Você já pode ter uma sensação intuitiva de que a temperatura é uma medida da "frieza" ou "quente" de um objeto. Muitas pessoas estão obcecadas em verificar a previsão para saberem qual será a temperatura do dia. Mas o que a temperatura realmente significa na física?
Definição de Temperatura
Temperatura é uma medida da energia cinética média por molécula em uma substância. É diferente do calor, embora as duas quantidades estejam intimamente relacionadas. O calor é a energia transferida entre dois objetos a diferentes temperaturas.
Qualquer substância física à qual você possa atribuir a propriedade da temperatura é feita de átomos e moléculas. Esses átomos e moléculas não ficam imóveis, mesmo em um sólido. Eles estão constantemente se movendo e balançando, mas o movimento acontece em uma escala tão pequena que você não pode vê-lo.
Como você provavelmente se lembra de seu estudo da mecânica, os objetos em movimento têm uma forma de energia chamada energia cinética - que está associada à sua massa e à rapidez com que estão se movendo. Portanto, quando a temperatura é descrita como energia cinética média por molécula, é a energia associada a esse movimento molecular que está sendo descrita. Existem muitas escalas diferentes pelas quais você pode medir a temperatura, mas os mais comuns são Fahrenheit, Celsius e Kelvin. A escala de Fahrenheit é o que aqueles que vivem nos Estados Unidos e em alguns outros países estão mais familiarizados. Nessa escala, a água congela a 32 graus Fahrenheit, e a temperatura da água fervente é de 212 F. F. A escala Celsius (às vezes também denominada centígrada) é usada na maioria dos outros países do mundo. Nesta escala, o ponto de congelamento da água é de 0 C e o ponto de ebulição da água é de 100 C. A escala de Kelvin, denominada Lord Kelvin, é o padrão científico. O zero nessa escala é zero absoluto, onde é onde todo movimento molecular para. É considerada uma escala de temperatura absoluta. Para converter de Celsius para Fahrenheit, use o seguinte relacionamento: Onde T Para converter na outra direção, de Fahrenheit para Celsius, use o seguinte: Para converter de Celsius para Kelvin, a fórmula é ainda mais simples, pois o tamanho do incremento é o mesmo e eles só têm diferentes valores iniciais: Dicas Em muitas expressões na termodinâmica, a quantidade importante é ΔT Quando dois objetos em temperaturas diferentes estão em contato, a transferência de calor ocorre, com o calor fluindo do objeto na temperatura mais alta para o objeto na temperatura mais baixa até que o equilíbrio térmico seja alcançado. Essa transferência ocorre devido a colisões entre as moléculas de energia mais alta no objeto quente com a energia mais baixa. moléculas no objeto mais frio, transferindo energia para elas no processo até que ocorram colisões aleatórias suficientes entre moléculas nos materiais para que a energia se torne igualmente distribuída entre os objetos ou substâncias. Como resultado, é atingida uma nova temperatura final, que fica entre as temperaturas originais dos objetos quentes e frios. Outra maneira de pensar nisso é que a energia total contida em ambas as substâncias acaba se distribuindo igualmente. entre as substâncias. A temperatura final de dois objetos em diferentes temperaturas iniciais, uma vez que atingem o equilíbrio térmico, pode ser encontrada usando a relação entre energia térmica Q Exemplo: Suponha 0,1 kg de moedas de um centavo de cobre ( c c Solução: Considere que o calor adicionado à água dos centavos será igual ao calor removido dos centavos. Portanto, se a água absorve calor Q w Em seguida, para os centavos de cobre: Isso permite que você escreva o relacionamento: Em seguida, você pode usar o fato de que os centavos de cobre e a água devem ter a mesma temperatura final, < em> T f Conectando estes ΔT Conectando os valores, obtemos: Nota : Se você estiver surpreso que o valor esteja tão próximo da temperatura inicial da água, considere as diferenças significativas entre o calor específico da água e o calor específico do cobre. É preciso muito mais energia para causar uma mudança de temperatura na água do que para causar uma mudança de temperatura no cobre. Os termômetros de mercúrio de bulbo de vidro antiquados medem a temperatura usando a as propriedades de expansão térmica do mercúrio. O mercúrio se expande quando quente e se contrai quando é frio (e em um grau muito maior que o termômetro de vidro que o contém). Assim, à medida que o mercúrio se expande, ele se eleva dentro do tubo de vidro, permitindo a medição. Termômetros de mola - aqueles que geralmente têm uma face circular com um ponteiro de metal - também funcionam fora do princípio de expansão térmica. Eles contêm um pedaço de metal enrolado que se expande e esfria com base na temperatura, fazendo com que o ponteiro se mova. Os termômetros digitais usam cristais líquidos sensíveis ao calor para acionar os indicadores digitais de temperatura. Enquanto a temperatura é uma medida da energia cinética média por molécula, a energia interna é o total de todas as energias cinética e potencial das moléculas. Para um gás ideal, onde a energia potencial das partículas devido a interações é desprezível, a energia interna total E Onde n Não surpreendentemente, à medida que a temperatura aumenta, a energia térmica aumenta. Essa relação também deixa claro por que a escala Kelvin é importante. A energia interna deve ter qualquer valor 0 ou maior. Nunca faria sentido que fosse negativo. Não usar a escala Kelvin complicaria a equação interna de energia e exigiria a adição de uma constante para corrigi-la. A energia interna torna-se 0 no absoluto 0 K.
Escalas de temperatura
Convertendo entre escalas de temperatura
T_F \u003d \\ frac {9} {5} T_C + 32
F
é a temperatura em Fahrenheit e T C
é a temperatura em Celsius. Por exemplo, 20 graus Celsius é equivalente a:
T_F \u003d \\ frac {9} {5} 20 + 32 \u003d 68 \\ text {degrees Fahrenheit.}
T_C \u003d \\ frac {5} {9} (T_F - 32)
T_K \u003d T_C + 273.15
(a alteração temperatura) em oposição à temperatura absoluta em si. Como o grau Celsius é do mesmo tamanho que um incremento na escala Kelvin, ΔT K
\u003d ΔT C
, o que significa que essas unidades podem ser usadas intercambiáveis nesses casos . No entanto, sempre que uma temperatura absoluta é necessária, ela deve estar em Kelvin.
Transferência de calor
, capacidade térmica específica c
, massa m
e a mudança de temperatura dada pela seguinte equação:
Q \u003d mc \\ Delta T
\u003d 390 J /kgK) a 50 graus Celsius são jogados em 0,1 kg de água ( c w
\u003d 4.186 J /kgK) a 20 graus Celsius. Qual será a temperatura final quando o equilíbrio térmico for alcançado?
onde:
Q_w \u003d m_wc_w \\ Delta T_w
Q_c \u003d -Q_w \u003d m_cc_c \\ Delta T_c
m_cc_c \\ Delta T_c \u003d -m_wc_w \\ Delta T_w
, tal que:
\\ Delta T_c \u003d T_f-T_ {ic} \\\\\\ Delta T_w \u003d T_f-T_ {iw}
na equação anterior, você pode resolver T f
. Um pouco de álgebra fornece o seguinte resultado:
T_f \u003d \\ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
Como funcionam os termômetros
Relação entre temperatura e temperatura Energia Interna
é dada pela fórmula:
E \u003d \\ frac {3} {2} nRT
é o número de moles e R
é a constante universal de gás \u003d 8,3145 J /molK.
