Temperatūra nėra tai, kas manote: kuo ji skiriasi nuo terminės energijos ir kuo ypatingi -40°?

Kas yra temperatūra? Šis klausimas kyla dažnai – ypač pirmuosiuose studijų kursuose. Dažniausias atsakymas būna maždaug toks:

Temperatūra yra objektą sudarančių dalelių kinetinės energijos vidurkis. Temperatūrai kylant, šių dalelių judėjimas greitėja.

Tai nėra siaubingas apibrėžimas, bet ir ne geriausias. Pakanka kitų beprotiškų dalykų, kuriuos turėtumėte žinoti apie temperatūrą.

Terminė energija ir temperatūra yra skirtingi dalykai

Jei temperatūra yra vidutinės kinetinės energijos matas, argi šiluminė energija ir temperatūra neturėtų būti tas pats dalykas? Ne. Šiluminė energija yra bendra objekto energija kurią jis turi dėl jį sudarančių dalelių judėjimo. Temperatūra susijusi su vidutine kinetine energija – ne bendra kinetine energija.

Štai klasikinis pavyzdys, kurį galite išbandyti namie. Padėkite šaltą picą ant aliuminio folijos ir pašaukite viską į orkaitę šildytis. Po maždaug 10 minučių pica turėtų būti gražiai paskrudusi ir karšta – aliuminio folijos temperatūra daugmaž tokia pati. Tačiau iš orkaitės pirštais galite ištraukti aliuminio foliją, bet ne picą. Nors aliuminio folijos temperatūra aukšta, mažoje jos masėje telpa nedaug šiluminės energijos. O be terminės energijos jūsų pirštai nenudega. Tai reiškia, kad temperatūra ir šiluminė energija yra skirtingi dalykai.

Daugiau temperatūros apibrėžimų?

Jau žinote vieną apibūdinimą, bet pateiksiu dar du. Pirmasis yra istorinis:

Temperatūra yra bendra savybė, kurią įgyja ilgai kontaktuojantys du objektai.

Šis apibrėžimas paremtas terminės pusiausvyros idėja. Įdėjus aliumininį rutuliuką į vandenį, galiausiai vandens ir rutuliuko temperatūra pasidarys vienoda. Jų šiluminė energija skirsis, tačiau temperatūra bus vienoda. Tai labai darbinis temperatūros apibrėžimas – ir tai nėra blogai.

Bet iš tiesų, tokia temperatūra remiasi daugelio termometrų veikimas. Pažvelkime į paprastą gyvsidabrio ar alkoholio termometrą (gyvsidabrio termometrai dabar jau retai naudojami, nes juose yra… na… gyvsidabrio). Įdėjus šiuos termometrus į kokį nors skystį ar dar kur, jų viduje esančio skysčio temperatūra kinta, kol tampa tokia pati kaip ir objekto. Kadangi tiek gyvsidabris, tiek alkoholis šildami plečiasi, temperatūrą galime nustatyti pagal jų šiluminį plėtimąsi (arba susitraukimą). Iš tiesų betgi galima būtų sakyti, kad termometrai atsirado pirmiau už pačią temperatūros idėją.

Dabar imkimės antro temperatūros apibrėžimo. Jis gan sunkus, tad laikykitės.

Temperatūra yra vidinės energijos pokyčio greitis entropijos atžvilgiu.

Pasakyta trumpai, bet daug. Pirma, kas yra entropija? Galėčiau pabandyti išaiškinti entropiją, bet tokia temai prireiktų viso naujo įrašo.

Tad, užuot nuodugniai išdėstęs entropiją, pateiksi tik kai kuriuos įdomius jos aspektus. Terminė pusiausvyra nėra vien su energija susijęs reiškinys. Dviems objektams pasiekus šiluminę pusiausvyrą, energija išlieka, bet ši sąlyga būtų patenkinama, jei vienas objektas įkaistų, o kitas atšaltų. Šiluminė pusiausvyra yra statistinis procesas. Taip jau yra, kad labiausiai tikėtinas dviejų objektų kontaktavimo rezultatas yra jų temperatūros suvienodėjimas. Kitaip nutikti (vienas įkaista, kitas atšąla) iš principo gali, bet tokio atsitikimo šansai yra geroookai mažesni už laimėjimo loterijoje (o jūsų šansai laimėti loterijoje yra praktiškai lygūs nuliui).

Kadangi temperatūra yra statistinis rodiklis, viena atskira dalelė temperatūros kaip ir neturi. Tad, kai kas nors prabils apie atskiro elektrono temperatūrą – ar dar blogiau, apie fotono temperatūrą – gal tiesiog pasitraukite šalin.

Kuri temperatūros skalė geriausia?

Yra ne taip jau mažai temperatūros skalių, tačiau labiausiai paplitusios trys: Celsijaus, Farenheito ir Kelvino. Žinau, kad didžioji civilizuoto pasaulio dalis naudoja Celsijaus, bet man sunku ištreniruoti smegenis galvoti apie temperatūrą šioje skalėje. Tikriausiai esu tam jau per senas. Be to, visad pagalvoju apie šį temperatūros skalių vaizdą, kur 0 laipsnių Celsijaus reiškia šaltį, bet 100 laipsnių temperatūra reiškia mirtį (verdančio vandens temperatūra).

Kaip sukalibruoti temperatūros skalę? Celsijaus skalė paprasta. Nulio laipsnių vertė yra vandens ledėjimo taškas, o 100 laipsnių – vandens virimo. Tai gan paprasta atkartoti, bet šios reikšmės priklauso nuo atmosferos sąlygų, tad nėra idealus termometrų kalibravimo metodas. Kelvino skalėje padalos dydis lygiai toks, kaip Celsijaus, tik ji pastumta per 273,15 laipsnio taip, kad 0 kelvinų (Kelvino skalėje laipsnių nėra) atitiktų -273,15 °C. Kelvino skalėje neigiamos temperatūros nėra – tad ji naudinga daugelyje skaičiavimų.

O kaip Farenheito skalė? Manau, visi sutiks, kad ji remiasi dviem matavimais: žmogaus kūno temperatūra (apie 98 °F) ir ledo bei druskos temperatūra (0 °F). Tai išties įdomu. Sumaišius ledą ir druską (ir šiek tiek vandens), žemiausia mišinio temperatūra gali būti nulis. Tai išties šalta ir todėl ledo ir druskos mišinys naudojamas gaminant ledus namie.

Tačiau kodėl žmogaus kūno temperatūra pasirinkta 98 °F, o ne 100 °F, iki galo taip ir nesutariama. Viena mintis, kad taip skalė suskaidoma į tris dalis, po 32 °, kadangi 32 yra vandens užšalimo temperatūra. Tai nelabai atitinka žmogaus kūno temperatūrą 100 °F, bet nedaug trūksta. Ką gi, manau, tiksliai to nesužinosime, kol neišrasime laiko mašinos.

Kuo ypatingi -40°?

Pavertę -40°F į Celsijaus skalę, gausite -40 °C. Bet teisingas atsakymas apie -40° reikšmingumą – tokia temperatūra yra Hothe. OK, jei pažiūrėsite į Wookiepedia (Star Wars Wikia), ten parašyta, kad naktimis Hothe atšąla iki -60 °C. Tad, spėju, kad dieną ten -40 °C (ar °F). Kaip bebūtų, kai Mitų Griovėjai tikrino šilumines tauntauno savybes, jie naudojo -40;° temperatūrą.

Dabar šiek tiek matematikos. Kaip konvertuoti iš °F į °C? Kadangi abi temperatūros skalės tiesinės, galima rasti Celsijaus temperatūros funkciją, apibrėžiamą Farenheito temperatūros funkcija. Norint nubrėžti liniją, kaip žinia, tereikia dviejų taškų. Gerai, kad jau turime juos – tai vandens virimo ir tirpimo taškai. Taip gauname du x-y taškus (x yra Farenheito temperatūra, y – Celsijaus): 32,0 ir 212,100. Dabar iš šių taškų galiu rasti linijos nuolydį ir linijos lygtį. Detales praleisiu (galite tai atlikti namie pramogai), ir gaunu tokią formulę:

Galite įvesti -40 °F ir pamatysite rezultatą, bet gal geriau grafikas? Nubrėžkime dvi linijas tame pačiame grafike. Viena linija bus Celsijaus temperatūra kaip Farenheito temperatūros funkcija, o kita bus kaip Farenheito temperatūra kaip Farenheito temperatūros funkcija.

Kur Farenheito ir Celsijaus linijos susikerta? Teisingai, −40. Taigi, kai kitą kartą būsite Hothe ar tiesiog bus velnioniškai šalta, galėsite sakyti, kad temperatūra −40. O kai draugas paklaus, „Celsijaus ar Farenheito?“, tiesiog atsakysite „taip“.

Rhett Allain
wired.com