TERMOMETRIJSKE VAGE: FORMULE, PRIMJERI, RIJEŠENE VJEŽBE - FIZIČKA - 2024

U termometarski skale su oni koji se koriste u mjerenju temperature, veličina ljestvica se koristi za određivanje toplinske energije sustava. Uređaj koji se koristi za mjerenje temperature, tj. Termometar, mora imati ljestvicu da bi mogla očitati očitanje.

Za izgradnju odgovarajuće ljestvice morate uzeti dvije referentne točke i podijeliti interval između njih. Ove podjele nazivamo stupnjevima. Na taj se način uspoređuje temperatura predmeta koji se mjeri, a može biti temperatura kave, kupelji ili tjelesna temperatura s referentnom oznakom na instrumentu.

Slika 1. Termometar je stupio prema Celzijevoj ljestvici. Izvor: Pixabay.

Najčešće korištene temperaturne ljestvice su Celzijeva, Fahrenheitova, Kelvinska i Rankine vaga. Svi su podjednako pogodni za mjerenje temperature, jer su točke odabrane kao referentne točke proizvoljne.

I u Celzijevoj skali i po Farenheitovoj skali, nula skale ne označava odsutnost temperature. Iz tog razloga su relativne ljestvice. S druge strane, za Kelvinu ljestvicu i Rankinu ​​skalu 0 predstavlja prestanak molekularne aktivnosti, pa se stoga smatraju apsolutnim ljestvicama.

Celzijeva ljestvica

Ovu je ljestvicu izumio švedski astronom iz 18. stoljeća Anders C. Celsius (1701–1744), oko 1735. Vrlo intuitivno, ta ljestvica koristi točku ledišta i vrelište vode pri normalnom atmosferskom tlaku (1 atm) kao referentne točke.

Voda je univerzalna tvar za to vrlo pogodna, a njene vrijednosti je lako dobiti u laboratoriju.

Na Celzijusovoj ljestvici, točka smrzavanja vode je ona koja odgovara 0 ° C, a vrelište do 100 ° C, iako ih je prvotno predlagao Celzijus, a redoslijed je promijenjen. Između ove dvije referentne vrijednosti postoji 100 identičnih podjela, zbog čega se ponekad naziva i centigradnom skalom.

ekvivalencija

Za uspostavljanje ekvivalencije između stupnjeva Celzijusa i drugih temperaturnih ljestvica potrebno je uzeti u obzir dva aspekta:

- Odnos između Celzijeve ljestvice i druge ljestvice je linearan, dakle ima oblik:

y = mx + b

-Morate znati referentne točke obje ljestvice.

Primjer: ekvivalencija između Celzijeve i Farenheitske ljestvice

Neka je T _{° C} temperatura na Celzijevoj skali, a T _{° F} temperatura na Farenheitovoj skali:

Poznato je da je 0ºC = 32ºF i 100ºC = 212ºF. Te vrijednosti zamjenjujemo u prethodnoj jednadžbi i dobivamo:

To je sustav dviju linearnih jednadžbi s dvije nepoznanice, koje se mogu riješiti bilo kojom od poznatih metoda. Na primjer, smanjenjem:

________________

Znajući m, dobivamo b zamjenom:

Sada priključujemo vrijednosti m i b u našu jednačinu ekvivalencije za dobivanje:

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

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

Ova jednadžba omogućava izravno prenošenje stupnjeva Farenheita u Celzijeve stupnjeve, samo upisivanjem vrijednosti tamo gdje se pojavljuje T _ºF.

Primjer: ekvivalencija između Celzijeve i Kelvinske ljestvice

Provedeno je mnogo eksperimenata kako bi se pokušalo izmjeriti apsolutna nula temperature, tj. Vrijednosti zbog koje sve molekularne aktivnosti nestaju u plinu. Ova temperatura je blizu -273 ° C.

Neka je T _K temperatura u kelvinima - riječ "stupanj" se ne koristi za ovu ljestvicu -, jednakovrijednost je:

Odnosno, vage se razlikuju po tome što Kelvinova ljestvica nema negativne vrijednosti. U relaciji Celzijus - Fahrenheit, nagib linije jednak je 5/9 i u ovom je slučaju jednak 1.

Kelvini i stupnjevi Celzija iste su veličine, samo što Kelvinska skala, kao što se može vidjeti iz prethodnog, ne uključuje negativne temperaturne vrijednosti.

Fahrenheitova skala

Daniel Fahrenheit (1686–1736) bio je poljski fizičar njemačkog porijekla. Oko 1715. Fahrenheit je napravio termometar s ljestvicom na temelju dvije proizvoljno odabrane referentne točke. Od tada se široko koristi u zemljama engleskog govornog područja.

Izvorno je Fahrenheit odabrao temperaturu mješavine leda i soli za donju zadanu vrijednost i zadao je 0 °. Za drugu točku odabrao je temperaturu ljudskog tijela i postavio je na 100 stupnjeva.

Iznenađujuće je imao problema s određivanjem "normalne" tjelesne temperature, jer se ona mijenja tijekom dana, ili iz dana u dan, a da osoba nije nužno bolesna.

Ispada da postoje potpuno zdravi ljudi s tjelesnom temperaturom od 99,1ºF, dok je za druge normalno da imaju 98,6ºF. Potonje je prosječna vrijednost za opću populaciju.

Stoga su se referentne točke Farenhejtove skale morale mijenjati za točku smrzavanja vode, koja je bila postavljena na 32 ° F i točku vrelišta na 212 ° F. Na kraju je skala podijeljena na 180 jednakih intervala.

Pretvorite stupnjeve Farenheita u stupnjeve Celzijusa

Iz gore prikazane jednadžbe proizlazi da:

Na isti način možemo to smatrati ovako: Celzijeva ljestvica ima 100 stupnjeva, dok Farenhejtova skala ima 180 stupnjeva. Dakle, za svako povećanje ili smanjenje od 1 ºC, postoji povećanje ili smanjenje od 1,8 ºF = (9/5) ºF

Primjer

Koristeći prethodne jednadžbe, pronađite formulu koja vam omogućava da prijeđete od Fahrenheita do Kelvinove ljestvice:

Znajući da je: T _ºC = T _K - 273 i zamjenjujući već izvedenu jednadžbu, imamo:

T _ºC = T _K - 273

Stoga: T _ºF = (9/5) (T _K - 273) + 32 = (9/5) T _K - 459.4

Kelvinova ljestvica

William Thomson (1824-1907), Lord Kelvin, predložio je ljestvicu bez proizvoljnih referentnih točaka. Ovo je apsolutna temperaturna ljestvica koja nosi njegovo ime, predložena 1892. godine. Nema negativne temperaturne vrijednosti, jer je apsolutna 0 najniža moguća temperatura.

Pri temperaturi od 0 K bilo kakvo kretanje molekula potpuno je prestalo. Ovo je ljestvica međunarodnog sustava (SI), iako se Celzijeva ljestvica također smatra pomoćnom jedinicom. Imajte na umu da Kelvinska ljestvica ne koristi "stupnjeve", pa se svaka temperatura izražava kao brojčana vrijednost plus jedinica, koja se naziva "kelvin".

Do sada nije bilo moguće postići apsolutnu nulu, ali znanstvenici su se prilično približili.

Dapače, u laboratorijima specijaliziranim za niske temperature uspjeli su ohladiti uzorke natrija na 700 nanokelvina ili 700 x 1010 ^-9 kelvina. S druge strane, prema drugom kraju ljestvice, poznato je da nuklearna eksplozija može stvoriti temperature od 100 ili više milijuna kelvina.

Svaki kelvin odgovara 1/273.16 dijelova temperature trostruke točke vode. Pri ovoj temperaturi tri su vodene faze u ravnoteži.

Kelvinska ljestvica i Celzijeva i Farenhejtova ljestvica

Odnos između Kelvin i Celzijeve ljestvice je oko 273,16 do 273-:

Slično tome, zamjenom, dobiva se odnos između Kelvinove i Fahrenheitove ljestvice:

Rankine ljestvica

Rankine ljestvicu predložio je William Rankine, inženjer rođen u Škotskoj (1820-1872). Pionir je industrijske revolucije, dao je velik doprinos termodinamici. 1859. predložio je apsolutnu temperaturnu skalu, postavljajući nulu na −459,67 ° F.

Na ovoj skali veličina stupnjeva je ista kao i na Farenhejtovoj skali. Rankin skala označena je kao R, a kao i kod Kelvinove ljestvice, njene vrijednosti se ne nazivaju stupnjevima, već raninskim.

Tako:

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

Ukratko, evo konverzija potrebnih za prijelaz na Rankine ljestvicu od bilo kojeg već opisanog:

Slika 2. Pretvorbe skaliranja temperaturne ljestvice. Izvor: F. Zapata.

Réaumur ljestvica

Druga ranije korištena temperaturna skala je Réaumur-ova skala, koja je označena kao stupnjevi ili ºR. Trenutno je u uporabi, iako se široko koristila u Europi sve dok je nije istisnula Celzijusova ljestvica.

Stvorio ga je René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) oko 1731. Njene reference su: 0 ° R za točku smrzavanja vode i 80 ° R za tačku ključanja.

Kao što se može vidjeti, poklapa se s Celzijevom ljestvicom na nuli, ali sigurno ne na ostalim vrijednostima. Povezana je s ljestvicom centigrada prema:

A budući da se temperature moraju podudarati, tada je T _{° C} = T _{° F} = x, slijedi sljedeće:

Kada je T _ºC = -40 ºC, također T _ºF = -40 ºF

Vježba 2

Para koja izlazi iz kotla nalazi se na temperaturi od 610 ºR. Pronađite temperaturu u stupnjevima Farenhajta i u stupnjevima Celzijusa.

Riješenje

Stoga se koriste ekvivalencije pronađene u odjeljku Réaumurove skale: T _ºC = (5/4) T _ºR = (5/4). 610 ° C = 762,5 ° C.

Ovu pronađenu vrijednost možete odmah pretvoriti u stupnjeve Fahrenheita ili upotrijebiti neku od navedenih konverzija:

Ili ovaj drugi koji daje isti rezultat: T _ºR = (4/9) (T _ºF - 32)

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

Sažetak konverzija

Ukratko, sljedeća tablica sadrži konverzije za sve opisane ljestvice:

Slika 3. Tablica konverzija za temperaturnu ljestvicu. Izvor: F. Zapata.

Reference

1. Temperaturne ljestvice. Oporavak od: thales.cica.es.
2. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike i inženjerstvo: strateški pristup. Pearson.
3. Tillery, B. 2012. Fizička znanost. McGraw Hill.
4. Wikipedia. Celzijeva stupnja. Oporavilo sa: es.wikipedia.org
5. Wikipedia. Fahrenheitski stupanj. Oporavak od: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Rankine. Oporavak od: es.wikipedia.org.