Temperatuur en Absolute Temperatuur (Kelvin)

Begrip temperatuur en definities

Definitie

De temperatuur van een lichaam, voorgesteld door het symbool $θ$ of $t$, is een fysische grootheid die de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes in het lichaam weergeeft. Temperatuur fungeert als een maatstaf voor de interne energie die samenhangt met de bewegingstoestand van de deeltjes in een stof. Hoe hoger deze energie, hoe hoger de temperatuur.

De absolute temperatuur, aangeduid met het symbool $T$, is gedefinieerd ten opzichte van het absolute nulpunt. Dit is een fundamenteel referentiepunt binnen de thermodynamica waarbij de kinetische energie van de deeltjes minimaal is en elke thermische beweging ophoudt. Absolute temperatuur gebruikt de Kelvin-schaal als referentie.

Belangrijke concepten

• Temperatuur ($θ$ of $t$): Een maat voor de hoeveelheid warmte-energie die aanwezig is in een lichaam, gerelateerd aan de gemiddelde kinetische energie van zijn deeltjes.

• Absolute temperatuur ($T$): Temperatuur gemeten vanaf het absolute nulpunt, waarbij $T$ een lineaire relatie heeft met de interne energie van een systeem.

• Absolute nulpunt ($0~K$): Het theoretische nulpunt op de Kelvin-schaal, overeenkomend met $-273~^\circ\text{C}$, waarbij alle thermische bewegingen ophouden. Op dit punt bereikt een ideaal gas volume nul.

• Eenheden:

  • Temperatuur ($θ$, $t$): uitgedrukt in graden Celsius ($^\circ\text{C}$)

  • Absolute temperatuur ($T$): uitgedrukt in Kelvin ($K$)

• Notaties: In contexten van thermodynamica en fysica wordt $T$ meestal voor absolute temperatuur en $θ$ (of $t$) voor temperatuur in graden Celsius gebruikt.

Formules en berekeningen

Het fundamentele verband tussen temperatuur in graden Celsius en absolute temperatuur in Kelvin wordt gegeven door:

waarbij:

• $T$: absolute temperatuur in Kelvin ($K$)

• $\theta$: temperatuur in graden Celsius ($^\circ\text{C}$)

Omgekeerd kan worden omgerekend met:

Belangrijk blijft dat Kelvin geen graden-teken heeft. Er bestaat geen "Kelvin-graden": het is "273 K" en niet "273 °K".

Praktijkvoorbeelden

Voorbeeld 1: Een laboratorium heeft een koelkast ingesteld op een temperatuur van −20 °C. Bereken de absolute temperatuur in Kelvin.

Oplossing:

De absolute temperatuur in de koelkast is 253 K.

Voorbeeld 2: Tijdens een experiment wordt vastgesteld dat een gasmonster zich bevindt op een temperatuur van 350 K. Wat is de temperatuur uitgedrukt in graden Celsius?

Oplossing:

De temperatuur in Celsius bedraagt 77 °C.

Veel gemaakte fouten

• Verwarren van eenheden: Studenten vermelden soms verkeerdelijk een graden-teken ("273 °K" i.p.v. het correcte "273 K").

• Onafgewerkte omrekening: Vergeten systematisch 273 op te tellen (of af te trekken) bij het omzetten van Celsius naar Kelvin, wat leidt tot foutieve resultaten, vooral in berekeningen van gaswetten of calorimetrie.

• Fysische interpretatie van Kelvin: Denken dat $0~K$ overeenkomt met het koudste punt in het universum zonder te beseffen dat het een theoretisch, onbereikbaar minimum is dat enkel in limietprocessen bereikt wordt.

• Begrip absoluut nulpunt vergeten te linken aan de afwezigheid van thermische beweging: Verwarren met het vriespunt van water of standaardomstandigheden.

Samenvatting

Temperatuur, aangeduid met $θ$ of $t$, is een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes in een stof. De absolute temperatuur $T$, gemeten in Kelvin, verwijst naar een schaal waarvan het nulpunt ($0~K$) het absolute nulpunt is. Het verband tussen beide schalen wordt uitgedrukt als $T = \theta + 273$, met $θ$ in graden Celsius en $T$ in Kelvin. Het is essentieel correct om te rekenen tussen deze schalen, eenheden te respecteren en het fysieke belang van het absolute nulpunt te begrijpen.

Oefenvragen

1. Een vacuümkamer heeft een temperatuur van −150 °C. Bereken de absolute temperatuur in Kelvin. Antwoord: $$T = \theta + 273 = -150 + 273 = 123\,\text{K}$$

2. Een cryogene vloeistof bevindt zich bij 90 K. Druk deze temperatuur uit in graden Celsius. Antwoord: $$\theta = T - 273 = 90 - 273 = -183\,^\circ\text{C}$$

3. Leg uit waarom negatieve waarden voor absolute temperatuur (in Kelvin) fysisch onmogelijk zijn. Antwoord: Absolute temperatuur in Kelvin kan niet negatief zijn omdat $0~K$ overeenkomt met de minimale thermische energie van deeltjes. Negatieve waarden zouden betekenen dat een systeem minder dan geen thermische beweging heeft, wat fysisch onmogelijk is aangezien dit een energie lager dan het absolute nulpunt impliceert.

4. Welke fout maak je als je bij het omrekenen van 25 °C naar absolute temperatuur resultaat geeft als 25 K? Hoe zou je dit corrigeren? Antwoord: Je vergeet de omrekenfactor 273 toe te passen, wat leidt tot een foutief resultaat. Correcte omzetting is: $$T = 25 + 273 = 298\,\text{K}$$ De gecorrigeerde absolute temperatuur is 298 K.