TERMOMETRICKÉ STUPNICE: VZORCE, PRÍKLADY, VYRIEŠENÉ CVIČENIA - FYZICKÝ - 2026

Tieto termometrické váhy sú tie, ktoré používajú v meraní teploty, veľkosť mierka použiť ku kvantifikácii tepelnej energie systému. Prístroj používaný na meranie teploty, to znamená teplomer, musí byť vybavený stupnicou, aby bolo možné vykonať odčítanie.

Ak chcete vytvoriť vhodnú mierku, musíte odobrať dva referenčné body a rozdeliť interval medzi nimi. Tieto divízie sa nazývajú stupne. Týmto spôsobom sa porovnáva teplota predmetu, ktorý sa má zmerať, ktorým môže byť teplota kávy, kúpeľa alebo telesná teplota, s referenciou vyznačenou na prístroji.

Obrázok 1. Teplomer stupňov stupňov Celzia. Zdroj: Pixabay.

Najčastejšie používanými teplotnými stupnicami sú stupnice Celsia, Fahrenheita, Kelvina a Rankina. Všetky sú rovnako vhodné na meranie teploty, pretože body vybrané ako referenčné body sú ľubovoľné.

V stupnici stupňov Celzia aj stupnice Fahrenheita nula stupnice neindikuje neprítomnosť teploty. Z tohto dôvodu sú to relatívne stupnice. Na druhej strane pre Kelvinovu stupnicu a Rankinovu stupnicu 0 predstavuje zastavenie molekulárnej aktivity, preto sa považujú za absolútne stupnice.

Stupnica Celzia

Táto stupnica bola vynájdená švédskym astronómom Andersom C. Celsiusom (1701 - 1744) z 18. storočia, okolo roku 1735. Táto stupnica je veľmi intuitívna a používa bod tuhnutia a teplotu varu vody pri normálnom atmosférickom tlaku (1 atm). ako referenčné body.

Voda je na tento účel veľmi univerzálna látka a jej hodnoty sa v laboratóriu dajú ľahko získať.

Na stupnici stupňov Celzia je bod mrazu vody taký, ktorý zodpovedá 0 ° C a bod varu 100 ° C, hoci pôvodne ich Celzia navrhoval opačne a neskôr sa poradie obrátilo. Medzi týmito dvoma referenčnými hodnotami je 100 rovnakých dielikov, a preto sa niekedy označuje ako stupnica stupňov Celzia.

ekvivalencie

Na stanovenie rovnocennosti stupňov Celzia s inými teplotnými stupnicami sa musia zohľadniť dva aspekty:

- Vzťah medzi stupnicou Celzia a druhou stupnicou je lineárny, preto má tvar:

y = mx + b

- Musíte poznať referenčné body oboch mierok.

Príklad: rovnocennosť stupníc Celzia a Fahrenheita

Nech T _{° C} je teplota na stupnici Celzia a T _{° F} teplota na stupnici Fahrenheita:

Je známe, že 0 oC = 32 oF a 100 oC = 212 oF. Tieto hodnoty nahradíme v predchádzajúcej rovnici a získame:

Je to systém dvoch lineárnych rovníc s dvoma neznámymi, ktoré je možné vyriešiť niektorou zo známych metód. Napríklad znížením:

________________

Keď poznáme m, dostaneme b substitúciou:

Teraz vložíme hodnoty m a b do našej rovnice ekvivalencie, aby sme získali:

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

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

Táto rovnica umožňuje odovzdávanie stupňov Fahrenheita na stupne Celzia priamo, jednoduchým zadaním hodnoty, kde T _{° F} zobrazí .

Príklad: rovnocennosť stupníc Celzia a Kelvina

Uskutočnilo sa veľa experimentov, aby sa pokúsila zmerať absolútnu nulovú teplotu, to znamená hodnotu, pri ktorej všetka molekulárna aktivita zmizla v plyne. Táto teplota je blízko -273 ° C.

Nech T _K je teplota v kelvine - slovo „stupeň“ sa v tejto stupnici nepoužíva-, ekvivalencia je:

To znamená, že stupnice sa líšia v tom, že Kelvinova stupnica nemá záporné hodnoty. Vo vzťahu Celzia - Fahrenheita je sklon priamky rovný 5/9 a v tomto prípade rovný 1.

Kelviny a stupne Celzia majú rovnakú veľkosť, iba to, že Kelvinova stupnica, ako je zrejmé z vyššie uvedeného, ​​neobsahuje záporné hodnoty teploty.

Fahrenheitova stupnica

Daniel Fahrenheit (1686 - 1736) bol poľským fyzikom nemeckého pôvodu. Okolo roku 1715 Fahrenheit vyrobil teplomer so stupnicou založenou na dvoch ľubovoľne zvolených referenčných bodoch. Odvtedy sa bežne používa v anglicky hovoriacich krajinách.

Pôvodne Fahrenheit zvolil teplotu zmesi ľadu a soli pre dolnú nastavenú hodnotu a nastavil ju na 0 °. Ako ďalší bod si vybral teplotu ľudského tela a nastavil ju na 100 stupňov.

Nie je prekvapením, že mal nejaké ťažkosti pri určovaní toho, čo je „normálna“ telesná teplota, pretože sa mení počas dňa alebo z jedného dňa na ďalší, bez toho, aby bol človek nevyhnutne chorý.

Ukazuje sa, že existujú úplne zdraví ľudia s telesnou teplotou 99,1 oF, zatiaľ čo pre iných je normálne mať 98,6 oF. Ten je priemerná hodnota pre všeobecnú populáciu.

Takže referenčné body stupnice Fahrenheita sa museli zmeniť pre bod tuhnutia vody, ktorý bol nastavený na 32 ° F a bod varu na 212 ° F. Nakoniec bola stupnica rozdelená do 180 rovnakých intervalov.

Prevod stupňov Fahrenheita na stupne Celzia

Z vyššie uvedenej rovnice vyplýva, že:

Rovnakým spôsobom to môžeme považovať aj takto: stupnica Celzia má 100 stupňov, zatiaľ čo stupnica Fahrenheita má 180 stupňov. Takže pri každom zvýšení alebo znížení o 1 ° C dochádza k zvýšeniu alebo zníženiu o 1,8 ° F = (9/5) ° F

príklad

Pomocou predchádzajúcich rovníc nájdite vzorec, ktorý vám umožní prejsť z stupnice Fahrenheita do Kelvina:

S vedomím, že: T _ºC = T _K - 273 a substitúciou v už odvodenej rovnici, máme:

T _{° C} = _TK - 273

Preto: T _{° F} = (9/5) (T _K - 273) + 32 = (9/5) T _K - 459,4

Kelvinova stupnica

William Thomson (1824–1907), lord Kelvin, navrhol stupnicu bez ľubovoľných referenčných bodov. Toto je stupnica absolútnej teploty, ktorá nesie jeho meno, navrhnutá v roku 1892. Nemá záporné hodnoty teploty, pretože absolútna 0 je najnižšia možná teplota.

Pri teplote 0 K sa akýkoľvek pohyb molekúl úplne zastavil. Toto je stupnica medzinárodného systému (SI), aj keď stupnica Celzia sa tiež považuje za doplnkovú jednotku. Pamätajte, že Kelvinova stupnica nepoužíva „stupne“, takže akákoľvek teplota je vyjadrená ako číselná hodnota plus jednotka nazývaná „kelvin“.

Zatiaľ nebolo možné dosiahnuť absolútnu nulu, ale vedci sa dostali veľmi blízko.

V laboratóriách špecializovaných na nízke teploty sa skutočne podarilo ochladiť vzorky sodíka na 700 nanokelvinov alebo 700 x 1010 ^-9 kelvinov. Na druhej strane, smerom k druhému koncu stupnice je známe, že jadrový výbuch môže generovať teploty 100 alebo viac miliónov kelvinov.

Každý kelvin zodpovedá 1/273,16 časti teploty trojitého bodu vody. Pri tejto teplote sú tri fázy vody v rovnováhe.

Kelvinova stupnica a stupnica Celzia a Fahrenheita

Vzťah medzi stupňami Kelvina a Celzia je - okolo 273,16 až 273 -:

Podobne, substitúciou sa získa vzťah medzi váhami podľa Kelvina a Fahrenheita:

Hodinová stupnica

Rankinskú stupnicu navrhol škótsky rodák William Rankine (1820 - 1872). Ako priekopník priemyselnej revolúcie významne prispel k termodynamike. V roku 1859 navrhol absolútnu teplotnú stupnicu s nulou na -459,67 ° F.

Na tejto stupnici je veľkosť stupňov rovnaká ako na stupnici Fahrenheita. Rankinova stupnica je označená ako R a rovnako ako v prípade Kelvinovej stupnice jej hodnoty nie sú nazývané stupňami, ale skôr stupnicami.

teda:

0 K = 0 R = -459,67 ° F = - 273,15 ° C

V súhrne sú tu uvedené konverzie potrebné na prechod na Rankinovu stupnicu z tých, ktoré už boli opísané:

Obrázok 2. Prevody stupnice teplotnej stupnice. Zdroj: F. Zapata.

Stupnica Réaumur

Ďalšou predtým používanou teplotnou stupnicou je stupnica Réaumur, ktorá sa označuje ako stupne alebo ° R. V súčasnosti sa nepoužíva, hoci sa v Európe hojne využívala až do doby, keď bola vysídlená stupnicou Celzia.

Vytvoril ho René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) okolo roku 1731. Jeho referencie sú: 0 ° R pre bod tuhnutia vody a 80 ° R pre bod varu.

Ako je vidieť, zhoduje sa s stupnicou Celzia na nule, ale určite nie na ostatných hodnotách. Súvisí to s stupnicou stupňov Celzia:

A keďže sa teploty musia zhodovať, potom T _ºC = T _ºF = x, znamená to, že:

Ak T _{° C} = -40 ° C, tiež T _{° F} = -40 ° F

Cvičenie 2

Para, ktorá vychádza z kotla, má teplotu 610 ºR. Zistite teplotu v stupňoch Fahrenheita a v stupňoch Celzia.

Riešenie

Používajú sa preto ekvivalencie uvedené v časti stupnice Réaumur: T _ºC = (5/4) T _RR = (5/4). 610 ° C = 762,5 ° C

Túto zistenú hodnotu potom môžete previesť na stupne Fahrenheita alebo použiť inú z uvedených konverzií:

Alebo tento druhý, ktorý dáva rovnaký výsledok: T _ºR = (4/9) (T _ºF - 32)

_Vyrieši sa: T _{° F} = (9/4) T + _R = 32 = (9/4) 610 + 32 ° F = 1404,5 ° F.

Súhrn konverzií

V nasledujúcej tabuľke je uvedená konverzia všetkých opísaných mierok:

Obrázok 3. Tabuľka prevodov pre teplotné stupnice. Zdroj: F. Zapata.

Referencie

1. Teplotné stupnice. Získané z: thales.cica.es.
2. Knight, R. 2017. Fyzika pre vedcov a techniku: strategický prístup. Pearson.
3. Tillery, B. 2012. Fyzikálna veda. McGraw Hill.
4. Wikipedia. Stupeň Celzia. Obnovené z: es.wikipedia.org
5. Wikipedia. Fahrenheitov titul. Obnovené z: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Rankine. Obnovené z: es.wikipedia.org.