur misst
Definieren der Werte der Messwerte eines Instruments im Vergleich zu einem Standard
Materialeigenschaft, die die gebrochene Längenänderung eines Objekts aufgrund einer Temperaturänderung der Einheit in Beziehung setzt.
eine in den USA gebräuchliche relative Temperaturskala
die gebräuchlichste relative Temperaturskala
SI-Einheit der Temperatur
Eine untere Temperaturgrenze, die der minimal möglichen durchschnittlichen kinetischen Energie von Atomen und Molekülen entspricht.
ein System physikalischer Einheiten ( SI-Einheiten) basierend auf Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Kelvin, Candela und Mol