Cele mai importante aspecte ale lecției
Corpurile aflate în contact termic ajung, în timp, la echilibru termic, adică la aceeași temperatură. Temperatura este o mărime obiectivă, a cărei unitate de măsură în SI este Kelvinul (\(\text{K}\)). Măsurarea ei se face cu termometrul, un dispozitiv ce se bazează pe variația unei mărimi termometrice (ex: volum, lungime) a unui corp termometric. Termometrele dispun de o scară de temperatură (precum Celsius), obținută prin etalonare pe baza a două repere reproductibile (ex: înghețarea și fierberea apei). Conform principiului tranzitivității, corpuri aflate succesiv în echilibru unele cu altele au aceeași temperatură.
Corpurile din natură au un anumit grad de încălzire, care le definește starea termică. Spre deosebire de senzațiile subiective de „cald” sau „rece”, starea termică este o proprietate obiectivă ce poate fi măsurată.
Contactul termic: Interacțiunea dintre două sau mai multe corpuri cu stări de încălzire diferite, puse împreună.
Echilibrul termic: Starea la care ajung corpurile aflate în contact termic, după un timp suficient de lung, caracterizată prin obținerea aceluiași grad de încălzire (aceeași stare termică).
Ce se întâmplă dacă lăsăm un vas cu apă foarte caldă și un vas cu apă cu gheață în aceeași cameră pentru o zi întreagă?
Răspuns: Ambele vase vor interacționa termic cu aerul din cameră și, după un timp suficient de lung, vor ajunge la aceeași stare de încălzire cu mediul înconjurător (vor ajunge la echilibru termic).
Temperatura este mărimea fizică necesară și suficientă care se asociază stării de încălzire a corpurilor și care caracterizează echilibrul termic. Două corpuri aflate la echilibru termic au întotdeauna 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 corpul C, atunci corpul A va fi în echilibru termic cu corpul C.
În Sistemul Internațional (SI), unitatea de măsură fundamentală pentru temperatură este Kelvinul: \( [T]_{SI} = 1\text{K} \). Alte unități uzuale sunt gradul Celsius, Fahrenheit sau Rankine.
Corpul X are temperatura de \(20^\circ\text{C}\). El este pus în contact cu corpul Y până ajung la echilibru. Ulterior, corpul Y este pus în contact cu corpul Z și se constată că nu fac schimb de căldură (sunt deja în echilibru). Ce temperatură are corpul Z?
Răspuns: Conform principiului tranzitivității, dacă X este în echilibru cu Y (ambele având \(20^\circ\text{C}\)), iar Y este în echilibru cu Z, atunci Z are aceeași temperatură, adică \(20^\circ\text{C}\).
Termometrul este dispozitivul folosit pentru măsurarea temperaturii.
Orice termometru este alcătuit dintr-un corp termometric (ex: alcool, mercur, gaz) caracterizat de o mărime termometrică (ex: lungimea coloanei de lichid, volumul gazului) care variază odată cu temperatura.
Este de preferat ca variația mărimii termometrice să fie o variație liniară, pentru ca fiecărui grad de încălzire să îi corespundă o valoare unică a temperaturii.
Identificați corpul termometric și mărimea termometrică în cazul unui termometru cu mercur.
Răspuns: Corpul termometric este mercurul (metal în stare lichidă), iar mărimea termometrică este lungimea coloanei de mercur (care crește sau scade în funcție de temperatură).
Pentru a măsura temperatura, termometrul are nevoie de o scară de temperatură, creată printr-un proces numit etalonare.
Se aleg două stări termice distincte, ușor de reprodus, numite repere, cărora li se asociază valori numerice convenționale.
Se determină astfel un interval de temperatură între cele două repere.
Se divide acest interval într-un număr de părți egale, definindu-se astfel unitatea (gradul) scării respective.
Scara Celsius:
Reper 1: amestec de apă pură și gheață -> se asociază valoarea 0.
Reper 2: apa care fierbe la presiune atmosferică normală -> se asociază valoarea 100.
Intervalul obținut este împărțit în 100 de părți egale, fiecare reprezentând 1 grad Celsius.
Reper 1: amestec de apă pură și gheață -> se asociază valoarea 0.
Reper 2: apa care fierbe la presiune atmosferică normală -> se asociază valoarea 100.
Intervalul obținut este împărțit în 100 de părți egale, fiecare reprezentând 1 grad Celsius.
De ce este important ca reperele alese la crearea unei scări de temperatură să fie "ușor de reprodus"?
Răspuns: Pentru ca termometre diferite construite în locuri diferite să poată fi etalonate identic, asigurând că un grad măsurat de un termometru este egal cu un grad măsurat de altul. Apa care îngheață sau fierbe la presiune normală se comportă mereu la fel, oriunde în lume.
Exerciții practice
Ușoară: Care este unitatea de măsură fundamentală în Sistemul Internațional pentru temperatură și cum se notează?
Răspuns: Unitatea de măsură fundamentală în SI este Kelvinul, notat cu litera \(\text{K}\).
Medie: Explică succint cum se face măsurarea temperaturii unui lichid folosind un termometru, apelând la noțiunea de „echilibru termic”.
Răspuns: Se introduce termometrul în lichid (realizându-se contactul termic). Se așteaptă un timp pentru ca termometrul și lichidul să ajungă la echilibru termic. Când lungimea coloanei termometrului nu se mai modifică, înseamnă că cele două au aceeași temperatură, iar valoarea indicată pe scară este temperatura lichidului.
Dificilă: Presupunem că dorim să inventăm "Scara X". Alegem ca repere topirea unui anumit metal (și îi dăm valoarea 50) și fierberea unui anumit ulei (și îi dăm valoarea 250). Dacă împărțim intervalul în 100 de diviziuni egale, câte unități "X" va reprezenta o diviziune?
Răspuns:
Diferența dintre repere este de \(250 - 50 = 200\) de unități.
Dacă împărțim acest interval la 100 de diviziuni, o diviziune de pe termometru va reprezenta: \(200 : 100 = 2\) grade "X".
Dacă împărțim acest interval la 100 de diviziuni, o diviziune de pe termometru va reprezenta: \(200 : 100 = 2\) grade "X".
