Температура: физична величина, измерване и скали (Целзий, Фаренхайт, Келвин)

Научете всичко за температурата, термометрите и измерванията: скали Целзий, Фаренхайт, Келвин, практични обяснения и бързи преобразувания.

Температурата е колко горещо или студено е нещо. Телата ни усещат разликата между горещо и студено нещо, но за точно и повторяемо измерване се използват инструменти. За по-точно измерване на температурата може да се използва термометър. Термометрите отчитат температурата по определена температурна скала. Скалата, използвана в по-голямата част от света, е в градуси по Целзий, понякога наричана "сантиградус". В САЩ и някои други страни по-често се използват градуси по Фаренхайт, докато учените използват предимно келвини за измерване на температурата, тъй като тя никога не пада под нулата (в абсолютната скала).

От научна гледна точка температурата е физична величина, която описва колко бързо се движат молекулите в даден материал. В твърдите тела и течностите молекулите вибрират около фиксирана точка във веществото, но в газовете те са в свободен полет и се отблъскват една от друга, докато се движат. В един газ температурата, налягането и обемът на газа са тясно свързани по силата на физичен закон (напр. уравнението на идеалния газ). Температурата е интензивно свойство — тя не зависи от количеството на веществото, а описва състоянието на топлинна енергия в системата.

Закон за топлинно равновесие (нулев закон на термодинамиката)

Нулевият закон на термодинамиката гласи, че ако две системи са във топлинно равновесие с трета система, то те са в топлинно равновесие и помежду си. Този принцип позволява използването на термометри за сравнение и измерване на температура — термометърът се поставя в контакт със системата и, когато достигне равновесие, показва нейната температура.

Температурни скали и преобразувания

Най-често срещаните скали са:

• Целзий (°C) — при стандартно атмосферно налягане точките на замръзване и кипене на водата са 0 °C и 100 °C. Скалата исторически е базирана на тези две точки, но днес дефинициите са свързани с тройната точка на водата (0.01 °C).
• Фаренхайт (°F) — в САЩ и някои други места все още широко използвана. Точките на замръзване и кипене на водата са 32 °F и 212 °F.
• Келвин (K) — международната SI единица за температура. Нулата на скалата (0 K) е абсолютната нула, при която средната кинетична енергия на частиците е минимална. Келвините се използват особено в науката и техниката; 0 °C е равно на 273.15 K.

Чести формули за преобразуване:

• От Целзий към Фаренхайт: °F = °C × 9/5 + 32
• От Фаренхайт към Целзий: °C = (°F − 32) × 5/9
• От Целзий към Келвин: K = °C + 273.15
• От Келвин към Целзий: °C = K − 273.15

За ориентир: абсолютната нула е −273.15 °C = 0 K = −459.67 °F.

Как се измерва температурата — видове термометри

Има различни принципи и конструкции за измерване на температура:

• Жидко-стъклени термометри — например с живак или оцветен алкохол. Работят на принципа на термичното разширение на течността в капилярна тръба. Живачните термометри предлагат добра точност и широк температурен обхват, но се ограничават поради токсичността на живак.
• Резистивни термометри (RTD, термистори) — променят електрическото си съпротивление с температурата. Често използвани в лаборатории и индустрия за прецизни измервания.
• Термодвойки (термопари) — два различни метала, съединени в една точка, генерират напрежение, зависящо от температурата. Подходящи за много широк обхват на температури и индустриални условия.
• Дигитални контактни термометри — използват вътрешни сензори (термистори или RTD) и предоставят бърз цифров отчет.
• Инфрачервени (безконтактни) термометри — измерват инфрачервеното излъчване на обект и са полезни при високи температури, въртящи се детайли или при нужда от бързи и хигиенични измервания (напр. телесна температура).

Изборът на термометър зависи от диапазона, точността и условията на измерване (контактно или безконтактно, агресивна среда, бърза динамика на промяна и т.н.). Винаги е важно калибриране и спазване на инструкциите за употреба, за да се получат надеждни резултати.

Научна връзка с енергията

Температурата е свързана със средната кинетична енергия на частиците в системата. При идеален газ средната кинетична енергия на една молекула е пропорционална на абсолютната температура (K) и константата на Болцман. Това осигурява връзката между макроскопичните величини (температура, налягане, обем) и микроскопичното движение на частиците.

Практически приложения и безопасност

• В ежедневието: измерване на телесна температура, готвене, климатични системи, хладилници и фризери.
• В индустрията: контрол на процеси, материали (термична обработка), енергетика и електроника.
• В науката: изследвания на ниски температури (криогеника), астрофизика (температура на звезди и космически обекти) и химия (реакционни кинетики).
• За безопасност: правилната интерпретация на температурни стойности е важна — например храни трябва да се съхраняват при подходящи температури, а човешката температура извън нормалните граници може да е признак за заболяване.

Температурата е фундаментална величина с широк спектър от приложения — от готвенето в кухнята до високотехнологични научни експерименти. Разбирането на различните скали, принципите на измерване и връзката ѝ с енергията помага както в ежедневието, така и в професионалните области.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява температурата?

В: Как можем да измерим температурата точно?

В: Каква скала се използва в по-голямата част от света за отчитане на температурата?

Въпрос: В кои страни по-често се използват градуси по Фаренхайт?

В: Каква скала използват учените най-често за измерване на температурата?

В: Как се движат молекулите в даден материал?

Въпрос: Има ли някакви физични закони, свързани с температурата, налягането и обема на газовете?

Търсене по буква