wiemy już, że wzrost temperatury odpowiada wzrostowi średniej energii kinetycznej atomów i cząsteczek. W wyniku tego zwiększonego ruchu średnia odległość między atomami i cząsteczkami wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Zjawisko to, znane jako rozszerzalność cieplna, jest podstawą pomiaru temperatury za pomocą termometru ciekłego.
popularne Termometry cieczowe wykorzystują rozszerzalność cieplną alkoholu zamkniętego w szklanej lub plastikowej rurce do pomiaru temperatury. Ze względu na rozszerzalność cieplną objętość alkoholu zmienia się wraz z temperaturą. Termometr musi być skalibrowany przez oznaczanie różnych poziomów cieczy, gdy termometr jest umieszczony w środowisku o znanej temperaturze, np. wrzącej wodzie na poziomie morza.
ćwiczenie zbrojenia
paski bimetaliczne
Różne materiały rozszerzają się termicznie (lub kurczą) o różne ilości po podgrzaniu (lub ochłodzeniu). Paski bimetaliczne polegają na tym zjawisku do pomiaru temperatury. Gdy dwa różne materiały są połączone ze sobą, otrzymana struktura wygina się wraz ze zmianami temperatury ze względu na różną rozszerzalność cieplną doświadczaną przez każdy materiał.
liniowa rozszerzalność cieplna
dla większości popularnych materiałów zmiana długości (
) spowodowana zmianą temperatury (
) jest proporcjonalna do pierwotnej długości (
) I może być modelowany za pomocą liniowego współczynnika rozszerzalności cieplnej (
) I następującego równania:
poniższa tabela przedstawia liniowe współczynniki rozszerzalności cieplnej dla różnych materiałów stałych. Bardziej ekspansywne (ha!) tabele można znaleźć w Internecie.
| 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, cegła | ~12 × 10-6 |
| Marmur (średni) | 2.5 × 10-6 |
przykład codzienności
główny przęsło mostu Golden Gate w San Francisco ma 1275 m długości w najzimniejszym miejscu. Most jest narażony na temperatury w zakresie od -15 °C do 40 °C. jaka jest jego zmiana długości między tymi temperaturami? Załóżmy, że most jest wykonany w całości ze stali.
możemy użyć równania dla liniowej rozszerzalności cieplnej:
Zastąp wszystkie znane wartości w równaniu, w tym liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej dla stali oraz początkowe i końcowe temperatury:
chociaż nie jest duża w porównaniu do długości mostu, zmiana długości prawie jednego metra jest zauważalna i ważna. Rozszerzalność cieplna może powodować pękanie mostów, jeśli nie do włączenia szczelin, znanych jako dylatacje, do projektu.
ćwiczenia wzmacniające
jednostki temperatury
Termometry mierzą temperaturę według dobrze zdefiniowanych skal pomiaru. Trzy najczęstsze skale temperatury są Fahrenheita, Celsjusza i Kelvina. W skali Celsjusza temperatura zamarzania wody wynosi 0 °C, a temperatura wrzenia 100 °C. jednostką temperatury na tej skali jest stopień Celsjusza (°C). Skala Fahrenheita (°F) ma temperaturę zamarzania wody w 32 °F i temperaturę wrzenia 212 °F. widać, że 100 Stopni Celsjusza obejmuje ten sam zakres co 180 stopni Fahrenheita. Tak więc różnica temperatur o jeden stopień w skali Celsjusza jest 1,8 razy większa niż różnica o jeden stopień w skali Fahrenheita, co zilustrowane są przez dwie górne skale na poniższym diagramie.
Skala Kelvina
definicja temperatury w kategoriach ruchu molekularnego sugeruje, że powinna istnieć najniższa możliwa temperatura, gdzie średnia mikroskopowa energia kinetyczna cząsteczek wynosi zero (lub minimum dozwolone przez kwantową naturę cząstek). Eksperymenty potwierdzają istnienie takiej temperatury, zwanej zerem absolutnym. Skala temperatury bezwzględnej to taka, której punkt zerowy odpowiada zero bezwzględnemu. Takie skale są wygodne w nauce, ponieważ kilka wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie w gazie, jest bezpośrednio związanych z temperaturą bezwzględną. Dodatkowo skale bezwzględne pozwalają nam na stosowanie współczynników temperatury, których skale względne nie mają. Na przykład, 200 K jest dwukrotnością temperatury 100 K, ale 200 °C nie jest dwukrotnością temperatury 100 °C.
skala Kelvina jest bezwzględną skalą temperatury, która jest powszechnie stosowana w nauce. Jednostką temperatury SI jest Kelwin, który jest skrótem K (ale nie towarzyszy mu znak stopnia). Tak więc 0 K jest zerem absolutnym, co odpowiada -273,15 °C. wielkość jednostek Celsjusza i Kelvina jest taka sama, tak że różnice w temperaturze (
) mają taką samą wartość zarówno w kelwinach, jak i stopniach Celsjusza. W rezultacie temperatura zamarzania i wrzenia wody w skali Kelvina wynosi odpowiednio 273,15 K i 373,15 K, jak pokazano na poprzednim wykresie.
Możesz konwertować różne skale temperatury za pomocą równań lub różnych programów konwersacyjnych, w tym niektórych dostępnych online.
ćwiczenia wzmacniające
Pomiar temperatury
oprócz rozszerzalności cieplnej do pomiaru temperatury można wykorzystać inne właściwości fizyczne zależne od temperatury. Takie właściwości obejmują opór elektryczny i właściwości optyczne, takie jak odbicie, emisja i absorpcja różnych kolorów. Pomiar temperatury oparty na świetle pojawi się ponownie w następnym rozdziale.
- Termometr kliniczny by Menchi via Wikimedia Commons ↵
- OpenStax University Physics, University Physics. OpenStax CNX. Maj 10, 2018 http://cnx.org/contents/[email protected]. mich
- Michiel1972 , via Wikimedia Commons mich
- „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 ↵
- znacząca treść w tym rozdziale została zaadaptowana z OpenStax University Phyiscs, którą można pobrać za darmo pod adresem http://cnx.org/contents/[email protected].
miara średniej energii kinetycznej cząstek (np., atomy i cząsteczki) w obiekcie, który określa, jak relatywnie gorący lub zimny obiekt czuje się
energia, którą ciało posiada dzięki temu, że jest w ruchu, energia przechowywana przez obiekt w ruchu
wzrost zmiany objętości obiektu wynikającej ze zmiany temperatury.
urządzenie mierzące temperaturę
definiujące wartości odczytów przyrządu w porównaniu ze standardową
właściwość materiału, która odnosi się do ułamkowej zmiany długości doświadczanej przez obiekt w wyniku jednostkowej zmiany temperatury.
Skala temperatury względnej powszechnie stosowana w USA
najczęściej stosowana Skala temperatury względnej
SI jednostka temperatury
dolna granica temperatury odpowiadająca minimalnej możliwej średniej energii kinetycznej atomów i cząsteczek.
układ jednostek fizycznych (jednostek SI ) oparty na metrze, kilogramie, sekundzie, amperze, kelwinie, kandeli i Krecie