Secties

Temperatuur heeft te maken met het gevoel dat we ervaren als we bepaalde voorwerpen aanraken. Deze gewaarwording stelt ons in staat ze in te delen in koude voorwerpen, bijvoorbeeld een ijsblokje, en warme voorwerpen, bijvoorbeeld een kokend kopje koffie. In dit hoofdstuk gaan we nader in op wat in de natuurkunde onder temperatuur wordt verstaan. We zullen uitleggen:

• Het begrip temperatuur
• Wat thermometers zijn
• Wat de meest voorkomende temperatuurschalen zijn
• Hoe om te rekenen tussen de verschillende temperatuurschalen
• Wat het absolute nulpunt is

Het begrip temperatuur

De temperatuur stelt ons in staat het niveau van thermische energie van een lichaam te kennen. De deeltjes in een lichaam bewegen met een bepaalde snelheid, dus elk deeltje heeft een bepaalde kinetische energie. De gemiddelde waarde van deze kinetische energie <Ec> staat in direct verband met de temperatuur van het lichaam. Dus hoe hoger de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes, hoe hoger de temperatuur, en hoe lager de gemiddelde kinetische energie, hoe lager de temperatuur.

Merk op dat, in tegenstelling tot andere grootheden zoals snelheid of versnelling, temperatuur geen mechanische maar een statistische grootheid is.

De verdeling van de snelheden van de deeltjes van een gas (en dus de verdeling van de kinetische energie van elk deeltje) , wordt beheerst door de verdelingswet van Maxwell. In de volgende afbeelding kunt u een kwalitatief idee krijgen van het effect dat een temperatuursverhoging heeft op de moleculen van een gas.

Voor dezelfde stof geldt: hoe hoger de temperatuur, des te groter de snelheid van de deeltjes waaruit zij is opgebouwd. Op dezelfde manier kan men in elke grafiek zien dat hoe hoger de temperatuur is, hoe groter het snelheidsbereik is dat kan worden bereikt als gevolg van de Maxwell-verdeling. In de eerste grafiek bijvoorbeeld kunt u zien hoe de meeste deeltjes lage snelheden hebben (hun waarden zijn geconcentreerd in de buurt van de oorsprong van de coördinaten) en naarmate de temperatuur stijgt, wordt de concentratie van de deeltjessnelheid groter.

Aan de andere kant, wanneer we twee lichamen met elkaar in contact brengen, vindt er een uitwisseling van thermische energie plaats: de temperatuur stroomt van het lichaam met de hogere temperatuur naar het lichaam met de lagere temperatuur. Als we genoeg tijd laten verstrijken, worden de twee temperaturen gelijk. Wanneer wij dus een lichaam aanraken dat een lagere temperatuur heeft dan wij, voelen wij koude, en wanneer het een hogere temperatuur heeft, voelen wij warmte. De reden is juist deze uitwisseling van thermische energie tussen onze vinger en het lichaam in kwestie.

Hoe meten we temperatuur?

Temperatuur is een statistische grootheid, dus kunnen we die niet rechtstreeks meten. Om deze te meten, maken wij gebruik van verschillende grootheden die ermee variëren, zoals de hoogte van een kwikkolom, de elektrische weerstand of het volume en de druk van een gas. Deze grootheden worden thermometrische grootheden genoemd.

Typen thermometers

Er zijn verschillende soorten thermometers, afhankelijk van de fysische grootheid die wordt gemeten en die varieert met de temperatuur. Hieronder volgt een lijst van enkele van de belangrijkste. De naam van de thermometers en een korte beschrijving zijn cursief weergegeven.

• Dilatatiegebaseerd
  • Gassen
    • Volumverandering: Gasthermometer bij constante druk. Het volume van het gas varieert met de temperatuur. Zij zijn zeer nauwkeurig en worden in het algemeen gebruikt voor het ijken van andere thermometers
    • Drukverandering: Constante volume gastehermometer. De druk van het gas varieert met de temperatuur. Zij zijn zeer nauwkeurig en worden gewoonlijk gebruikt voor het ijken van andere thermometers
  • Vloeistoffen
    • Mercuriuskolom: Kwikthermometer. De hoogte van de kwikkolom varieert met de temperatuur. Het in de handel brengen en het gebruik ervan is in sommige landen, zoals Spanje, verboden
    • Kolom met gekleurde alcohol: alcoholthermometer. De hoogte van de gekleurde alcoholkolom varieert met de temperatuur. Het was de eerste die
  • Zolvers
    • Verandering van lengte: Bimetaalthermometer. Bestaat uit twee platen van verschillende metalen die stevig aan elkaar zijn bevestigd. De assemblage buigt in een boog evenredig met de verandering van temperatuur. Dit komt omdat elke plaat een andere uitzettingscoëfficiënt heeft en temperatuurveranderingen verschillende veranderingen in hun lengte veroorzaken
• Gebaseerd op elektrische eigenschappen
  • Weerstand
    • Semiconductor: Thermistor. Halfgeleiders zijn materialen die zich, afhankelijk van hun temperatuur, gedragen als geleiders of isolatoren. Daardoor zijn het apparaten voor temperatuurmeting
    • Platina: Platina thermometer. De elektrische weerstand van platina varieert lineair met de temperatuur
  • Thermo-elektrisch effect
    • Thermokoppel: Dit is een laspaar van twee geleidende draden van ongelijksoortige metalen. Eén van de knooppunten wordt op een constante referentietemperatuur gehouden. De opgewekte elektromotorische kracht hangt af van het temperatuurverschil tussen de lasnaden
• Op basis van warmtestraling
  • Infraroodstraling
    • Infraroodthermometer: Hete lichamen zenden warmte uit in de vorm van elektromagnetische straling, die door dit type thermometer wordt opgevangen
• Zichtbaar licht
  • Optische pyrometer: Deze worden gewoonlijk gebruikt om temperaturen boven 700 °C te meten. Ze zijn gebaseerd op de verandering van de kleur waarmee hete voorwerpen gloeien. Van donkerrood naar geel, bijna wit wordend bij ongeveer 1300º C

Temperatuurschalen

Temperatuur wordt indirect gemeten via thermometrische magnitudes. Zoals we zullen zien, zullen we de waarden van deze grootheden in bepaalde vaste toestanden gebruiken om thermometers te ijken, en zo een schaal vast te stellen. Voorbeelden van deze vaste toestanden zijn het bevriezen of het koken van water.

Er zijn drie belangrijke schalen voor het meten van temperatuur:

1. Celsius
2. Farenheit
3. Kelvin

Laten we eens kijken naar het proces voor elke specifieke schaal.

Centigrade- of Celsius-schaal

1. Het normale vriespunt van water krijgt een waarde van 0 op de thermometer
2. Het normale kookpunt van water krijgt een waarde van 100 op de thermometer
3. Dit bereik is verdeeld in 100 gelijke delen. Elk van deze wordt een graad Celsius ( ºC )

Fahrenheit schaal

1. Het normale vriespunt van water krijgt een waarde van 32 op de thermometer
2. Het normale kookpunt van water krijgt een waarde van 212 op de thermometer
3. Dit bereik is verdeeld in 180 gelijke delen. Elk van deze heet een graad Fahrenheit ( ºF )

Kelvin, absoluut of Kelvin schaal

Dit is de schaal gebruikt in het Internationaal Stelsel van Eenheden. Om de absolute schaal te definiëren zullen we eerst de temperatuur van het absolute nulpunt en het tripelpunt van water definiëren.

Absolute nultemperatuur

Het is de laagste temperatuurtoestand die een lichaam kan hebben. In deze toestand zou de beweging van de atomen en moleculen waaruit het lichaam is opgebouwd, nul zijn. Het is een theoretische temperatuur die in de praktijk niet kan worden bereikt.

Waterdrievoudigpunt

Het waterdrievoudigpunt is dat temperatuur-drukpaar waarin water in vaste, vloeibare en gasvormige toestand naast elkaar bestaat. Om precies te zijn, de temperatuur zou 0,01 ºC zijn en de druk 611,73 Pa.

Proces

1. De laagste temperatuur die kan bestaan, het absolute nulpunt, krijgt de waarde 0 op de thermometer
2. De waarde 273.16 wordt toegekend aan het tripelpunt van water
3. De grootte van de graden Kelvin is afgestemd op de graden Celsius

Sinds we 0 K aan het absolute nulpunt toekennen, zijn er geen negatieve temperaturen op de schaal van Kelvin.

Sinds de grootte van graden gelijk is op de schalen van Kelvin en Celsius, valt een temperatuurstijging in graden Kelvin samen met een stijging in graden Celsius.

Omrekening van schalen

In aanmerking genomen dat tC, tF en T de temperatuur is, uitgedrukt in respectievelijk graden Celsius, Fahrenheit en Kelvin, zullen wij de volgende uitdrukkingen gebruiken om tussen schalen om te rekenen.