Teoria termică a temperaturii, zero absolut; Mai Mult

Căldura are efect detonant, crește fluxul sanguin, are efect analgezic și, în cazul inflamației cronice, inactive, adesea antiinflamatoare. Tonusul muscular este redus de căldură și frig pe termen lung. Termoterapia este aplicarea diferitelor călduri la pacient. Dar ce înseamnă exact „căldură”? Cum se încălzește corpul, cum este transportată căldura?

temperatura

Temperatura este o cantitate fizică din care se pot face afirmații cu privire la următoarele proprietăți ale substanțelor:

Echilibru termic - Dacă două corpuri au aceeași temperatură, nu există schimb de căldură între ele. Dacă temperaturile diferă, căldura curge de la corpul mai cald la cel mai rece până când se stabilește un echilibru.)

Măsurarea energiei cinetice medii în gaze
Proprietățile substanțelor care sunt dependente de temperatură - exemple: expansiunea termică a substanțelor, densitatea, rezistența electrică

Unitatea de bază (unitatea Si) a temperaturii este dată în Kelvin [K]. Cu toate acestea, ° C este de asemenea frecvent în țările europene. Aceasta corespunde 1 ° C = 274,15 K.

Când a fost creată scara Celsius, astronomul Anders Celsius a definit puncte fixe. El a spus că la 0 ° C este punctul de fierbere al apei pure și la 100 ° C este punctul de topire al gheții pure. Inversarea punctelor de îngheț și fierbere a fost determinată numai după moartea sa și oferă baza pentru măsurătorile de temperatură de astăzi.

Zero-ul absolut

Conform definiției, zero absolut este cea mai scăzută temperatură care poate fi încă măsurată și este zero Kelvin (= -273,15 ° C). Teoria este că, cu cât particulele se mișcă mai lent, cu atât gazul devine mai rece. La zero absolut, mișcarea particulelor este zero. Deci nu se pot atinge temperaturi negative pe scara de temperatură absolută (scara Kelvin).

Ecuații termice de stare pentru gaze

Cu gazele ideale există o proporționalitate între presiune și temperatură. Următoarele legi descriu relațiile dintre două cantități, în timp ce alte cantități implicate rămân constante:

Legea lui Boyle-Mariotte

Dacă presiunea crește la un gaz ideal, volumul gazului scade odată cu temperatura constantă și cantitatea de substanță, sau presiunea este invers proporțională cu volumul:

Legea lui Gayle-Lussac

Volumul gazelor ideale este proporțional cu temperatura, cu condiția ca cantitatea de substanță și presiunea să fie constante.

Legea amontonilor

Când un gaz ideal este încălzit, presiunea crește; atunci când se răcește, presiunea scade.

Coeficientul de dilatare termică

Diferite substanțe se extind diferit atunci când temperatura crește. Efectul responsabil este expansiunea termică. Acest lucru nu are loc întotdeauna în mod uniform și se împarte în:

Coeficient liniar de expansiune termică

Aceasta indică modificarea lungimii prin care o țesătură se schimbă în raport cu lungimea sa totală.

α	Coeficient de expansiune liniară [10 -6/K] la 20 ° C
L.	Lungime [m]
ΔL	Schimbarea lungimii [m]
ΔT	Schimbarea temperaturii [K]

Coeficient de expansiune specific volumului/coeficient de expansiune cubic

Indică modificarea volumului unui corp în comparație cu volumul total atunci când este încălzit cu un Kelvin.

γ	Coeficientul de expansiune cubic [10 -3/K] la 20 ° C
V0	Volumul înainte de încălzire [m³]
δV	Modificarea volumului [m³]
δT	Schimbarea temperaturii [K]

Măsurarea temperaturii

Datorită dependenței de temperatură a diferitelor proprietăți ale materialului, aceste variabile dependente pot fi utilizate pentru a măsura temperatura:

Termometru lichid

Un lichid - de obicei mercur sau alcool colorat - se află într-un tub subțire cu o cântare atașată. Temperatura poate fi măsurată prin extinderea și scăderea volumului atunci când lichidul este încălzit sau răcit. Apa nu este potrivită datorită așa-numitei anomalii a apei.

Termometru cu gaz

Într-un tub subțire, similar cu cel al unui termometru lichid, există o picătură de mercur care închide un spațiu în care se află un gaz. Acest gaz se extinde atunci când este încălzit sau volumul său scade atunci când se răcește.

Termometru bimetal

Expansiunea la încălzire variază de la substanță la substanță. O bandă bimetalică spirală, formată din două metale diferite, este atașată la un indicator. Când sunt încălzite, cele două metale se extind diferit, determinând devierea indicatorului.)

Termometru electronic/termometru de rezistență

Dependența de temperatură a rezistențelor electrice, în special în cazul materialelor semiconductoare, este foarte mare. Se aplică următoarele: Rezistența unui termistor NTC scade odată cu creșterea temperaturii. Reducerea rezistenței crește debitul curent, ceea ce oferă o măsură a schimbării temperaturii.

Cerneluri termice

Așa-numitele culori termice își schimbă culoarea sau emit lumină cu anumite modificări de temperatură.

căldură

Creșterea temperaturii determină o creștere a energiei cinetice a celor mai mici particule ale sale. Încălzirea înseamnă adăugarea de energie, răcirea înseamnă eliminarea energiei.
Căldura este o formă specială de energie. Conform legii conservării energiei, energia internă poate fi obținută numai prin conversie din alte tipuri de energie. De exemplu, din energie mecanică, electrică, chimică sau nucleară.

Notă: Energia nu poate fi pierdută, ea poate fi convertită doar dintr-o formă de energie în alta. (Vezi articolul Mecanica I)

Căldura și energia internă trebuie considerate echivalente cu celelalte forme de energie și cel puțin parțial convertibile una în alta.

Căldura pe care un corp o absoarbe este proporțională cu masa și modificarea temperaturii unui corp. Capacitatea specifică de căldură indică, în general, cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un kilogram din această substanță cu un Kelvin. Un calorimetru poate fi folosit pentru a determina capacitatea de căldură specifică, adică schimbarea căldurii într-un corp și, astfel, modificarea energiei sale cinetice interne (calorimetru de flux de căldură, calorimetru de echilibru de căldură, calorimetru adiabatic)

Calculul căldurii este definit după cum urmează:

Căldura absorbită sau emisă de un corp este egală cu produsul capacității specifice de căldură, masa corpului și diferența de temperatură.

Putere termică

Dacă o sursă de căldură furnizează o anumită cantitate de căldură într-un anumit interval de timp, atunci conducerea sa de căldură este coeficientul de căldură și interval de timp:

Flux de caldura

Căldura poate fi transferată în trei moduri diferite: Prin conducere termică, flux termic (convecție) și radiație termică. Căldura este transferată de la un corp la unul mai rece.

Dacă un corp este încălzit la un moment dat, densitatea lichidului în acest punct scade ca urmare a creșterii temperaturii. Datorită flotabilității, porțiunea încălzită a lichidului crește în sus și o porțiune mai rece a lichidului se scufundă în jos. Acest lucru duce la transportul unor volume întregi de lichid care transportă cu ele energia termică.

La om există chiar un schimb constant de căldură cu mediul lor prin următoarele patru mecanisme.

Conducere (transfer de căldură prin contact direct)

Aici căldura migrează din locuri cu temperatură mai ridicată în locuri învecinate (alăturate) cu temperatură mai scăzută. Transmiterea are loc prin transmiterea energiei cinetice de la moleculă la moleculă.

Convecție (schimb de căldură printr-un mediu (aer, apă))

Mișcarea particulelor din lichide și gaze este definită și ca convecție. În contextul termoreglării umane, este un factor important pentru eliberarea căldurii corpului.
Transportul prin convecție transportă gaze din sânge prin corp prin fluxul sanguin.

Radiații (radiații termice de unde electromagnetice)

Dacă energia termică este transportată de la un corp mai cald la unul mai rece fără implicarea unui mediu intermediar, se vorbește de radiații termice. Razele de căldură emană nu numai din corpurile calde care emit lumină, ci și din corpurile care nu emit lumină, de îndată ce propria lor temperatură este mai mare decât temperatura ambiantă. Dacă razele de căldură lovesc un corp la o temperatură mai scăzută, îl încălzesc.

Evaporare (pierderea căldurii prin evaporare)

Evaporarea are loc prin piele sub formă de transpirație.

Principala lege a termodinamicii

W.	munca făcută [J]
H	Entalpia [J]
U	energie interioară, fără unități
p	presiune
V	volum

Starea unui gaz este caracterizată de cele trei variabile de stare presiune, volum și temperatură. Modificările în două sau în toate variabilele de stare sunt denumite modificări de stare. O valoare clar definită a energiei interne aparține fiecărei stări a unui sistem. Pentru aceasta se folosește prima lege a termodinamicii. Se aplică următoarele:

Dacă Q este energia termică furnizată, W este lucrarea mecanică efectuată și ΔU este schimbarea energiei interne, atunci:

Cu gazele ideale, lucrul mecanic determină o modificare a volumului. Energia termică furnizată duce la o creștere a energiei interne și la o creștere a volumului. Întreaga energie prezentă în sistem se numește energie internă. Este o funcție de stare care depinde doar de starea variabilelor presiune, volum și temperatură. Schimbarea energiei interne este determinată doar de starea inițială și starea finală.

Suma energiei interne și a produsului de presiune și volum se numește entalpie. Produsul de presiune și volum corespunde lucrului de deplasare:

Conducerea

Deoarece conducerea căldurii este un subiect deosebit de important în medicină, aceasta va fi discutată mai detaliat în acest capitol.
Cel mai simplu tip de transfer de căldură este conducerea căldurii. După cum sa menționat deja, acest lucru se întâmplă prin substanțe adiacente, dintre care substanța mai caldă își dă energia celei mai reci.

Conducerea căldurii are loc exclusiv în materie și necesită un gradient de temperatură. Diferite materiale au conductivități termice diferite. Această conductivitate termică se exprimă prin coeficientul de conductivitate termică. Coeficientul de conductivitate termică indică cantitatea de căldură care curge pe unitate de timp printr-un cub cu o lungime a muchiei de 1m între două suprafețe laterale opuse, între care există o diferență de temperatură de un Kelvin. Celelalte suprafețe ale cubului trebuie să fie complet impermeabile la căldură.

Conductivitatea termică a substanțelor poate fi, de asemenea, arătată în raport cu o substanță specifică. Se obține apoi conductivitatea relativă.

Metalele sunt în general bune conductoare de căldură. Conductorii de căldură deficienți sunt gaze, lână, hârtie și multe altele. Astfel de conductori de căldură slabi sunt folosiți ca materiale termoizolante.

Diverse terapii termice sunt utilizate în medicină pentru a include pentru a asigura îmbunătățirea și menținerea funcției organelor locomotorii, pentru a întări și relaxa mușchii, pentru a îmbunătăți troficul sau pentru a calma durerea.

Întrebări populare de examen privind termodinamica

Soluțiile pot fi găsite sub referințe.

1. Să fie un vapor în echilibru (dinamic) cu lichidul său. Izotermele acestui vapor sunt linii drepte orizontale în diagrama p-v, deoarece presiunea vaporilor unui lichid depinde doar de temperatură.

Enunțul 1 este corect, enunțul 2 este corect, legătura este corectă
Enunțul 1 este corect, enunțul 2 este corect, legătura este greșită
Afirmația 1 este corectă, afirmația 2 este falsă, nu este posibilă nicio legătură
Declarația 1 este greșită, declarația 2 este corectă, nu este posibilă nicio legătură
Declarația 1 este greșită, declarația 2 este greșită, nu este posibilă nicio legătură

2. Care este valoarea pentru cele două temperaturi t1 = 127 ° C și t2 = 47 ° C, raportul T2/T1 al temperaturilor absolute asociate acestora?

1/3
4/5
5/4
5
niciuna dintre valori nu se aplică

3. Pentru a încălzi 2 litri de apă (cApă = 4,2 kJ * K -1 * kg -1) de la T = 20 ° C la T = 40 ° C, aveți nevoie de o energie de:

42 kJ
84 kJ
168 kJ
336 kJ
420 kJ

umfla

Gonsior, Physik für Mediziner, Schattauer Verlag, 1994, ediția a II-a

Seibt, Physik für Mediziner, Springer Verlag, 2009, ediția a 6-a

Introducere în fizică I, scenariu, O. von der Lühe și U. Landgraf

Răspunsuri corecte: 1A (curba presiunii vaporilor), 2C (temperatura absolută se calculează de la temperatura Celsius adăugând 273 K), 3C (doi litri de apă corespund unei mase de 2 kg)