416. Lämpömittarin vaikutus systeemiin
Useimmat lämpömittarit asettuvat lämpötasapainoon mitattavan systeemin kanssa. Mittari siis häiritsee systeemiä, mikä vaikuttaa mittauksen tulokseen.
Teräksinen lämpötila-anturi on massaltaan 6,0 g, ja se on huoneenlämpötilassa 21 °C. Sillä mitataan lämpötila vedelle, jota on 120 g. Mittauksen tulos on 69,5 °C. Teräksen ominaislämpökapasiteetti on 460 [[$\dfrac{\text{J}}{\text{kg} \cdot \text{°C}}$]]. Kuinka suuri oli veden lämpötila ennen mittausta?
Ratkaisu:
Vesi luovuttaa teräksisille lämpömittarille energiaa lämpönä. Oletetaan, että lämpömittarin vastaanottama energia lämpönä on yhtä suuri kuin veden luovuttama lämpöenergia. Vesi ja lämpömittari ovat molemmat lopuksi lämpötilassa 69,5 °C. Merkitään lämpötiloja aluksi [[$ T_\text{vesi} $]] ja [[$ T_\text{teräs}=294{,}15\text{ K} $]]. Merkitään lämpötilaa lopuksi [[$ T=342{,}65 \text{ K}. $]]
Kirjataan lähtöarvot.
[[$ c_\text{vesi} =4190\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg K}}, m_\text{vesi}=0{,}120 \text{ kg}, c_\text{teräs}=460\ \dfrac{\text{J}}{\text{kg K}}, m_\text{teräs}=0{,}006\text{ kg} $]]
[[$ \begin{align} Q_\text{luovutettu}&=Q_\text{vastaanotettu} \\[6pt] c_\text{vesi}m_\text{vesi}\Delta T_\text{vesi}&=c_\text{teräs}m_\text{teräs}\Delta T_\text{teräs} \\[6pt] c_\text{vesi}m_\text{vesi}\left(T_\text{vesi}-T \right)&=c_\text{teräs}m_\text{teräs}\left(T-T_\text{teräs} \right) \\[6pt] T_\text{vesi}-T&=\dfrac{c_\text{teräs}m_\text{teräs}\left(T-T_\text{teräs} \right)}{c_\text{vesi}m_\text{vesi}} \\[6pt] T_\text{vesi}&=\dfrac{c_\text{teräs}m_\text{teräs}\left(T-T_\text{teräs} \right)}{c_\text{vesi}m_\text{vesi}}+T \\[6pt] \end{align} $]]
Sijoittamalla tunnetut suureet saadaan veden alkulämpötilaksi [[$ T=342{,}9... \text{ K}=69{,}76... \text{ °C}. $]]
Vastaus: Veden alkulämpötila on noin 69,8 °C.