Dado que los fluidos se expanden de manera no lineal, ¿cómo pudieron los físicos hacer una escala de temperatura lineal?

Question

Los materiales se expanden con el aumento de la temperatura. Que yo sepa esta propiedad de los fluidos fue puesto en uso, para hacer iniciales de los termómetros. Sabemos que la expansión de líquido está dada por la siguiente fórmula (a una presión dada) (Wikipedia)

$$\Delta V = \alpha_V (T) V \Delta T$$

Ahora, a partir de esta ecuación obtenemos que la expansión de líquido no es lineal. Por lo tanto, para una unidad de cambio de temperatura (es decir, $\Delta T = 1\ \text {unit}$) a diferentes volúmenes y la temperatura de la expansión del líquido es diferente. Esto significa que el termómetro por lo hecho no es lineal (en el que la igualdad de espaciado de representar la igualdad cambio en la temperatura).

Así

• ¿Cómo sabemos ahora que nuestra escala de temperatura ahora es uno lineal?

Si es posible contar cómo este problema fue superado por los físicos?

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Tenga en cuenta que mi problema no es que no lo podemos dividir la escala en mi propia secciones iguales, sino más bien si el fluido no está en expansión lineal, entonces ¿cómo hemos de ser capaces de obtener la medida correcta.

Answer 1

Hay física de respuestas a su pregunta.

Para responder a su preocupación por el nivel del termómetro de escala que vemos en nuestra casa termómetros, donde la temperatura es dado a intervalos iguales de -30C a +50C vistazo a la tabla de aquí. Se da el coeficiente volumétrico de expansión por cada grado. Para el alcohol, que son los habituales de casa barata los termómetros, es de menos a más .002. No puedo explicar las diferencias en la lectura de los grados, incluso dentro de un 10% , así que no hay problema en la linealidad debido a que el cambio es demasiado pequeño.

Answer 2

En forma simplista, siempre se puede definir un lineal de la escala de temperatura. Por ejemplo, usted podría llamar a la congelación y el punto de ebullición de agua (en algunos de presión estándar) 0 y 100, y luego construir una escala lineal entre ellos.

Pero es razonable, entonces, preguntar si la escala lineal es entonces decir que algo fundamental acerca de la observación de las propiedades físicas del objeto. es decir, hay alguna propiedad fundamental que cambia linealmente con la temperatura?

Por ejemplo, usted podría determinar primero su escala inicial con la ayuda de un termómetro de gas, que determina la temperatura de acuerdo con el volumen del gas. Usted podría marcar el 0 y 100 puntos con referencia a la de ebullición y de los puntos de congelación y, a continuación, determinar intermedio de los valores de temperatura como lineal incrementos del volumen de gas.

Supongamos que a continuación se determinó la escala de forma independiente utilizando el ruido térmico de la tensión en una resistencia, de nuevo marcando el 0 y 100 puntos y la determinación de los puntos intermedios como lineal incrementos del ruido del voltaje.

Iba a las temperaturas de los dos termómetros partido entre el 0 y 100 puntos? La respuesta es, en general, que no quisieron, pero el desacuerdo no sería terrible. Esto es así a pesar de la Ley de los Gases Ideales (para termómetros de gas) y el de Johnson-Nyquist ecuación (por el ruido de resistencia), tanto de una manera lineal. Gas Real termómetros y las resistencias no son ideales suficiente.

La mecánica estadística y la termodinámica relacionar la temperatura con la energía interna de un objeto. En la versión simplificada de la teoría clásica aprendí a nivel de pregrado, que la relación es lineal. Esto no siempre es cierto si usted agregue quantum consideraciones y otras complejidades, pero incluso si la "verdadera" relación fue lineal es prácticamente difícil de medir la energía interna.

Answer 3

Ya hay grandes respuestas, pero me gustaría hablar de cómo se podría definir operacionalmente la temperatura.

Como Tony ya se ha señalado, podemos definir una escala de temperatura que es lineal. La escala en sí es la definición de la temperatura. Y para hacer una línea recta, se necesitan dos puntos. Así que tomar dos puntos, digamos de ebullición y de congelación del agua bajo condiciones estandarizadas como puntos de referencia.

Pero si estamos definiendo en términos de una escala, necesitamos una manera de medir. Para ello, utilizamos el hecho de que la temperatura estamos definiendo debe estar relacionada con lo caliente que es un objeto. Y cuando calentamos un gas, se expande. Así que podemos llenar un gas en un globo (decir) que puede expandirse y contraerse y puede soportar la temperatura de ebullición y de congelación del agua. Ya que podemos medir el volumen del globo (gas), con la que podemos medir la temperatura.

Pero también necesitamos asignar significado a los puntos entre los dos puntos de referencia. Para esto, podemos notar una extraordinaria cosa! Si tomamos una mezcla a partes iguales (por volumen) de agua fría y caliente y sumergir el globo en ella, el volumen resultante de la globo de gas es exactamente el promedio del volumen en los dos puntos de referencia! De esta manera podemos mezclar las aguas en diversas proporciones para marcar el resto de la escala. Así es como me imagino que fue definido inicialmente.

Este maravilloso resultado es debido a la:

1. El uso de gas/material cuyo coeficiente de expansión es constante en el interesado rango de temperatura

2. El calor específico del agua es constante (hasta razonablemente gran aproximación) entre su congelación y el punto de ebullición. Una vez que tenemos una definición operativa y una manera de medir la temperatura, se puede estudiar el tema formalmente haciendo postulados basados en observaciones empíricas. Ese es el poder de la abstracción!

Answer 4

La escala de temperatura usamos hoy en día no se basa en la expansión térmica de los líquidos o de cualquier otra propiedad de una sustancia que varía monótonamente con la temperatura. Diferentes tipos de termómetros, tales como el mercurio de los termómetros, termómetros de resistencia de platino, etc., de no estar de acuerdo el uno con el otro en todas las temperaturas. Esto es debido a que la lectura depende de la termométrico sustancia utilizada. Hoy en día utilizamos la escala de temperatura absoluta, que no depende de ninguna sustancia. Gas Ideal termométrico escala está cerca de la escala de temperatura absoluta.

Y si usted está midiendo la variación de la presión con la temperatura de un gas ideal el termómetro, a continuación, varía no sólo monótonamente con la temperatura, sino también linealmente de acuerdo con la ley del gas ideal.

Como usted ha señalado, la longitud de un fluido en un termómetro de no aumentar de forma lineal con la temperatura (la temperatura aquí es basada en la escala de temperatura absoluta). Pero la variación de longitud que se supone que es lineal. Generalmente, los termómetros fueron calibrados en particular dos temperaturas, el hielo y el punto de vapor punto en 1 la presión atmosférica, que podrían ser fácilmente producido en un laboratorio. Cuando la temperatura de una sustancia que se encuentra entre estos dos valores, la longitud del fluido en el tubo también se encuentran entre los dos extremos. Con el fin de dar un valor numérico, la variación de temperatura que se supone que es lineal. Pero ahora, es evidente que cualquier termométrico escala diferente a la de los gases ideales termométrico escala depende mucho de la sustancia utilizada.

Answer 5

Creo que la respuesta rápida es que, aunque $\alpha_V (T)$ no es constante, solo varía ligeramente con $T$ , especialmente cuando $T$ no coloca el fluido cerca de un cambio de estado. Por lo tanto, la expansión del fluido se puede aproximar usando $\alpha_V (T) = \text {constant}$ que produce una expansión lineal.