6.2. Temperatura
Z pojęciem temperatury spotykamy się na co dzień. Każdy z nas ma odczucie, że coś jest „ciepłe” lub „zimne”. Jednakże te odczucia są subiektywne i zawodne, ponieważ zależą od stanu otaczającego nas środowiska. Oto typowe doświadczenie wykazujące nieobiektywność naszych odczuć temperatury. Postaw obok siebie trzy miski. Do miski z lewej strony nalej wody zimnej, do miski z prawej strony nalej wody gorącej (ale nie na gorącej, by nie można było tam bezpiecznie włożyć ręki!), a do środkowej miski nalej w równych ilościach wody zimnej i gorącej. Wtedy w środkowej misce będzie woda letnia, o temperaturze pośredniej. Włóż teraz rękę lewą do wody zimnej, a prawą – do gorącej i potrzymaj je przez pewien czas. Następnie włóż obie ręce do miski z letnią wodą. Przekonasz się, że dla ręki lewej ta sama woda będzie ciepła, podczas gdy dla ręki prawej – będzie zimna.
Konieczne jest zatem jakieś obiektywne kryterium w celu określenia pojęcia temperatury. To właśnie pomiar pozwala na ustanowienie takiego obiektywnego kryterium.
Początkowo posługiwano się jakościowym pojęciem temperatury – mówiono o temperaturze wyższej lub niższej – bez podawania miary lub liczby. Próby obiektywnego pomiaru i ilościowego ujęcia temperatury podejmowano w XVII wieku (Galileusz – Galileo Galilei, Evangelista Torricelli, Otto von Guericke i in.). W XVIII wieku Gabriel Fahrenheit oraz Anders Celsius przyjęli, że zmiana temperatury jest proporcjonalna do zmiany objętości cieczy (rtęci, alkoholu), która zachodzi z powodu zjawiska zwanego rozszerzalnością termiczną ciał, o którym będziemy mówić w rozdziale 6.6. Rozszerzalność cieplna płynów i ciał stałych. Wskazania termometrów zbudowanych na tej zasadzie są zbliżone do naszego sensorycznego wrażenia temperatury.
Na podstawie wielu doświadczeń stwierdzono, że najlepszą obiektywną miarą temperatury jest ta zdefiniowana w teorii kinetycznej gazów doskonałych. Zagadnienie to opiszemy w rozdziale 6.7. Podstawowe pojęcia teorii kinetycznej gazów.
Bezwzględna i praktyczna skala temperatury, kelwin i stopień Celsjusza
W praktyce temperaturę podaje się zwykle w skali Celsjusza. Temperatura odpowiada punktowi zamarzania, zaś – punktowi wrzenia wody destylowanej pod normalnym ciśnieniem . Zwróć uwagę, że podano tu ciśnienie normalne z dokładnością większą niż w poprzednim rozdziale.
Kelwin , jednostka temperatury w skali bezwzględnej, jest równy stopniowi Celsjusza , gdy mowa jest o przyrostach temperatury. Natomiast punkty zerowe obu skal są różne. W skali bezwzględnej nie ma temperatury ujemnej. Zero jest najniższą temperaturą. Dla odróżnienia skal temperaturę w skali Celsjusza oznacza się zazwyczaj przez , natomiast w skali Kelvina zawsze przez .
Temperatura krzepnięcia wody (topnienia lodu) w bezwzględnej skali temperatur wynosi . Zatem zero bezwzględne odpowiada . Temperatura wrzenia wody (przy normalnym ciśnieniu) wynosi, odpowiednio, . Punkty służące do skalowania temperatury, takie jak punkt topnienia lodu i punkt wrzenia wody, nazywamy punktami charakterystycznymi. Oprócz wymienionych powyżej dwóch punktów charakterystycznych można ustalić jeszcze wiele innych. Jednym z nich jest tzw. punkt potrójny wody, przy którym trzy stany skupienia wody – lód, ciecz i para są w równowadze. Punkt ten odgrywa ważną rolę, ponieważ daje się ustalić z dużą dokładnością. Zagadnienie to omówimy bliżej, gdy będziemy rozważać przemiany fazowe różnych substancji w rozdziale 8.3. Przemiany fazowe.
Po wyznaczeniu punktów charakterystycznych można porównać obydwie skale temperatur (il. 6.6). Zależność między liczbowymi wartościami temperatury w obydwu skalach jest następująca:
gdzie oznacza temperaturę w skali Celsjusza.
Natomiast przyrost temperatury o jeden kelvin jest równy przyrostowi temperatury o jeden stopień Celsjusza. Fakt ten często wyrażamy skrótowo, pisząc (lub mówiąc), że .
Bardzo niskie i bardzo wysokie temperatury (temat nadobowiązkowy)
Materiały w skrajnych warunkach, tzn. w warunkach bardzo niskiej i bardzo wysokiej temperatury, skrajnie wysokim ciśnieniu itp., wykazują ciekawe własności. Już obecnie znane są zastosowania praktyczne materiałów w takich warunkach. Dlatego dziedzinie tej poświęca się wiele uwagi, zarówno od strony teoretycznej, jak i badań doświadczalnych.
Najniższą temperaturą jest zero bezwzględne. W żadnym eksperymencie nie udało się uzyskać tej temperatury. Dotychczas, przy zastosowaniu specjalnych, bardzo skomplikowanych metod (stosując technikę laserową), osiągnięto temperaturę różniącą się od zera bezwzględnego tylko o .
Zgodnie z przewidywaniami klasycznej mechaniki w temperaturze zera bezwzględnego powinien ustać wszelki ruch atomów czy cząsteczek. Jednakże, według mechaniki kwantowej (teorii powstałej w XX wieku, odnoszącej się głównie do mikroświata), obraz „bezruchu” jest bardziej skomplikowany. Przewiduje ona, że w każdym układzie istnieje stan o najniższej energii. W pierwszym tomie podręcznika opisaliśmy taki stan w odniesieniu do budowy atomu – jest to jego stan podstawowy. W odniesieniu do układu atomów stan podstawowy, o najniższej energii, nie odpowiada bezruchowi, lecz wykonywaniu przez atomy czy cząsteczki tak zwanych drgań zerowych. Nie istnieje żaden sposób na odebranie cząsteczkom energii drgań zerowych. W miarę zbliżania się temperatury do zera bezwzględnego rośnie prawdopodobieństwo przejścia pojedynczej cząsteczki w stan podstawowy. Takie zachowanie materii powoduje m.in., że prawo gazów doskonałych, które omówimy dalej, można stosować dla temperatury dostatecznie odległej od zera bezwzględnego.
W temperaturze mało różniącej się od zera bezwzględnego wszystkie substancje (z wyjątkiem helu) znajdują się w stanie stałym, nawet takie jak tlen czy wodór, o których z przyzwyczajenia myślimy, że są zawsze gazami. Natomiast ciekły hel uzyskuje niezwykłą właściwość – nadpłynność (inaczej nadciekłość), polegającą na tym, że przepływa przez wąskie szczeliny, nie wykazując tarcia wewnętrznego, czyli tak zwanej lepkości.
Wiele ciał stałych w bardzo niskiej temperaturze wykazuje nadprzewodnictwo elektryczne, polegające na zaniku oporności elektrycznej dla prądu stałego. Istnienie tego zjawiska stwarza nowe, niezwykłe możliwości dla techniki, np. wytwarzanie pól magnetycznych o dużej gęstości energii oraz wytworzenie doskonałej pamięci w urządzeniach liczących (prąd raz wprowadzony do kołowego nadprzewodnika może krążyć w nim praktycznie wiecznie). W wyniku intensywnych badań w tej dziedzinie osiągnięto w ostatnich 30 latach podniesienie temperatury krytycznej, poniżej której występuje nadprzewodnictwo od wartości ok. 25 K do wartości ok. 200 K
Na drugim krańcu skali znajdują się temperatury wysokie. Temperatura rzędu setek tysięcy i milionów kelwinów występuje podczas wybuchów jądrowych i termojądrowych, jak również we wnętrzu gwiazd. Wysoką temperaturę można uzyskać w wiązce lasera o dużej energii. Materia w takiej temperaturze występuje pod postacią nowego stanu materii – plazmy. Już temperatura rzędu tysięcy kelwinów wystarcza, by większość atomów materii była w stanie zjonizowanym. Plazma składa się właśnie ze zjonizowanych atomów i swobodnych elektronów.
Plazma charakteryzuje się wieloma ciekawymi własnościami, do których należy zaliczyć silne oddziaływanie z polem elektrycznym i magnetycznym, gdyż cząstki plazmy nie są obojętne elektrycznie i mają ładunki. Oddziaływanie między cząstkami naładowanymi w plazmie powoduje, że staje się ona swego rodzaju ośrodkiem sprężystym, w którym łatwo powstają i rozchodzą się różne fale, bardziej różnorodne niż w zwykłym gazie składającym się z cząsteczek nienaładowanych elektrycznie.
Pytania i problemy
- Jaka cecha rtęci jest wykorzystywana do pomiaru temperatury w termometrach rtęciowych?
- Czym są punkty charakterystyczne na skali temperatury? Przedstaw przynajmniej dwa takie punkty.
- Opisz sposób postępowania w celu przeliczenia skali Celsjusza na skalę Kelvina. Ilu stopniom Celsjusza odpowiada zero kelwinów?
- Co nazywamy nadprzewodnictwem i nadciekłością? W jakich temperaturach te zjawiska występują?
- Co to jest plazma? Jakie temperatury są konieczne do osiągnięcia stanu plazmy?