LÄMPÖMITTARIT: KAAVAT, ESIMERKIT, RATKAISTUHARJOITUKSET - FYYSINEN - 2025

Termometristen asteikot ovat ne, joita käytetään lämpötilan mittaukseen, magnitudiasteikko käyttää määrittämään lämpöenergian järjestelmän. Lämpötilan mittaamiseen käytettävässä laitteessa, ts. Lämpömittarissa, on oltava asteikko lukeman suorittamiseksi.

Jotta voidaan rakentaa sopiva asteikko, sinun on otettava kaksi vertailupistettä ja jaettava väli niiden välillä. Näitä jakautumisia kutsutaan asteiksi. Tällä tavoin mitattavan kohteen lämpötilaa, joka voi olla kahvin, kylvyn tai kehon lämpötila, verrataan instrumenttiin merkittyyn referenssiin.

Kuva 1. Lämpömittari asteikolla Celsius. Lähde: Pixabay.

Yleisimmät lämpötila-asteikot ovat Celsius-, Fahrenheit-, Kelvin- ja Rankine-asteikot. Kaikki sopivat yhtäläisesti lämpötilan mittaamiseen, koska vertailupisteiksi valitut pisteet ovat mielivaltaisia.

Sekä Celsius-asteikolla että Fahrenheit-asteikolla asteikon nolla ei tarkoita lämpötilan puuttumista. Tästä syystä ne ovat suhteellisia asteikkoja. Toisaalta Kelvin-asteikolla ja Rankine-asteikolla 0 edustaa molekyyliaktiivisuuden lopettamista, joten niitä pidetään absoluuttisina asteikkoina.

Celsius asteikolla

Tämän asteikon keksi 1700-luvun ruotsalainen tähtitieteilijä Anders C. Celsius (1701–1744), noin vuonna 1735. Hyvin intuitiivinen, tämä asteikko käyttää veden jäätymispistettä ja kiehumispistettä normaalissa ilmanpaineessa (1 atm). vertailupisteinä.

Vesi on tähän sopiva universaali aine, jonka arvot on helppo saada laboratoriosta.

Celsius-asteikolla veden jäätymispiste on se, joka vastaa 0 ° C ja kiehumispiste 100 ° C: seen, vaikka alun perin Celsius oli ehdottanut niitä päinvastoin ja myöhemmin järjestys kääntyi. Näiden kahden vertailuarvon välillä on 100 identtistä jakoa, minkä vuoksi sitä kutsutaan joskus celsiusasteikkoksi.

Vastinarvot

Celsius-asteen ja muiden lämpötila-asteikkojen vastaavuuden määrittämiseksi on otettava huomioon kaksi näkökohtaa:

- Celsius-asteikon ja toisen asteikon välinen suhde on lineaarinen, joten se on muodoltaan:

y = mx + b

- Sinun on tiedettävä kummankin asteikon vertailupisteet.

Esimerkki: Celsius- ja Fahrenheit-asteikkojen vastaavuus

Olkoon T _ºC lämpötila Celsius-asteikolla ja T _ºF lämpötila Fahrenheit-asteikolla, siksi:

Tiedetään, että 0ºC = 32ºF ja 100ºC = 212ºF. Korvaamme nämä arvot edellisessä yhtälössä ja saamme:

Tämä on järjestelmä, joka koostuu kahdesta lineaarisesta yhtälöstä kahdella tuntemattomalla, jotka voidaan ratkaista millä tahansa tunnetuilla menetelmillä. Esimerkiksi vähentämällä:

________________

Tietäen m, saadaan b korvaamalla:

Nyt liitämme m: n ja b: n arvot ekvivalenttiyhtälöömme saadaksesi:

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

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

Tämä yhtälö sallii Fahrenheit-asteiden kulkemisen suoraan Celsius-asteisiin kirjoittamalla vain arvo, missä T _ºF esiintyy.

Esimerkki: Celsius- ja Kelvin-asteikkojen vastaavuus

On suoritettu monia kokeita lämpötilan absoluuttisen nollan mittaamiseksi, toisin sanoen arvoksi, jolle kaikki molekyyliaktiivisuus katoaa kaasusta. Tämä lämpötila on lähellä -273 ºC.

Olkoon T _K lämpötila kelvininä - sanaa ”astetta” ei käytetä tässä asteikossa - vastaavuus on:

Toisin sanoen asteikot eroavat toisistaan, että Kelvin-asteikolla ei ole negatiivisia arvoja. Celsius-Fahrenheit-suhteessa viivan kaltevuus on yhtä suuri kuin 5/9 ja tässä tapauksessa se on yhtä suuri kuin 1.

Kelvin ja Celsius-asteet ovat samankokoisia, vain että Kelvin-asteikko, kuten yllä voidaan nähdä, ei sisällä lämpötilan negatiivisia arvoja.

Fahrenheit-asteikko

Daniel Fahrenheit (1686–1736) oli saksalaista alkuperää oleva puolalainen fyysikko. Noin 1715 Fahrenheit teki lämpömittarin, jonka asteikko perustui kahteen mielivaltaisesti valittuun vertailupisteeseen. Siitä lähtien sitä käytetään laajasti englanninkielisissä maissa.

Alun perin Fahrenheit valitsi jään ja suolan seoksen lämpötilan alimpaan asetuspisteeseen ja asetti sen 0 °: ksi. Toiseksi pisteeksi hän valitsi ihmisen kehon lämpötilan ja asetti sen 100 asteeseen.

Ei ole yllättävää, että hänellä oli joitain vaikeuksia määritellä, mikä on "normaali" kehon lämpötila, koska se muuttuu koko päivän tai päivästä toiseen ilman, että henkilö on välttämättä sairas.

Osoittautuu, että on täysin terveitä ihmisiä, joiden ruumiinlämpö on 99,1 ºF, kun taas toisten kohdalla on normaalia, että niiden lämpötila on 98,6 ºF. Jälkimmäinen on väestön keskiarvo.

Joten Fahrenheit-asteikon vertailuarvojen piti muuttua veden jäätymispisteelle, joka asetettiin 32ºF: seen ja kiehumispisteeseen 212ºF. Lopuksi asteikko jaettiin 180 yhtä suureen väliin.

Muunna Fahrenheit-asteet celsiusasteiksi

Edellä esitetystä yhtälöstä seuraa, että:

Samalla tavoin voimme pitää sitä näin: Celsius-asteikolla on 100 astetta, kun taas Fahrenheit-asteikolla on 180 astetta. Joten jokaisella 1 ºC: n lisäyksellä tai laskulla on nousu tai lasku 1,8 ºF = (9/5) ºF

esimerkki

Löydä kaava, jolla voit siirtyä Fahrenheitistä Kelvinin asteikkoon käyttämällä aiempia yhtälöitä:

Tietäen, että: T _ºC = T _K - 273 ja korvaamalla jo johdettu yhtälö, meillä on:

T _ºC = T _K - 273

Siksi: T _ºF = (9/5) (T _K - 273) + 32 = (9/5) T _K - 459,4

Kelvin asteikko

Lordi Kelvin, William Thomson (1824–1907), ehdotti asteikkoa ilman mielivaltaisia ​​vertailupisteitä. Tämä on hänen nimensä mukainen ehdoton lämpötila-asteikko, joka ehdotettiin vuonna 1892. Siinä ei ole negatiivisia lämpötila-arvoja, koska absoluuttinen 0 on alin mahdollinen lämpötila.

0 K: n lämpötilassa molekyylien kaikki liikkeet ovat loppuneet kokonaan. Tämä on kansainvälisen järjestelmän (SI) asteikko, vaikka Celsius-asteikkoa pidetään myös lisäyksikkönä. Muista, että Kelvin-asteikolla ei käytetä "astetta", joten mikä tahansa lämpötila ilmaistaan ​​numeerisena arvona plus yksikkö, nimeltään "kelvin".

Toistaiseksi ei ole ollut mahdollista saavuttaa absoluuttista nollaa, mutta tutkijat ovat päässeet melko lähelle.

Itse asiassa alhaisiin lämpötiloihin erikoistuneissa laboratorioissa he ovat onnistuneet jäähdyttämään natriumnäytteet 700 nanokelviniiniin tai 700 x 1010 ^-9 kelviniin. Toisaalta, asteikon toista päätä kohti, tiedetään, että ydinräjähdys voi tuottaa vähintään 100 miljoonan kelvinin lämpötiloja.

Jokainen kelvini vastaa 1 / 273,16 osaa veden kolminkertaisen lämpötilan lämpötilasta. Tässä lämpötilassa veden kolme vaihetta ovat tasapainossa.

Kelvin-asteikko sekä Celsius- ja Fahrenheit-asteikot

Kelvinin ja Celsiuksen asteikon välinen suhde on noin 273,16 - 273:

Samoin korvaamalla saadaan yhteys Kelvin- ja Fahrenheit-asteikkojen välillä:

Rankine-asteikko

Rankine-asteikon ehdotti skotlantilainen syntymä insinööri William Rankine (1820-1872). Teollisen vallankumouksen edelläkävijä, hän antoi suuren panoksen termodynamiikkaan. Vuonna 1859 hän ehdotti absoluuttista lämpötila-asteikkoa, nollaksi -459,67 ° F: seen.

Tässä asteikossa asteiden koko on sama kuin Fahrenheit-asteikolla. Rankine-asteikkoa merkitään R: llä ja kuten Kelvin-asteikolla, sen arvoja ei kutsuta asteiksi vaan pikemminkin rankineiksi.

Täten:

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

Yhteenvetona, tässä ovat muunnokset, jotka ovat tarpeen siirtyäksesi Rankine-asteikolle mistä tahansa jo kuvatuista:

Kuva 2. Rankine-lämpötila-asteikon muunnokset. Lähde: F. Zapata.

Réaumur-asteikko

Toinen aikaisemmin käytetty lämpötila-asteikko on Réaumur-asteikko, jota merkitään asteina tai ºR. Se on tällä hetkellä käytöstä, vaikka sitä käytettiin laajalti Euroopassa, kunnes se syrjäytti Celsius-asteikolla.

Sen on luonut René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) noin 1731. Sen referenssit ovat: 0 ° R veden jäätymispisteelle ja 80 ° R kiehumispisteelle.

Kuten voidaan nähdä, se osuu Celsius-asteikkoon nollassa, mutta ei todellakaan muissa arvoissa. Se liittyy celsiusasteeseen:

Ja koska lämpötilojen on oltava samat, T _ºC = T _ºF = x, seuraa, että:

Kun T _ºC = -40 ºC, myös T _ºF = -40 ºF

Harjoitus 2

Kattilasta tuleva höyry on lämpötilassa 610 ºR. Löydä lämpötila Fahrenheit-asteina ja Celsius-asteina.

Ratkaisu

Siksi käytetään Réaumur-asteikon kohdasta löytyviä vastaavuuksia: T _ºC = (5/4) T _ºR = (5/4). 610 ° C = 762,5 ° C.

Voit muuntaa tämän löytyneen arvon Fahrenheit-asteiksi tai käyttää toista mainituista tuloksista:

Tai tämä toinen, joka antaa saman tuloksen: T _ºR = (4/9) (T _ºF - 32)

Se on ratkaistu: T ° _F = (9/4) T ° _R + 32 = (9/4) 610 + 32 ° F = 1404,5 ° F.

Tulosyhteenveto

Yhteenvetona voidaan todeta, että seuraava taulukko tarjoaa muunnokset kaikista kuvatuista asteikoista:

Kuva 3. Lämpötila-asteikkojen muunnostaulukko. Lähde: F. Zapata.

Viitteet

1. Lämpötilavaa'at. Palautettu: thales.cica.es.
2. Knight, R. 2017. Fysiikka tutkijoille ja tekniikoille: strateginen lähestymistapa. Pearson.
3. Tillery, B. 2012. Fysiikka. McGraw Hill.
4. Wikipedia. Celsius-aste. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org
5. Wikipedia. Fahrenheit-tutkinto. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Rankinen. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.org.