IV.1. Stare termică. Temperatură. Echilibru termic.

• IV.1.1. Stare termică. Temperatură.
• IV.1.2. Echilibrul termic.
• IV.1.3. Modificarea stării termice. Încălzire / Răcire. Transmiterea căldurii.

IV.1.1. Stare termică. Temperatură.

Starea de încălzire a corpurilor se numește stare termică.

🔦 Observație

Omul poate aprecia starea de încălzire a corpurilor din mediul înconjurător cu ajutorul simţurilor sale. Numai că aceste aprecieri sunt subiective și numai calitative (rece, foarte rece, cald, foarte cald).

În anumite împrejurări, aprecierile simțurilor noastre pot fi chiar imprecise (sau false). Cunoşti, de exemplu, când eşti la mare şi vrei să intri în apă, la început apa îţi pare rece. După ce te-ai obişnuit cu apa, vei spune că apa este caldă.

👀 Experiment: Apa de la robinet este şi rece şi caldă!
🔥 Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Materiale necesare:
Trei farfurii adânci (caserole), apă foarte rece (apă cu câteva cuburi de gheaţă), apă rece de la robinet şi apă caldă (de la robinetul de apă caldă sau încălzită ).

Descrierea experimentului:

• Pune în prima farfurie apa foarte rece, în a doua apa rece de la robinet şi în cea de-a treia apa caldă , în cantități egale.
• Introdu mâna stângă în apa foarte rece şi pe cea dreaptă în apa caldă, timp de câteva minute.
• Scoate în același timp ambele mâini și pune-le în vasul cu apă rece de la robinet.
• Observă cum apreciază cele două mâini starea de încălzire a apei de la robinetul de apă rece.

  Mâna care a stat în apa cu gheață va aprecia apa de la robinet ca fiind caldă, iar cea care a stat în apă caldă va simţi apa de la robinet foarte rece.

Concluzia experimentului:
Simțurile noastre, în anumite situații, ne pot da informații eronate (greșite) despre stare termică a unui corp.

Pentru a măsura în mod obiectiv cât de cald sau cât de rece este un corp s-a introdus o mărime fizică numită temperatură.

Temperatura este o mărime fizică de stare, care descrie starea termică a unui corp la un anumit moment de timp.

🔦 Observație

În 1848, fizicianul britanic William Thomson (lord Kelvin) a propus o scară de temperatură care să nu depindă de nicio substanță, numită scară absolută, care a fost aleasă ca unitate de măsură în Sistemul Internațional. Scara Kelvin nu are temperaturi negative.

La temperatura de zero absolut (0 Kelvin= - 273°C), mișcarea atomilor din interiorul corpurilor încetează.

Folosim simbolul T pentru temperatura exprimată în Kelvin, pentru scara Celsius folosim simbolul t și pentru cea exprimată în grade Fahrenheit o notăm cu t_F.

Caracterizarea temperaturii ca mărime fizică:

Diferite tipuri de termometre:

- Termometru de laborator cu mercur

- Termometru medical(cu mercur)

- Termometru medical digital (cu componentă electrică sensibilă la căldură)

- Termometru de exterior

- Termometru de cameră (cu alcool colorat)

- Termometru cu cristale lichide (acestea îşi schimbă culoarea când sunt încălzite). Se lipesc de piele.

În 1742, fizicianul suedez Anders Celsius a propus o scară de temperatură pentru termometrul cu mercur, numită scara Celsius care are două repere :

• Temperatura de topire a gheții de 0 °C, la presiune normală.
• Temperatura de fierbere a apei de 100 °C, la presiune normală.

Relația dintre scara Kelvin și scara Celsius:

🔦 Observație

Scara Fahrenheit a fost propusă în 1724 de către fizicianul Daniel Gabriel Fahrenheit. Fahrenheit este o scară de temperatură utilizată în cadrul sistemului anglo-saxon de unități de măsură. Gradul Fahrenheit, notat cu °F, este unitatea de măsură a temperaturii (tF).

Relația de transformare între scara Celsius t(°C) și Fahrenheit t_F (°F):

🔓 Probleme rezolvate

1. Transformă o temperatură de 40°C în Kelvin și grade Fahrenheit.

2. Transformă o temperatură de 560 K în grade Celsius.

t = 560 – 273,15 = 286,85 °C

3. Calculează variația temperaturii din tabelul cu temperaturi minime și maxime pe o săptămână:

Δt_Luni = t_max – t_min = -1 °C - (-5 ) °C = -1 °C + 5 °C = 4 °C

Δt_Marți = t_max – t_min = 4 °C - (-2) °C = 4 °C + 2 °C = 6 °C

Δt_Miercuri = t_max – t_min = -2 °C - (-10) °C = -2 °C + 10 °C = 8°C

Δt_Joi = t_max – t_min = 2 °C - (-3 ) °C = 2 °C + 3 °C = 5 °C

Δt_Vineri = t_max – t_min = 0 °C - (-1) °C = 1 °C

Δt_Sâmbătă = t_max – t_min = 5 °C - 2 °C = 3 °C

Δt_Duminică = t_max – t_min = 7 °C - 1 °C = 6 °C

🔐 Exerciții - Stare termică. Temperatură.

1. Mihai a primit de la tatăl său un acvariu cu peștișori. El a aflat că temperatura optimă a apei din acvariu este de 25°C și că poate suferi doar variații mici de temperatură de 1-2°C. El a măsurat temperatura apei de acvariu din oră în oră folosind un termometru cu alcool. A notat valorile indicate de termometru într-un tabel și apoi a realizat diagrama de mai jos.

Încercuiește litera corespunzătoare răspunsului corect.

Temperatura indicată de termometru la ora 15 este mai mare decât temperatura indicată de termometru la ora 9 cu:

a) 2°C

b) 4°C

c) 5°C

d) 6°C

IV.1.2. Echilibrul termic.

👀 Experiment: Echilibrul termic
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
🔥 Atenție când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Materiale necesare:
Vas metalic, sursă de încălzire, un borcan de 800 g (mare), o sticluţă sau un borcănel care să încapă în borcanul mare, două termometre (pot fi și de cameră), cronometru.

Descrierea experimentului:

• Pune apă rece de la robinet în borcanul mai mic şi măsoară-i temperatura inițială: t₁ = .......... °C,
• Încălzeşte separat apă, apoi pune-o în borcanul mai mare și măsoară-i temperatura: t₂ = …… °C
• Pune borcanul mic cu apa rece în borcanul mai mare cu apa caldă și în fiecare pune câte un termometru. Pornește cronometrul.
• Urmăreşte indicaţiile termometrului până când acesta rămâne la aceeaşi temperatură, pe care o notezi cu t_e = ......... °C. Trece temperaturile celor două ape în următorul tabel:

• Realizează graficul dependenței temperaturilor apei reci, respectiv calde în funcție de timp.

Concluzia experimentului:

Apa rece își mărește temperatura, iar apa caldă își micșorează temperatura, până ajung la aceeași temperatură.

Două corpuri cu temperaturi diferite, puse în contact termic, după un anumit timp, ajung să aibă aceeași temperatură (numită temperatură de echilibru = t_e), adică să fie în echilibru termic.

IV.1.3. Modificarea stării termice. Încălzire / Răcire. Transmiterea căldurii.

Încălzirea este fenomenul termic în care corpul își mărește temperatura.

Răcirea este fenomenul termic în care corpul își micșorează temperatura.

Am văzut că atunci când punem două corpuri în contact termic, după un timp ele ajung la aceeași temperatură. Între cele două corpuri are loc un schimb ( transfer ) de căldură astfel :

• Corpul cald cedează căldură celui rece și se răcește .

• Corpul rece primește căldură de la corpul cald și se încălzește.

Transferul de căldură de la un corp la altul are loc până la egalizarea temperaturii celor două corpuri.

Transmiterea căldurii de la corpul mai cald la corpul mai rece se poate face în trei feluri:

- Prin conducție, în cazul metalelor, de la capătul încălzit spre cel neîncălzit.

🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!

- Prin convecție, în cazul lichidelor și gazelor, cu ajutorul curenților.

🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai de către profesori!

- Prin radiație, de la un corp cald, de la distanță sub formă de raze (în linie dreaptă). De exemplu planeta noastră este încălzită prin radiațiile Soarelui.