TERMOMETRISKE SKALAER: FORMLER, EKSEMPLER, LØSTE ØVELSER - FYSISK - 2025

De termometriske skalaer er dem, der bruges til måling af temperatur, størrelsesskala, der bruges til at kvantificere et systems termiske energi. Enheden, der bruges til at måle temperatur, det vil sige et termometer, skal indeholde en skala for at kunne tage aflæsningen.

For at konstruere en passende skala skal du tage to referencepunkter og opdele intervallet mellem dem. Disse opdelinger kaldes grader. På denne måde sammenlignes temperaturen på det objekt, der skal måles, som kan være temperaturen på kaffen, badet eller kropstemperaturen med referencen markeret på instrumentet.

Figur 1. Termometer gradueret i Celsius skala. Kilde: Pixabay.

De mest almindeligt anvendte temperaturskalaer er Celsius, Fahrenheit, Kelvin og Rankine skalaer. Alle er lige så velegnede til måling af temperatur, da de punkter, der er valgt som referencepunkter, er vilkårlige.

I både Celsius-skalaen og Fahrenheit-skalaen indikerer skalaens nul ikke fraværet af temperatur. Af denne grund er de relative skalaer. På den anden side repræsenterer 0 for Kelvin-skalaen og Rankine-skalaen ophør med molekylær aktivitet, hvorfor de betragtes som absolutte skalaer.

Celsius skala

Denne skala blev opfundet af det svenske astronom Anders C Ciusius fra 1700-tallet (1701–1744), omkring 1735. Meget intuitivt, denne skala bruger frysepunktet og kogepunktet for vand ved normalt atmosfærisk tryk (1 atm) som referencepunkter.

Vand er et universelt stof, der er meget velegnet til dette, og dets værdier er let at få på laboratoriet.

På Celsius-skalaen er frysepunktet for vandet det, der svarer til 0 ° C og kogepunktet til 100 ° C, selvom oprindeligt Celsius havde foreslået dem omvendt og senere blev ordren vendt. Mellem disse to referenceværdier er der 100 identiske opdelinger, hvorfor det undertiden kaldes celsius skala.

ækvivalens

For at fastlægge en ækvivalens mellem grader Celsius og andre temperaturskalaer skal der tages to aspekter i betragtning:

-Forholdet mellem Celsius-skalaen og den anden skala er lineær, derfor er det af formen:

y = mx + b

-Du skal kende referencepunkterne for begge skalaer.

Eksempel: ækvivalens mellem Celsius- og Fahrenheit-skalaerne

Lad T _{ºC være} temperaturen på Celsius-skalaen og T _ºF temperaturen på Fahrenheit-skalaen, derfor:

Det er kendt, at 0ºC = 32ºF og 100ºC = 212ºF. Vi erstatter disse værdier i den forrige ligning og vi opnår:

Dette er et system med to lineære ligninger med to ukendte, som kan løses ved en hvilken som helst af de kendte metoder. For eksempel ved reduktion:

________________

Når vi kender m, får vi b ved substitution:

Nu tilslutter vi værdierne af m og b i vores ækvivalensligning for at opnå:

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

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

Denne ligning tillader at passere grader Fahrenheit til grader Celsius direkte, bare ved at skrive værdien, hvor T _ºF vises.

Eksempel: ækvivalens mellem Celsius- og Kelvin-skalaerne

Der er udført mange eksperimenter for at prøve at måle det absolutte temperaturnul, dvs. den værdi, som al molekylær aktivitet forsvinder i en gas. Denne temperatur er tæt på -273 ºC.

Lad T _{K være} temperaturen i kelvin - ordet “grad” bruges ikke til denne skala- ækvivalensen er:

Det vil sige, skalaerne er forskellige, fordi Kelvin-skalaen ikke har negative værdier. I forholdet Celsius - Fahrenheit er linjens hældning lig med 5/9, og i dette tilfælde er den lig med 1.

Kelvin og grader Celsius er af samme størrelse, kun at Kelvin-skalaen, som det kan ses af det foregående, ikke inkluderer negative temperaturværdier.

Fahrenheit skala

Daniel Fahrenheit (1686–1736) var en polskfødt fysiker af tysk oprindelse. Omkring 1715 lavede Fahrenheit et termometer med en skala baseret på to vilkårligt valgte referencepunkter. Siden da er det meget brugt i engelsktalende lande.

Oprindeligt valgte Fahrenheit temperaturen på en blanding af is og salt til det lavere sætpunkt og indstillede det til 0 °. For det andet punkt valgte han den menneskelige kropstemperatur og satte den til 100 grader.

Overraskende havde han nogle problemer med at bestemme, hvad den "normale" kropstemperatur er, fordi den ændrer sig gennem dagen eller fra den ene dag til den anden, uden at personen nødvendigvis er syg.

Det viser sig, at der er helt raske mennesker med en kropstemperatur på 99,1ºF, mens det for andre er normalt at have 98,6ºF. Sidstnævnte er den gennemsnitlige værdi for den generelle befolkning.

Så Fahrenheit-målepunktsreferencepunkterne måtte ændres for frysepunktet for vand, der blev indstillet til 32 ºF og kogepunktet til 212 ºF. Endelig blev skalaen opdelt i 180 lige store intervaller.

Konverter grader Fahrenheit til grader Celsius

Fra ligningen vist ovenfor følger det at:

På samme måde kan vi betragte det sådan: Celsius-skalaen har 100 grader, mens Fahrenheit-skalaen har 180 grader. Så for hver stigning eller fald på 1 ºC er der en stigning eller fald på 1,8 ºF = (9/5) ºF

Eksempel

Brug de foregående ligninger til at finde en formel, der giver dig mulighed for at gå fra Fahrenheit til Kelvin skala:

Når vi ved, at: T _ºC = T _K - 273 og erstatter den allerede afledte ligning, har vi:

T _ºC = T _K - 273

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

Kelvin skala

William Thomson (1824-1907), Lord Kelvin, foreslog en skala uden vilkårlige referencepunkter. Dette er den absolutte temperaturskala, der bærer hans navn, foreslået i 1892. Den har ikke negative temperaturværdier, da absolut 0 er den lavest mulige temperatur.

Ved temperaturen 0 K er enhver bevægelse af molekylerne helt ophørt. Dette er International System (SI) skalaen, selvom Celsius skalaen også betragtes som en tilbehørsenhed. Husk, at Kelvin-skalaen ikke bruger "grader", så enhver temperatur udtrykkes som den numeriske værdi plus enheden, kaldet "kelvin".

Indtil videre har det ikke været muligt at nå absolut nul, men forskere er kommet temmelig tæt på.

Faktisk specialiserede laboratorier ved lave temperaturer, har formået at afkøle prøverne natrium nanokelvin 700 eller 700 x 1010 ^-9 kelvin. På den anden side er det kendt, at en nuklear eksplosion kan generere temperaturer på 100 eller flere millioner kelvin mod den anden ende af skalaen.

Hver kelvin svarer til 1 / 273,16 dele af temperaturen i trippelpunktet for vand. Ved denne temperatur er de tre faser af vand i ligevægt.

Kelvin skala og Celsius og Fahrenheit skalaer

Forholdet mellem Kelvin- og Celsius-skalaerne er omkring 273,16 til 273-:

Tilsvarende opnås ved substitution et forhold mellem Kelvin- og Fahrenheit-skalaerne:

Rankine skala

Rankine-skalaen blev foreslået af William Rankine, en skotskfødt ingeniør (1820-1872). Han var en pioner inden for den industrielle revolution og gav store bidrag til termodynamik. I 1859 foreslog han en absolut temperaturskala med en nul på −459,67 ° F.

På denne skala er størrelsen på graderne den samme som på Fahrenheit-skalaen. Rankine-skalaen betegnes som R, og som med Kelvin-skalaen kaldes dens værdier ikke grader, men snarere rankine.

Dermed:

0 K = 0 R = −459,67 ° F = - 273,15 ºC

I resumé er her de konverteringer, der er nødvendige for at gå til Rankine-skalaen fra en af ​​de allerede beskrevne:

Figur 2. Rankine temperaturskala konverteringer. Kilde: F. Zapata.

Réaumur skala

En anden tidligere anvendt temperaturskala er Réaumur-skalaen, der betegnes som grader eller ºR. Det er i øjeblikket ikke i brug, selvom det blev brugt meget i Europa, indtil det blev fortrængt af Celsius-skalaen.

Det blev oprettet af René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) omkring 1731. Dets referencer er: 0 ° R for frysepunktet for vand og 80 ° R for kogepunktet.

Som det kan ses, falder det sammen med Celsius-skalaen på nul, men bestemt ikke med de andre værdier. Det er relateret til celsius skalaen ved:

Og da temperaturerne skal falde sammen, så T _ºC = T _ºF = x, følger det at:

Når T _ºC = -40 ºC, også T _ºF = -40 ºF

Øvelse 2

Dampen, der kommer ud af en kedel, er ved en temperatur på 610 ºR. Find temperaturen i grader Fahrenheit og i grader Celsius.

Løsning

De ækvivalenser, der findes i sektionen af ​​Réaumur-skalaen, anvendes derfor: T _ºC = (5/4) T _ºR = (5/4). 610 ° C = 762,5 ° C.

Du kan derefter konvertere denne fundne værdi til grader Fahrenheit, eller bruge en anden af ​​de nævnte konverteringer:

Eller denne anden, der giver det samme resultat: T _ºR = (4/9) (T _ºF - 32)

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

Oversigt over konverteringer

I resumé indeholder følgende tabel konverteringer til alle de skalaer, der er beskrevet:

Figur 3. Konversionstabel for temperaturskalaerne. Kilde: F. Zapata.

Referencer

1. Temperaturskalaer. Gendannes fra: thales.cica.es.
2. Knight, R. 2017. Fysik for forskere og teknik: en strategi-tilgang. Pearson.
3. Tillery, B. 2012. Fysisk videnskab. McGraw Hill.
4. Wikipedia. Grader celsius. Gendannet fra: es.wikipedia.org
5. Wikipedia. Fahrenheit-grad. Gendannet fra: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Rankine. Gendannet fra: es.wikipedia.org.