Cele mai importante aspecte ale lecției
Căldura trece spontan de la cald la rece până la atingerea echilibrului termic. Transferul se face prin conducție (contact, solide), convecție (fluide în mișcare) sau radiație (unde electromagnetice, chiar și în vid). Temperatura se măsoară cu termometrul (prin contact) sau pirometrul (fără contact). Unitatea de măsură în S.I. este Kelvin (K), iar formula de transformare uzuală este \( T(\text{K}) = t(^\circ\text{C}) + 273,15 \).
Temperatura este o mărime fizică ce caracterizează starea de încălzire a corpurilor.
Când două corpuri cu temperaturi diferite sunt puse în contact, căldura se transferă spontan de la corpul mai cald la cel mai rece, până când ambele ajung la aceeași temperatură. Această stare finală se numește echilibru termic.
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.
Căldura se poate transmite în trei moduri principale, în funcție de mediul în care se află corpurile:
Se realizează prin contactul direct al corpurilor cu temperaturi diferite (necesită un mediu material).
Se realizează prin intermediul unui fluid (lichid sau gaz) aflat în mișcare (necesită un mediu material).
Se realizează prin unde electromagnetice/radiații termice și nu necesită un mediu material, putând avea loc și în vid.
• Conducție: O linguriță rece se încălzește dacă este lăsată într-o cană cu ceai fierbinte.
• Convecție: Simți căldura dacă ții mâna deasupra flăcării, datorită aerului cald care se ridică.
• Radiație: Suprafața Pământului se încălzește de la Soare prin razele de lumină.
• Convecție: Simți căldura dacă ții mâna deasupra flăcării, datorită aerului cald care se ridică.
• Radiație: Suprafața Pământului se încălzește de la Soare prin razele de lumină.
În Sistemul Internațional, temperatura se măsoară în Kelvin (K). În viața de zi cu zi, se folosește frecvent gradul Celsius (\(^\circ\text{C}\)).
• Scara Celsius: \(0^\circ\text{C}\) este punctul de îngheț al apei pure, iar \(100^\circ\text{C}\) este punctul de fierbere (la presiune normală).
• Scara Fahrenheit: \(32^\circ\text{F}\) este punctul de îngheț al apei, iar \(212^\circ\text{F}\) este punctul de fierbere.
• Scara Kelvin: Este o scară absolută care are doar valori pozitive.
• Scara Fahrenheit: \(32^\circ\text{F}\) este punctul de îngheț al apei, iar \(212^\circ\text{F}\) este punctul de fierbere.
• Scara Kelvin: Este o scară absolută care are doar valori pozitive.
O diviziune (un grad) pe scara Celsius este egală ca mărime cu o diviziune pe scara Kelvin.
Trecerea de la grade Celsius (\(t\)) la Kelvin (\(T\)):
\[ T(\text{K}) = t(^\circ\text{C}) + 273,15 \]
Pentru calcule rapide, se poate aproxima cu \( T = t + 273 \).
Măsurarea temperaturii se bazează pe proprietățile fizice care se modifică odată cu încălzirea sau răcirea (mărimi termometric).
- Termometrul: Măsoară temperatura prin contact direct. Conține un corp termometric (ex. mercur, alcool) a cărui mărime termometrică (ex. volumul/lungimea coloanei de lichid) variază vizibil la schimbarea temperaturii.
- Pirometrul: Măsoară temperatura corpurilor fără contact direct, analizând radiația termică sau culoarea luminii emise (ideal pentru corpuri incandescente sau inaccesibile).
- Senzori spațiali: Instrumente extrem de sensibile utilizate pentru a măsura temperatura și radiațiile la scara întregului Univers (ex. sonda WMAP).
Probleme de antrenament
Ușoară: Temperatura optimă din interiorul unei camere este de \(22^\circ\text{C}\). Exprimă această temperatură în Kelvin.
Aplicăm formula de transformare: \( T = t + 273,15 \)
\( T = 22 + 273,15 = 295,15\text{ K} \)
\( T = 22 + 273,15 = 295,15\text{ K} \)
Medie: Dacă temperatura unui lichid crește cu \(15^\circ\text{C}\), cu câte unități va crește temperatura acestuia măsurată pe scara Kelvin?
Deoarece o diviziune pe scara Celsius este exact egală ca mărime cu o diviziune pe scara Kelvin, o variație (creștere sau scădere) a temperaturii are aceeași valoare numerică în ambele scări.
Prin urmare, temperatura a crescut cu 15 K.
Prin urmare, temperatura a crescut cu 15 K.
Dificilă: Un corp de fier are temperatura \( T_1 = 300\text{ K} \), iar un corp de aluminiu are temperatura \( t_2 = 40^\circ\text{C} \). Dacă sunt puse în contact, de la care corp către care corp se va transfera căldura spontan?
Pentru a putea compara temperaturile, trebuie să le exprimăm în aceeași unitate de măsură.
Transformăm temperatura fierului din Kelvin în Celsius (folosind aproximarea \(273\)):
\( t_1 = T_1 - 273 = 300 - 273 = 27^\circ\text{C} \)
Avem \( t_1 = 27^\circ\text{C} \) (fier) și \( t_2 = 40^\circ\text{C} \) (aluminiu).
Deoarece corpul de aluminiu este mai cald (\(40^\circ\text{C} > 27^\circ\text{C}\)), căldura se va transfera de la corpul de aluminiu către corpul de fier până la atingerea echilibrului termic.
Transformăm temperatura fierului din Kelvin în Celsius (folosind aproximarea \(273\)):
\( t_1 = T_1 - 273 = 300 - 273 = 27^\circ\text{C} \)
Avem \( t_1 = 27^\circ\text{C} \) (fier) și \( t_2 = 40^\circ\text{C} \) (aluminiu).
Deoarece corpul de aluminiu este mai cald (\(40^\circ\text{C} > 27^\circ\text{C}\)), căldura se va transfera de la corpul de aluminiu către corpul de fier până la atingerea echilibrului termic.
