Capacitatea termică
Temperatura este legată de cantitatea de energie termică sau căldură într-un sistem. Când se adaugă căldură la sistem, temperatura crește cu o valoare proporțională cu cantitatea de căldură adăugată. Constanta de proporționalitate se numește capacitatea termică și reflectă capacitatea materialului de a înmagazina căldura.
Căldura este stocată într-o varietate de moduri, care corespund diferitelor stări cuantice accesibile sistemului. Pe măsură ce temperatura crește mai multe stări cuantice devin accesibile, rezultând o creștere a capacității de căldură. Pentru un gaz monoatomic la temperaturi scăzute, singurele moduri accesibile corespund mișcării de translație a atomilor, astfel încât toată energia este dată de mișcarea atomilor (De fapt, o cantitate mică de energie, numită Energia de Punct Zero, apare datorită izolării gazului într-un volum fix. Această energie este prezentă chiar și la 0 K). Deoarece energia cinetică este legată de mișcarea atomilor, 0 K corespunde punctului în care toți atomii sunt nemișcaţi. Pentru un astfel de sistem, o temperatură mai mică de 0 K nu este posibilă, deoarece nu este posibil ca atomii să se miște mai încet decât să fie nemișcaţi.
La temperaturi mai ridicate, tranzițiile electronice devin accesibile, crescând în continuare capacitatea termică. Pentru majoritatea materialelor aceste tranziții nu sunt importante sub 104 K. Cu toate acestea, pentru câteva molecule obişnuite, astfel de tranziții sunt importante chiar și la temperatura camerei. La temperaturi extrem de ridicate (> 108 K) tranzițiile nucleare devin accesibile. În plus faţă de modurile translaţionale, electronice și nucleare, moleculele poliatomice au, de asemenea, moduri asociate cu rotația și vibrația împreună cu legăturile moleculare, care sunt accesibile chiar și la temperaturi scăzute. În cele mai multe solide căldura stocată corespunde vibrațiilor atomice.
Temperatura în gaze
Pentru un gaz ideal monoatomic temperatura este legată de mișcarea de translație sau viteza medie a atomilor. Teoria cinetică a gazelor utilizează mecanica statistică pentru a corela această mișcare de energia cinetică medie a atomilor și moleculelor din sistem. Pentru acest caz, 11.300 grade Celsius corespund la o energie cinetică medie a unui electron. La temperatura camerei (300 grade Kelvin), de exemplu, energia medie a moleculelor de aer este de 300/11300 eV, sau 0,0273 electronvolţi. Aceasta energie medie este independentă de masa particulelor, care pare contraintuitiv pentru mulți oameni. Cu toate că temperatura este legată de energia cinetică medie a particulelor într-un gaz, fiecare particulă are o energie proprie, care poate sau nu poate corespunde mediei. Într-un gaz distribuția energiei (și astfel vitezele) particulelor corespunde distribuției Boltzmann.
Un electron este o unitate foarte mică de energie, de ordinul a 1.6×10−19 jouli.
Măsurarea temperaturii
Multe metode au fost dezvoltate pentru măsurarea temperaturii. Cele mai multe dintre acestea se bazează pe măsurarea unei proprietăţi fizice a unui material în lucru care variază cu temperatura. Una dintre cele mai uzuale dispozitive de măsurare a temperaturii este termometrul de sticlă. Acesta constă dintr-un tub de sticlă umplut cu mercur sau un alt lichid, care acționează ca fluid de lucru. Creșterile de temperatură determină lichidul să se extindă, astfel încât temperatura poate fi determinată prin măsurarea volumului fluidului. Aceste termometre sunt de obicei calibrate, astfel încât se poate citi temperatura pur și simplu prin observarea nivelului fluidului în termometru. Un alt tip de termometru care nu este într-adevăr utilizat mult în practică, dar este important din punct de vedere teoretic, este termometrul cu gaz.
Alte importante dispozitive pentru măsurarea temperaturii includ:
- termocuple
- termistori
- termometre rezistente la temperatură
- pirometre
- alte tipuri de termometre
Trebuie să fiţi atenți atunci când se măsoară temperatura pentru a se asigura că temperatura instrumentului de măsurare (termometru, termocuplu, etc) este într-adevăr aceeași temperatură ca și materialul care este măsurat. Anumite condiții termice ale instrumentului de măsurare pot provoca un gradient de temperatură, astfel încât temperatura măsurată este diferită de temperatura reală a sistemului. În acest caz, temperatura măsurată va varia nu numai cu temperatura sistemului, dar și cu proprietățile de transfer termic ale sistemului. Un caz extrem al acestui efect dă naştere la factorul de vânt rece, unde temperatura se simte mai rece în condiții de vânt decât în condiții de calm, chiar dacă temperatura este aceeași. Ceea ce se întâmplă este că vântul crește rata de transfer termic din organism, rezultând o reducere mai mare a temperaturii corpului pentru aceeași temperatură ambiantă.
Lasă un răspuns