Teplota souvisí s pocitem, který zažíváme při dotyku určitých předmětů. Tento vjem nám umožňuje rozdělit je na studené objekty, například kostku ledu, a horké objekty, například vařící šálek kávy. V této kapitole se budeme blíže zabývat tím, co se ve fyzice rozumí pod pojmem teplota. Vysvětlíme si:
- Pojmy teploty
- Co jsou to teploměry
- Jaké jsou nejběžnější teplotní stupnice
- Jak převádět mezi jednotlivými teplotními stupnicemi
- Co je absolutní nula
Pojmy teploty
Teplota nám umožňuje poznat úroveň tepelné energie tělesa. Částice v tělese se pohybují určitou rychlostí, takže každá částice má určitou kinetickou energii. Průměrná hodnota této kinetické energie <Ec> přímo souvisí s teplotou tělesa. Čím vyšší je tedy průměrná kinetická energie částic, tím vyšší je teplota, a čím nižší je průměrná kinetická energie, tím nižší je teplota.
Teplota je skalární veličina, která měří množství tepelné energie tělesa. V případě plynů je její hodnota úměrná průměrné kinetické energii molekul podle výrazu:
Kde:
- Teplota T: Její měrnou jednotkou v mezinárodní soustavě je Kelvin ( K )
- Univerzální konstanta k: Je to stejná konstanta pro všechny plyny. Její měrnou jednotkou v mezinárodní soustavě je kelvin na joule ( K/J )
- Průměrná kinetická energie molekul plynu <Ec>: Jedná se o průměrnou hodnotu kinetické energie molekul plynu. Její měrnou jednotkou v mezinárodní soustavě je Joule ( J )
Všimněte si, že na rozdíl od jiných veličin, jako je rychlost nebo zrychlení, teplota není mechanická, ale statistická veličina.
Rozdělení rychlostí částic plynu (a tedy i rozdělení kinetické energie každé částice) , se řídí Maxwellovým distribučním zákonem. Na následujícím obrázku si můžete udělat kvalitativní představu o tom, jaký vliv má zvýšení teploty na molekuly plynu.
U stejné látky platí, že čím vyšší je teplota, tím větší je rychlost částic, které ji tvoří. Podobně je na každém grafu vidět, že čím vyšší je teplota, tím většího rozsahu rychlostí lze díky Maxwellovu rozdělení dosáhnout. Například na prvním grafu je vidět, jak má většina částic nízké rychlosti (jejich hodnoty jsou soustředěny v blízkosti počátku souřadnic) a s rostoucí teplotou se koncentrace rychlostí částic zvětšuje.
Na druhé straně, když se dvě tělesa dotýkají, dochází k výměně tepelné energie: teplota proudí od tělesa s vyšší teplotou k tělesu s nižší teplotou. Pokud necháme uplynout dostatečně dlouhou dobu, obě teploty se vyrovnají. Když se tedy dotkneme tělesa, které má nižší teplotu než my, cítíme chlad, a když má vyšší teplotu, cítíme horko. Důvodem je právě tato výměna tepelné energie mezi naším prstem a daným tělesem.
Jak měříme teplotu?
Teplota je statistická veličina, takže ji nemůžeme měřit přímo. K jeho měření používáme různé veličiny, které se s ním mění, jako je výška rtuťového sloupce, elektrický odpor nebo objem a tlak plynu. Tyto veličiny se nazývají termometrické veličiny.
K měření teploty používáme teploměry. Teploměr je zařízení, které nám umožňuje spojit určitou teploměrnou veličinu s teplotou.
Typy teploměrů
Existují různé typy teploměrů v závislosti na měřené fyzikální veličině, která se mění v závislosti na teplotě. Níže je uveden seznam některých hlavních z nich. Název teploměrů a stručný popis jsou uvedeny kurzívou.
- Dilatační
- Plynové
- Objemová změna: Plynový teploměr při konstantním tlaku. Objem plynu se mění v závislosti na teplotě. Jsou velmi přesné a obvykle se používají ke kalibraci jiných teploměrů
- Změna tlaku: Teploměr s konstantním objemem plynu. Tlak plynu se mění v závislosti na teplotě. Jsou velmi přesné a zpravidla se používají ke kalibraci jiných teploměrů
- Tekutiny
- Rtuťový sloupec: Rtuťový teploměr. Výška rtuťového sloupce se mění v závislosti na teplotě. Jeho uvádění na trh a používání je v některých zemích, například ve Španělsku, zakázáno
- Sloupec barevného alkoholu: Alkoholový teploměr. Výška barevného sloupce alkoholu se mění v závislosti na teplotě. Jako první byl vytvořen
- Polymer
- Změna délky: Bimetalový teploměr. Skládá se ze dvou desek z různých kovů pevně spojených dohromady. Sestava se ohýbá do oblouku úměrně změně teploty. Je to proto, že každá destička má jiný koeficient roztažnosti a změny teploty způsobují různé změny jejich délek
- Plynové
- Na základě elektrických vlastností
- Odpor
- Polovodič: Termistor. Polovodiče jsou materiály, které se v závislosti na teplotě chovají jako vodiče nebo izolanty. To z nich dělá zařízení pro měření teploty
- Platina: Platinový teploměr. Elektrický odpor platiny se mění lineárně s teplotou
- Termoelektrický jev
- Termočlánek: Jedná se o dvojici spojů (svárů) dvou vodivých drátů z různorodých kovů. Jeden ze spojů je udržován na konstantní referenční teplotě. Vzniklá elektromotorická síla závisí na rozdílu teplot mezi svary
- Odpor
- Infračervené záření
- Infračervený teploměr: Horká tělesa vyzařují teplo ve formě elektromagnetického záření, které zachycuje tento typ teploměru
- Optický pyrometr: Obvykle se používají k měření teplot nad 700 °C. Jsou založeny na změně barvy, kterou září horké předměty. Od tmavě červené přes žlutou až po téměř bílou kolem 1300º C
Teplotní stupnice
Teplota se měří nepřímo pomocí termometrických veličin. Jak uvidíme, hodnoty těchto veličin v určitých ustálených stavech použijeme ke kalibraci teploměrů, čímž vytvoříme stupnici. Příkladem těchto ustálených stavů je mráz nebo var vody.
Existují tři hlavní stupnice pro měření teploty:
- Celsius
- Farenheit
- Kelvin
Podívejme se na postup pro každou konkrétní stupnici.
Stupnice Celsia nebo Celsia
- Obvyklému bodu tuhnutí vody je na teploměru přiřazena hodnota 0
- Obvyklému bodu varu vody je na teploměru přiřazena hodnota 100
- Tento rozsah je rozdělen na 100 stejných částí. Každý z nich se nazývá stupeň Celsia ( ºC )
Fahrenheitova stupnice
- Obvyklý bod tuhnutí vody má na teploměru hodnotu 32
- Obvyklý bod varu vody má na teploměru hodnotu 212
- Tento rozsah je rozdělen na 180 stejných částí. Každý z nich se nazývá stupeň Fahrenheita ( ºF )
Kelvinova, absolutní nebo Kelvinova stupnice
Tato stupnice se používá v Mezinárodní soustavě jednotek. Abychom mohli definovat absolutní stupnici, definujeme nejprve teplotu absolutní nuly a trojný bod vody.
Teplota absolutní nuly
Je to nejnižší teplotní stav, který může těleso mít. V tomto stavu by byl pohyb atomů a molekul tvořících těleso nulový. Jedná se o teoretickou teplotu, které nelze v praxi dosáhnout.
Trojný bod vody
Trojný bod vody je taková dvojice teploty a tlaku, při níž voda existuje současně v pevném, kapalném a plynném stavu. Konkrétně by teplota byla 0,01 ºC a tlak 611,73 Pa.
Proces
- Nejnižší teplota, která může existovat, absolutní nula, má na teploměru hodnotu 0
- Hodnota 273.16 je přiřazeno trojnému bodu vody
- Velikost stupňů Kelvina odpovídá stupňům Celsia
Kelvin je jednotka teploty používaná v Mezinárodní soustavě jednotek.
Protože absolutní nule přiřazujeme 0 K, neexistují na Kelvinově stupnici záporné teploty.
Protože velikost stupňů je na Kelvinově a Celsiově stupnici stejná, zvýšení teploty ve stupních Kelvina se shoduje se zvýšením teploty ve stupních Celsia.
Převod stupnic
Máme-li na paměti, že tC, tF a T je teplota vyjádřená ve stupních Celsia, Fahrenheita, resp. Kelvina, použijeme pro převod mezi stupnicemi následující výrazy.