tiedämme nyt, että lämpötilan nousu vastaa atomien ja molekyylien keskimääräisen liike-energian kasvua. Tämä lisääntynyt liike johtaa siihen, että keskimääräinen etäisyys atomien ja molekyylien välillä kasvaa lämpötilan noustessa. Tämä ilmiö, joka tunnetaan lämpölaajenemisena, on perustana lämpötilan mittaamiselle nestemittarilla.
Yleiset nestelämpömittarit mittaavat lämpötilaa lasin tai muoviputken sisällä olevan alkoholin lämpölaajenemisella. Lämpölaajenemisen vuoksi alkoholin tilavuus muuttuu lämpötilan mukana. Lämpömittari on kalibroitava merkitsemällä eri nestepitoisuudet, kun lämpömittari asetetaan ympäristöön, jonka lämpötila tunnetaan, kuten merenpinnan tasolla kiehuvaan veteen.
vahvistaminen
Bimetalliliuskat
eri materiaalit lämpenevät (tai supistuvat) eri määriä Kuumennettaessa (tai jäähdytettäessä). Bimetalliliuskat perustuvat tähän ilmiöön lämpötilan mittaamiseen. Kun kaksi eri materiaalia on kiinni yhdessä, tuloksena rakenne taipuu lämpötilan muuttuessa johtuen eri lämpölaajeneminen kokenut kunkin materiaalin.
Lineaarinen lämpölaajeneminen
useimpien yleisimpien materiaalien osalta lämpötilan muutoksen aiheuttama pituuden muutos (
) on verrannollinen alkuperäiseen pituuteen (
) ja voidaan mallintaa lineaarisen lämpölaajenemiskertoimen (
) ja seuraavan yhtälön avulla:
seuraavassa taulukossa esitetään lineaariset lämpölaajenemiskertoimet eri kiinteille aineille. Laajenevampi (hah!) taulukot löytyvät netistä.
| 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 |
| betoni, tiili | ~12 × 10-6 |
| marmori (keskiarvo) | 2,5 × 10-6 |
everyday example
San Franciscon Golden Gate-sillan pääväylä on kylmimmillään 1275 metriä pitkä. Silta altistuu lämpötiloille, jotka vaihtelevat -15 °C: sta 40 °C: seen. mikä on sen pituuden muutos näiden lämpötilojen välillä? Oletetaan, että silta on kokonaan terästä.
voidaan käyttää yhtälöä lineaariselle lämpölaajenemiselle:
korvaa yhtälöön kaikki tunnetut arvot, mukaan lukien teräksen lineaarinen lämpölaajenemiskerroin sekä alku-ja loppulämpötilat:
vaikka se ei ole suuri sillan pituuteen verrattuna, lähes metrin pituusmuutos on havaittavissa ja tärkeä. Lämpölaajeneminen voi aiheuttaa siltojen solki, jos ei sisällyttämistä aukkoja, tunnetaan liikuntasaumat, suunnitteluun.
vahvistusharjoitukset
lämpötilayksiköt
lämpömittarit mittaavat lämpötilaa tarkoin määriteltyjen mittausasteikkojen mukaan. Kolme yleisintä lämpötila-asteikkoa ovat Fahrenheit, Celsius ja Kelvin. Celsius-asteikolla veden jäätymispiste on 0 °C ja kiehumispiste 100 °C. Lämpötilan yksikkö tällä asteikolla on celsiusaste (°C). Fahrenheit-asteikolla (°F) veden jäätymispiste on 32 °F ja kiehumispiste 212 °F. näet, että 100 celsiusastetta ulottuu samalle alueelle kuin 180 Fahrenheit-astetta. Näin yhden asteen lämpötilaero Celsius-asteikolla on 1,8 kertaa niin suuri kuin yhden asteen ero Fahrenheit-asteikolla, kuten seuraavan kaavion kaksi ylintä asteikkoa osoittavat.
Kelvin-asteikko
lämpötilan määritelmä molekyyliliikkeen kannalta viittaa siihen, että tulisi olla alin mahdollinen lämpötila, jossa molekyylien keskimääräinen mikroskooppinen liike-energia on nolla (tai hiukkasten kvanttiluonteen sallima minimi). Kokeet vahvistavat tällaisen lämpötilan olemassaolon, jota kutsutaan absoluuttiseksi nollaksi. Absoluuttinen lämpötila-asteikko on sellainen, jonka nollapiste vastaa absoluuttista nollapistettä. Tällaiset asteikot ovat tieteessä käteviä, koska useat fysikaaliset suureet, kuten kaasun paine, ovat suoraan verrannollisia absoluuttiseen lämpötilaan. Lisäksi absoluuttisilla asteikoilla voidaan käyttää lämpötilasuhteita, mitä suhteellisilla asteikoilla ei. Esimerkiksi 200 K on kaksi kertaa 100 K: n lämpötila, mutta 200 °C ei ole kaksi kertaa 100 °C: n lämpötila.
Kelvin-asteikko on tieteessä yleisesti käytetty absoluuttinen lämpötila-asteikko. Si-lämpötilayksikkö on Kelvin, joka on lyhennetty K (mutta johon ei ole liitetty astemerkkiä). Täten 0 K on absoluuttinen nolla, joka vastaa -273,15 °C. Celsius-ja Kelvin-yksiköiden koko on asetettu samaksi siten, että lämpötilaeroilla (
) on sama arvo sekä kelvineissä että celsiusasteissa. Tämän seurauksena veden jäätymis-ja kiehumispisteet Kelvin-asteikolla ovat vastaavasti 273,15 K ja 373,15 K, kuten edellisessä kaaviossa on esitetty.
voit muuntaa eri lämpötila-asteikkojen välillä käyttämällä yhtälöitä tai erilaisia keskusteluohjelmia, joista osa on saatavilla verkossa.
Vahvistusharjoitus
lämpötilamittaus
lämpölaajenemisen lisäksi lämpötilan mittaamiseen voidaan käyttää muita lämpötilasta riippuvia fysikaalisia ominaisuuksia. Tällaisia ominaisuuksia ovat esimerkiksi sähkövastus ja optiset ominaisuudet, kuten heijastus, emissio ja eri värien absorptio. Valoon perustuva lämpötilamittaus tulee taas esille seuraavassa luvussa.
- kliininen lämpömittari by Menchi via Wikimedia Commons ↵
- OpenStax University Physics, University Physics. OpenStax CNX. Toukokuuta 2018 http://cnx.org/contents/[email protected]. ↵
- Michiel1972, via Wikimedia Commons ↵
- tohtori Eric Christianin ”Web-based hypotermia information: a critical assessment of Internet resources and a comparison to peer-reviewed literature”, COSMICOPIA, NASA is in the Public Domain ↵
- tämän luvun merkittävä sisältö on mukautettu OpenStax University Phyiscsistä, jonka voit ladata ilmaiseksi osoitteesta http://cnx.org/contents/[email protected]. ↵
hiukkasten keskimääräisen liike-energian mitta (esim., atomit ja molekyylit) kappaleessa, joka määrittää, kuinka suhteellisen kuumalta tai kylmältä kappale tuntuu
energia, joka kappaleella on liikkeessä olemisen vuoksi, liikkeessä olevan kappaleen varastoima energia
kappaleen tilavuuden muutos, joka johtuu lämpötilan muutoksesta.
laite, joka mittaa lämpötilaa
määrittää instrumentin lukemien arvot vertaamalla standardiin
Materiaaliominaisuus, joka suhteuttaa kappaleen kokemaa pituuden murto-osaa lämpötilan yksikkömuutoksesta.
Yhdysvalloissa yleisesti käytetty suhteellinen lämpötila-asteikko
yleisin suhteellinen lämpötila-asteikko
si lämpötilayksikkö
lämpötilan alaraja, joka vastaa atomien ja molekyylien pienintä mahdollista keskimääräistä kineettistä energiaa.
fysikaalisten yksiköiden ( SI-yksiköiden ) järjestelmä, joka perustuu mittariin, kilogrammaan, sekuntiin, ampeeriin, kelviniin, kandelaan ja mooliin