Lämpötila liittyy tuntemukseen, jonka koemme, kun kosketamme tiettyjä esineitä. Tämän aistimuksen avulla voimme luokitella ne kylmiin esineisiin, esimerkiksi jääkuutioon, ja kuumiin esineisiin, esimerkiksi kiehuvaan kahvikuppiin. Tässä luvussa tarkastelemme tarkemmin, mitä lämpötilalla tarkoitetaan fysiikassa. Kerromme:
- Lämpötilan käsite
- Mitä lämpömittarit ovat
- Mitkä ovat yleisimmät lämpötila-asteikot
- Miten eri lämpötila-asteikkojen välillä muunnetaan
- Mitä on absoluuttinen nollapiste
Lämpötilan käsite
Lämpötilan avulla voimme tuntea kappaleen lämpöenergiatason. Kappaleen hiukkaset liikkuvat tietyllä nopeudella, joten jokaisella hiukkasella on tietty liike-energia. Tämän liike-energian <Ec> keskiarvo on suoraan yhteydessä kehon lämpötilaan. Näin ollen mitä suurempi on hiukkasten keskimääräinen liike-energia, sitä korkeampi on lämpötila, ja mitä pienempi on keskimääräinen liike-energia, sitä alhaisempi on lämpötila.
Lämpötila on skalaarinen suure, joka mittaa kappaleen lämpöenergian määrää. Kaasujen tapauksessa sen arvo on verrannollinen molekyylien keskimääräiseen liike-energiaan lausekkeen mukaisesti:
Jossa:
- Lämpötila T: Sen mittayksikkö kansainvälisessä järjestelmässä on Kelvin ( K )
- Yleisvakio k: Tämä on kaikille kaasuille sama vakio. Sen mittayksikkö kansainvälisessä järjestelmässä on kelvin per joule ( K/J )
- Kaasumolekyylien keskimääräinen liike-energia <Ec>: Tämä on kaasumolekyylien keskimääräinen liike-energian arvo. Sen mittayksikkö kansainvälisessä järjestelmässä on Joule ( J )
Huomaa, että toisin kuin muut suureet, kuten nopeus tai kiihtyvyys, lämpötila ei ole mekaaninen vaan tilastollinen suure.
Kaasun hiukkasten nopeuksien jakaumaa (ja näin ollen kunkin hiukkasen liike-energian jakaumaa) määrittää Maxwellin jakaumalaki. Seuraavasta kuvasta saat laadullisen käsityksen siitä, millainen vaikutus lämpötilan nousulla on kaasun molekyyleihin.
Samalle aineelle pätee, että mitä korkeampi lämpötila on, sitä suurempi on sen muodostavien hiukkasten nopeus. Vastaavasti jokaisessa kuvaajassa on nähtävissä, että mitä korkeampi lämpötila on, sitä suuremmat nopeudet voidaan saavuttaa Maxwellin jakauman ansiosta. Esimerkiksi ensimmäisessä kuvaajassa näet, kuinka suurimmalla osalla hiukkasista on alhainen nopeus (niiden arvot keskittyvät lähelle koordinaattien alkupistettä) ja lämpötilan noustessa hiukkasten nopeuden keskittyminen laajenee.
Toisaalta, kun asetamme kaksi kappaletta kosketuksiin, tapahtuu lämpöenergian vaihtoa: lämpötila virtaa korkeamman lämpötilan omaavasta kappaleesta matalamman lämpötilan omaavaan kappaleeseen. Jos annamme kulua riittävästi aikaa, lämpötilat tasoittuvat. Kun siis kosketamme kehoa, jonka lämpötila on meitä alhaisempi, tunnemme kylmyyttä, ja jos sen lämpötila on korkeampi, tunnemme kuumuutta. Syynä on juuri tämä lämpöenergian vaihtuminen sormen ja kyseisen kappaleen välillä.
Miten mittaamme lämpötilaa?
Lämpötila on tilastollinen suure, joten emme voi mitata sitä suoraan. Sen mittaamiseen käytetään erilaisia suureita, jotka vaihtelevat sen mukaan, kuten elohopeapatsaan korkeus, sähkövastus tai kaasun tilavuus ja paine. Näitä suureita kutsutaan termometrisiksi suureiksi.
Lämpötilan mittaamiseen käytetään lämpömittareita. Lämpömittari on laite, jonka avulla voidaan yhdistää jokin lämpömittari ja lämpötila.
Lämpömittarityypit
Lämpömittareita on erityyppisiä riippuen mitattavasta fysikaalisesta suureesta, joka vaihtelee lämpötilan mukaan. Seuraavassa on luettelo eräistä tärkeimmistä niistä. Lämpömittareiden nimet ja lyhyt kuvaus on esitetty kursiivilla.
- Dilataatioon perustuva
- Kaasut
- Tilavuuden muutos: Kaasulämpömittari vakiopaineessa. Kaasun tilavuus vaihtelee lämpötilan mukaan. Ne ovat erittäin tarkkoja ja niitä käytetään yleensä muiden lämpömittareiden kalibrointiin
- Paineen muutos: Vakiotilavuuskaasulämpömittari. Kaasun paine vaihtelee lämpötilan mukaan. Ne ovat erittäin tarkkoja, ja niitä käytetään yleensä muiden lämpömittareiden kalibrointiin
- Nesteet
- Elohopeapylväs: Elohopealämpömittari. Elohopeapatsaan korkeus vaihtelee lämpötilan mukaan. Sen markkinointi ja käyttö on kielletty joissakin maissa, kuten Espanjassa
- Värillisen alkoholin sarake: Alkoholilämpömittari. Värillisen alkoholikolonnin korkeus vaihtelee lämpötilan mukaan. Se oli ensimmäinen, joka luotiin
- Kiinteät aineet
- Pituuden muutos: Bimetallilämpömittari. Koostuu kahdesta eri metallista valmistetusta levystä, jotka on liitetty tiukasti yhteen. Kokoonpano taipuu kaaressa suhteessa lämpötilan muutokseen. Tämä johtuu siitä, että kullakin levyllä on erilainen laajenemiskerroin ja lämpötilan muutokset aiheuttavat erilaisia muutoksia niiden pituuksissa
- Kaasut
- Sähköisten ominaisuuksien perusteella
- Vastus
- Puolijohde: Termistori. Puolijohteet ovat materiaaleja, jotka käyttäytyvät johtimina tai eristeinä lämpötilasta riippuen. Tämä tekee niistä lämpötilan mittauslaitteita
- Platina: Platinalämpömittari. Platinan sähkövastus vaihtelee lineaarisesti lämpötilan mukaan
- Termoelektrinen vaikutus
- Thermopari: Tämä on kahden erilaista metallia olevan, johtavan johtimen liitospari (hitsaus). Yksi liitoskohdista pidetään vakiolämpötilassa. Syntyvä sähkömotorinen voima riippuu hitsaussaumojen välisestä lämpötilaerosta
- Vastus
- Lämpösäteilyyn perustuva
- Infrapunasäteily
- Infrapunalämpömittari: Kuumat kappaleet säteilevät lämpöä sähkömagneettisen säteilyn muodossa, jonka tämäntyyppinen lämpömittari ottaa talteen
- Infrapunasäteily
- Näkyvä valo
- Optinen pyrometri: Niitä käytetään yleensä yli 700 °C:n lämpötilojen mittaamiseen. Ne perustuvat kuumien esineiden hehkuvaan värimuutokseen. Tummanpunaisesta keltaiseen, lähes valkoiseksi noin 1300º C:ssa
Lämpötila-asteikot
Lämpötilaa mitataan epäsuorasti termometristen suureiden avulla. Kuten tulemme näkemään, käytämme näiden suureiden arvoja tietyissä kiinteissä tiloissa lämpömittareiden kalibrointiin ja siten asteikon luomiseen. Esimerkkejä näistä kiinteistä tiloista ovat veden jäätyminen tai kiehuminen.
Lämpötilan mittaamiseen on kolme tärkeintä asteikkoa:
- Celsius
- Farenheit
- Kelvin
Katsotaanpa kunkin asteikon prosessia.
Sentigrade- tai Celsius-asteikko
- Veden normaali jäätymispiste saa lämpömittarissa arvon 0
- Veden normaali kiehumispiste saa lämpömittarissa arvon 100
- Tämä vaihteluväli jaetaan 100:aan yhtä suureen osaan. Kutakin näistä kutsutaan Fahrenheit-asteeksi ( ºF )
Kelvin, absoluuttinen tai Kelvin-asteikko
Tämä on kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä käytetty asteikko. Määritelläksemme absoluuttisen asteikon määrittelemme ensin absoluuttisen nollalämpötilan ja veden kolmoispisteen.
Absoluuttinen nollalämpötila
Se on alin lämpötilatila, joka kappaleella voi olla. Tässä tilassa kappaleen muodostavien atomien ja molekyylien liike olisi nolla. Se on teoreettinen lämpötila, jota ei käytännössä saavuteta.
Veden kolmoispiste
Veden kolmoispiste on se lämpötila-painepari, jossa vesi on samanaikaisesti kiinteässä, nestemäisessä ja kaasumaisessa tilassa. Tarkemmin sanottuna lämpötila olisi 0,01 ºC ja paine 611,73 Pa.
Prosessi
- Alhaisin mahdollinen lämpötila, absoluuttinen nollapiste, saa lämpömittarissa arvon 0
- Lämpötilan arvo 273.16 on määritetty veden kolmoispisteelle
- Kelvinasteiden koko vastaa Celsius-asteita
Kelvin on kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä käytetty lämpötilan yksikkö.
Sen vuoksi, että absoluuttiselle nollapisteelle määritetään 0 K, Kelvinin asteikolla ei ole negatiivisia lämpötiloja.
Sen vuoksi, että asteiden koko on sama Kelvinin ja Celsiuksen asteikoilla, lämpötilan nousu Kelvinin asteissa on sama kuin Celsiuksen asteiden nousu.
Skaalojen muuntaminen
Pitäen mielessä, että tC, tF ja T on lämpötila ilmaistuna Celsius-asteina, Fahrenheit-asteina ja Kelvin-asteina, käytämme seuraavia lausekkeita muunnettaessa asteikkojen välillä.