Θερμοκρασία

Εισαγωγή στη Θερμοκρασία

Η θερμοκρασία είναι ένα φυσικό μέγεθος που εκφράζει το μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας των μορίων ενός σώματος. Είναι μια από τις θεμελιώδεις έννοιες της θερμοδυναμικής και καθορίζει τη διεύθυνση ροής της θερμότητας μεταξύ δύο σωμάτων.

Θερμική Ισορροπία

Όταν δύο σώματα με διαφορετικές θερμοκρασίες έρχονται σε επαφή, η θερμότητα ρέει από το θερμότερο στο ψυχρότερο σώμα μέχρι να αποκτήσουν την ίδια θερμοκρασία. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται θερμική ισορροπία.

Μηδενικός Νόμος της Θερμοδυναμικής: Αν δύο σώματα $A$ και $B$ βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο σώμα $C$, τότε βρίσκονται και σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους.

Κλίμακες Θερμοκρασίας

Κλίμακα Κελσίου (°C)

Η κλίμακα Κελσίου ορίζεται με βάση δύο σταθερά σημεία:

• 0°C: Σημείο τήξης του πάγου (υπό κανονική ατμοσφαιρική πίεση)
• 100°C: Σημείο βρασμού του νερού (υπό κανονική ατμοσφαιρική πίεση)

Κλίμακα Kelvin (K)

Η κλίμακα Kelvin είναι η απόλυτη κλίμακα θερμοκρασίας και χρησιμοποιείται στην επιστήμη. Η σχέση μεταξύ Kelvin και Κελσίου είναι:

$$T = \theta + 273,15$$

όπου $T$ η θερμοκρασία σε Kelvin και $\theta$ η θερμοκρασία σε βαθμούς Κελσίου.

Απόλυτο Μηδέν: Η θερμοκρασία $0 \text{ K}$ (ή $-273,15 \text{ °C}$) είναι η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία, στην οποία θεωρητικά σταματά κάθε μοριακή κίνηση.

Κλίμακα Fahrenheit (°F)

Η μετατροπή μεταξύ Fahrenheit και Κελσίου γίνεται με τις σχέσεις:

$$\theta_F = \frac{9}{5}\theta_C + 32$$

$$\theta_C = \frac{5}{9}(\theta_F - 32)$$

Μοριακή Ερμηνεία της Θερμοκρασίας

Σε μικροσκοπικό επίπεδο, η θερμοκρασία ενός ιδανικού αερίου σχετίζεται με τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων του:

$$\bar{K} = \frac{3}{2}k_B T$$

όπου:

• $\bar{K}$ η μέση κινητική ενέργεια ανά μόριο
• $k_B = 1,38 \times 10^{-23} \text{ J/K}$ η σταθερά Boltzmann
• $T$ η απόλυτη θερμοκρασία σε Kelvin

Θερμομετρία

Τα θερμόμετρα μετρούν τη θερμοκρασία εκμεταλλευόμενα διάφορες φυσικές ιδιότητες που μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία:

• Θερμική διαστολή υγρών (υδραργυρικά, αλκοολικά θερμόμετρα)
• Ηλεκτρική αντίσταση μετάλλων (θερμοαντιστάσεις)
• Θερμοηλεκτρικό φαινόμενο (θερμοζεύγη)
• Υπέρυθρη ακτινοβολία (πυρόμετρα)

Θερμική Διαστολή

Τα σώματα διαστέλλονται όταν θερμαίνονται και συστέλλονται όταν ψύχονται.

Γραμμική διαστολή:

$$\Delta L = L_0 \cdot \alpha \cdot \Delta T$$

Διαστολή όγκου:

$$\Delta V = V_0 \cdot \beta \cdot \Delta T$$

όπου $\alpha$ ο συντελεστής γραμμικής διαστολής και $\beta \approx 3\alpha$ ο συντελεστής διαστολής όγκου.