HŐMÉRŐ SKÁLÁK: KÉPLETEK, PÉLDÁK, MEGOLDOTT FELADATOK - FIZIKAI - 2026

A hőmérési skálakat használják a hőmérséklet mérésére, a rendszer hőenergiájának számszerűsítésére használt nagyságrendű skálán. A hőmérséklet mérésére használt eszköznek, azaz egy hőmérőnek, a méréshez skálát kell tartalmaznia.

A megfelelő skála felépítéséhez két referenciapontot kell vennie, és meg kell osztania az intervallumot közöttük. Ezeket a megosztásokat fokoknak nevezzük. Ily módon a mérendő tárgy hőmérsékletét, amely lehet a kávé, a fürdő vagy a test hőmérséklete, összehasonlíthatjuk a műszerre megjelölt referenciával.

1. ábra: Hőmérő Celsius skálán. Forrás: Pixabay.

A leggyakrabban használt hőmérsékleti skálák a Celsius, Fahrenheit, Kelvin és Rankine skálák. Mindegyik egyaránt alkalmas a hőmérséklet mérésére, mivel a referenciapontokként kiválasztott pontok tetszőlegesek.

A Celsius-skálán és a Fahrenheit-skálán egyaránt a skála nulla nem jelzi a hőmérséklet hiányát. Ezért relatív skálák. Másrészt, a Kelvin és a Rankine skála esetében a 0 a molekuláris aktivitás megszűnését jelenti, ezért abszolút skálának tekintjük őket.

Celsius-skála

Ezt a skálát a 18. századi svéd csillagász, Anders C. Celsius (1701–1744) találta ki 1735 körül. Nagyon intuitív, ez a skála a víz fagypontját és forráspontját használja normál légköri nyomáson (1 atm). mint referenciapontok.

A víz egy univerzális anyag, amely erre nagyon alkalmas, és értékeit könnyen meg lehet szerezni a laboratóriumban.

Celsius-skála szerint a víz fagyáspontja 0 ° C-nak, a forráspontja 100 ° C-nak felel meg, bár eredetileg Celsius javasolta nekik, és később a sorrend megfordult. E két referenciaérték között 100 azonos osztás van, ezért néha centigrad skálának hívják.

egyenértékűségek

A Celsius-fok és az egyéb hőmérsékleti skálák közötti egyenértékűség megállapításához két szempontot kell figyelembe venni:

-A Celsius-skála és a másik skála közötti kapcsolat lineáris, ezért a következő:

y = mx + b

- Tudnia kell mindkét skála referenciapontjait.

Példa: a Celsius és a Fahrenheit skála közötti egyenértékűség

Legyen T _{ºC legyen} a hőmérséklet a Celsius skála és a T _oF a hőmérséklet a Fahrenheit skála, tehát:

Ismert, hogy 0 ° C = 32 ° F és 100 ° C = 212 ° F. Kicseréljük ezeket az értékeket az előző egyenletben és így kapjuk meg:

Ez egy két lineáris egyenletből álló rendszer, két ismeretlenvel, amelyet az ismert módszerek bármelyikével meg lehet oldani. Például csökkentéssel:

________________

Az m ismeretében b helyettesítést kapunk:

Most összekapcsoljuk m és b értékeit ekvivalencia egyenletünkkel, hogy megkapjuk:

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

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

Ez az egyenlet lehetővé teszi a Fahrenheit-fok Celsius-fokos átadását közvetlenül, csak az érték beírásával, ahol T ° _F jelenik meg.

Példa: a Celsius és a Kelvin skála közötti egyenértékűség

Számos kísérletet hajtottak végre a hőmérséklet abszolút nullajának mérésére, azaz az értékre, amelynek teljes molekuláris aktivitása eltűnik egy gázban. Ez a hőmérséklet -273 ºC körüli.

Legyen T _K a hőmérséklet kelvinben - a „fok” szót nem használjuk erre a skálára - az ekvivalencia:

Vagyis a skálák abban különböznek abban, hogy a Kelvin-skála nem rendelkezik negatív értékekkel. A Celsius – Fahrenheit kapcsolatban a vonal meredeksége egyenlő 5/9-mal, ebben az esetben 1-gyel.

A kelvin és a Celsius fok azonos méretű, csak hogy a Kelvin-skála, amint az az előbbiekből látható, nem tartalmazza a negatív hőmérsékleti értékeket.

Fahrenheit skála

Daniel Fahrenheit (1686–1736) lengyel származású, német eredetű fizikus. 1715 körül Fahrenheit hőmérőt készített egy két önkényesen kiválasztott referenciapont alapján skálán. Azóta széles körben használják az angol nyelvű országokban.

A Fahrenheit eredetileg a jég és só keverékének hőmérsékletét választotta az alsó alapértékre, és 0 ° -ra állította. A másik ponthoz kiválasztotta az emberi test hőmérsékletét, és 100 fokra állította be.

Nem meglepő, hogy néhány nehézséget okozott annak meghatározásakor, hogy mi a "normál" testhőmérséklet, mivel az egész nap folyamán változik, vagy egyik napról a másikra anélkül, hogy az ember szükségszerűen beteg lenne.

Kiderül, hogy teljesen egészséges emberek vannak, akiknek testhőmérséklete 99,1ºF, mások esetében normális a 98,6ºF. Ez utóbbi az általános népesség átlagos értéke.

Tehát a Fahrenheit-skála referenciapontjainak meg kellett változniuk a víz fagypontjának, amelyet 32 ​​° F-ra állítottak be, és a forráspontot 212 ° F-re állították. Végül a skálát 180 egyenlő intervallumra osztottuk.

Konvertálja Fahrenheit fok Celsius fokba

A fenti egyenletből következik, hogy:

Ugyanígy tekinthetjük így: a Celsius-skála 100 fok, a Fahrenheit-skála pedig 180 fok. Tehát minden 1 ºC-os növekedés vagy csökkenés esetén 1,8 ºF = (9/5) ºF növekedést vagy csökkenést tapasztalunk.

Példa

Az előző egyenletek felhasználásával keressen egy képletet, amely lehetővé teszi Fahrenheit és Kelvin skála közötti átmenetet:

Tudva, hogy: T _ºC = T _K - 273, és helyettesítve a már kiszámított egyenletet, megkapjuk:

T _ºC = T _K - 273

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

Kelvin skála

William Thomson (1824–1907), Lord Kelvin, önkényes referenciapontok nélküli skálát javasolt. Ez az abszolút hőmérsékleti skála, amely a nevét viseli, 1892-ben javasolt. Ennek nincs negatív hőmérsékleti értéke, mivel az abszolút 0 a lehető legalacsonyabb hőmérséklet.

0 K hőmérsékleten a molekulák mozgása teljesen leállt. Ez a Nemzetközi Rendszer (SI) skála, bár a Celsius skálát kiegészítő egységnek is tekintik. Ne felejtse el, hogy a Kelvin-skála nem használja "fokokat", tehát a hőmérsékletet numerikus értékben és a "kelvin" egységgel együtt fejezik ki.

Eddig nem sikerült elérni az abszolút nullát, de a tudósok nagyon közel álltak egymáshoz.

Valóban, a laboratóriumok szakosodott alacsony hőmérsékleten, hogy sikerült hűlni nátrium mintákat 700 nanokelvin vagy 700 x 1010 ^-9 kelvin. Másrészt a skála másik vége felé ismeretes, hogy egy nukleáris robbanás legalább 100 millió kelvin hőmérsékletet generálhat.

Minden kelvin megfelel a víz hármas pontjának hőmérsékletének 1 / 273,16 részének. Ezen a hőmérsékleten a víz három fázisa egyensúlyban van.

Kelvin skála és Celsius és Fahrenheit skála

A Kelvin és a Celsius skála közötti kapcsolat 273,16-tól 273-ig terjed:

Hasonlóképpen, helyettesítéssel kapcsolatokat kapunk a Kelvin és a Fahrenheit skála között:

Rankine skála

A Rankine skálát William Rankine, skót születésű mérnök javasolta (1820-1872). Az ipari forradalom úttörőjeként nagyban hozzájárult a termodinamika fejlesztéséhez. 1859-ben abszolút hőmérsékleti skálát javasolt, amely nullát −459,67 ° F-ra állít.

Ezen a skálán a fokok megegyeznek a Fahrenheit skálával. A Rankine skálát R-vel jelöljük, és a Kelvin skálához hasonlóan értékeit nem fokoknak, hanem inkább rankinek nevezzük.

Így:

0 K = 0 R = –459,67 ° F = –273,15 ° C

Összefoglalva: Itt vannak a szükséges átalakítások a Rankine skála eléréséhez a már leírtak közül:

2. ábra. Rankin hőmérsékleti skálakonverzió. Forrás: F. Zapata.

Réaumur skála

Egy másik korábban használt hőmérsékleti skála a Réaumur skála, amelyet fokok vagy ºR-nek jelölnek. Jelenleg nincs használatban, bár Európában széles körben használták, amíg a Celsius-skála el nem mozdította.

René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) készítette 1731 körül. Hivatkozásai: 0 ° R a víz fagypontjára és 80 ° R a forráspontra.

Mint látható, egybeesik a Celsius-skálán nullával, de a többi értéknél természetesen nem. A százados skálához kapcsolódik:

Mivel a hőmérsékleteknek egybeesniük kell, akkor T _ºC = T _ºF = x, ebből következik:

Ha T _ºC = -40 ºC, akkor is T _ºF = -40 ºF

2. gyakorlat

A kazánból kijövő gőz hőmérséklete 610 ºR. Keresse meg a hőmérsékletet Fahrenheit-fokban és Celsius-fokban.

Megoldás

A Réaumur skála szakaszában található egyenértékűségeket kell használni, ezért: T _ºC = (5/4) T _ºR = (5/4). 610 ° C = 762,5 ° C.

Ezután konvertálhatja ezt a megállapított értéket Fahrenheit fokra, vagy felhasználhatja a fent említett konverziók egy másik számát:

Vagy ez a másik, amely ugyanazt az eredményt adja: T _ºR = (4/9) (T _ºF - 32)

_Megoldjuk: T _ºF = (9/4) T _ºR + 32 = (9/4) 610 + 32 ºF = 1404,5 ºF.

Konverziók összefoglalása

Összegezve: a következő táblázat az összes leírt skála konverzióit tartalmazza:

3. ábra. A hőmérsékleti skálák átváltási táblázata. Forrás: F. Zapata.

Irodalom

1. Hőmérsékleti mérlegek. Helyreállítva: thales.cica.es.
2. Knight, R. 2017. Fizika tudósok és mérnökök számára: stratégiai megközelítés. Pearson.
3. Tillery, B. 2012. Fizikai tudomány. McGraw Hill.
4. Wikipedia. Celsius fok. Helyreállítva: es.wikipedia.org
5. Wikipedia. Fahrenheit fok. Helyreállítva: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Rankine. Helyreállítva: es.wikipedia.org.