Cele mai importante aspecte ale lecției
Corpurile au stări termice diferite (valori ale temperaturii diferite) și ajung la echilibru termic când sunt puse în contact, prin transfer spontan de căldură de la cel cald la cel rece (conducție, convecție sau radiație).
Temperatura se măsoară în Sistemul Internațional în Kelvin (\(\text{K}\)), dar uzual folosim scara Celsius (\(^\circ \text{C}\)). Legătura matematică între acestea este \(T(\text{K}) = t(^\circ \text{C}) + 273,15\), iar pentru orice variație sau diferență de căldură, ecartul este identic: \(\Delta T(\text{K}) = \Delta t(^\circ \text{C})\).
Temperatura se măsoară în Sistemul Internațional în Kelvin (\(\text{K}\)), dar uzual folosim scara Celsius (\(^\circ \text{C}\)). Legătura matematică între acestea este \(T(\text{K}) = t(^\circ \text{C}) + 273,15\), iar pentru orice variație sau diferență de căldură, ecartul este identic: \(\Delta T(\text{K}) = \Delta t(^\circ \text{C})\).
Starea termică (gradul de încălzire) reprezintă o proprietate obiectivă a corpurilor de a fi mai calde sau mai reci.
Contactul termic reprezintă interacțiunea termică dintre două sau mai multe corpuri cu stări termice diferite puse împreună.
Echilibrul termic este starea la care ajung corpurile aflate în contact termic după un timp suficient de lung, moment în care ele vor avea exact același grad de încălzire (aceeași temperatură).
Principiul tranzitivității echilibrului termic:
Dacă un corp A este în echilibru termic cu un corp B, iar corpul B este în echilibru termic cu un corp C, atunci corpul A este în echilibru termic cu corpul C.
Dacă un corp A este în echilibru termic cu un corp B, iar corpul B este în echilibru termic cu un corp C, atunci corpul A este în echilibru termic cu corpul C.
Dacă două corpuri au stări termice diferite, la punerea lor în contact se va transfera spontan căldură de la corpul mai cald la corpul mai rece. Acest transfer are loc în trei moduri:
Prin conducție: necesită contact direct între corpuri (ex. o linguriță se încălzește într-o cană cu ceai fierbinte).
Prin convecție: se realizează prin intermediul unui fluid în mișcare (ex. încălzirea aerului deasupra unei flăcări).
Prin radiație: nu necesită un mediu material, propagându-se și prin vid (ex. încălzirea Pământului de la Soare).
Temperatura este mărimea fizică necesară și suficientă pentru a caracteriza obiectiv starea de încălzire și echilibrul termic al unui corp.
În Sistemul Internațional de Unități (SI), unitatea fundamentală de măsură pentru temperatură este Kelvinul (\(K\)).
Pentru a măsura temperatura se folosesc diverse instrumente:
- Termometrul: măsoară temperatura prin contact. Orice termometru are un corp termometric (ex. lichid, gaz, metal) caracterizat de o mărime termometrică ce variază (de preferat liniar) cu temperatura (ex. volumul sau lungimea coloanei de lichid).
- Pirometrul: măsoară temperatura la distanță, fără contact, detectând radiația termică a corpurilor (util pentru corpuri foarte fierbinți).
Variația mărimii termometrice trebuie să fie uniformă, astfel încât fiecărui grad de încălzire să îi corespundă o valoare unică a temperaturii.
O scară de temperatură necesită două repere fixe (stări de încălzire ușor de reprodus), între care intervalul este divizat într-un anumit număr de părți egale numite grade. Reperele standard sunt stabilite folosind apa pură la presiune atmosferică normală.
| Scara de temperatură | Reper 1: Înghețul apei (Gheață pură) | Reper 2: Fierberea apei | Număr de diviziuni (grade) |
|---|---|---|---|
| Celsius (\(^\circ \text{C}\)) | \(0^\circ \text{C}\) | \(100^\circ \text{C}\) | 100 |
| Fahrenheit (\(^\circ \text{F}\)) | \(32^\circ \text{F}\) | \(212^\circ \text{F}\) | 180 |
| Kelvin (\(\text{K}\)) | \(\approx 273 \text{ K}\) (\(273,15 \text{ K}\)) | \(\approx 373 \text{ K}\) (\(373,15 \text{ K}\)) | 100 |
Transformarea între scara Celsius (\(t\)) și scara absolută Kelvin (\(T\)):
\[ T(\text{K}) = t(^\circ \text{C}) + 273,15 \]
Notă: În calcule se folosește adesea valoarea rotunjită de 273.
Deoarece atât scara Celsius, cât și scara Kelvin au același număr de diviziuni între cele două repere (100 de părți egale), o variație de temperatură este numeric identică în ambele scări:
\[ \Delta t(^\circ \text{C}) = \Delta T(\text{K}) \]
Dacă temperatura unei camere crește de la \(20^\circ \text{C}\) la \(25^\circ \text{C}\), variația este \(\Delta t = 5^\circ \text{C}\). Pe scara Kelvin, temperaturile sunt \(293 \text{ K}\) și \(298 \text{ K}\), obținând aceeași variație: \(\Delta T = 5 \text{ K}\).
Probleme de antrenament
Ușoară: Transformă temperatura corpului uman de \(37^\circ \text{C}\) în Kelvin (considerând \(T_0 = 273 \text{ K}\)).
Folosim formula de transformare: \(T(\text{K}) = t(^\circ \text{C}) + 273\)
\(T(\text{K}) = 37 + 273 = 310 \text{ K}\).
\(T(\text{K}) = 37 + 273 = 310 \text{ K}\).
Ușoară: La o stație meteo se înregistrează o scădere de temperatură de \(12 \text{ K}\). Cât reprezintă această variație în grade Celsius?
Conform regulii variației de temperatură, diferența este numeric egală: \(\Delta t(^\circ \text{C}) = \Delta T(\text{K})\).
Prin urmare, variația de temperatură este de \(12^\circ \text{C}\).
Prin urmare, variația de temperatură este de \(12^\circ \text{C}\).
Medie: Corpul A are o temperatură de \(310 \text{ K}\), iar corpul B are o temperatură de \(45^\circ \text{C}\). Dacă cele două corpuri sunt puse în contact termic, de la care corp va fi cedată căldura și cum se numește procesul prin care se stabilizează stările lor termice? (Aproximează \(T_0 = 273\)).
Pentru a compara temperaturile, le exprimăm în aceeași scară. Transformăm temperatura corpului A în grade Celsius:
\(t_A = T_A - 273 = 310 - 273 = 37^\circ \text{C}\).
Deoarece \(t_B = 45^\circ \text{C} > t_A = 37^\circ \text{C}\), căldura se va transmite de la corpul B (mai cald) la corpul A (mai rece).
După un timp, ele vor ajunge la aceeași temperatură, proces numit atingerea echilibrului termic.
\(t_A = T_A - 273 = 310 - 273 = 37^\circ \text{C}\).
Deoarece \(t_B = 45^\circ \text{C} > t_A = 37^\circ \text{C}\), căldura se va transmite de la corpul B (mai cald) la corpul A (mai rece).
După un timp, ele vor ajunge la aceeași temperatură, proces numit atingerea echilibrului termic.
Dificilă: Apa pură este încălzită la presiune atmosferică normală de la starea sa de îngheț până la fierbere. Exprimă intervalul de încălzire (variația) în grade Fahrenheit și explică de ce acest număr este diferit față de scara Celsius.
Reperul 1 (înghețul apei) pe scara Fahrenheit este \(32^\circ \text{F}\).
Reperul 2 (fierberea apei) pe scara Fahrenheit este \(212^\circ \text{F}\).
Variația este: \(\Delta t(^\circ \text{F}) = 212 - 32 = 180^\circ \text{F}\).
Explicație: Pe scara Celsius variația este de \(100^\circ \text{C}\) deoarece intervalul a fost convențional împărțit în 100 de diviziuni. Pe scara Fahrenheit, același interval termic a fost împărțit în 180 de diviziuni, ceea ce înseamnă că mărimea "unui grad" este diferită în cele două scări.
Reperul 2 (fierberea apei) pe scara Fahrenheit este \(212^\circ \text{F}\).
Variația este: \(\Delta t(^\circ \text{F}) = 212 - 32 = 180^\circ \text{F}\).
Explicație: Pe scara Celsius variația este de \(100^\circ \text{C}\) deoarece intervalul a fost convențional împărțit în 100 de diviziuni. Pe scara Fahrenheit, același interval termic a fost împărțit în 180 de diviziuni, ceea ce înseamnă că mărimea "unui grad" este diferită în cele două scări.
