Základní pojmy a veličiny (8. část)

Základní pojmy a veličiny (8. část)

V návaznosti na veličiny a jednotky uvedené v minulém čísle se nyní zastavíme u fyzikální jednotky termodynamické teploty, základní jednotky soustavy SI. Tou je kelvin (značený K). Zajímavostí jistě je, že do roku 1967 se používal pojem „stupeň Kelvina“ a označení °K. Nyní se již hovoří přímo o kelvinech K.

Kelvin je definován dvěma body:
a) 0 K je teplota absolutní nuly, tedy naprosto nejnižší teplota, která je fyzikálně definována,
b) 273,16 K je teplota trojného bodu vody.

Absolutní velikost jednoho stupně v Celsiově (°C) i Kelvinově stupnici je stejná – teplotní rozdíl 1 K je roven rozdílu 1 °C.

Tuto stupnici měření teplot navrhl v roce 1846 skotský matematik a fyzik William Thomson (26. 6. 1824 Belfast až 17. 12. 1907 Netherhall u Largsu, Skotsko), který byl za své výrazné vědecké úspěchy povýšen do šlechtického stavu pod jménem lord Kelvin (Kelvin je malá říčka protékající kolem univerzity v Glasgow).

Přepočet teplot na jiné stupnice

Celsiova teplotní stupnice
V roce 1742 navrhl Anders Celsius teplotní stupnici. Celsiova desítková teplotní stupnice se ukázala natolik výhodná pro praxi, že odolala i náporu soustavy SI (°C není základní jednotkou SI).

Celsius stanovil pro var vody 0 °C a pro tání ledu 100 °C. Stupnici rozdělil na 100 dílů. Stupnici v roce 1745 „otočil“ do dnešní podoby švédský botanik Linné.

K = C + 273,15

C = K - 273,15

kde C je teplota ve stupních Celsia, K teplota v kelvinech.

Fahrenheitova teplotní stupnice

Pro svou teplotní stupnici stanovil Daniel G. Fahrenheit (1686–1736, Amsterodam, Dánsko) tyto referenční body:
96 °F – teplota zdravého lidského těla (měřena v ústech),
0 °F – teplota eutektické (současné tuhnutí dvou fází) směsi ledu, vody a salmiaku.

Stupnici mezi referenčními body Fahrenheit rozdělil dvakrát po dvanácti dílech a každý z nich na čtyři dílky – stupně.

Původně odpovídalo 30 °F teplotě tání ledu a 90 °F normální teplotě lidského těla. Referenční teploty byly později změněny na 32 °F (tání ledu) a 96 °F (teplota lidského těla). Teplota 90 °F totiž odpovídá 32,2 °C a to není příliš „zdravé tělo“. Později byla tato teplota díky přesnějšímu měření posunuta na 98,6 °F.

Fahrenheitova teplotní stupnice se dodnes používá hlavně v USA.

K = [5(F + 459,67)/9]

F = (9K/5) - 459,67

kde F je teplota ve stupních Fahrenheita, K teplota v kelvinech.

Réaumurova teplotní stupnice

Francouzský fyzik René Antoine Ferchault de Réaumur (1683–1757) v roce 1731 navrhl teplotní stupnici s teplotou varu 80 °R. Byla rozšířena především ve Francii.

K = 5/4(R+273,15)

R = [4(K - 273,15)/5]·K

kde R je teplota ve stupních Réaumura, K teplota v kelvinech.

Teplota (T) a energie (E)

V některých oblastech fyziky je teplota T často vyjadřována pomocí kinetické energie E, kterou má částice látky při dané teplotě (v elektronvoltech eV). K přepočtu mezi elektronvolty a kelviny K se používá Boltzmannova konstanta (k_B), přičemž platí:

E (eV) = k_B (eV / K) · T (K)

k_B = (1,380658 ± 0,000012) . 10^–23 J·K^–1

1 K = 8,61735 · 10^–5 eV

1 eV = 1,16045 · 10⁴ K

1 K = 1,38066 · 10^–23 J

1 J = 7,24290 · 10²² K

Tabulka převodů na jiné teplotní stupnice

*) William John Macquorn Rankine (1820–1872), skotský badatel a profesor stavebního inženýrství a mechaniky na univerzitě v Glasgowě. Jeho teplotní stupnice (1859) má absolutní nulu shodnou s 0 K. Velikost Rankinova stupně odpovídá Fahrenheitově stupnici.

Souvislost mezi elektrickým proudem a teplotou - Thomsonův jev

Tento jev vzniká po zahřátí kovové tyče, do které je následně přiveden elektrický proud:
a) Nejprve v místě zahřátí (v tyči bez el. proudu) vznikne symetrické teplotní maximum – viz obr. 1 (průběh vyznačen plnou čarou).
b) Následně je do tyče přiveden elektrický proud - dojde k deformaci (posunutí) teplotní křivky (přerušovaná čára) – tzv. Thomsonův jev.

Zdůvodnění:
z pohledu teorie vodivosti je Thomsonův jev (posunutí teplotní křivky) způsoben zvyšováním střední energie elektronů odběrem tepla od mřížky na vzestupné straně teplotního maxima a odevzdáváním přebytku tepla na sestupné straně.

(pokračování)

Celý příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde