10 Teplota a teplo

10-1 Meranie teploty

Okrem vnímania teploty cez našu pokožku – čo síce nie je príliš presná kvantitatívna informácia, a často je aj zavádzajúca – nie je iného spôsobu merania teploty, než meranie zmien fyzikálnych vlastností látok spôsobených teplotou. Fyzikálne telesá, ako pevný kus materiálu, určité množstvo kvapaliny reagujú na zmeny teploty väčšinou veľmi jednoducho: rozpínajú sa, ak teplota rastie a zmrštia sa, ak teplota klesá. Existujú aj iné účinky a väčšinu z nich k meraniu teploty aj využívame: také je meranie elektrického odporu vodiča; zmena prúdu vyvolaných stykom odlišných kovov pri zmene teploty: zmena viskozity alebo plasticity látky; zmena farby svetla vyžarovaného veľmi teplými telesami a tak ďalej.

Najčastejšie využitým účinkom je však spomenutá zmena objemu. U teplomerov, ktoré sú založené na rozpínaní sa v dôsledku zmeny teploty, je malá zmena objemu nasledovaná väčšou výchylkou ručičky prístroja. V kvapalných teplomeroch kvapalina, spravidla ortuť, alebo lieh, zapĺňa zapĺňa malú nádrž, a nadbytok (objavujúci sa v dôsledku rozpínania sa so zvyšujúcou sa teplotou) sa dvíha hore v tenkej rúrke, v kapiláre (pozri obrázok 10.1a). V teplomeroch založených na pevných látkach sa často používa dvojitý kovový pás (bimetal), ktorého odlišné kovové komponenty sa rozťahujú pri zmene teploty odlišným spôsobom. Na obrázku 10.1b je napríklad tmavší pás meď, svetlejší pás cín (sú zlepené, alebo pripevnené k sebe iným bezpečným spôsobom). Pri ohrievaní sa meď rozpína podstatne viac, ako cín, a preto väčšie napätie medi ohne bimetal, a ako to ukazuje aj obrázok, tento ohyb hýbe ručičkou pred určitou stupnicou.

Nech si už zvolíme akýkoľvek teplomer, jeho stupnicu musíme ciachovať nejakým jednoduchým a opakovateľným spôsobom. Všeobecne používaná stupnica teploty používa k ciachovaniu (ku kalibrácii) bod mrazu a bod varu vody (vždy pri tlaku jednej atmosféry). Vo vedeckom svete sa používa Celsiova stupnica, na ktorej bod mrazu sa označuje 0∘C a bod varu 100∘C.

V spojených štátoch (nie vo vedeckých odboroch) sa používa stupnica Fahrenheit, na ktorej je bod mrazu 32∘F a bod varu 212∘F. Na obrázku 10.2 je znázornená kalibrácia dvoch teplomerov. Obidva teplomery postavíme do pohára s vodou s roztápajúcim sa ľadom a bod, na ktorom sa ustáli stĺpec ortuti označíme ako 32∘F, resp. 0∘C. Podobným spôsobom položíme oba teplomery do pary vody vo vare a bod, na ktorom sa ustáli stĺpec ortuti označíme 212∘F, resp. 100∘C. Na Fahrenheitovej stupnici vzdialenosť medzi bodom mrazu a bodom varu delíme na 212 − 32 = 180 dielov, a na Celsiovej stupnici na 100 dielov. Z toho vyplýva, že jeden stupeň Fahrenheitu je 5/9 stupňa Celsia.

Určitému stupňu Celsia zodpovedá jednoznačne určitý stupeň Fahrenheitu a naopak. K prepočtu sú vzorce, tie však my, autori tejto knihy – k nášmu najväčšiemu zármutku – sme sa nenaučili, ani neodporúčame, aby ste sa naučili vy, lebo buď ich ľahko zabudnete, alebo si ich budete zle pamätať; je podstatne spoľahlivejšie, pokiaľ prepočty robíme vychádzajúc zo základov. Na obrázku 10.2c vidíme napríklad 68∘F. Táto teplota je 68 − 32 = 36∘F nad bodom mrazu, čo je 36⋅5 9 = 20∘C nad bodom mrazu. 68∘F, a 20∘C, označujú tú istú teplotu. Pri prepočte v opačnom smere vyjdime z 80∘C. Táto teplota 80∘C nad bodom mrazu je 80⋅9 5 = 144∘F, ale nakoľko bod mrazu je 32∘F, teplote 80∘C zodpovedá teplota 144 + 32 = 176∘F.