Temperatūra
Temperatūra ir viens no tiem nedaudzajiem fizikālajiem lielumiem, ar kuriem iepazīstamies ne tikai pirms sākam skolā mācīties fiziku, bet vēl pirms iemācāmies lasīt. Jau agrā bērnībā uzzinām, ka vārdiem “karsts”, “silts”, “auksts” atbilst noteiktas mūsu izjūtas, un arī to, ka tiem atbilst noteiktas temperatūras – ziemā zemākas, vasarā augstākas.
Temperatūra ir termodinamisku sistēmu raksturojošs makroskopisks parametrs, kam ir jēga tikai tad, ja sistēma ir pietiekoši liela. Temperatūra raksturo daļiņu (vai molekulu, vai atomu) kustības ātrumu (gāzēm) vai svārstību intensitāti (cietām vielām). Ar vārdu temperatūra jau no seniem laikiem raksturo ķermeņa sasilšanas pakāpi. Karsts, silts, vēss, auksts – tā visbiežāk cilvēks saka par savā apkārtnē esošo ķermeņu siltumu. Taču cilvēkam siltuma izjūta ir subjektīva. Viens, saulē sakarsis, iet peldēties, un viņam ūdens liekas auksts. Cits turpretī jau labu laiku peldas un jūtas lieliski.
Temperatūru parasti mēra ar termometru, taču ir īpašas ierīces pirometri, ar kuriem temperatūru nosaka no attāluma, mērot ķermeņu izstarotās gaismas īpašības. Piemērām, tā nosaka debess spīdekļu temperatūru vai arī kūstoša metāla temperatūru kausējamās krāsnīs.
Temperatūras mērīšana
Temperatūras mērīšana pamatojas uz parādību, ka daudzas ķermeņu īpašības mainās, mainoties temperatūrai. Līdz ar to atkarībā no temperatūras mainās arī tie fizikālie lielumi, kuri šīs īpašības raksturo, piemēram, tilpums, spiediens, blīvums, īpatnējā elektriskā pretestība u.c. Lai varētu mērīt temperatūru, ir jābūt spēkā šādiem nosacījumiem;
1. Jāizvēlas ķermenis, ar kuru varētu noteikt siltuma līdzsvara stāvokli. Šādu ķermeni sauc par termometru. Tātad termometrs ir līdzsvara stāvokļa indikators. Zinot termometra temperatūru jebkurā stāvoklī’, var noteikt temperatūru citam ķermenim. Šajā nolūkā starp termometru un ķermeni rada termisko kontaktu un panāk siltuma līdzsvara stāvokli.
2. Jāizvēlas kāds konkrēts termometriskā ķermeņa parametrs, pēc kura maiņām varētu noteikt temperatūras maiņas.
3. Jāizvēlas temperatūras skala. Tas nozīmē, ka izraudzītā parametra vērtībām noteiktos termometra stāvokļos jāpiekārto noteiktas temperatūras vērtības.
Temperatūras skalas
Celsija skala. Nosaukta par godu zviedru astronomam Celsijam (Anders Celsius 1701-1744), kurš 1742. gadā šo skalu izveidojis. Skalā par atskaites punktiem pieņemta tīra ūdens sasalšanas temperatūra (0 grādi) un tīra ūdens vārīšanās temperatūra (100 grādi) standarta apstākļos. Starpība starp šīm abām vērtībām tika sadalīta 100 daļās (100 grādos).
Kelvina skala. Nes skotu inženiera, matemātiķa un fiziķa Kelvina vārdu (William Thomson, 1st Lord Kelvin 1824-1907), kurš, sadarbībā ar fiziķi Džoulu, šo skalu izveidojis 1862. gadā. Šī skala sākas ar zemāko, teorētiski iespējamo, temperatūru, ko sauc par absolūtās nulles temperatūru. Šādā temperatūrā molekulu kustība vairs nav iespējama. Pēc Kelvina skalas nav negatīvu temperatūru. Kelvina skalu visbiežāk lieto zinātnieki, īpaši fiziķi, astronomi un tā ir SI sistēmas temperatūras skala. Viena grāda iedaļas vērtība Kelvina skalā sakrīt ar viena grāda vērtību pēc Celsija skalas, tikai atskaites punkti ir atšķirīgi. 0 grādi pēc Kelvina skalas ir vienādi -273.15oC. Attiecīgi 0oC ir vienādi ar 273.15 K, bet 100oC ir vienādi ar 373.15 K.
Fārenheita skala. Skalu 1714. gadā ieviesis vācu fiziķis Fārenheits (Gabriel Daniel Fahrenheit 1686-1736). Pēc šīs skalas ūdens sasalšanas temperatūra ir 32oF, bet ūdens vārīšanās temperatūra ir 212oF. Ūdens sasalšanas temperatūra šājā skalā pacelta virs nulles, lai izvairītos no negatīvām temperatūrām. Fārenheita grāda vērtība neatbilst celsija grāda vērtībai: 1oC = 1,8oF. Vairākās valstīs Amērikas kontinentā Fārenheita skala tiek lietota par pamata temperatūras skalu ikdienā, tāpat kā pie mums Celsija skala.
Reomura skala. Skalu 1730. gadā izveidojis franču zinātnieks Reomurs (René-Antoine Ferchault de Réaumur 1683-1757). Šī skala mūsdienās praktiski vairs netiek lietota un tai ir palikusi vairs tikai vēsturiska vērtība. Līdzīgi Celsija skalai pēc Reomira 0oR atbilst ūdens sasalšanas temperatūrai, bet ūdens vārīšanās temperatūra ir 80oR.
Atsevišķi temperatūru piemēri pēc dažādām temperatūru skalām.
Absolūtā nulle N2 vārīšanās CO2 sublimācija H2O
sasalšana Cilvēka ķermenis H2O
vārās Kvēldiegs
spuldzē
oC -273,15 -195,79 -78,48 0 37 100 ~ 2 500
K 0 77,45 194,67 273,15 310,15 373,15 ~ 2 773
oF -459,67 -320,4 -109,26 32 98,60 212 ~ 4 532
oR -218,52 -156,63 -62,78 0 29,6 80 ~ 2 000
Ideālās gāzes temperatūras skala. Franču zinātnieki Ž. L Gē-Lisaks un Ž . Šarls eksperimentāli konstatēja, ka visas retinātas gāzes, sasilstot nemainīgā spiedienā izplešas vienādi un šo gāzu spiediens, ja tās silda nemainīgā tilpumā, mainās vienādi. Tas nozīmē, ka retinātas gāzes var izmantot par termometrisku vielu.
Absolūtās nulles temperatūra. Tā ir viszemākā temperatūra dabā. Tā kā spiedienu nosaka molekulu virzes kustība, tad jāsecina, ka absolūtās nulles temperatūrā izbeidzas molekulu virzes kustība.
Termometrs
Termometrs ir ierīce temperatūras mērīšanai tajā vidē, ar kuru termometram ir termiskais kontakts. Lai iespējami precīzāk noteiktu pētāmās vides temperatūru, šīs vides masai jābūt ievērojami lielākai nekā termometriskās vielas masa. Pretējā gadījumā termometra ievietošana vidē izraisīs, piemēram, šīs vides jūtamu atdzišanu, pārejot siltuma līdzsvara stāvoklī.
Termometru darbība pamatojas uz dažādu fizikālu parādību norises atkarību no temperatūras; gāzu, šķidrumu un cietu vielu izplešanos, gāzu un tvaiku spiediena palielināšanos, elektriskās pretestības izmaiņu.
Pirmie termometri tika izveidoti jau 16.gs. beigās. Tā, piemēram, G. Galilejs izgatavoja (1592) ierīci, kas sastāvēja no stikla balona, kuram piekausēta stikla caurulīte ar vaļēju galu. Balonā atradās gaiss. Šo balonu ar rokām sasildīja un pēc tam caurulītes vaļējo galu iegremdēja traukā ar ūdeni. Balonam atdziestot līdz apkārtējas vides temperatūrai, ūdens caurulītē pacēlās virs ūdens līmeņa traukā. Tādējādi šāda ierīce tika izmantota kolbā un caurulītē esošā gaisa tilpuma atkarība no temperatūras. Temperatūras maiņu varēja konstatēt pēc gaisa tilpuma maiņas. Patiesībā G. Galileja izveidotā ierīce vēl nav termometrs, jo pēc tās nevar noteikt temperatūras vērtības. Tas ir tikai termoskops, ar kuru var konstatēt temperatūras maiņu. Turklāt jāievēro, ka ūdens stabiņa augstums caurulītē ir atkarīgs ne tikai no temperatūras, bet arī no atmosfēras spiediena. Taču G. Galilejs neko par atmosfēras spiedienu nezināja , jo tā tika atklāta tikai (1643). Atmosfēras spiedienu atklāja G. Galileja skolnieks itāliešu fiziķis Evandželista Tirročelli. Viņš arī izgudroja dzīvsudraba termometru.
Termometra galvenā sastāvdaļa ir kāda viela, kuras fizikālo īpašību maiņu, mainoties temperatūrai, lieto temperatūras reģistrēšanai. Atkarībā no termometriskās vielas izšķir vairāku veidu termometrus:
Šķidruma termometrs. Tas ir visizplatītākais termometrs. Šķidruma termometra darbības pamatojas uz to, ka šķidrumi sasilstot izplešas un tādējādi to tilpums mainās atkarībā no temperatūras. Vienkāršākais šķidruma termometrs ir dzīvsudraba termometrs. Tas sastāv no stikla vai kvarca caurulītes ar ļoti tievu kanālu, kura šķērsgriezuma laukums viscaur ir vienāds. Caurulītes viens gals savienots ar nelielu stikla rezervuāru, kuram ir lodītes vai cilindra forma. Rezervuāra un daļu caurulītes piepilda ar dzīvsudrabu.
Gāzes (un kondensācijas) termometri. Tur mēra gāzes spiedienu (noslēgtā tilpumā), mainoties temperatūrai. Šos sauc arī par manometriskajiem termometriem, jo temperatūru tur nolasa no manometra. Kondensācijas termometrs no gāzes termometra atšķiras ar to, ka tur ir gaistošs šķidrums līdzsvarā ar savu tvaiku, un, mainoties temperatūrai, tas iztvaiko un kondensējas, mainot savu tilpumu.
Bimetāliskais termometrs. Sastāv no divu dažādu metālu vienāda garuma plāksnītēm, kas savienotas kopā. Tā kā dažādiem metāliem termiskās izplešanās koeficients ir dažāds, meinoties temperatūrai, plāksnītes izliecas. Izliekums ir atkarīgs no temperatūras un to var viegli mērīt.
Pretestības termometrs. Šeit mēra kāda materiāla elektriskās pretestības izmaiņas. Materiāls parasti ir kāds metāls (varš vai platīns) vai pusvadītājs.
Termoelements (termopāris). Mēra divu sametinātu metālu termoelektriskā EDS maiņu. Var mērīt augstākas temperatūras, nekā ar pretestības termometriem.
Pirometrs. Tur mēra siltumstarojumu (un gaismas starojumu), kas nāk no mērāmā ķermeņa. Šeit par termometrisko vielu iespējams lietot arī pašu mērāmo vielu, tikai jāzina tās melnuma pakāpe.