Ebben a blogbejegyzésben a hőmérséklet alapelveit vizsgáljuk meg – amelyek objektív számértékekként fejezik ki a naponta tapasztalt meleget és hideget –, valamint a hőmérséklet mértékegységeit és a különböző hőmérők működését.
Hogyan lehet objektíven mérni a hőmérsékletet?
Minden nap megnézzük az időjárás-előrejelzést, megjósoljuk, hogy meleg vagy hideg lesz-e, ennek megfelelően öltözködünk, és elindulunk. Ha nem lenne meghatározva a hőmérséklet, és nem lenne objektív mutatónk arra, hogy megmérjük, mennyire meleg vagy hideg van, nehéz lenne tudni, hogyan készüljünk fel az időjárásra, mivel mindenkinek más a küszöbértéke a meleg és a hideg érzékelésére.
A hőmérséklet méréséhez először is kell lennie egy olyan tulajdonságnak, amely a hőmérséklettel együtt változik. Másodszor, ezeknek a változásoknak érzékelhetőnek kell lenniük. Harmadszor, ennek a tulajdonságnak a változásainak következetes arányos összefüggést kell követniük. Az ilyen tulajdonságok tipikus példái közé tartozik a hőtágulás, az elektromos ellenállás és a sugárzás elve. A legtöbb tárgy térfogata melegítéskor növekszik, és hűléskor csökken; ezt a hőtágulás elvének nevezzük. Amikor elektromos áram folyik át egy tárgyon, annak ellenállása a hőmérséklettel változik, ami az áramerősség változását okozza; ezt az elektromos ellenállás elvének nevezzük. Végül, minden hőmérséklettel rendelkező tárgy sugárzó energiát bocsát ki elektromágneses hullámok formájában, és a hőmérséklet mérhető azzal az elvvel, hogy ez a sugárzási viselkedés összefügg a tárgy hőmérsékletével.
Hogyan alakultak ki a hőmérséklet mértékegységei?
Feltártuk a hőmérséklet mérésére használt tulajdonságokat. Ezek azonban még mindig nem elegendőek ahhoz, hogy objektív mutatóként használjuk őket, mivel a hőmérséklet mértékegységei még nincsenek meghatározva. A mindennapi életben leggyakrabban használt hőmérsékleti mértékegységek a Celsius (℃) és a Fahrenheit (℉). A tudományban és a mérnöki tudományokban a kelvint (K), az abszolút hőmérséklet mértékegységét használják. A Fahrenheit-skála a 18. századi német fizikus, Daniel Gabriel Fahrenheit által létrehozott hőmérsékleti skálából ered. A Fahrenheit kezdetben a sóoldat fagyáspontját 0 fokban, az emberi testhőmérsékletet pedig 96 fokban határozta meg; azonban mivel a skála referenciapontjait később módosították, a jelenlegi skála a víz fagyáspontját 32℉-ban, a víz forráspontját pedig standard légköri nyomáson 212℉-ban határozza meg, a köztük lévő intervallumot 180 egyenlő részre osztva. A mértékegység jele „℉”. Néhány ország, köztük az Egyesült Államok, ma is használja a Fahrenheit-skálát.
A legtöbb ország, beleértve Dél-Koreát is, a Celsius-skálát használja. A Celsius-skála az 1742-ben Anders Celsius svéd csillagász által javasolt hőmérsékleti rendszerből ered. A Celsius kezdetben a víz forráspontját 0°C-nak, a fagyáspontját pedig 100°C-nak határozta meg; azonban a skálát később megfordították, és a jelenlegi szabvány a víz fagyáspontját 0°C-nak, a forráspontját pedig 100°C-nak használja. A skála 100 egyenlő részre van osztva e két vonatkoztatási pont között, a mértékegység jele pedig „°C”.
Végül az abszolút hőmérséklet mértékegysége a kelvin, amelyet „K”-val jelölnek. Az abszolút hőmérséklet az abszolút nulla ponton – az elméletileg elérhető legalacsonyabb hőmérsékleten – alapul, ami 0 K. A 0 K Celsius-ban -273.15 °C-nak felel meg. A múltban a kelvint a víz hármaspontja alapján határozták meg, de a jelenlegi Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI) a kelvint a Boltzmann-állandó értékének rögzítésével határozzák meg. Az új definíciót a 26. Általános Súly- és Mértékügyi Konferencián fogadták el 2018-ban, és 2019. május 20-án lépett hatályba.
Mivel a Celsius- és Kelvin-fokban megadott hőmérsékleti intervallumok megegyeznek, 1 °C hőmérsékletkülönbség 1 K hőmérsékletkülönbségnek felel meg.
A hőmérséklet mértékegységének kialakulása történelmileg több szakaszon keresztül történt. Az 1954-es 10. Általános Súly- és Mértékügyi Konferencián a víz hármaspontját választották a termodinamikai hőmérséklet alapvető fix pontjának, és ezt a hőmérsékletet pontosan 273.16 K-ben határozták meg. Ezt követően a 13. Általános Súly- és Mértékügyi Konferencián hivatalosan is elfogadták a „Kelvin” nevet és a K szimbólumot. Ez a definíció azonban 2019 óta nem a jelenlegi hivatalos; ma a Boltzmann-állandó fix értékét használják a kelvin meghatározására.
Hogyan működnek a hőtáguláson alapuló hőmérők?
Vessünk egy pillantást egy tipikus, a mindennapi életben található hőtágulásos hőmérőre. A korai hőmérsékletmérő eszközök, amelyeket feltehetően Galilei alkotott meg, a levegő hőtágulását és sűrűségének változásait használták ki. A levegőnek az a tulajdonsága, hogy melegítéskor térfogata növekszik és sűrűsége csökken, hűtéskor pedig térfogata csökken és sűrűsége növekszik. Ezt a tulajdonságot kihasználva a levegőt egy hosszú, vékony nyakú csőbe helyezik, és először melegítik, hogy növeljék a térfogatát. Ezután, amikor a csövet fejjel lefelé helyezik egy víztartályba, a levegő lehűl, és térfogata csökken, aminek következtében a víz felfelé emelkedik a csőben. Ily módon lehetővé vált a hőmérsékletek összehasonlítása azáltal, hogy kihasználták azt a tulajdonságot, hogy a levegő halmazállapota a hőmérséklettől függően változik. Ezeknek az eszközöknek azonban az volt a hátránya, hogy a légköri nyomás befolyásolja őket. Mivel a légköri nyomás eltérő a tiszta, nagynyomású viszonyok és a zord, alacsony nyomású viszonyok között – és ennek következtében a levegő halmazállapota és a víz magassága is változhat –, nehéz volt pontosan összehasonlítani a hőmérsékleteket.
A ma használt hőtágulásos hőmérők tipikus példái közé tartoznak a vörös festéket tartalmazó alkoholhőmérők és a higanyhőmérők, amelyeket régen széles körben használtak. Ezeket úgy készítik, hogy egy vékony üvegcsövet alkohollal vagy higannyal töltenek meg, és a folyadék azon tulajdonságát használják ki, hogy a hőmérséklet-változásokkal tágul és összehúzódik. Egy kulcsfontosságú jellemzője, hogy az üvegcső belseje lezárt, hogy minimalizálja a légköri nyomás hatását, ami Galilei korai készülékében jelen volt. Hőmérséklet mérésekor a hőmérő egy tárgyhoz helyezése hőátadást okoz a hőmérőben lévő folyadék és a mért tárgy között; a folyadék térfogata addig változik, amíg a két tárgy el nem éri a termikus egyensúlyt – azaz ugyanazt a hőmérsékletet. A termikus egyensúly elérése után a hőmérőben lévő folyadék térfogata már nem változik jelentősen; ezért a folyadék magasságának leolvasása ezen a ponton megmutatja a mért tárgy hőmérsékletét. Fordítva, ha a tárgy hőmérséklete alacsonyabb, mint a hőmérőé, a hő a tárgyról a folyadékra adódik át, aminek következtében a térfogata csökken, és a folyadékszint is csökken. Ebben az esetben is a skálán a termikus egyensúly elérésénél látható jelzés a mért tárgy hőmérsékletét jelzi. A higanyhőmérőket a múltban széles körben használták, de a higany toxicitása miatt használatuk jelentősen csökkent, és ma már különböző módszerekkel működő hőmérőket alkalmaznak különböző területeken.
Milyen elvek alapján mérik a hőmérsékletet?
A hőmérsékletmérő eszközökön kívül – mint például a Galilei által feltaláltak, amelyek a gázok hőtágulását használják ki, és a folyadékok, például a higany vagy az alkohol hőtágulását hasznosító hőmérőkön kívül – léteznek „bimetall hőmérők” is, amelyek a szilárd anyagok hőtágulását hasznosítják, „ellenállás-hőmérők”, amelyek a hőmérséklettel változó elektromos ellenállás tulajdonságát használják ki, valamint „termisztorok” és „infravörös hőmérők”, amelyek a hőmérséklettel változó hősugárzási jellemzőket felhasználva mérik a hőmérsékletet. Különösen a digitális hőmérők mérik a hőmérsékletet a termisztor hőmérséklettel változó elektromos ellenállásának tulajdonságát kihasználva.
Az érintésmentes hőmérők, mint például az infravörös hőmérők, a hőmérsékletet egy tárgy által kibocsátott hősugárzás és annak jellemzői alapján mérik.
Mivel a hőmérséklet objektíven van meghatározva, és ennek alapján különféle hőmérők léteznek, a mindennapi életünkben numerikusan összehasonlíthatjuk a meleget és a hideget, és megfelelően reagálhatunk a különböző helyzetekre. A naponta ellenőrzött levegő hőmérséklete is objektív információként használható, pontosan azért, mert ez a hőmérsékletmérési rendszer és mértékegységek jöttek létre.
