In Randall T. Knights Lehrbuch „Physics for Scientists and Engineers“ im ersten Kapitel über Thermodynamik (Ch. 16: A Macroscopic Description of Matter) wird eine der ersten konzeptionellen Fragen wie folgt formuliert:
Die Probe in einem Experiment ist zunächst bei °C. Wenn die Temperatur der Probe verdoppelt wird, was ist die neue Temperatur in °C?
Die Antwort darauf impliziert die Bezugnahme auf die absolute Temperatur (der Einfachheit halber auf eine signifikante Zahl, wie im Buch gefordert), dh:
.
Ich verstehe, dass die ganze Idee dieser Frage dem Schüler wiederholen soll, dass wir uns Temperatur als eine spezifische physikalische Eigenschaft vorstellen sollten, und nicht im alltäglichen Sinne, aber ich bin verwirrt über den Wortlaut. Im Abschnitt über Temperatur schreibt der Autor:
Wir beginnen mit der vernünftigen Vorstellung, dass die Temperatur ein Maß dafür ist, wie „heiß“ oder „kalt“ ein System ist. Dies sind Eigenschaften, die wir beurteilen können, ohne dass eine ausgefeilte Theorie erforderlich ist. Wenn wir diese Ideen entwickeln, werden wir feststellen, dass die Temperatur T mit der thermischen Energie eines Systems zusammenhängt . […] Wir werden die Temperatur in Kapitel 18 genauer untersuchen und diese vagen Vorstellungen von heiß und kalt durch eine präzise Beziehung zwischen Temperatur und thermischer Energie ersetzen.
Das heißt, wir befinden uns noch im Stadium der „vagen Vorstellungen“. Ein paar Absätze später führt Knight die Kelvin-Skala ein, aber nirgends dort oder dazwischen besteht er ausdrücklich auf dieser Idee, die ich nach der Formel erwähnt habe. Zumindest nicht, dass ich es sehen kann.
Übersehe ich etwas, das für mich offensichtlich sein sollte, und ich verstehe es nicht sofort, weil mein Gehirn durch mehr als 50 Stunden Lernen pro Woche erschöpft ist? Bin ich einfach nur dumm, weil ich zu meiner ewigen Schande viel zu lange gebraucht habe, um es herauszufinden? Oder gab es einen besseren Weg, auf diese Idee eines Autors zu verweisen: Was sagen andere Lehrbücher zu diesem Thema, wie formulieren sie dieses Konzept? Ist die Frage logisch fehlerhaft oder verwirrend oder ist es die übliche Art, die Situation in der wissenschaftlichen Literatur zu beschreiben?
Die Frage soll den Schüler daran erinnern, dass die für die Physik relevante Temperatur die absolute Temperatur in Kelvin ist und nicht die Temperatur bezogen auf den Tripelpunkt von Wasser (in Grad Celsius).
Das heißt, der Nullpunkt der absoluten Temperatur ist wohldefiniert als Zustand ohne thermische Energie, und die Verdoppelung der absoluten Temperatur ist daher mit der Verdoppelung der thermischen Energie verbunden. Der Nullpunkt der Celsius-Skala bezieht sich jedoch nicht auf diese Weise auf thermische Energie.
Die als Lösung angegebene Formel rechnet zunächst Grad Celsius in Kelvin (absolute Temperatur) um, verdoppelt dann die Temperatur (was nur in Kelvin sinnvoll ist, nicht in Grad Celsius) und rechnet dann wieder in Grad Celsius um.
Dass eine Verdoppelung der Temperatur in Grad Celsius nicht sinnvoll ist, nehmen Sie den Tripelpunkt von Wasser minus , das ist, . Wenn Sie diese "Temperatur" verdoppeln, erhalten Sie nochmal. Wenn Sie jedoch die thermische Energie des Systems verdoppeln und dann in Grad Celsius umrechnen, erhalten Sie (dazwischen treten Modulo-Phasenübergänge auf). Wenn Sie die gleiche Berechnung in Kelvin durchführen, funktioniert alles gut.
Ich muss jedoch zugeben, dass die Frage etwas verworren erscheint, da ich nicht einmal daran denken würde, die Temperatur in Grad Celsius zu verdoppeln, und daher versucht wird, den Schüler in eine Falle zu locken, indem ich ihn dazu auffordere …seltsam.
Der Punkt der Übung ist einfach, dass die Antwort nicht ist . Sie möchten, dass Sie verstehen, dass sich Celsius-Temperaturen nicht verdoppeln, weil Celsius setzt am falschen Bezugspunkt. Es ist eine affine Transformation, keine lineare. Stellen Sie sich ein Flugzeug mit Kelvin-Einheiten vor -Achse und Einheiten Celsius auf der -Achse. Um von einem zum anderen zu konvertieren, verwenden Sie eine Linie, die den Ursprung nicht schneidet (weil ist nicht Wenn ist 0). Diese Linie ist natürlich grob . Wenn Sie die Temperatur verdoppeln, verdoppeln Sie Ihre horizontale Position (dh Kelvin). Wenn Sie sehen, wo Sie das auf die Linie bringt, ist es klar, dass es Ihre vertikale Position (dh Celsius) nicht verdoppelt hat.
Wenn Sie verstehen, warum Sie zuerst in Kelvin umrechnen müssen, dann haben Sie alles verstanden, was Ihnen die Übung sagen wollte.
David z