ТЕРМОМЕТРИЧНІ ВАГИ: ​​ФОРМУЛИ, ПРИКЛАДИ, РОЗВ’ЯЗАНІ ВПРАВИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Ці термометричні шкали є ті , які використовуються при вимірюванні температури, величини шкали , використовуваної для кількісного визначення теплової енергії системи. Прилад, який використовується для вимірювання температури, тобто термометр, повинен містити шкалу, щоб можна було приймати показання.

Щоб побудувати відповідну шкалу, потрібно взяти дві опорні точки і розділити інтервал між ними. Ці поділи називаються ступенями. Таким чином, температура об'єкта, що підлягає вимірюванню, яка може бути температурою кави, ванни або температурою тіла, порівнюється з посиланням, позначеним на приладі.

Малюнок 1. Термометр градуйований за шкалою Цельсія. Джерело: Pixabay.

Найбільш часто використовуються шкали температури - цельсія Цельсія, Фаренгейта, Кельвіна і Ранкіна. Усі однаково підходять для вимірювання температури, оскільки точки, вибрані як опорні точки, є довільними.

І за шкалою Цельсія, і за шкалою Фаренгейта нуль шкали не вказує на відсутність температури. З цієї причини вони відносні масштаби. З іншого боку, для шкали Кельвіна та шкали Ранкіна 0 являє собою припинення молекулярної активності, тому вони вважаються абсолютними шкалами.

Цельсієва шкала

Ця шкала була винайдена шведським астрономом XVIII століття Андерсом К. Цельсієм (1701–1744), близько 1735 р. Дуже інтуїтивно зрозумілою, ця шкала використовує температуру замерзання та температури кипіння води при нормальному атмосферному тиску (1 атм) як орієнтири.

Вода - це універсальна речовина, дуже придатна для цього, і її значення легко отримати в лабораторії.

За шкалою Цельсія температура замерзання води є такою, яка відповідає 0 ° C, а температура кипіння до 100 ° C, хоча спочатку Цельсій пропонував їх навпаки, а згодом порядок змінився. Між цими двома опорними значеннями є 100 однакових поділів, саме тому його іноді називають шкалою градусів.

Рівнозначення

Для встановлення еквівалентності між градусами Цельсія та іншими шкалами температури необхідно враховувати два аспекти:

-Зв'язок між шкалою Цельсія та іншою шкалою лінійний, тому має форму:

y = mx + b

-Ви повинні знати опорні точки обох шкал.

Приклад: еквівалентність між шкалами Цельсія та Фаренгейта

Нехай T _ºC - температура за шкалою Цельсія, а T _ºF - температура за шкалою Фаренгейта, отже:

Відомо, що 0ºC = 32ºF і 100ºC = 212ºF. Підставляємо ці значення в попередньому рівнянні і отримуємо:

Це система з двох лінійних рівнянь з двома невідомими, яку можна вирішити будь-яким із відомих методів. Наприклад, шляхом зменшення:

________________

Знаючи m, отримуємо b шляхом підстановки:

Тепер ми підключаємо значення m і b до рівняння еквівалентності для отримання:

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

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

Це рівняння дозволяє передати градуси Фаренгейта до градусів Цельсія безпосередньо, просто ввівши значення, де відображається T _ºF .

Приклад: еквівалентність між шкалами Цельсія та Кельвіна

Було проведено багато експериментів, щоб спробувати виміряти абсолютний нуль температури, тобто значення, при якому вся молекулярна активність зникає в газі. Ця температура близька до -273 ° C.

Нехай T _K - температура в кельвіні - для цієї шкали не використовується слово "градус", еквівалентність:

Тобто ваги відрізняються тим, що шкала Кельвіна не має негативних значень. У відношенні Цельсія - Фаренгейта нахил лінії дорівнює 5/9 і в цьому випадку він дорівнює 1.

Кельвіни та градуси Цельсія однакового розміру, лише те, що шкала Кельвіна, як видно з вищесказаного, не включає негативні значення температури.

Шкала Фаренгейта

Даніель Фаренгейт (1686–1736) був фізиком німецького походження за походженням у Польщі. Близько 1715 року Фаренгейт зробив термометр зі шкалою на основі двох довільно обраних опорних точок. З цього часу він широко використовується в англомовних країнах.

Спочатку Фаренгейт вибрав температуру суміші льоду та солі для нижньої заданої точки і встановив її як 0 °. Для іншого моменту він вибрав температуру тіла людини і встановив її на 100 градусів.

Не дивно, що у нього виникли певні проблеми з визначенням "нормальної" температури тіла, оскільки вона змінюється протягом дня, або від одного дня до другого, при цьому людина не обов'язково хворіє.

Виявляється, є абсолютно здорові люди з температурою тіла 99,1ºF, тоді як для інших це нормально 98,6ºF. Останнє - середнє значення для загальної сукупності.

Отже, орієнтири за шкалою Фаренгейта повинні були змінитись для точки замерзання води, яка була встановлена ​​на 32 ° F та температуру кипіння - 212 ° F. Нарешті шкала була розділена на 180 рівних інтервалів.

Перетворити градуси Фаренгейта в градуси Цельсія

З рівняння, показаного вище, випливає, що:

Таким же чином ми можемо вважати так: шкала Цельсія має 100 градусів, тоді як шкала Фаренгейта - 180 градусів. Отже, для кожного збільшення або зниження на 1 ºC припадає збільшення або зменшення на 1,8 ºF = (9/5) ºF

Приклад

Використовуючи попередні рівняння, знайдіть формулу, яка дозволяє перейти від шкали Фаренгейта до шкали Кельвіна:

Знаючи, що: T _ºC = T _K - 273 і підставляючи у вже виведене рівняння, маємо:

T _ºC = T _K - 273

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

Шкала Кельвіна

Вільям Томсон (1824–1907) лорд Кельвін запропонував шкалу без довільних орієнтирів. Це абсолютна шкала температури, яка носить його ім'я, запропонована в 1892 р. Вона не має від'ємних температурних значень, оскільки абсолютний 0 - найнижча можлива температура.

При температурі 0 К будь-який рух молекул повністю припинився. Це шкала Міжнародної системи (СІ), хоча шкала Цельсія також вважається додатковою одиницею. Пам'ятайте, що шкала Кельвіна не використовує "градусів", тому будь-яка температура виражається як числове значення плюс одиниця, що називається "кельвін".

Поки що не вдалося досягти абсолютного нуля, але вчені підійшли досить близько.

Дійсно, в лабораторіях, що спеціалізуються на низьких температурах, їм вдалося охолодити зразки натрію до 700 нанокельвінів або 700 х 1010 ^-9 кельвінів. З іншого боку, на іншому кінці шкали відомо, що ядерний вибух може призвести до температури 100 і більше мільйонів кельвінів.

Кожному кельвіну відповідає 1 / 273,16 частин температури потрійної точки води. При цій температурі три фази води знаходяться в рівновазі.

Шкала Кельвіна та шкали Цельсія та Фаренгейта

Взаємозв'язок між шкалами Кельвіна і Цельсія становить приблизно від 273,16 до 273-:

Аналогічно шляхом заміщення виходить взаємозв'язок між шкалами Кельвіна і Фаренгейта:

Ранкова шкала

Шкала Ранкіна була запропонована Вільямом Ранкіном, інженером шотландського походження (1820-1872). Піонер промислової революції, він зробив великий внесок у термодинаміку. У 1859 р. Він запропонував абсолютну шкалу температур, встановивши нуль при -459,67 ° F.

За цією шкалою розмір градусів такий же, як і за шкалою Фаренгейта. Шкала Ранкіна позначається як R і, як і за шкалою Кельвіна, її значення називаються не градусами, а раніном.

Таким чином:

0 K = 0 R = −459,67 ° F = - 273,15 ºC

Підводячи підсумок, ось переходи, необхідні для переходу до шкали рейтингу з будь-якої з описаних уже:

Малюнок 2. Перетворення шкали температур ранжину. Джерело: Ф. Сапата.

Шкала Реумура

Іншою раніше використовуваною шкалою температур є шкала Реомура, яку позначають у градусах або ºR. Наразі він не використовується, хоча широко використовувався в Європі до тих пір, поки не був витіснений за шкалою Цельсія.

Він був створений Рене-Антуаном Ферхо де Ремоуром (1683-1757) близько 1731 р. Його посилання: 0 ° R для точки замерзання води та 80 ° R для точки кипіння.

Як видно, він збігається зі шкалою Цельсія в нулі, але, звичайно, не при інших значеннях. Це пов'язано зі шкалами градусів за:

А оскільки температури повинні збігатися, то T _ºC = T _ºF = x, випливає, що:

Коли T _ºC = -40 ºC, також T _ºF = -40 ºF

Вправа 2

Пара, що виходить з котла, знаходиться при температурі 610 ºR. Знайдіть температуру в градусах Фаренгейта і в градусах Цельсія.

Рішення

Використовуються еквіваленти, знайдені в розділі шкали _{Реомура} , тому: T _ºC = (5/4) T _ºR = (5/4). 610 ° С = 762,5 ° С.

Потім ви можете конвертувати це знайдене значення в градуси Фаренгейта або використовувати іншу згадану конверсію:

Або цей інший, який дає такий же результат: T _ºR = (4/9) (T _ºF - 32)

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

Підсумок конверсій

Підсумовуючи це, у наступній таблиці наведено конверсії для всіх описаних масштабів:

Малюнок 3. Таблиця переходів для шкали температури. Джерело: Ф. Сапата.

Список літератури

1. Температурні шкали. Відновлено з: thales.cica.es.
2. Найт, Р. 2017. Фізика для вчених та інженерія: стратегічний підхід. Пірсон.
3. Тіллері, Б. 2012. Фізична наука. McGraw Hill.
4. Вікіпедія. Градус Цельсія. Відновлено з: es.wikipedia.org
5. Вікіпедія. Ступінь Фаренгейта. Відновлено з: es.wikipedia.org.
6. Вікіпедія. Ранкін. Відновлено з: es.wikipedia.org.