SKALE TERMOMETRYCZNE: WZORY, PRZYKŁADY, ROZWIĄZANE ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2026

W termometryczne Wagi są stosowane w pomiarze temperatury, skala wielkość stosuje się do ilościowego energię cieplną w systemie. Urządzenie używane do pomiaru temperatury, to jest termometr, musi zawierać skalę umożliwiającą dokonanie odczytu.

Aby skonstruować odpowiednią skalę, należy wziąć dwa punkty odniesienia i podzielić odstęp między nimi. Te podziały nazywane są stopniami. W ten sposób temperatura mierzonego przedmiotu, którą może być temperatura kawy, kąpieli lub temperatura ciała, jest porównywana z wartością odniesienia zaznaczoną na przyrządzie.

Rysunek 1. Termometr z podziałką w stopniach Celsjusza. Źródło: Pixabay.

Najczęściej stosowanymi skalami temperatur są skale Celsjusza, Fahrenheita, Kelvina i Rankine'a. Wszystkie są jednakowo odpowiednie do pomiaru temperatury, ponieważ punkty wybrane jako punkty odniesienia są dowolne.

Zarówno w skali Celsjusza, jak i Fahrenheita zero skali nie oznacza braku temperatury. Z tego powodu są to skale względne. Z drugiej strony dla skali Kelvina i Rankine'a 0 oznacza ustanie aktywności molekularnej, dlatego są one uważane za skale absolutne.

Skala Celsjusza

Skala ta została wynaleziona przez XVIII-wiecznego szwedzkiego astronoma Andersa C. Celsjusza (1701–1744), około 1735 r. Bardzo intuicyjna skala wykorzystuje temperaturę zamarzania i wrzenia wody przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym (1 atm). jako punkty odniesienia.

Woda jest do tego substancją uniwersalną, bardzo dobrze się do tego nadaje, a jej walory są łatwe do uzyskania w laboratorium.

W skali Celsjusza temperatura zamarzania wody odpowiada 0 ° C, a temperatura wrzenia 100 ° C, chociaż pierwotnie Celsjusz zaproponował je odwrotnie, a później kolejność została odwrócona. Pomiędzy tymi dwoma wartościami odniesienia znajduje się 100 identycznych działek, dlatego czasami określa się ją jako skalę stopniową.

Równoważności

Aby ustalić równoważność między stopniami Celsjusza i innymi skalami temperatury, należy wziąć pod uwagę dwa aspekty:

-Zależność między skalą Celsjusza a drugą skalą jest liniowa, dlatego ma postać:

y = mx + b

-Musisz znać punkty odniesienia obu skal.

Przykład: równoważność między skalami Celsjusza i Fahrenheita

Niech T _{ºC będzie} temperaturą w skali Celsjusza, a T _ºF temperaturą w skali Fahrenheita, a zatem:

Wiadomo, że 0ºC = 32ºF i 100ºC = 212ºF. Zastępujemy te wartości w poprzednim równaniu i otrzymujemy:

Jest to układ dwóch równań liniowych z dwiema niewiadomymi, które można rozwiązać dowolną ze znanych metod. Na przykład poprzez redukcję:

________________

Znając m, otrzymujemy b przez podstawienie:

Teraz podłączamy wartości m i b do naszego równania równoważności, aby otrzymać:

T _{° C} = (5/9). T _{° F} - (160/9) = (5T _{° F} -160) / 9

Równoważnie: T _{° C} = (5/9). (T _ºF - 32)

To równanie pozwala na bezpośrednie przeniesienie stopni Fahrenheita na stopnie Celsjusza, po prostu wpisując wartość, gdzie pojawia się T _ºF .

Przykład: równoważność między skalami Celsjusza i Kelvina

Przeprowadzono wiele eksperymentów, aby spróbować zmierzyć absolutne zero temperatury, to znaczy wartość, dla której cała aktywność molekularna znika w gazie. Temperatura ta jest bliska -273 ºC.

Niech T _{K będzie} temperaturą w kelwinach - słowo „stopień” nie jest używane w tej skali - równoważność jest następująca:

Oznacza to, że skale różnią się tym, że skala Kelvina nie ma wartości ujemnych. W relacji Celsjusz - Fahrenheit nachylenie prostej jest równe 5/9 iw tym przypadku jest równe 1.

Kelviny i stopnie Celsjusza są tej samej wielkości, tyle że skala Kelvina, jak widać z powyższego, nie obejmuje ujemnych wartości temperatury.

Skala Fahrenheita

Daniel Fahrenheit (1686–1736) był urodzonym w Polsce fizykiem niemieckiego pochodzenia. Około 1715 roku Fahrenheit wykonał termometr ze skalą opartą na dwóch arbitralnie wybranych punktach odniesienia. Od tego czasu jest szeroko stosowany w krajach anglojęzycznych.

Pierwotnie Fahrenheit wybrał temperaturę mieszaniny lodu i soli jako dolną wartość zadaną i ustawił ją na 0 °. Z drugiej strony wybrał temperaturę ciała ludzkiego i ustawił ją na 100 stopni.

Nic dziwnego, że miał pewne problemy z określeniem „normalnej” temperatury ciała, ponieważ zmienia się ona w ciągu dnia lub z dnia na dzień, bez konieczności choroby.

Okazuje się, że są całkowicie zdrowi ludzie z temperaturą ciała 99,1ºF, podczas gdy u innych normalne jest 98,6ºF. Ta ostatnia jest średnią wartością dla całej populacji.

Zatem punkty odniesienia skali Fahrenheita musiały ulec zmianie dla punktu zamarzania wody, który został ustawiony na 32ºF, a punkt wrzenia na 212ºF. Ostatecznie skala została podzielona na 180 równych przedziałów.

Przelicz stopnie Fahrenheita na stopnie Celsjusza

Z powyższego równania wynika, że:

W ten sam sposób możemy to rozpatrzyć w ten sposób: skala Celsjusza ma 100 stopni, podczas gdy skala Fahrenheita ma 180 stopni. Zatem dla każdego wzrostu lub spadku o 1 ºC następuje wzrost lub spadek o 1,8 ºF = (9/5) ºF

Przykład

Korzystając z poprzednich równań, znajdź wzór, który pozwoli ci przejść od skali Fahrenheita do Kelvina:

Wiedząc, że: T _ºC = T _K - 273 i podstawiając do wydedukowanego już równania, otrzymujemy:

T _ºC = T _K - 273

Dlatego: T _ºF = (9/5) (T _K - 273) + 32 = (9/5) T _K - 459,4

Skala Kelvina

William Thomson (1824–1907), Lord Kelvin, zaproponował skalę bez arbitralnych punktów odniesienia. Jest to absolutna skala temperatury, która nosi jego imię, zaproponowana w 1892 roku. Nie ma ona ujemnych wartości temperatury, ponieważ absolutne 0 jest najniższą możliwą temperaturą.

W temperaturze 0 K jakikolwiek ruch cząsteczek całkowicie ustał. To jest skala systemu międzynarodowego (SI), chociaż skala Celsjusza jest również uważana za jednostkę pomocniczą. Pamiętaj, że skala Kelvina nie używa „stopni”, więc każda temperatura jest wyrażana jako wartość liczbowa plus jednostka zwana „kelwinem”.

Jak dotąd nie było możliwe osiągnięcie zera absolutnego, ale naukowcy byli już całkiem blisko.

Rzeczywiście, w wyspecjalizowanych laboratoriach w niskiej temperaturze, że udało się do ochłodzenia do 700 próbek sodu nanokelvin albo 700 x 1010 ^-9 kelwin. Z drugiej strony wiadomo, że na drugim końcu skali eksplozja jądrowa może wygenerować temperatury rzędu 100 lub więcej milionów kelwinów.

Każdy kelwin odpowiada 1 / 273,16 części temperatury punktu potrójnego wody. W tej temperaturze trzy fazy wody są w równowadze.

Skala Kelvina oraz skale Celsjusza i Fahrenheita

Zależność między skalami Kelwina i Celsjusza wynosi -Około 273,16 do 273-:

Podobnie, przez podstawienie, uzyskuje się związek między skalami Kelvina i Fahrenheita:

Skala Rankine'a

Skala Rankine'a została zaproponowana przez Williama Rankine'a, inżyniera urodzonego w Szkocji (1820-1872). Jako pionier rewolucji przemysłowej, wniósł wielki wkład w termodynamikę. W 1859 roku zaproponował absolutną skalę temperatury, ustawiając zero na -459,67 ° F.

Na tej skali wielkość stopni jest taka sama jak w skali Fahrenheita. Skala Rankine'a jest oznaczona jako R i podobnie jak w przypadku skali Kelvina, jej wartości nie są nazywane stopniami, ale raczej rankine.

A zatem:

0 K = 0 R = -459,67 ° F = - 273,15 ° C

Podsumowując, oto konwersje niezbędne do przejścia do skali Rankine'a z którejkolwiek z już opisanych:

Rysunek 2. Konwersje skali temperatury Rankine'a. Źródło: F. Zapata.

Skala Réaumura

Inną poprzednio stosowaną skalą temperatury jest skala Réaumura, oznaczana jako stopnie lub ºR. Obecnie jest nieużywany, chociaż był szeroko stosowany w Europie, dopóki nie został wyparty o skalę Celsjusza.

Został stworzony przez René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) około 1731 roku. Jego odniesienia to: 0 ° R dla temperatury zamarzania wody i 80 ° R dla temperatury wrzenia.

Jak widać, pokrywa się to ze skalą Celsjusza przy zera, ale z pewnością nie przy pozostałych wartościach. Ze skalą Celsjusza wiąże się:

A ponieważ temperatury muszą się pokrywać, to T _ºC = T _ºF = x, wynika z tego, że:

Gdy T _ºC = -40 ºC, również T _ºF = -40 ºF

Ćwiczenie 2

Para wydobywająca się z kotła ma temperaturę 610ºR. Znajdź temperaturę w stopniach Fahrenheita i w stopniach Celsjusza.

Rozwiązanie

Stosowane są ekwiwalenty znalezione w sekcji skali Réaumura, dlatego: T _ºC = (5/4) T _ºR = (5/4). 610 ° C = 762,5 ° C.

Następnie możesz przeliczyć znalezioną wartość na stopnie Fahrenheita lub użyć innej z wymienionych konwersji:

Lub ten inny, który daje ten sam wynik: T _ºR = (4/9) (T _ºF - 32)

Jest rozwiązany: T _ºF = (9/4) T _ºR + 32 = (9/4) 610 + 32 ºF = 1404,5 ºF.

Podsumowanie konwersji

Podsumowując, poniższa tabela przedstawia przeliczenia dla wszystkich opisanych skal:

Rysunek 3. Tabela przeliczeniowa dla skal temperatur. Źródło: F. Zapata.

Bibliografia

1. Skale temperatur. Odzyskany z: thales.cica.es.
2. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Osoba.
3. Tillery, B. 2012. Nauki fizyczne. McGraw Hill.
4. Wikipedia. Stopień Celsjusza. Odzyskane z: es.wikipedia.org
5. Wikipedia. Stopień Fahrenheita. Odzyskane z: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Rankine. Odzyskane z: es.wikipedia.org.