Temperatur er relateret til den fornemmelse, vi oplever, når vi rører ved visse genstande. Denne fornemmelse giver os mulighed for at klassificere dem i kolde genstande, f.eks. en isterning, og varme genstande, f.eks. en kogende kop kaffe. I dette kapitel vil vi se nærmere på, hvad der menes med temperatur i fysikken. Vi forklarer:
- Begrebet temperatur
- Hvad termometre er
- Hvad er de mest almindelige temperaturskalaer
- Hvordan man omregner mellem de forskellige temperaturskalaer
- Hvad er det absolutte nulpunkt
Begrebet temperatur
Temperaturen giver os mulighed for at kende niveauet af varmeenergi i et legeme. Partiklerne i et legeme bevæger sig med en vis hastighed, og hver partikel har derfor en vis kinetisk energi. Gennemsnitsværdien af denne kinetiske energi <Ec> er direkte relateret til kroppens temperatur. Jo højere den gennemsnitlige kinetiske energi af partiklerne er, jo højere er temperaturen, og jo lavere den gennemsnitlige kinetiske energi er, jo lavere er temperaturen.
Temperatur er en skalarisk størrelse, der måler mængden af termisk energi i et legeme. For gasser er dens værdi proportional med molekylernes gennemsnitlige kinetiske energi i henhold til udtrykket:
Hvor:
- Temperatur T: Dens måleenhed i det internationale system er Kelvin ( K )
- Universel konstant k: Denne er en konstant, der er ens for alle gasser. Dens måleenhed i det internationale system er Kelvin pr. joule ( K/J )
- Gennemsnitlig kinetisk energi af gasmolekylerne <Ec>: Dette er den gennemsnitlige kinetiske energiværdi af gasmolekylerne. Dens måleenhed i det internationale system er Joule ( J )
Bemærk, at i modsætning til andre størrelser som hastighed eller acceleration er temperaturen ikke en mekanisk, men en statistisk størrelse.
Fordelingen af hastighederne for partiklerne i en gas (og dermed fordelingen af den kinetiske energi for hver enkelt partikel), er styret af Maxwells fordelingslov. På det følgende billede kan du få en kvalitativ idé om, hvilken effekt en temperaturstigning har på molekylerne i en gas.
For det samme stof gælder det, at jo højere temperaturen er, desto større er hastigheden af de partikler, som det består af, jo større er den. På samme måde kan man i hver graf se, at jo højere temperaturen er, jo større er det interval af hastigheder, der kan opnås på grund af Maxwell-fordelingen. For eksempel kan du i den første graf se, hvordan de fleste af partiklerne har lave hastigheder (deres værdier er koncentreret nær koordinaternes oprindelse), og efterhånden som temperaturen stiger, bliver koncentrationen af partiklernes hastighed mere spredt.
På den anden side, når vi sætter to legemer i kontakt, sker der en udveksling af varmeenergi: temperaturen flyder fra det legeme med den højere temperatur til det legeme med den lavere temperatur. Hvis vi lader tilstrækkelig lang tid gå, udligner de to temperaturer sig. Når vi således rører ved en krop, der har en lavere temperatur end os selv, føler vi kulde, og hvis den har en højere temperatur, føler vi varme. Årsagen er netop denne udveksling af varmeenergi mellem vores finger og det pågældende legeme.
Hvordan måler vi temperaturen?
Temperaturen er en statistisk størrelse, så vi kan ikke måle den direkte. For at måle den bruger vi forskellige størrelser, der varierer med den, f.eks. højden af en kviksølvsøjle, den elektriske modstand eller volumen og tryk af en gas. Disse størrelser kaldes termometriske størrelser.
For at måle temperaturen bruger vi termometre. Et termometer er en anordning, der gør det muligt at forbinde en termometrisk størrelse med temperaturen.
Typer af termometre
Der findes forskellige typer termometre afhængigt af den fysiske størrelse, der skal måles, og som varierer med temperaturen. Her følger en liste over nogle af de vigtigste af dem. Termometrenes navn og en kort beskrivelse er angivet i kursiv.
- Dilatationsbaseret
- Gasser
- Volumeændring: Gasthermometer ved konstant tryk. Gasens volumen varierer med temperaturen. De er meget nøjagtige og anvendes generelt til kalibrering af andre termometre
- Trykændring: Gastermometer med konstant volumen. Gasens tryk varierer med temperaturen. De er meget nøjagtige og bruges generelt til kalibrering af andre termometre
- Gasser
- Væsker
- Kviksølvkolonne: Kviksølvtermometer. Højden af kviksølvsøjlen varierer med temperaturen. Det er forbudt at markedsføre og anvende det i visse lande, f.eks. i Spanien
- Søjle med farvet alkohol: Alkoholtermometer. Højden af den farvede alkoholsøjle varierer med temperaturen. Det var det første, der blev skabt
- Solider
- Længdeændring: Bimetallisk termometer. Består af to plader af forskellige metaller, der er stift forbundet med hinanden. Samlingen bøjer sig i en bue proportionalt med temperaturændringen. Dette skyldes, at hver plade har en forskellig udvidelseskoefficient, og at temperaturændringer medfører forskellige ændringer i deres længder
- Modstand
- Halvleder: Thermistor. Halvledere er materialer, der opfører sig som ledere eller isolatorer afhængigt af deres temperatur. Dette gør dem til apparater til temperaturmåling
- Platin: Platin-termometer. Den elektriske modstand af platin varierer lineært med temperaturen
- Thermoelement: Dette er et par af svejsninger af to ledende ledninger af uensartede metaller. Et af forbindelserne holdes ved en konstant referencetemperatur. Den genererede elektromotoriske kraft afhænger af temperaturforskellen mellem svejsningerne
- Infrarød stråling
- Infrarødt termometer: Varme legemer afgiver varme i form af elektromagnetisk stråling, der opfanges af denne type termometer
- Optisk pyrometer: De bruges normalt til at måle temperaturer over 700 °C. De er baseret på ændringen i den farve, som varme genstande gløder med. Fra mørkerød til gul og næsten hvid ved ca. 1300º C
Temperaturskalaer
Temperaturen måles indirekte ved hjælp af termometriske størrelser. Som vi vil se, vil vi bruge værdierne af disse størrelser i visse faste tilstande til at kalibrere termometre og dermed etablere en skala. Eksempler på disse faste tilstande er frysning eller kogning af vand.
Der findes tre hovedskalaer til måling af temperatur:
- Celsius
- Farenheit
- Kelvin
Lad os se på processen for hver enkelt skala.
Centigrade- eller Celsius-skalaen
- Vandets normale frysepunkt er tildelt værdien 0 på termometeret
- Vandets normale kogepunkt er tildelt værdien 100 på termometeret
- Dette område er opdelt i 100 lige store dele. Hver af disse kaldes en grad Celsius ( ºC )
Fahrenheit-skalaen
- Det normale frysepunkt for vand har en værdi på 32 på termometeret
- Det normale kogepunkt for vand har en værdi på 212 på termometeret
- Dette område er opdelt i 180 lige store dele. Hver af disse kaldes en grad Fahrenheit ( ºF )
Kelvin, absolut skala eller Kelvin-skalaen
Dette er den skala, der anvendes i det internationale enhedssystem. For at definere den absolutte skala skal vi først definere den absolutte nultemperatur og vands trippelpunkt.
Absolut nultemperatur
Det er den laveste temperaturtilstand, som et legeme kan have. I denne tilstand vil bevægelsen af de atomer og molekyler, som kroppen består af, være nul. Det er en teoretisk temperatur, som ikke kan nås i praksis.
Vandets tripelpunkt
Vandets tripelpunkt er det temperatur-trykpar, hvor vand eksisterer i både fast, flydende og gasformig tilstand. Specifikt vil temperaturen være 0,01 ºC og trykket 611,73 Pa.
Proces
- Den laveste temperatur, der kan eksistere, det absolutte nulpunkt, tildeles værdien 0 på termometeret
- Værdien 273.16 er tildelt vands trippelpunkt
- Størrelsen af Kelvin-graderne svarer til graderne Celsius
Kelvin er den enhed for temperatur, der anvendes i det internationale enhedssystem.
Da vi tildeler 0 K til det absolutte nulpunkt, er der ingen negative temperaturer på Kelvinskalaen.
Da størrelsen af grader er den samme på Kelvin- og Celsiusskalaen, falder en temperaturstigning i Kelvingrader sammen med en stigning i celsiusgrader.
Konvertering af skalaer
Med tanke på, at tC, tF og T er temperaturen udtrykt i henholdsvis grader Celsius, Fahrenheit og Kelvin, vil vi bruge følgende udtryk til at konvertere mellem skalaer.