Kort definition av temperatur inom fysiken
Temperatur är ett mått på hur varmt eller kallt något är, men mer specifikt och när vi tar på oss fysikglasögonen, representerar temperaturen den genomsnittliga kinetiska energin av atomer/molekyler hos ett ämne. När dessa partiklar rör sig snabbare (det vill säga när ett objekt är varmt), har de högre kinetisk energi, och således en högre temperatur.
Formel för temperatur
De vanligaste formlerna du kommer använda när du räknar på temperatur är den för specifik värmekapacitet samt den ideala gaslagen.
Specifik värmekapacitet beskriver mängden energi som behövs för att ändra temperaturen på en enhetsmassa av ett ämne med en grad. Den ges av: c=m⋅ΔT*Q Där:
- c är den specifika värmekapaciteten (oftast mätt i J/(kg·°C) eller J/(kg·K))
- Q är den tillförda värmeenergin (i joule)
- m representerar massan av ämnet (i kilogram)
- ΔT är temperaturförändringen (i Celsius eller Kelvin).
Ideala gaslagen relaterar en instängds gas tryck, volym och temperatur med varandra, antagande att gasen uppför sig ”idealt”. Den är definierad som: PV=nRT Där:
- P är trycket av gasen (i Pascal eller andra tryckenheter)
- V är volymen som gasen upptar (i kubikmeter)
- n är antalet molar av gasen
- R är den universella gaskonstanten (8.314 J/(mol·K) när temperaturen T är i Kelvin)
- T är temperaturen (i Kelvin).
Mer om temperatur
1. Temperaturskalor:
När vi pratar om hur varmt eller kallt det är ute, vilken skala använder du då? Troligtvis Celsius. Men du vet säkert att det beror på var du bor. Låt oss bryta ner de mest använda temperaturskalorna: Celsius, Fahrenheit och Kelvin.
- Celsius (°C): Kanske den mest kända skalan globalt. Uppkallad efter svensken Anders Celsius. Har du någonsin hört att vatten fryser vid 0 och kokar vid 100? Då tänker du på Celsius-skalan! Den är vanlig i Sverige och många andra länder.
- Fahrenheit (°F): Om du någonsin har funderat varför vissa människor säger att vatten fryser vid 32 och kokar vid 212, då tänker du på Fahrenheit. Denna skala är framför allt populär i USA.
- Kelvin (K): Den vetenskapliga skalan. Inget ”°” tecken här! Kelvin mäter temperatur från universums absolut kallaste punkt, kallad ”absolut noll”. En viktig detalj? 0 Kelvin = -273,15°C.
De viktigaste att komma ihåg är hur du omvandlar från Celsius till kelvin och tvärtom. Det är enkelt enligt denna formel!
- Från Celsius till Kelvin:
K=°C+273,15 - Från Kelvin till Celsius:
°C=K−273,15
2. Fysikaliska tillstånd och temperatur:
Temperaturens inverkan på ett ämnes tillstånd är central. När ett ämne värms upp kan det byta från ett fast tillstånd till flytande (smältning) och sedan till gas (kokning). Dessa övergångar inträffar vid specifika temperaturer kallade smältpunkt och kokpunkt. Olika ämnen har olika smält- och kokpunkter, till exempel bly smälter vid en mycket högre temperatur än is. Du har troligtvis en tabell över olika smält/kokpunkter i din formelsamling!
3. Värmeöverföring:
Det finns tre olika sätt som värme kan överföras. Dessa är ledning, konvektion och strålning:
- Ledning: sker när värmeöverföring sker direkt genom material, som när en ände av en metallstav värms upp och den andra änden blir varm. Eller när du lägger din hand på en varm platta, då överförs värmen från plattan till din hand och du bränner dig.
- Konvektion: Uppstår när vätskor eller gaser värms upp, blir lättare och stiger. Detta kan observeras i en kokande kastrull med vatten.
- Strålning: Denna överföring kräver inget medium och sker genom vakuum. Solens strålar är ett exempel på strålning.
4. Specifik värmekapacitet:
Specifik värmekapacitet är ett mått på hur mycket energi som krävs för att höja temperaturen på en viss mängd av ett ämne med en grad Celsius (eller Kelvin). Den definieras ofta som mängden energi som behövs för att ändra temperaturen på en gram av ett ämne med en grad. Enheten för specifik värmekapacitet är vanligtvis J/(g⋅°C) eller J/(g⋅K).
En hög specifik värmekapacitet innebär att ett ämne kan absorbera mycket energi utan att dess temperatur stiger mycket. Vatten är ett exempel på ett ämne med hög specifik värmekapacitet, vilket är en anledning till att det är så effektivt för att kyla kroppen – det kan absorbera mycket av kroppens överskottsenergi utan att värmas upp för mycket.
Formeln för att beräkna mängden energi (Q) som behövs för att ändra temperaturen på ett ämne är:
Q=m×c×ΔT
Där:
- Q är den energimängd som absorberas eller frigörs (i joule, J).
- m är massan av ämnet (i gram, g).
- c är den specifika värmekapaciteten för ämnet (i J/(g⋅°C)).
- ΔT är temperaturändringen (i °C eller K).
Exempeluppgift
En kopp innehåller 250 gram vatten. Hur mycket energi (i joule) behövs för att höja temperaturen på vattnet från 20°C till 80°C? Den specifika värmekapaciteten för vatten är ungefär 4,18J/(g⋅°C).
Lösningsförslag
Först, räkna ut temperaturändringen: ΔT=80°C−20°C=60°C
Använd formeln för att beräkna energimängden: Q=m×c×ΔT Q=250g×4,18J/(g⋅°C)×60°C => Q=62700J
Så, det behövs 62700 joule för att höja temperaturen på vattnet från 20°C till 80°C.
5. Termisk expansion:
All materia består av partiklar – atomer och molekyler – som ständigt rör sig. Den rörelsen ökar med temperaturen. När ett material värms upp, accelererar dess partiklar, vilket resulterar i att de skjuter iväg från varandra och tar upp mer utrymme. Detta fenomen kallas termisk expansion.
Termisk expansion kan observeras i många olika sammanhang och är särskilt viktigt i tekniska och konstruktionsrelaterade tillämpningar. Olika material har olika ”termisk expansionskoefficienter”, vilket innebär att de expanderar i olika grad vid temperaturförändringar. Har du tänkt på att det alltid guppar till när man kör över en bro? Det är på grund av att spåren på broar utformade för att ta hänsyn till termisk expansion. Under heta sommardagar kan stora broar expandera flera centimeter. Om inte denna expansion togs hänsyn till i konstruktionen, kunde broar bli deformerade eller till och med kollapsa.
Varför sker termisk expansion?
Vid en molekylär nivå kan energin från värmen ses som kinetisk energi (rörelseenergi) för partiklarna i materialet. När denna energi ökar genom uppvärmning, börjar partiklarna vibrera snabbare och med större amplituder. Denna ökade rörelse leder till att de skjuter ifrån varandra. Följaktligen ökar avståndet mellan partiklarna, vilket ger upphov till termisk expansion.
6. Att mäta temperatur, hur gör man?
Det finns en mängd olika termometrar, var och en med sina egna specifika användningsområden. Kvicksilvertermometrar, till exempel, utnyttjar kvicksilvrets egenskap att expandera och kontrahera jämnt med temperaturändringar. Digitala termometrar, å andra sidan, använder elektriska sensorer för att mäta temperatur.
7. Absoluta nollpunkten:
Absoluta nollpunkten representerar den teoretiskt lägsta möjliga temperaturen i universum, där all molekylär och atomär rörelse upphör. Vid denna temperatur har ett system nått sin lägsta möjliga energinivå. Absoluta nollpunkten motsvarar -273,15°C på Celsiusskalan eller -459,67°F på Fahrenheit-skalan. På Kelvin-skalan, som är en absolut temperaturskala, representeras absoluta nollpunkten som 0 K.
8. Har du förstått?
- Vad representerar temperaturen ur en fysikalisk synvinkel?
- a) Den genomsnittliga volymen av ett ämne.
- b) Hur kallt eller varmt något känns.
- c) Den genomsnittliga kinetiska energin av atomer/molekyler i ett ämne.
- d) Avståndet mellan atomer i ett ämne.
- Vid vilken temperatur (i Celsius) är Kelvin-skalan 0?
- a) 0°C
- b) -100°C
- c) -273,15°C
- d) 273,15°C
- Vilken överföringsmetod innefattar inte ett medium och kan ske genom vakuum?
- a) Ledning
- b) Konvektion
- c) Strålning
- d) Ingen av ovan
Facit: 1. c, 2. c, 3. c
För mer hjälp med fysik besök vår begreppssamling med förklaringar eller uppgiftsbank med övningsuppgifter om fysikbegrepp och koncept och såklart finns det lösningar! Allt för att du ska förstå fysiken så bra som möjligt. Du hittar även en komplett formelsamling som du får ta med dig till Kursprovet! Och kom ihåg, oavsett om du är en student som behöver hjälp med dina fysikuppgifter eller bara nyfiken på ett begrepp, finns det alltid hjälp att få, och nya saker att lära!
