Θερμοκρασία και θερμότητα

Η θερμοκρασία είναι μια έννοια που μας βοηθά να περιγράψουμε πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα.

Όταν ένα σώμα είναι θερμό, λέμε ότι έχει υψηλή θερμοκρασία, όταν είναι ψυχρό, λέμε ότι έχει χαμηλή θερμοκρασία. Τη θερμοκρασία τη μετράμε με ειδικά όργανα, τα θερμόμετρα. 

Όπως όλες οι αλλαγές γύρω μας, έτσι και η αλλαγή της θερμοκρασίας οφείλεται στην ενέργεια. Μία από τις μορφές ενέργειας είναι η θερμική ενέργεια. 

Θερμική ενέργεια ονομάζουμε την κινητική ενέργεια των μορίων λόγω των συνεχών και τυχαίων κινήσεων τους. Τη θερμική ενέργεια την αντιλαμβανόμαστε από τη θερμοκρασία του σώματος.

 Όσο περισσότερη θερμική ενέργεια έχει ένα σώμα, τόσο μεγαλύτερη είναι και η θερμοκρασία του. Η αύξηση ή η μείωση της θερμικής ενέργειας του σώματος, άρα και η αύξηση ή η μείωση της θερμοκρασίας του γίνεται με τη ροή ενέργειας. 

Όταν στο σώμα προσφέρεται ενέργεια, η θερμική ενέργεια του, άρα και η θερμοκρασία του, αυξάνεται. Αντίθετα, όταν το σώμα χάνει ενέργεια, η θερμική του ενέργεια, άρα και η θερμοκρασία του, μειώνεται. 

Την ενέργεια, όταν ρέει από ένα σώμα προς ένα άλλο λόγω διαφορετικής θερμοκρασίας, την ονομάζουμε θερμότητα. 

 Η θερμότητα ρέει πάντοτε από τα σώματα με υψηλότερη θερμοκρασία προς τα σώματα με χαμηλότερη θερμοκρασία.

Θερμά και ψυχρά ... συναισθήματα!

Η ελληνική γλώσσα μπορεί να περιγράψει με πολύ παραστατικό τρόπο τη... θέρμη ή την ψυχρότητα στις σχέσεις των ανθρώπων. Οι παρακάτω εκφράσεις είναι ενδεικτικές:

«Πέρασε αρκετή ώρα, μέχρι να σπάσει ο πάγος και να ζεσταθούν οι σχέσεις τους».

«Είναι κακός, ψυχρός και ανάποδος!»

«Βρήκε καταφύγιο στη ζεστασιά της οικογένειάς του».

«Μας χαιρέτησε με ψυχρότητα».

«Θερμή παράκληση: να κλείνετε την πόρτα, καθώς βγαίνετε».

«Σας στέλνω τις πιο θερμές ευχές μου».

Η ιστορία του θερμομέτρου

Αν ακουμπήσουμε ένα σώμα με το χέρι μας, μπορούμε να καταλάβουμε αν είναι ζεστό ή κρύο.

Ωστόσο, η υποκειμενική αυτή εκτίμηση της θερμοκρασίας δεν είναι ακριβής. Για την κατασκευή ενός οργάνου με το οποίο να μπορούμε να μετρήσουμε αντικειμενικά και με ακρίβεια τη θερμοκρασία πρέπει να εντοπίσουμε ένα φυσικό φαινόμενο, που, όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία, να μεταβάλλεται και αυτό με ομαλό τρόπο, έτσι ώστε να μπορούμε να το μετρήσουμε.

Η κλίμακα του Κέλσιου

 Ο Γαλιλαίος το 1592 κατασκεύασε το θερμοσκόπιο, το πρώτο όργανο με το οποίο μπορούσε να εκτιμήσει τη θερμοκρασία ενός σώματος (εικόνα 6.7). Για να γίνει το θερμοσκόπιο θερμόμετρο, πρέπει να βαθμονομηθεί, δηλαδή να εφοδιαστεί με μια κλίμακα μέτρησης. Υπάρχουν διάφορες κλίμακες μέτρησης της θερμοκρασίας. Αυτή που έχει καθιερωθεί στην Ευρώπη και χρησιμοποιείται τόσο στη επιστήμη όσο και στην καθημερινή ζωή και τη βιομηχανία είναι η εκατονταβάθμια ή κλίμακα Κελσίου. Για τη δημιουργία της κλίμακας ο Σουηδός Κέλσιος χρησιμοποίησε δυο σταθερές θερμοκρασίες. Βύθισε το υδραργυρικό θερμοσκόπιο του σε πάγο που λιώνει. Αντιστοίχισε αυτή τη θερμοκρασία στο μηδέν της κλίμακας Κελσίου. Στη συνέχεια βύθισε το θερμοσκόπιο σε καθαρό νερό που βράζει. Αντιστοίχισε αυτή τη θερμοκρασία στο 100. Χωρίζοντας το διάστημα μεταξύ των δύο αυτών αριθμών σε 100 ίσα τμήματα προέκυψε η κλίμακα. Σ' αυτή την κλίμακα καθένα από τα τμήματα αντιστοιχεί σε μεταβολή θερμοκρασίας κατά ένα βαθμό Κελσίου (1 °C). Όταν η ένδειξη του θερμομέτρου είναι 30, λέμε ότι η θερμοκρασία του σώματος είναι 30 °C. Ο Κέλσιος επέκτεινε την κλίμακά του για θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 100 °C και για μικρότερες από 0 °C. Οι τελευταίες εκφράζονται με αρνητικούς αριθμούς.

Η κλίμακα Φαρενάιτ

Το 1714 ο Γερμανός φυσικός Daniel Fahreneit χρησιμοποίησε, αντί για οινόπνευμα, υδράργυρο φτιάχνοντας ένα πιο ακριβές θερμόμετρο. Eπειδή δεν ήθελε να χρησιμοποιεί αρνητικές θερμοκρασίες, όρισε ως 0 τη χαμηλότερη θερμοκρασία που είχε πετύχει στο εργαστήριο του: τη θερμοκρασία ενός μείγματος ίσων ποσοτήτων από πάγο, νερό και θαλασσινό αλάτι. Τη θερμοκρασία του υγιούς ανθρώπινου σώματος την όρισε ως το 96 της κλίμακας και χώρισε το διάστημα μεταξύ των δυο αυτών αριθμών σε 96 ίσα τμήματα. Με βάση αυτές τις υποδιαιρέσεις, η κλίμακα μπορεί να επεκταθεί σε υψηλότερες ή χαμηλότερες θερμοκρασίες. Έτσι, η θερμοκρασία στην οποία λιώνει ο πάγος είναι 32 βαθμοί Φαρενάιτ ( °F) και αυτή στην οποία βράζει το καθαρό νερό 212  °F.

T_F = 32^o + 1,8T_C

 

Η απόλυτη κλίμακα θερμοκρασιών - κλίμακα Κέλβιν

Στην κλίμακα Κέλσιου όπως και στη Φαρενάιτ οι θερμοκρασίες αναφοράς 0 και 100 ορίζονται αυθαίρετα. Υπάρχει άραγε κλίμακα που να μη βασίζεται σε κάποιο αυθαίρετο σημείο αναφοράς; Τα πειράματα έδειξαν ότι κανένα υλικό δεν μπορεί να ψυχθεί σε θερμοκρασία μικρότερη από -273 °C. Έτσι, οι επιστήμονες αντιστοίχισαν το μηδέν μιας νέας κλίμακας θερμοκρασιών στους -273 °C. Το μηδέν αυτής της κλίμακας ονομάζεται απόλυτο μηδέν και η κλίμακα αυτή ονομάζεται απόλυτη κλίμακα ή κλίμακα Κέλβιν. Η κλίμακα Κέλβιν έχει μόνο θετικές τιμές.

Οι επιστήμονες μετρούν τη θερμοκρασία χρησιμοποιώντας την κλίμακα Κέλβιν. Ο "βαθμός" της είναι το Κέλβιν και συμβολίζεται με Κ. Μεταβολή θερμοκρασίας κατά ένα Κέλβιν είναι ίση με μεταβολή θερμοκρασίας κατά ένα βαθμό Κελσίου. Για να μετατρέψουμε τους βαθμούς Κελσίου (TC) σε βαθμούς Κέλβιν (TK), χρησιμοποιούμε την αριθμητική σχέση (εικόνα 6.9):

TK = TC + 273

Έτσι, η θερμοκρασία που λιώνει ο πάγος είναι 273 Κ και η θερμοκρασία που βράζει το νερό 373 Κ. Στη γη η μικρότερη θερμοκρασία αέρα που έχει παρατηρηθεί είναι 184 Κ (-89 °C) και η μεγαλύτερη 332 Κ (59 °C). Στο σύμπαν το εύρος των θερμοκρασιών είναι τεράστιο (πίνακας 6.1). Θερμοκρασίες που αγγίζουν το απόλυτο μηδέν, υπάρχουν στα πέρατα του διαστήματος και επιτυγχάνονται με τεχνητά μέσα στα γήινα επιστημονικά εργαστήρια. Θερμοκρασίες 20.000.000 Κ υπάρχουν στο εσωτερικό των αστέρων, όπως στον Ήλιο.

Θερμοκρασία και θερμότητα στα στερεά, υγρά και αέρια σώματα

Σε όλες τις θερμοκρασίες, τα μόρια όλων των σωμάτων κινούνται συνεχώς και τυχαία προς όλες τις κατευθύνσεις.

Οι κινήσεις αυτές των μορίων είναι διαφορετικές στα στερεά, τα υγρά και τα αέρια σώματα. 

Τα μόρια όλων των υλικών σωμάτων κινούνται συνεχώς και τυχαία προς όλες τις κατευθύνσεις. Στα στερεά σώματα τα μόρια κινούνται πολύ κοντά το ένα στο άλλο και κοντά σε μόνιμες θέσεις τις οποίες δεν αλλάζουν, έτσι ώστε ούτε να πλησιάζουν μεταξύ τους ούτε να απομακρύνονται.

 

Μόρια στερεών

Στα υγρά σώματα, τα μόρια κινούνται αλλάζοντας συνεχώς θέσεις, αλλά παραμένουν κοντά το ένα στο άλλο χωρίς να πλησιάζουν ή να απομακρύνονται μεταξύ τους.
 

Μόρια υγρών

Στα αέρια σώματα, τα μόρια κινούνται ελεύθερα αλλάζοντας συνεχώς θέσεις, χωρίς να πλησιάζουν πολύ μεταξύ τους, μπορούν όμως να απομακρύνονται το ένα από το άλλο όσο είναι δυνατό.

Μόρια αερίων

Το ιατρικό θερμόμετρο

Οι γιατροί γνώριζαν από καιρό πόσο σημαντική είναι η πληροφορία για τη θερμοκρασία του σώματος του ασθενούς, τα θερμόμετρα όμως που είχαν στη διάθεση τους ήταν μεγάλα και δύσχρηστα.

Μέχρι και είκοσι λεπτά χρειάζονταν για τη μέτρηση της θερμοκρασίας. Τη λύση έδωσε το 1866 ο Βρετανός γιατρός Thomas Klifford Allbut κατασκευάζοντας ένα θερμόμετρο με μήκος 15 εκατοστών, που χρειαζόταν μόνο 5 λεπτά, για να καταγράψει τη θερμοκρασία του ασθενούς.

Με αυτό το ιατρικό θερμόμετρο, η λήψη της θερμοκρασίας του ασθενούς έγινε πολύ εύκολη για τους γιατρούς. Στα θερμόμετρα που χρησιμοποιούμε για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος, η στάθμη στο λεπτό σωληνάκι ανεβαίνει ή κατεβαίνει ανάλογα με τη θερμοκρασία. Στο ιατρικό θερμόμετρο η στάθμη του υδραργύρου ανεβαίνει, αλλά, για να κατέβει, πρέπει να «τινάξουμε» το θερμόμετρο. Αν δε συνέβαινε αυτό, δε θα μπορούσαμε να μετρήσουμε τη θερμοκρασία μας με ακρίβεια, αφού η στάθμη του υγρού θα έπεφτε, μόλις απομακρύναμε το θερμόμετρο από το σώμα μας.

Στο κάτω μέρος του λεπτού σωλήνα, κοντά στο μικρό δοχείο με τον υδράργυρο, υπάρχει ένα στένεμα.

Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, ο υδράργυρος πιέζεται και περνά από το στένεμα στο λεπτό σωλήνα. Το στένεμα είναι τέτοιο, ώστε η αντίστροφη πορεία να είναι πιο δύσκολη.

Μόνο με το «τίναγμα» ο υδράργυρος περνά πάλι στο μικρό δοχείο.

ΠΙΝΑΚΑΣ 6.1.
Ο ΚΟΣΜΟΣ ΚΑΙ ΟΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΤΟΥ
	Κ	°C	Είδος θερμότητας
Απόλυτο μηδέν	0	-273,15
Ενδογαλαξιακός χώρος	3	-270	Θεωρητικά
Βρασμός του υγρού ηλίου	4,2	-269	Θερμόμετρο αερίου
Στερεοποίηση του διοξειδίου του άνθρακα (ξηρός πάγος)	195	-78	Θερμόμετρο οινοπνεύματος
Ο πάγος λιώνει / Το νερό στερεοποιείται	273,15	0	Υδραργυρικό
Ανθρώπινο σώμα	310	37	Υδραργυρικό
Βρασμός του νερού	373,15	100	Υδραργυρικό
Ο χρυσός λιώνει	1,337	1,064	Θερμόμετρο ηλεκτρικής αντίστασης
Φλόγα	2,500	2,200	Πυρόμετρο - Θερμόμετρο ακτινοβολίας
Κέντρο της γης	16,000	15,700	Θεωρητικά
Κέντρο του ήλιου	107	107	Θεωρητικά
Αστέρες νετρονίων	109	109	Θεωρητικά

Η χαμηλότερη θερμοκρασία που έχει μετρηθεί ποτέ στο ηλιακό μας σύστημα ήταν στη Σελήνη. Πέρυσι, το Lunar Reconnaissance Orbiter της NASA μέτρησε θερμοκρασίες που έφταναν τους -240o Κελσίου, σε κρατήρες όπου επικρατεί μονίμως σκιά, κοντά στον σεληνιακό νότιο πόλο. Η θερμοκρασία αυτή είναι γύρω στους 10 βαθμούς ψυχρότερη από εκείνες που έχουν μετρηθεί μέχρι στιγμής στον Πλούτωνα.

Η χαμηλότερη θερμοκρασία, που έχει σημειωθεί ποτέ, ήταν στη Γη και πιο συγκεκριμένα επετεύχθη σε ένα εργαστήριο. Το Σεπτέμβριο του 2003, επιστήμονες από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) ανακοίνωσαν πως κατάφεραν να ψύξουν ένα νέφος ατόμων νατρίου στην πρωτοφανή θερμοκρασία των 0,45 νανοκέλβιν. Πιο πριν, το 1999, επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας του Ελσίνκι είχαν καταφέρει να ψύξουν σε θερμοκρασία 0,1 νανοκέλβιν ένα κομμάτι μετάλλου ρόδιου.

Θερμοκρασία περίπου 250.000 φορές μεγαλύτερη από αυτή που επικρατεί στο κέντρο του Ήλιου, πέτυχαν να δημιουργήσουν Αμερικανοί επιστήμονες, μέσα από συγκρούσεις υποατομικών σωματιδίων σε ένα επιταχυντή, φτάνοντας τα 4 τρισεκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Πρόκειται, όπως ανακοίνωσαν, για ένα παγκόσμιο ρεκόρ Γκίνες, όσον αφορά στην «Υψηλότερη Ανθρωπογενή Θερμοκρασία».

Tόσο σε αυτή την τρομερά υψηλή θερμοκρασία, όσο και στο ακριβώς αντίθετο άκρο του θερμοκρασιακού φάσματος, κοντά στο απόλυτο μηδέν (μηδέν βαθμοί Κέλβιν, ή μείον 273,15 βαθμοί Κελσίου, ή μείον 459,67 βαθμοί Φαρενάιτ) η ύλη συμπεριφέρεται σαν ένα σχεδόν τέλειο υγρό, χωρίς τριβή.