Ora sappiamo che un aumento della temperatura corrisponde ad un aumento dell’energia cinetica media di atomi e molecole. Un risultato di tale aumento del movimento è che la distanza media tra atomi e molecole aumenta all’aumentare della temperatura. Questo fenomeno, noto come espansione termica è la base per la misurazione della temperatura tramite termometro liquido.
Termometri liquidi comuni utilizzano l’espansione termica di alcol confinato all’interno di un tubo di vetro o di plastica per misurare la temperatura. A causa dell’espansione termica, il volume dell’alcol cambia con la temperatura. Il termometro deve essere calibrato contrassegnando i vari livelli di fluido quando il termometro è posto in un ambiente con una temperatura nota, come l’acqua che bolle al livello del mare.
Esercizio di rinforzo
Strisce bimetalliche
Materiali diversi si espandono termicamente (o si contraggono) di quantità diverse quando vengono riscaldati (o raffreddati). Le strisce bimetalliche si basano su questo fenomeno per misurare la temperatura. Quando due materiali differenti sono attaccati insieme, la struttura risultante si piegherà come i cambiamenti di temperatura dovuto l’espansione termica differente sperimentata da ogni materiale.
di Dilatazione Termica Lineare
Per la maggior parte dei materiali di uso comune come il cambiamento di lunghezza (
) causata da un cambiamento nella temperatura (
) è proporzionale alla lunghezza originale (
) e può essere modellato utilizzando il coefficiente di dilatazione termica lineare (
) e la seguente equazione:
La seguente tabella fornisce i coefficienti di dilatazione termica lineare per diversi materiali solidi. Più espansivo (ha!) le tabelle possono essere trovate 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 |
| Cemento, mattoni | ~12 × 10-6 |
| Marmo (media) | 2.5 × 10-6 |
Esempio di tutti i giorni
Il principale arco di San Francisco, il Golden Gate Bridge è 1275 m di lunghezza strutture. Il ponte è esposto a temperature che vanno da -15 ° C a 40 °C. Qual è il suo cambiamento di lunghezza tra queste temperature? Supponiamo che il ponte sia realizzato interamente in acciaio.
Possiamo usare l’equazione di dilatazione termica lineare:
Sostituire tutti i valori nell’equazione, tra cui il coefficiente di dilatazione termica lineare per l’acciaio e l’iniziale e la finale temperature:
Sebbene non sia grande rispetto alla lunghezza del ponte, la variazione di lunghezza di quasi un metro è osservabile e importante. L’espansione termica potrebbe causare la fibbia dei ponti se non fosse per l’incorporazione di spazi vuoti, noti come giunti di dilatazione, nel design.
Esercizi di rinforzo
Unità di temperatura
I termometri misurano la temperatura secondo scale di misura ben definite. Le tre scale di temperatura più comuni sono Fahrenheit, Celsius e Kelvin. Sulla scala Celsius, il punto di congelamento dell’acqua è 0 °C e il punto di ebollizione è 100 °C. L’unità di temperatura su questa scala è il grado Celsius (°C). La scala Fahrenheit (°F) ha il punto di congelamento dell’acqua a 32 °F e il punto di ebollizione 212 °F. Puoi vedere che 100 gradi Celsius coprono lo stesso intervallo di 180 gradi Fahrenheit. Pertanto, una differenza di temperatura di un grado sulla scala Celsius è 1,8 volte più grande di una differenza di un grado sulla scala Fahrenheit, come illustrato dalle prime due scale nel diagramma seguente.
La Scala Kelvin
La definizione di temperatura in termini di movimento molecolare suggerisce che ci deve essere una temperatura più bassa possibile, dove la media dei microscopici energia cinetica delle molecole è pari a zero (o al minimo consentito dalla natura quantistica delle particelle). Gli esperimenti confermano l’esistenza di una tale temperatura, chiamata zero assoluto. Una scala di temperatura assoluta è quella il cui punto zero corrisponde allo zero assoluto. Tali scale sono convenienti nella scienza perché diverse quantità fisiche, come la pressione in un gas, sono direttamente correlate alla temperatura assoluta. Inoltre, le scale assolute ci consentono di utilizzare rapporti di temperatura, che le scale relative non lo fanno. Ad esempio, 200 K è il doppio della temperatura di 100 K, ma 200 °C non è il doppio della temperatura di 100 °C.
La scala Kelvin è la scala di temperatura assoluta comunemente usata nella scienza. L’unità di temperatura SI è il Kelvin, che è abbreviato K (ma non accompagnato da un segno di grado). Quindi 0 K è zero assoluto, che corrisponde a -273,15 °C. Le dimensioni delle unità Celsius e Kelvin sono impostate per essere le stesse in modo che le differenze di temperatura (
) abbiano lo stesso valore sia in Kelvin che in gradi Celsius. Di conseguenza, i punti di congelamento e di ebollizione dell’acqua nella scala Kelvin sono rispettivamente 273,15 K e 373,15 K, come illustrato nel diagramma precedente.
È possibile convertire tra le varie scale di temperatura utilizzando equazioni o vari programmi di conversazione, tra cui alcuni accessibili on-line.
Esercizio di rinforzo
Misurazione della temperatura
Oltre all’espansione termica, è possibile utilizzare altre proprietà fisiche dipendenti dalla temperatura per misurare la temperatura. Tali proprietà includono resistenza elettrica e proprietà ottiche come riflessione, emissione e assorbimento di vari colori. La misurazione della temperatura basata sulla luce verrà di nuovo nel prossimo capitolo.
- Termometro clinico di Menchi via Wikimedia Commons Open
- OpenStax University Physics, University Physics. OpenStax CNX. 10 Maggio 2018 http://cnx.org/contents/[email protected]. ↵
- Michiel1972 , via Wikimedia Commons ↵
- “Web-based ipotermia informazioni: una valutazione critica delle risorse Internet e un confronto di letteratura peer-reviewed” a cura del Dr. Eric Christian, Cosmicopia, la NASA è di Dominio Pubblico ↵
- contenuto Significativo in questo capitolo è stato adattato da OpenStax Università Phyiscs che si può scaricare gratuitamente all’ http://cnx.org/contents/[email protected]. ↵
una misura dell’energia cinetica media delle particelle (ad es., atomi e molecole) in un oggetto, che determina quanto relativamente caldo o freddo un oggetto si sente
energia che un corpo possiede in virtù di essere in movimento, energia immagazzinata da un oggetto in movimento
L’aumento cambiamento di volume di un oggetto risultante da un cambiamento di temperatura.
un dispositivo che misura la temperatura
definendo i valori delle letture di uno strumento rispetto a una proprietà materiale standard
che mette in relazione la variazione frazionaria di lunghezza subita da un oggetto a causa di una variazione unitaria di temperatura.
una scala di temperatura relativa comunemente utilizzata negli Stati Uniti
la scala di temperatura relativa più comune
SI unità di temperatura
Un limite inferiore di temperatura corrispondente all’energia cinetica media minima possibile di atomi e molecole.
un sistema di unità fisiche ( unità SI ) basato sul metro, chilogrammo, secondo, ampere, kelvin, candela e mole