7.2: Тепло і температура
- Пов’язати передачу тепла із зміною температури.
- Запам’ятайте рівняння температури для перетворень за Цельсієм, Фаренгейтом та Кельвіном.
- Зрозумійте, як може змінюватися температура тіла.
Поняття температури може здатися вам звичним, але багато людей плутають температуру з теплом. Температура є мірою того, наскільки гарячим чи холодним є об'єкт щодо іншого об'єкта (вміст його теплової енергії), тоді як тепло - потік теплової енергії між об’єктами з різною температурою. Коли ми торкаємося гарячого предмета, енергія тече від гарячого предмета до наших пальців, і ми сприймаємо цю енергію, що надходить, як "гарячий" об'єкт. І навпаки, коли ми тримаємо кубик льоду на долонях, енергія надходить з нашої руки в кубик льоду, і ми сприймаємо цю втрату енергії як «холодну». В обох випадках температура предмета відрізняється від температури нашої руки, тому можна зробити висновок, що різниця температур є основною причиною тепловіддачі.
Температурні шкали
Температура - це міра середньої кількості енергії руху, або кінетичної енергії, яку містить система. Температури виражаються за допомогою шкал, що використовують одиниці виміру, що називаються градусами. Існують три шкали, що використовуються для повідомлення температури. Рисунок \ (\ PageIndex \) порівнює три температурні шкали: Фаренгейта (виражене у ° F), Цельсія (° C) та Кельвіна (K). Термометри вимірюють температуру за допомогою матеріалів, які розширюються або стискаються при нагріванні чи охолодженні. Наприклад, ртутні або спиртові термометри мають резервуар рідини, який розширюється при нагріванні і стискається при охолодженні, тому стовп рідини подовжується або скорочується в міру зміни температури рідини.
Рисунок \ (\ PageIndex \): температури Фаренгейта, Цельсія та Кельвіна. Порівняння трьох температурних шкал. Ці термометри мають рідину червоного кольору, яка містить спирт і харчові барвники. Срібні на вигляд термометри містять ртуть, яка є нейротоксином.
У Сполучених Штатах часто використовуваною шкалою температури є шкала Фаренгейта (символізується ° F і називається «градусами Фаренгейта»). За цією шкалою температура замерзання рідкої води (температура, при якій рідка вода перетворюється на твердий лід) дорівнює 32 ° F, а температура кипіння води (температура, при якій рідка вода перетворюється на пару) становить 212 ° F.
Наука також використовує інші шкали для вираження температури. Наприклад, шкала Цельсія (символізується ° C і називається «градусами Цельсія») визначає 0 ° C як точку замерзання води та 100 ° C як температуру кипіння води. Ця шкала розділена на 100 розділів між цими двома орієнтирами, а також розширена вище і нижче. Порівнюючи шкали Фаренгейта та Цельсія, можна визначити перетворення між двома шкалами:
Зверніть увагу, що наука використовує шкали Цельсія та Кельвіна майже виключно; практично жоден практикуючий хімік не виражає лабораторно виміряні температури за шкалою Фаренгейта. (Насправді Сполучені Штати є однією з небагатьох країн у світі, яка все ще щодня використовує шкалу Фаренгейта. Люди, які їдуть поблизу кордонів Канади або Мексики, можуть брати місцеві радіостанції з іншого боку кордону, висловлюйте щоденну погоду в градусах Цельсія, тому не заплутайтеся в їх звітах про погоду.)
Приклад \ (\ PageIndex \): Перетворення
- Що таке 98,6 ° F у градусах Цельсія?
- Що таке 25,0 ° C в градусах Фаренгейта?
Рішення
За допомогою рівняння \ ref ми маємо
Використовуючи рівняння \ ref, ми маємо
Щоб отримати більше прикладів того, як виконувати подібні проблеми, клацніть на це відео, щоб побачити свого професора в дії.
- Перетворення 0 ° F у градуси Цельсія.
- Перетворіть 212 ° C у градуси Фаренгейта.
Основною одиницею температури в СІ є Кельвін (K). Шкала температур Кельвіна (зауважте, що назва шкали пише велике слово Кельвін, але сама одиниця є нижньою), використовує градуси, що мають такий самий розмір, як градус Цельсія, але числова шкала зміщена вгору на 273,15 одиниць. Тобто перетворення між шкалами Кельвіна та Цельсія відбувається наступним чином:
Для більшості цілей прийнятним є використання 273 замість 273,15 у рівнянні \ ref.
Зверніть увагу, що в шкалі Кельвіна не використовується слово градуси; про температуру 295 К говорять як про "двісті дев'яносто п'ять кельвінів", а не "про двісті дев'яносто п'ять градусів за Кельвіном".
Причиною того, що шкала Кельвіна визначається таким чином, є існування мінімально можливої температури, яка називається абсолютним нулем (нуль Кельвіна). Шкала температур Кельвіна встановлюється таким чином, що 0 K є абсолютним нулем, і температура відтоді відлічується вгору. Звичайна кімнатна температура становить близько 295 К, як видно з наступного прикладу.
Приклад \ (\ PageIndex \): Кімнатна температура
Якщо нормальна кімнатна температура становить 72,0 ° F, якою є кімнатна температура в градусах Цельсія та Кельвіна?
Рішення
Спочатку ми використовуємо рівняння \ ref для визначення температури в градусах Цельсія:
Потім ми використовуємо рівняння \ ref для визначення температури в шкалі Кельвіна:
Отже, кімнатна температура становить близько 295 К.
Застосування для здоров’я: Температура тіла
Нормальна температура тіла визначається як 98,6 ° F (+/- 1,0 ° F). Для визначення температури тіла термометри можна розміщувати всередині або на поверхні тіла. Два найкращі методи отримання температури тіла - це розміщення термометра під язиком або всередині прямої кишки. Як правило, діти здатні тримати термометр у роті приблизно до чотирьох років (веселитися до цього віку).
Лихоманка визначається як температура тіла вище 100 ° F (дорослі). Статус високої температури спостерігається при температурі і вище 104 ° F. Для дорослих ці дорослі повинні негайно звернутися до лікаря, якщо температура перевищує 104 ° F. Для дітей ці значення набагато нижчі.
Гіпертермія (нездатність організму регулювати тепло) виникає при перевищенні нормальної температури тіла. Умовами, які можуть спричинити гіпертермію, є лихоманка (інфекція), тепловий удар, розлади щитовидної залози, інфаркт або травматична травма. Ліки від хворих на рак, артрит та щитовидку можуть спричинити підвищення температури тіла. Симптомами гіпертермії є пітливість, сплутаність свідомості, нудота та запаморочення.
Переохолодження (вплив холодного середовища) виникає, коли нормальна температура тіла опускається нижче 95,0 ° F. Коли це трапляється, постраждала особа (особи) повинна негайно звернутися за медичною допомогою. Під час переохолодження організм має проблеми з виробництвом тепла. Такі захворювання, як цукровий діабет, інфекція та порушення функції щитовидної залози, можуть спричинити переохолодження. Перегляньте це відео про спроби американських морських піхотинців вижити в екстремальних умовах. Симптоми цього стану включають тремтіння, розгубленість та мляву поведінку.
Лікування гіпертермії може включати зволоження пацієнта. Якщо гарячка спричинена інфекцією, знеболюючі засоби (такі як Тайленол, Адвіл, аспірин або Алеве) можуть допомогти полегшити лихоманку. Поміщення когось у прохолодну ванну також може полегшити симптоми.