SCĂRI TERMOMETRICE: FORMULE, EXEMPLE, EXERCIȚII REZOLVATE - FIZIC - 2025

Cele scale termometrice sunt cele utilizate în măsurarea temperaturii, scală de magnitudine utilizată pentru a cuantifica energia termică a unui sistem. Dispozitivul folosit pentru măsurarea temperaturii, adică un termometru, trebuie să încorporeze o scală pentru a putea lua citirea.

Pentru a construi o scară corespunzătoare, trebuie să luați două puncte de referință și să împărțiți intervalul între ele. Aceste diviziuni se numesc grade. În acest fel, temperatura obiectului de măsurat, care poate fi temperatura cafelei, a băii sau a corpului, este comparată cu referința marcată pe instrument.

Figura 1. Termometru gradat pe scara Celsius. Sursa: Pixabay.

Scările de temperatură cele mai utilizate sunt cântarele Celsius, Fahrenheit, Kelvin și Rankine. Toate sunt la fel de potrivite pentru măsurarea temperaturii, deoarece punctele selectate ca puncte de referință sunt arbitrare.

Atât în ​​scala Celsius, cât și în Fahrenheit, zero al scării nu indică absența temperaturii. Din acest motiv sunt solzi relative. Pe de altă parte, pentru scara Kelvin și scara Rankine, 0 reprezintă încetarea activității moleculare, de aceea sunt considerate scale solide.

Scara Celsius

Această scară a fost inventată de astronomul suedez Anders C. Celsius (1701–1744) din secolul 18, în jurul anului 1735. Foarte intuitivă, această scară folosește punctul de îngheț și punctul de fierbere al apei la presiune atmosferică normală (1 atm) ca puncte de referință.

Apa este o substanță universală foarte potrivită pentru acest lucru, iar valorile sale sunt ușor de obținut în laborator.

La scara Celsius, punctul de înghețare a apei este cel care corespunde la 0 ° C și punctul de fierbere la 100 ° C, deși inițial Celsius le-a propus invers și ulterior ordinea a fost inversată. Între aceste două valori de referință există 100 de diviziuni identice, motiv pentru care uneori este denumită scara centigradă.

echivalențe

Pentru a stabili o echivalență între grade Celsius și alte scale de temperatură, trebuie luate în considerare două aspecte:

-Relația dintre scara Celsius și cealaltă scară este liniară, de aceea are forma:

y = mx + b

-Trebuie să știi punctele de referință ale ambelor scale.

Exemplu: echivalență între scalele Celsius și Fahrenheit

Fie T _ºC temperatura pe scala Celsius și T _ºF temperatura pe scala Fahrenheit, prin urmare:

Se știe că 0ºC = 32ºF și 100ºC = 212ºF. Înlocuim aceste valori în ecuația anterioară și obținem:

Acesta este un sistem de două ecuații liniare cu două necunoscute, care poate fi rezolvat prin oricare dintre metodele cunoscute. De exemplu, prin reducere:

________________

Cunoscând m, obținem b prin substituție:

Acum conectăm valorile lui m și b la ecuația noastră de echivalență pentru a obține:

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

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

Această ecuație permite trecerea gradelor Fahrenheit în grade Celsius direct, doar tastând valoarea unde apare T _ºF .

Exemplu: echivalență între scalele Celsius și Kelvin

Multe experimente au fost efectuate pentru a încerca să măsoare zero absolut de temperatură, adică valoarea pentru care toată activitatea moleculară dispare într-un gaz. Această temperatură este aproape de -273 ºC.

Fie T _K temperatura în kelvin - cuvântul „grad” nu este folosit pentru această scară -, echivalența este:

Adică, cântarul diferă prin faptul că scara Kelvin nu are valori negative. În relația Celsius - Fahrenheit, panta liniei este egală cu 5/9 și în acest caz este egală cu 1.

Kelvins și grade Celsius au aceeași dimensiune, doar că scara Kelvin, așa cum se poate observa din cele de mai sus, nu include valori negative ale temperaturii.

Scara Fahrenheit

Daniel Fahrenheit (1686-1736) a fost un fizician polonez de origine germană. În jurul anului 1715, Fahrenheit a realizat un termometru cu o scară bazată pe două puncte de referință alese arbitrar. De atunci este utilizat pe scară largă în țările de limbă engleză.

Inițial Fahrenheit a ales temperatura unui amestec de gheață și sare pentru punctul de referință inferior și a setat-o ​​ca 0 °. Pentru celălalt punct, el a selectat temperatura corpului uman și a setat-o ​​la 100 de grade.

Nu este surprinzător că a avut probleme să stabilească care este temperatura „normală” a corpului, pentru că se schimbă pe parcursul zilei sau de la o zi la alta, fără ca persoana să fie neapărat bolnavă.

Se dovedește că există oameni total sănătoși, cu temperatura corpului de 99,1 ºF, în timp ce pentru alții este normal să aibă 98,6 ºF. Aceasta din urmă este valoarea medie pentru populația generală.

Așadar, punctele de referință ale scării Fahrenheit au trebuit să se schimbe pentru punctul de îngheț al apei, care a fost setat la 32ºF și punctul de fierbere la 212ºF. În cele din urmă, scara a fost împărțită în 180 de intervale egale.

Convertiți grade Fahrenheit în grade Celsius

Din ecuația prezentată mai sus, rezultă că:

În același mod, îl putem considera astfel: scara Celsius are 100 de grade, în timp ce scara Fahrenheit are 180 de grade. Deci, pentru fiecare creștere sau scădere de 1 ºC, există o creștere sau o scădere de 1,8 ºF = (9/5) ºF

Exemplu

Folosind ecuațiile anterioare, găsiți o formulă care vă permite să treceți de la Fahrenheit la scara Kelvin:

Știind că: T _ºC = T _K - 273 și înlocuind ecuația deja dedusă, avem:

T _ºC = T _K - 273

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

Scara Kelvin

William Thomson (1824–190), Lord Kelvin, a propus o scară fără puncte de referință arbitrare. Aceasta este scala de temperatură absolută care îi poartă numele, propusă în 1892. Nu are valori de temperatură negative, deoarece 0 absolut este cea mai mică temperatură posibilă.

La temperatura de 0 K orice mișcare a moleculelor a încetat complet. Aceasta este scara sistemului internațional (SI), deși scara Celsius este considerată și o unitate accesorie. Nu uitați că scara Kelvin nu folosește „grade”, deci orice temperatură este exprimată ca valoare numerică plus unitatea, numită „kelvin”.

Până acum nu a fost posibil să se ajungă la zero absolut, dar oamenii de știință au ajuns destul de aproape.

Într-adevăr, în laboratoarele specializate în temperaturi scăzute, au reușit să răcească probele de sodiu la 700 nanokelvin sau 700 x 1010 ^-9 kelvin. Pe de altă parte, spre celălalt capăt al scării, se știe că o explozie nucleară poate genera temperaturi de 100 sau mai multe milioane de kelvin.

Fiecare kelvin corespunde cu 1 / 273,16 părți ale temperaturii punctului triplu al apei. La această temperatură cele trei faze ale apei sunt în echilibru.

Scara Kelvin și Celsius și Fahrenheit

Relația dintre scalele Kelvin și Celsius este cuprinsă între 273.16 și 273:

În mod similar, prin substituție, se obține o relație între scalele Kelvin și Fahrenheit:

Scara Rankine

Scara Rankine a fost propusă de William Rankine, un inginer originar din Scoția (1820-1872). Pionier al revoluției industriale, a adus contribuții mari la termodinamică. În 1859 a propus o scală de temperatură absolută, stabilind zero la -459,67 ° F.

Pe această scară dimensiunea gradelor este aceeași ca și pe scara Fahrenheit. Scara Rankine este notată ca R și ca și în cazul scării Kelvin, valorile sale nu se numesc grade, ci mai degrabă ranine.

Prin urmare:

0 K = 0 R = −459,67 ° F = - 273,15 ºC

În rezumat, aici sunt conversiile necesare pentru a merge la scara Rankine din oricare dintre cele descrise deja:

Figura 2. Conversiile scării temperaturii Rankine. Sursa: F. Zapata.

Scara Réaumur

O altă scară de temperatură folosită anterior este scara Réaumur, care este notată ca grade sau ºR. În prezent este în uz, deși a fost utilizat pe scară largă în Europa până când a fost deplasat de scara Celsius.

A fost creat de René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) în jurul anului 1731. Referințele sale sunt: ​​0 ° R pentru punctul de îngheț al apei și 80 ° R pentru punctul de fierbere.

După cum se poate observa, aceasta coincide cu scara Celsius la zero, dar cu siguranță nu la celelalte valori. Este legat de scara centigradă prin:

Deoarece temperaturile trebuie să coincidă, atunci T _ºC = T _ºF = x, rezultă că:

Când T _ºC = -40 ºC, de asemenea T _ºF = -40 ºF

Exercițiul 2

Aburul care iese dintr-un cazan este la o temperatură de 610 ºR. Găsiți temperatura în grade Fahrenheit și în grade Celsius.

Soluţie

Se folosesc echivalențele găsite în secțiunea scării Réaumur: T _ºC = (5/4) T _ºR = (5/4). 610 ° C = 762,5 ° C.

Puteți apoi să convertiți această valoare găsită în grade Fahrenheit sau să folosiți o altă conversie menționată:

Sau altul, care dă același rezultat: T _ºR = (4/9) (T _ºF - 32)

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

Rezumatul conversiilor

În rezumat, tabelul următor oferă conversiile pentru toate scalele descrise:

Figura 3. Tabelul conversiilor pentru scalele de temperatură. Sursa: F. Zapata.

Referințe

1. Scări de temperatură. Recuperat din: thales.cica.es.
2. Knight, R. 2017. Fizica oamenilor de știință și inginerie: o abordare strategică. Pearson.
3. Tillery, B. 2012. Știința fizică. McGraw Hill.
4. Wikipedia. Grad Celsius. Recuperat de la: es.wikipedia.org
5. Wikipedia. Grad Fahrenheit. Recuperat de la: es.wikipedia.org.
6. Wikipedia. Rankine. Recuperat de la: es.wikipedia.org.