ТЕРМОМЕТРИЧНИ ВЕЗНИ: ФОРМУЛИ, ПРИМЕРИ, РЕШЕНИ УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

На термометрични люспите са тези, използвани при измерване на температура, величина мащаб се използва за количествено определяне на топлинната енергия на системата. Устройството, използвано за измерване на температура, тоест термометър, трябва да включва скала, за да може да вземе показанията.

За да изградите подходяща скала, трябва да вземете две референтни точки и да разделите интервала между тях. Тези разделения се наричат ​​степени. По този начин температурата на обекта, който се измерва, която може да бъде температурата на кафето, банята или телесната температура, се сравнява с референтната маркировка на уреда.

Фигура 1. Термометър градуиран по скала на Целзий. Източник: Pixabay

Най-често използваните температурни скали са скалите Целзий, Фаренхайт, Келвин и Ранкин. Всички са еднакво подходящи за измерване на температура, тъй като точките, избрани за референтни точки, са произволни.

Както в скалата на Целзий, така и в скалата на Фаренхайт, нулата на скалата не показва липсата на температура. Поради тази причина те са относителни мащаби. От друга страна, за скалата на Келвин и скалата на Ранкин 0 представлява спиране на молекулната активност, поради което те се считат за абсолютни мащаби.

Целзиева скала

Тази скала е изобретена от шведския астроном от 18 век Андерс С. Целзий (1701–1744), около 1735 г. Много интуитивно, тази скала използва точката на замръзване и точката на кипене на водата при нормално атмосферно налягане (1 атм) като референтни точки.

Водата е универсално вещество, много подходящо за това, и стойностите му са лесни за получаване в лабораторията.

По скалата на Целзий точката на замръзване на водата е тази, която съответства на 0 ° C, а точката на кипене до 100 ° C, въпреки че първоначално Целзий ги е предложил обратното, а по-късно редът е обърнат. Между тези две референтни стойности има 100 еднакви деления, поради което понякога се обозначава като скала на стотициграда.

Еквивалентност

За да се установи еквивалентност между градуси по Целзий и други температурни скали, трябва да се вземат предвид два аспекта:

-Връзката между скалата на Целзий и другата скала е линейна, следователно е във формата:

y = mx + b

-Трябва да знаете референтните точки на двете скали.

Пример: еквивалентност между скалите Целзий и Фаренхайт

Нека T _{ºC е} температурата по скалата на Целзий, а T _ºF температурата по скалата на Фаренхайт, следователно:

Известно е, че 0ºC = 32ºF и 100ºC = 212ºF. Заместваме тези стойности в предишното уравнение и получаваме:

Това е система от две линейни уравнения с две неизвестни, които могат да бъдат решени по някой от известните методи. Например чрез намаление:

________________

Познавайки m, получаваме b чрез заместване:

Сега ние включваме стойностите на m и b в нашето уравнение за еквивалентност, за да получим:

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

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

Това уравнение позволява директно преминаване на градуси по Фаренхайт до градуси по Целзий, само като напишете стойността, където се появява T _ºF.

Пример: еквивалентност между скалите на Целзий и Келвин

Проведени са много експерименти, за да се опита да се измери абсолютната нула на температурата, тоест стойността, за която цялата молекулна активност изчезва в газ. Тази температура е близо до -273 ° C.

Нека T _{K е} температурата в келвин - думата „степен“ не се използва за тази скала - еквивалентността е:

Тоест, везните се различават по това, че скалата на Келвин няма отрицателни стойности. В отношенията Целзий - Фаренхейт наклонът на линията е равен на 5/9 и в този случай е равен на 1.

Келвин и градуси по Целзий са еднакви по размер, само че скалата на Келвин, както се вижда от горното, не включва отрицателни стойности на температурата.

Скала на Фаренхайт

Даниел Фаренхайт (1686–1736) е физик с роден полски произход от немски произход. Около 1715 г. Фаренхейт направи термометър с мащаб въз основа на две произволно избрани референтни точки. Оттогава той се използва широко в англоезичните страни.

Първоначално Фаренхейт избра температурата на смес от лед и сол за долната зададена точка и я зададе като 0 °. За другата точка той избра температурата на тялото на човека и я настрои на 100 градуса.

Не е изненадващо, че имаше известни проблеми да определи каква е „нормалната“ телесна температура, защото тя се променя през целия ден или от един ден до следващия, без човекът непременно да е болен.

Оказва се, че има напълно здрави хора с телесна температура 99,1ºF, докато за други е нормално да имат 98,6ºF. Последното е средната стойност за общото население.

Така че референтните точки по скалата на Фаренхайт трябваше да се променят за точката на замръзване на водата, която беше зададена на 32 ° F и точката на кипене на 212 ° F. Накрая скалата беше разделена на 180 равни интервала.

Преобразувайте градуси по Фаренхайт в градуси по Целзий

От уравнението, показано по-горе, следва, че:

По същия начин можем да го считаме по този начин: скалата на Целзий има 100 градуса, докато скалата на Фаренхайт има 180 градуса. Така че при всяко увеличение или намаление от 1 ºC има увеличение или намаление с 1,8 ºF = (9/5) ºF

пример

Използвайки предишните уравнения, намерете формула, която ви позволява да преминете от скала на Фаренхайт до Келвин:

Като знаем, че: T _ºC = T _K - 273 и заместваме във вече изведеното уравнение, имаме:

T _ºC = T _K - 273

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

Келвин скала

Уилям Томсън (1824-1907), лорд Келвин, предлага скала без произволни референтни точки. Това е абсолютната температурна скала, която носи неговото име, предложена през 1892 г. Той няма отрицателни температурни стойности, тъй като абсолютният 0 е най-ниската възможна температура.

При температура 0 К всяко движение на молекулите е напълно преустановено. Това е скалата на Международната система (SI), въпреки че скалата на Целзий също се счита за допълнителна единица. Не забравяйте, че скалата на Келвин не използва "градуси", така че всяка температура се изразява като числова стойност плюс единицата, наречена "келвин".

Досега не беше възможно да се достигне абсолютна нула, но учените се приближиха доста.

Всъщност в лаборатории, специализирани за ниски температури, те успяха да охладят натриевите проби до 700 нанокелвина или 700 х 1010 ^-9 келвина. От друга страна, към другия край на скалата е известно, че ядрената експлозия може да генерира температури от 100 или повече милиона келвина.

Всеки келвин съответства на 1 / 273.16 части от температурата на тройната точка на водата. При тази температура трите фази на водата са в равновесие.

Скалата на Келвин и скалата на Целзий и Фаренхайт

Връзката между скалите на Келвин и Целзий е около 273,16 до 273-:

По подобен начин чрез заместване се получава връзка между скалите на Келвин и Фаренхайт:

Ранкинова скала

Скалата на Ранкин е предложена от Уилям Ранкин, инженер, роден в Шотландия (1820-1872). Пионер на индустриалната революция, той направи голям принос в термодинамиката. През 1859 г. той предлага абсолютна температурна скала, определяйки нула при -459.67 ° F.

На тази скала размерът на градусите е същият като на скалата по Фаренхайт. Скалата на Ранкин се обозначава като R и както при скалата на Келвин, нейните стойности не се наричат ​​градуси, а са по-скоро ранинови.

По този начин:

0 K = 0 R = −459.67 ° F = - 273.15 ºC

В обобщение, тук са необходимите преобразувания, за да преминете към скалата на ранкина от която и да е от вече описаните:

Фигура 2. Преобразувания на скалата на ранкинната температура. Източник: Ф. Сапата.

Réaumur скала

Друга използвана по-рано скала на температурата е скалата на Réaumur, която се обозначава като градуси или ºR. В момента той е в употреба, въпреки че се използва широко в Европа, докато не бъде изместен по скалата на Целзий.

Той е създаден от Рене-Антоан Ферхо дьо Реомур (1683-1757) около 1731 г. Референциите му са: 0 ° R за точката на замръзване на водата и 80 ° R за точката на кипене.

Както се вижда, тя съвпада с скалата на Целзий при нула, но със сигурност не е при другите стойности. Той е свързан със скалата на стотициграда чрез:

И тъй като температурите трябва да съвпадат, тогава T _ºC = T _ºF = x, следва, че:

Когато T _ºC = -40 ºC, също T _ºF = -40 ºF

Упражнение 2

Парата, която излиза от котел, е при температура 610 ºR. Намерете температурата в градуси по Фаренхайт и в градуси по Целзий.

Решение

Използвани са еквивалентите, открити в раздела на скалата на _Реомур: T _ºC = (5/4) T _ºR = (5/4). 610 ° С = 762,5 ° С.

След това можете да конвертирате тази намерена стойност в градуси по Фаренхайт или да използвате друга от споменатите конверсии:

Или тази друга, която дава същия резултат: T _ºR = (4/9) (T _ºF - 32)

_Решава се: T _ºF = (9/4) T _ºR + 32 = (9/4) 610 + 32 ºF = 1404.5 ºF.

Обобщение на реализациите

В обобщение, следната таблица предоставя конверсиите за всички описани мащаби:

Фигура 3. Таблица на конверсиите за температурните скали. Източник: Ф. Сапата.

Препратки

1. Температурни везни. Възстановени от: thales.cica.es.
2. Найт, Р. 2017. Физиката за учените и инженерството: стратегически подход. Пиърсън.
3. Тилери, Б. 2012. Физическа наука. McGraw Hill.
4. Wikipedia. Градус по Целзии. Възстановено от: es.wikipedia.org
5. Wikipedia. Степен на Фаренхайт. Възстановено от: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Ранкин. Възстановено от: es.wikipedia.org.