Termometre și scale de temperatură

Orice proprietate fizică, care depinde în mod constant și reproductibil de temperatură, poate fi folosită ca bază a unui termometru. De exemplu, volumul crește cu temperatura pentru majoritatea substanțelor. Această proprietate este baza pentru termometrul obișnuit pentru alcool și pentru termometrele originale cu mercur. Alte proprietăți utilizate pentru măsurarea temperaturii includ rezistența electrică, culoarea și emisia de radiații infraroșii (Figura 1.3).

Figura 1.3 Deoarece multe proprietăți fizice depind de temperatură, varietatea termometrelor este remarcabilă. (a) În acest tip obișnuit de termometru, alcoolul, care conține un colorant roșu, se extinde mai rapid decât sticla care îl învelește. Când temperatura termometrului crește, lichidul din interior este forțat în tubul îngust, producând o schimbare mare a lungimii coloanei pentru o mică schimbare a temperaturii. (b) Fiecare dintre cele șase pătrate de pe acest termometru din plastic (cristal lichid) conține o peliculă dintr-un material diferit de cristal lichid sensibil la căldură. Sub 35°C, toate cele șase pătrate sunt negre. Când termometrul din plastic este expus la o temperatură de 35°C, primul pătrat cu cristale lichide își schimbă culoarea. Când temperatura atinge peste 36 °C, al doilea pătrat de cristal lichid își schimbă și culoarea și așa mai departe. (c) Un pompier folosește un pirometru pentru a verifica temperatura sistemului de ventilație al unui portavion. Pirometrul măsoară radiația infraroșie (a cărei emisie variază în funcție de temperatură) de la aerisire și produce rapid o citire a temperaturii. Termometrele cu infraroșu sunt, de asemenea, frecvent utilizate pentru a măsura temperatura corpului, plasându-le ușor în canalul urechii. Astfel de termometre sunt mai precise decât termometrele cu alcool plasate sub limbă sau sub axilă.

Termometrele măsoară temperatura conform unor scale de măsură bine definite. Cele mai comune trei scale de temperatură sunt Fahrenheit, Celsius și Kelvin. Scalele de temperatură sunt create prin identificarea a două temperaturi reproductibile. Temperaturile de îngheț și de fierbere ale apei la presiunea atmosferică standard sunt utilizate în mod obișnuit.

Pe scara Celsius, punctul de îngheț al apei este de 0°C, iar punctul de fierbere este de 100°C. Unitatea de măsură a temperaturii pe această scară este gradul Celsius (°C). Scara Fahrenheit (încă cea mai frecvent utilizată în scopuri comune în Statele Unite) are punctul de îngheț al apei la 32°F și punctul de fierbere la 212°F. Unitatea sa este gradul Fahrenheit (°F). Puteți vedea că 100 de grade Celsius se întind în același interval ca și 180 de grade Fahrenheit. Astfel, o diferență de temperatură de un grad pe scara Celsius este de 1,8 ori mai mare decât o diferență de un grad pe scara Fahrenheit, sau ΔT_F = 9/5 ΔT_C.

Definiția temperaturii în termeni de mișcare moleculară sugerează că ar trebui să existe o temperatură cât mai scăzută posibilă, unde energia cinetică medie a moleculelor este zero (sau minimul permis de mecanica cuantică). Experimentele confirmă existența unei astfel de temperaturi, numită zero absolut. O scară de temperatură absolută este una al cărei punct zero este zero absolut. Astfel de scale sunt convenabile în știință deoarece mai multe cantități fizice, cum ar fi volumul unui gaz ideal, sunt direct legate de temperatura absolută.

Scara Kelvin este scara de temperatură absolută folosită în mod obișnuit în știință. Unitatea de temperatură SI este kelvin, care este prescurtat K (nu este însoțit de un semn de grad). Astfel 0 K este zero absolut. Punctele de îngheț și de fierbere ale apei sunt 273,15 K și, respectiv, 373,15 K. Prin urmare, diferențele de temperatură sunt aceleași în unități kelvin și grade Celsius, sau ΔT_C = ΔT_K.

Relațiile dintre cele trei scale comune de temperatură sunt prezentate în Figura 1.4. Temperaturile pe aceste scale pot fi convertite folosind ecuațiile din Tabelul 1.1.

Figura 1.4 Sunt prezentate relațiile dintre scalele de temperatură Fahrenheit, Celsius și Kelvin. Dimensiunile relative ale scalelor sunt, de asemenea, prezentate.

 

Pentru a converti de la…	Folosiți ecuația…
Celsius la Fahrenheit	TF = 9/5 TC + 32
Fahrenheit la Celsius	TC = 5/9 (TF − 32)
Celsius la Kelvin	TK = TC + 273,15
Kelvin la Celsius	TC = TK – 273,15
Fahrenheit la Kelvin	TK = 5/9 (TF − 32)+273,15
Kelvin la Fahrenheit	TF = 9/5 (TK – 273,15)+32

Tabelul 1.1 Conversii de temperatură

Pentru a converti între Fahrenheit și Kelvin, convertiți în Celsius ca pas intermediar.

EXEMPLUL 1.1 Conversia între scalele de temperatură: temperatura camerei „Temperatura camerei” este, în general, definită în fizică la 25°C. (a) Care este temperatura camerei în °F? (b) Care este în K? Strategie Pentru a răspunde la aceste întrebări, tot ce trebuie să facem este să alegem ecuațiile de conversie corecte și să înlocuim valorile cunoscute. Soluţie Pentru a converti de la °C la °F, utilizați ecuația TF = 9/5 TC + 32. Înlocuiți valoarea cunoscută în ecuație și rezolvați: TF = 9/5 (25 °C) + 32 = 77 °F. În mod similar, aflăm că TK = TC + 273,15 = 298 K. Scara Kelvin face parte din sistemul SI de unități, astfel încât definiția sa reală este mai complicată decât cea dată mai sus. În primul rând, nu este definită în termeni de punctele de îngheț și de fierbere ale apei, ci în termeni de punct triplu. Punctul triplu este combinația unică de temperatură și presiune la care gheața, apa lichidă și vaporii de apă pot coexista stabil. După cum se va discuta în secțiunea privind schimbările de fază, coexistența se realizează prin scăderea presiunii și, în consecință, a punctului de fierbere pentru a ajunge la punctul de îngheț. Temperatura punctului triplu este definită ca 273,16 K. Această definiție are avantajul că, deși temperatura de îngheț și temperatura de fierbere a apei depind de presiune, există doar o temperatură în punct triplu. În al doilea rând, chiar și cu două puncte pe scară definite, termometre diferite dau rezultate oarecum diferite pentru alte temperaturi. Prin urmare, este necesar un termometru standard. Metrologii (experți în știința măsurării) au ales termometrul cu gaz cu volum constant în acest scop. Un vas cu volum constant umplut cu gaz este supus unor schimbări de temperatură, iar temperatura măsurată este proporțională cu modificarea presiunii. Notând „TP” pentru a reprezenta punctul triplu, T = p/pTP TTP. Rezultatele depind oarecum de alegerea gazului, dar cu cât gazul din interior este mai puțin dens, cu atât rezultatele pentru diferite gaze sunt în acord mai bine. Dacă rezultatele sunt extrapolate la densitate zero, rezultatele sunt în acord destul de bine, presiunea zero corespunzătoare unei temperaturi de zero absolut. Termometrele cu gaz cu volum constant sunt mari și ajung la echilibru lent, așa că sunt folosite mai ales ca etaloane pentru calibrarea altor termometre.

Sursa: University Physics (OpenStax), acces gratuit sub licență CC BY 4.0. Traducere de Nicolae Sfetcu. © 2023 MultiMedia Publishing, Fizica, Vol. 1-3