เครื่องชั่งแบบเทอร์โมเมตริก: สูตรตัวอย่างแบบฝึกหัดที่มีการแก้ไข - กายภาพ - 2026

เกล็ด thermometricกำลังที่ใช้ในการวัดอุณหภูมิขนาดขนาดใช้ปริมาณพลังงานความร้อนของระบบ อุปกรณ์ที่ใช้วัดอุณหภูมินั่นคือเทอร์โมมิเตอร์จะต้องรวมเครื่องชั่งเพื่อให้สามารถอ่านค่าได้

ในการสร้างมาตราส่วนที่เหมาะสมคุณต้องใช้จุดอ้างอิงสองจุดและแบ่งช่วงเวลาระหว่างกัน หน่วยงานเหล่านี้เรียกว่าองศา ด้วยวิธีนี้อุณหภูมิของวัตถุที่จะวัดซึ่งอาจเป็นอุณหภูมิของกาแฟการอาบน้ำหรืออุณหภูมิของร่างกายจะถูกเปรียบเทียบกับการอ้างอิงที่ระบุไว้บนเครื่องมือ

รูปที่ 1. เทอร์โมมิเตอร์จบการศึกษาในระดับเซลเซียส ที่มา: Pixabay

เครื่องชั่งอุณหภูมิที่นิยมใช้ ได้แก่ เครื่องชั่งเซลเซียสฟาเรนไฮต์เคลวินและแรงคิน ทั้งหมดมีความเหมาะสมเท่าเทียมกันสำหรับการวัดอุณหภูมิเนื่องจากจุดที่เลือกเป็นจุดอ้างอิงนั้นเป็นไปตามอำเภอใจ

ทั้งสเกลเซลเซียสและสเกลฟาเรนไฮต์ศูนย์ของสเกลไม่ได้บ่งบอกถึงการไม่มีอุณหภูมิ ด้วยเหตุนี้จึงเป็นเครื่องชั่งแบบสัมพัทธ์ ในทางกลับกันสำหรับมาตราส่วนเคลวินและระดับแรงคิน 0 หมายถึงการหยุดกิจกรรมของโมเลกุลดังนั้นจึงถือว่าเป็นสเกลสัมบูรณ์

ระดับเซลเซียส

เครื่องชั่งนี้คิดค้นโดยนักดาราศาสตร์ชาวสวีเดน Anders C. เป็นจุดอ้างอิง

น้ำเป็นสารสากลที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับสิ่งนี้และหาค่าได้ง่ายในห้องปฏิบัติการ

ในระดับเซลเซียสจุดเยือกแข็งของน้ำคือจุดที่ตรงกับ 0 ° C และจุดเดือดถึง 100 ° C แม้ว่าเดิมทีเซลเซียสจะเสนอวิธีอื่นในทางกลับกันและต่อมาคำสั่งก็กลับกัน ระหว่างค่าอ้างอิงทั้งสองนี้มีการหารที่เหมือนกัน 100 หน่วยซึ่งบางครั้งเรียกว่ามาตราส่วนเซนติเกรด

equivalences

ในการสร้างความเท่าเทียมกันระหว่างองศาเซลเซียสกับเครื่องชั่งอุณหภูมิอื่น ๆ ต้องคำนึงถึงสองด้าน:

- ความสัมพันธ์ระหว่างมาตราส่วนเซลเซียสและมาตราส่วนอื่นเป็นแบบเส้นตรงดังนั้นจึงเป็นรูปแบบ:

y = mx + b

- คุณต้องรู้จุดอ้างอิงของเครื่องชั่งทั้งสอง

ตัวอย่าง: ความเท่าเทียมกันระหว่างสเกลเซลเซียสและฟาเรนไฮต์

ให้ T _{ºCเป็น}อุณหภูมิในระดับเซลเซียสและ T _ºFอุณหภูมิในระดับฟาเรนไฮต์ดังนั้น:

เป็นที่ทราบกันดีว่า0ºC = 32ºFและ100ºC = 212ºF เราแทนที่ค่าเหล่านี้ในสมการก่อนหน้าและเราได้รับ:

นี่คือระบบของสมการเชิงเส้นสองตัวแปรที่ไม่ทราบค่าสองตัวแปรซึ่งสามารถแก้ไขได้ด้วยวิธีการใด ๆ ที่เป็นที่รู้จัก ตัวอย่างเช่นโดยการลด:

________________

เมื่อรู้ m เราได้รับ b โดยการแทนที่:

ตอนนี้เราใส่ค่าของ m และ b เข้ากับสมการการเทียบเท่าของเราเพื่อให้ได้:

T _{° C} = (5/9) T _ºF - (160/9) = (5T _ºF -160) / 9

เทียบเท่า: T _{° C} = (5/9) (T _ºF - 32)

สมการนี้จะช่วยให้ผ่านองศาฟาเรนไฮต์เพื่อองศาเซลเซียสโดยตรงเพียงแค่พิมพ์ค่าที่ T _ºFปรากฏ

ตัวอย่าง: ความเท่าเทียมกันระหว่างสเกลเซลเซียสและเคลวิน

มีการทดลองหลายครั้งเพื่อพยายามวัดค่าศูนย์สัมบูรณ์ของอุณหภูมินั่นคือค่าที่กิจกรรมของโมเลกุลทั้งหมดหายไปในก๊าซ อุณหภูมิใกล้เคียง -273 3C

ให้ T _{K เป็น}อุณหภูมิในเคลวิน - คำว่า "องศา" ไม่ได้ใช้สำหรับมาตราส่วนนี้ - ความเท่าเทียมกันคือ:

นั่นคือสเกลต่างกันตรงที่มาตราส่วนเคลวินไม่มีค่าเป็นลบ ในความสัมพันธ์เซลเซียส - ฟาเรนไฮต์ความชันของเส้นจะเท่ากับ 5/9 และในกรณีนี้จะเท่ากับ 1

เคลวินและองศาเซลเซียสมีขนาดเท่ากันเฉพาะที่สเกลเคลวินดังที่เห็นจากข้างต้นไม่รวมค่าลบของอุณหภูมิ

ระดับฟาเรนไฮต์

Daniel Fahrenheit (1686–1736) เป็นนักฟิสิกส์ชาวเยอรมันโดยกำเนิดจากโปแลนด์ ประมาณปีค. ศ. 1715 ฟาเรนไฮต์ได้สร้างเทอร์โมมิเตอร์ที่มีมาตราส่วนตามจุดอ้างอิงสองจุดที่เลือกโดยพลการ ตั้งแต่นั้นมามีการใช้กันอย่างแพร่หลายในประเทศที่พูดภาษาอังกฤษ

เดิมทีฟาเรนไฮต์เลือกอุณหภูมิของน้ำแข็งและเกลือที่ผสมกันสำหรับจุดที่ต่ำกว่าและตั้งไว้ที่ 0 ° สำหรับอีกประเด็นหนึ่งเขาเลือกอุณหภูมิร่างกายมนุษย์และตั้งไว้ที่ 100 องศา

ไม่น่าแปลกใจที่เขามีปัญหาในการระบุว่าอุณหภูมิของร่างกาย "ปกติ" คือเท่าใดเนื่องจากอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงตลอดทั้งวันหรือจากวันหนึ่งไปอีกวันหนึ่งโดยที่บุคคลนั้นไม่จำเป็นต้องป่วย

ปรากฎว่ามีคนที่มีสุขภาพดีโดยสิ้นเชิงที่มีอุณหภูมิร่างกาย99.1ºFในขณะที่คนอื่น ๆ ปกติจะมี 98.6 haveF ค่าหลังเป็นค่าเฉลี่ยสำหรับประชากรทั่วไป

ดังนั้นจุดอ้างอิงบนมาตราส่วนฟาเรนไฮต์จึงต้องเปลี่ยนสำหรับจุดเยือกแข็งของน้ำซึ่งตั้งไว้ที่32ºFและจุดเดือดที่212ºF สุดท้ายสเกลแบ่งออกเป็น 180 ช่วงเวลาเท่า ๆ กัน

แปลงองศาฟาเรนไฮต์เป็นองศาเซลเซียส

จากสมการที่แสดงด้านบนเป็นไปตามนั้น:

ในทำนองเดียวกันเราสามารถพิจารณาได้ดังนี้มาตราส่วนเซลเซียสมี 100 องศาในขณะที่มาตราส่วนฟาเรนไฮต์มี 180 องศา ดังนั้นสำหรับการเพิ่มหรือลด 1 C แต่ละครั้งจะมีการเพิ่มขึ้นหรือลดลง 1.8 ºF = (9/5) ºF

ตัวอย่าง

ใช้สมการก่อนหน้านี้ค้นหาสูตรที่ช่วยให้คุณเปลี่ยนจากองศาฟาเรนไฮต์เป็นระดับเคลวิน:

เมื่อรู้ว่า: T _ºC = T _K - 273 และการแทนที่ในสมการที่อนุมานได้แล้วเรามี:

T _ºC = T _K - 273

ดังนั้น: T _ºF = (9/5) (T _K - 273) + 32 = (9/5) T _K - 459.4

ระดับเคลวิน

วิลเลียมทอมสัน (1824–1907) ลอร์ดเคลวินเสนอเครื่องชั่งโดยไม่มีจุดอ้างอิงตามอำเภอใจ นี่คือมาตราส่วนอุณหภูมิสัมบูรณ์ที่เป็นชื่อของเขาซึ่งเสนอในปี 1892 ไม่มีค่าอุณหภูมิติดลบเนื่องจากค่าสัมบูรณ์ 0 เป็นอุณหภูมิต่ำสุดที่เป็นไปได้

ที่อุณหภูมิ 0 K การเคลื่อนไหวใด ๆ ของโมเลกุลได้หยุดลงอย่างสมบูรณ์ นี่คือมาตราส่วนระบบสากล (SI) แม้ว่ามาตราส่วนเซลเซียสจะถือเป็นหน่วยเสริมด้วย โปรดจำไว้ว่ามาตราส่วนเคลวินไม่ได้ใช้ "องศา" ดังนั้นอุณหภูมิใด ๆ จึงแสดงเป็นค่าตัวเลขบวกหน่วยที่เรียกว่า "เคลวิน"

จนถึงขณะนี้ยังไม่สามารถเข้าถึงศูนย์สัมบูรณ์ได้ แต่นักวิทยาศาสตร์เข้าใกล้แล้ว

ที่จริงแล้วในห้องปฏิบัติการที่เชี่ยวชาญในอุณหภูมิต่ำพวกเขาสามารถทำให้ตัวอย่างโซเดียมเย็นลงถึง 700 นาโนเคลวินหรือ 700 x 1010 ^-9เคลวิน ในทางกลับกันในอีกด้านหนึ่งของเครื่องชั่งเป็นที่ทราบกันดีว่าการระเบิดของนิวเคลียร์สามารถสร้างอุณหภูมิได้ถึง 100 หรือมากกว่าล้านเคลวิน

เคลวินแต่ละตัวสอดคล้องกับ 1 / 273.16 ส่วนของอุณหภูมิของจุดสามจุดของน้ำ ที่อุณหภูมินี้น้ำทั้งสามเฟสอยู่ในสภาวะสมดุล

มาตราส่วนเคลวินและสเกลเซลเซียสและฟาเรนไฮต์

ความสัมพันธ์ระหว่างเครื่องชั่งเคลวินและเซลเซียสอยู่ที่ประมาณ 273.16 ถึง 273-:

ในทำนองเดียวกันโดยการทดแทนจะได้รับความสัมพันธ์ระหว่างเครื่องชั่งเคลวินและฟาเรนไฮต์:

ระดับแรงคิน

มาตราส่วน Rankine เสนอโดย William Rankine วิศวกรชาวสก็อต (1820-1872) ผู้บุกเบิกการปฏิวัติอุตสาหกรรมเขามีส่วนร่วมอย่างมากในเรื่องอุณหพลศาสตร์ ในปี 1859 เขาเสนอมาตราส่วนอุณหภูมิสัมบูรณ์โดยตั้งค่าเป็นศูนย์ที่ −459.67 ° F

ในระดับนี้ขนาดขององศาจะเหมือนกับระดับฟาเรนไฮต์ มาตราส่วน Rankine แสดงเป็น R และเช่นเดียวกับมาตราส่วนเคลวินค่าของมันจะไม่เรียกว่าองศา แต่เป็น Rankine

ดังนั้น:

0 K = 0 R = −459.67 ° F = - 273.15 ºC

โดยสรุปนี่คือการแปลงที่จำเป็นในการไปที่ระดับ Rankine จากรายการใด ๆ ที่อธิบายไว้แล้ว:

รูปที่ 2. การแปลงสเกลอุณหภูมิแรงคิน ที่มา: F. Zapata

มาตราส่วนRéaumur

มาตราส่วนอุณหภูมิอื่นที่ใช้ก่อนหน้านี้คือมาตราส่วนRéaumurซึ่งแสดงเป็นองศาหรือºR ปัจจุบันเลิกใช้แล้วแม้ว่าจะมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในยุโรปจนกระทั่งถูกแทนที่ด้วยระดับเซลเซียส

มันถูกสร้างขึ้นโดยRené-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) ราวปี 1731 โดยมีข้อมูลอ้างอิง: 0 ° R สำหรับจุดเยือกแข็งของน้ำและ 80 ° R สำหรับจุดเดือด

ดังจะเห็นได้ว่ามันเกิดขึ้นพร้อมกับมาตราส่วนเซลเซียสที่ศูนย์ แต่ไม่แน่นอนที่ค่าอื่น ๆ มันเกี่ยวข้องกับมาตราส่วนเซนติเกรดโดย:

และเนื่องจากอุณหภูมิต้องตรงกันดังนั้น T _ºC = T _ºF = x จึงเป็นไปตามนั้น:

เมื่อ T _ºC = -40 ºCเช่นกัน T _ºF = -40 ºF

แบบฝึกหัด 2

ไอน้ำที่ออกมาจากหม้อไอน้ำอยู่ที่อุณหภูมิ 610 ºR ค้นหาอุณหภูมิเป็นองศาฟาเรนไฮต์และองศาเซลเซียส

สารละลาย

การเทียบเคียงที่พบในส่วนของมาตราส่วนRéaumurจึงถูกนำมาใช้ดังนั้น: T _ºC = (5/4) T _ºR = (5/4) 610 ° C = 762.5 °ค.

จากนั้นคุณสามารถแปลงค่าที่พบนี้เป็นองศาฟาเรนไฮต์หรือใช้การแปลงอื่นที่กล่าวถึง:

หรืออันอื่นซึ่งให้ผลลัพธ์เหมือนกัน: T _ºR = (4/9) (T _ºF - 32)

แก้ไขแล้ว: T _ºF = (9/4) T _ºR + 32 = (9/4) 610 + 32 ºF = 1404.5 ºF

สรุป Conversion

โดยสรุปตารางต่อไปนี้แสดงการแปลงสำหรับเครื่องชั่งทั้งหมดที่อธิบายไว้:

รูปที่ 3. ตารางการแปลงสำหรับเครื่องชั่งอุณหภูมิ ที่มา: F. Zapata

อ้างอิง

1. เครื่องชั่งอุณหภูมิ. กู้คืนจาก: thales.cica.es.
2. Knight, R. 2017 Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. เพียร์สัน
3. Tillery, B. 2555. วิทยาศาสตร์กายภาพ. McGraw Hill
4. วิกิพีเดีย องศาเซลเซียส. สืบค้นจาก: es.wikipedia.org
5. วิกิพีเดีย องศาฟาเรนไฮต์ สืบค้นจาก: es.wikipedia.org.
6. วิกิพีเดีย แร สืบค้นจาก: es.wikipedia.org.