Temperatura, równowaga i ruch cząsteczek

Potrzebne wiadomości: Masa, objętość i podstawowe stany skupienia.

Co mierzymy?

Ciała w kontakcie mogą wymieniać energię w postaci ciepła. W równowadze termicznej mają tę samą temperaturę i nie ma netto przepływu ciepła wywołanego jej różnicą. Termometr także musi zbliżyć się do równowagi z badanym ciałem. Odczyt natychmiast po przeniesieniu nie musi jeszcze opisywać jego temperatury.

Przeliczenie skal ma postać T[\mathrm K]=t[{}^\circ\mathrm C]+273{,}15. Różnica 1°C odpowiada różnicy 1 K, lecz 20°C nie jest temperaturą dwa razy wyższą od 10°C w sensie bezwzględnym.

Dlaczego termometr trzeba pozostawić na chwilę?

Termometr wniesiony z chłodnego miejsca sam jest początkowo chłodniejszy niż woda. Energia płynie do niego i jego wskazanie się zmienia. W prostym pomiarze czekamy na ustalenie odczytu, zapewniając kontakt czujnika z wodą. Jeżeli czujnik dotyka gorącego dna, może mierzyć warunki przy dnie zamiast temperatury całej cieczy.

Warto też zapytać, czy sam pomiar zmienia badany układ. Duża metalowa sonda w malutkiej kropli może odebrać jej zauważalną energię. Dlatego czujnik powinien mieć niewielką pojemność cieplną w porównaniu z próbką. Termometr nie zna temperatury na odległość tylko dlatego, że ustawiliśmy go obok przedmiotu.

Dwie skale, jedna różnica

Dla 20°C dostajemy 293,15 K, a dla 35°C —308,15 K. Odejmując, mamy (35+273,15)−(20+273,15)=15. Dodane przesunięcia znoszą się. Stąd przyrost 15°C i 15 K opisuje tę samą zmianę, choć końcowy odczyt w obu skalach jest inny.

Jeżeli chcemy naprawdę podwoić temperaturę bezwzględną ciała mającego 20°C, najpierw podwajamy 293,15 K. Wynik 586,30 K odpowiada 313,15°C, nie 40°C. Taki rachunek nie mówi jeszcze, ile energii trzeba dostarczyć: potrzebujemy masy, materiału i informacji o możliwych przemianach.

Stan skupienia a ruch

W ciele stałym cząstki drgają wokół uporządkowanych lub nieuporządkowanych lokalnych położeń. W cieczy mogą zmieniać sąsiadów, a w gazie są przeciętnie znacznie dalej od siebie. Podgrzanie zwykle zwiększa energię ich chaotycznego ruchu, ale energia wewnętrzna zawiera też oddziaływania. Dlatego nie każda dostarczona energia podnosi temperaturę: może zmieniać stan skupienia.

Dyfuzja to samorzutne mieszanie związane z chaotycznym ruchem, a nie koniecznie z widocznym przepływem całej cieczy. Podczas konwekcji przemieszczają się większe porcje płynu. Metal może szybciej odprowadzać energię z dłoni niż drewno o tej samej temperaturze. Trzeba zatem odróżniać temperaturę, ilość energii i tempo jej przekazywania.

Spokojna woda nie musi być nieruchoma

Barwnik może powoli mieszać się przez ruch cząsteczek, ale także przemieszczać się z prądami cieczy. Po ustawieniu szklanki na cieplejszym parapecie powstaną różnice temperatur i gęstości, a barwne smugi nie są wtedy czystym obrazem dyfuzji. Dla porównania pozostaw wodę i barwnik w podobnej temperaturze, nie mieszaj naczynia i obserwuj, czy barwa tworzy wyraźnie płynące strugi.

Nawet taki prosty opis nie usuwa wszystkich zakłóceń. Wniosek powinien brzmieć „obserwacja jest zgodna z dyfuzją”, a nie „każde rozchodzenie koloru dowodzi wyłącznie dyfuzji”. Rozdzielenie modelu od obserwacji jest częścią rozwiązania, nie dodatkiem po rachunku.

Zadania do tego tematu

• Temperatura i przyrost temperatury w dwóch skalach
• Dlaczego zimny metal odczuwamy inaczej niż drewno?
• Barwnik miesza się mimo braku mieszania łyżką

Dalsza lektura

Materiał referencyjny