Hőmérséklet

A hőmérséklet az anyagok egyik fizikai jellemzője, állapothatározó. Változása szorosan összefügg az anyag más makroszkopikus tulajdonságainak változásával. E jellemzőt az ember elsősorban tapintás útján, a hőérzettel észleli, másodsorban hőmérő segítségével. A hőtan, más néven termodinamika tudományának egyik alapfogalma, intenzív mennyiség, tehát nem additív, két test között hőáramlással kiegyenlítődésre törekszik. A hőmérőkben található folyadék - legtöbbször higany vagy etanol - folyadékszintje a hőmérséklet-változás hatására végbemenő hőtágulás miatt változik. Fizikai szempontból a termodinamikai hőmérséklet az anyagot felépítő részecskék átlagos mozgási energiájával kapcsolatos mennyiség. A részecskék egy szabadsági fokra (például egy kitüntetett irányú mozgásra) jutó mozgási energiájának hosszabb időtávon mért átlaga T hőmérsékleten kT, ahol k a Boltzmann-állandó. Hangsúlyozzuk tehát, hogy a hőmérséklet egy olyan fizikai mennyiség, amit meghatározásakor arányosnak választottak az anyagrészecskék mozgási energiájával, és a Boltzmann-állandó a választott skáláink miatt lesz adott értékű. Látszik, hogy a hőmérséklet statisztikus fogalom, ilyen szempontú leírása a statisztikus fizika témakörébe tartozik.

Egy alfa-hélix-szerkezetű fehérjemolekula hőrezgése. Az atomok léggömbszerűen pattognak

A hőmérséklet mértékegységei

Kelvin-skála

Bővebben: Kelvin

A mértékegység Lord Kelvin nevét viseli. Az elnevezést a tudós iránti tiszteletből 1954-ben a 10. CGPM határozta meg. Történelmileg megelőzi a Celsius-fok, de hivatalos meghatározása szempontjából elsődleges.

A kelvin SI-alapegység. A kelvinben és a Celsius-fokban mért hőmérséklet-különbség számértéke azonos. A Kelvin-skála a Celsius-fokhoz képest 273,15 fokkal el van tolva. 0 K egyenlő az abszolút nulla fokkal (-273,15 °C), ahol a részecskék hőenergiája nullára csökken. Tudományos és mérnöki számításokban használják.

Celsius-skála

Bővebben: Celsius-skála

Bevezetője Anders Celsius.

A legelterjedtebb hőmérsékleti skála a hétköznapi életben, az európai kontinensen.

Ezen a skálán légköri nyomás mellett az olvadó jég hőmérséklete jelenti a 0° értéket, a forrásban levő víz hőmérséklete pedig a 100°. Egysége tehát ezen intervallum ${\displaystyle 1 \over 100}$-ad része. Mértékegysége: °C (Celsius-fok).

A mértékegységeket a hozzá tartozó fizikai mennyiség jelével is megkülönböztetik. Így a t betű a Celsius-fokban, a T betű a kelvinben megadott hőmérsékletre utal. Azonban nem összetévesztendő az idő t-jével. Ha például a környezeti hőmérsékletet kell az idő függvényében ábrázolni, célszerű azt nagy T-vel jelölni.

Fahrenheit-skála

Bevezetője Daniel Gabriel Fahrenheit.

Az 1700-as évektől széles körben használják, napjainkban főképp az amerikai kontinensen.

A Fahrenheit-skála nullpontja az általa kísérleti úton előállított legjobban lehűlő sós oldat fagyáspontja, a másik alappontja az emberi test hőmérséklete volt, amely hőtartományt az oszthatóság kedvéért 96 egységre bontotta (így a víz fagyáspontja épp 32 °F). Mértékegysége: °F (Fahrenheit-fok) Nagy előnye a Celsius és Kelvin skálákhoz képest, hogy ennek tartománya fedi le a legjobban a hétköznapi életet. 100 °C-on a legtöbb élőlény elpusztul, és 0 Kelvin körül is megszűnik az élet. A Fahrenheit értékei a kettő között helyezkednek el.

Rankine-skála

Bevezetője William John Macquorn Rankine.

A ritkán használt Rankine-skála ugyanakkora egységeket használ, mint a Fahrenheit, de a nullpontja az abszolút nullánál van. Mértékegysége: °R (Rankine-fok)

Réaumur-skála

Bevezetője René Antoine Ferchault de Réaumur.

A Réaumur-skálának már csak történeti jelentősége van. Az alkotója a víz fagyáspontját adta meg nulla foknak, míg a forráspontját 80 foknak. Az egység nevét René Antoine Ferhault de Réaumur francia természettudós tiszteletére választották.

Delisle-skála

Bevezetője Joseph Nicolas Delisle 1732-ben majd újítója Josias Weitbrecht volt 1738-ban.

A Delisle-féle hőmérőt az 1850-es évekig használták Oroszországban és környező területeken. A Delisle-skála vonatkozási pontjai és értékei: a víz forráspontja 0, a jég olvadáspontja 150 °De. Ez így egy fordított skála, amivel elkerülhették a negatív számok használatát a fagyos környezetben.

A skálák összehasonlítása

A skálák összehasonlítása

	Kelvin K	Celsius °C	Fahrenheit °F	Rankine °Ra (°R)	Delisle °D	Newton °N	Réaumur °R (°Ré, °Re)	Rømer °Rø (°R)
Abszolút nulla	0	−273,15	−459,67	0	559,725	−90,14	−218,52	−135,90
A Földön mért legalacsonyabb term. hőm. (Vosztok, Antarktisz, 1983)	184	−89	−128	331	284	−29	−71	−39
A víz fagyáspontja (normál nyomáson)	273,15	0	32	491,67	150	0	0	7,5
Átlagos emberi testhőmérséklet	310,0 ± 0,7	36,8 ± 0,7	98,2 ± 1,3	557,9 ± 1,3	94,8 ± 1,1	12,1 ± 0,2	29,4 ± 0,6	26,8 ± 0,4
A Földfelszínen mért legmagasabb term hőm. (Furnace Creek, CA, USA, 1913)	329,8	56,7	134	593,7	65,0	18,7	45,3	37,3
A víz forráspontja (normál nyomáson)	373,15	100	212	672	0	33	80	60
A titán olvadáspontja	1941	1668	3034	3494	−2352	550	1334	883
A Nap felszíne	5800	5526	9980	10 440	−8140	1823	4421	2909

Átszámítás a különböző hőmérsékleti skálák között

Fahrenheit-fokra áttérés a Celsius-fokról: ${\displaystyle t\,/^{\circ }\!F={(t/^{\circ }\!C\times 9) \over 5}+32\;}$

Kelvinre áttérés a Celsius-fokról: ${\displaystyle T\,/K=T/^{\circ }\!C+273,15\;}$^[1]

Celsius-fokra áttérés a Fahrenheit-fokról: ${\displaystyle t\,/^{\circ }\!C={(t/^{\circ }\!F-32)\times 5 \over 9}\;}$^{[* 1]}

A hideg–meleg fogalma

A hideg és meleg a tudományban a környezethez viszonyított hőmérsékletet jelenti. Előjelét a hőáramlás iránya fejezi ki. Tehát hideg az az anyag, amely felé hőáramlást észlelünk; míg a meleg dolgokból kifelé észlelünk hőáramot. Az a hely, ahol bármely általunk vizsgált térbe hő áramlik be, pozitív forrásnak nevezzük.^{[* 2]}

A fiziológia szempontjából a természetes hőszabályzás által fenntartott normális testhőmérsékletet nevezik "meleg"-nek, vagyis ami ideális az adott melegvérű (homeoterm) élőlény életműködéseihez. Azt a jelenséget, amikor a szervezet képtelen az állandó testhőmérséklet fenntartására, és az jelentősen a normális érték fölé emelkedik, hipertermiának nevezik. Ennek ellentéte a testhő normális érték alá történő csökkenése, a hipotermia.

Az élőlényeknél a hőmérséklet-érzékelés az alapvető érzékszervek közé tartozik.

Negatív hőmérséklet

A termodinamika harmadik főtétele az entrópia határértékét a következőképpen rögzíti: a termodinamikai rendszerek entrópiája véges pozitív érték felé, az entrópia hőmérséklet szerinti deriváltja pedig a zéró felé tart akkor, amikor a rendszer hőmérséklete az abszolút nulla érték felé közelít. Ennek értelmében a Kelvin-skála a pozitív oldaláról haladva a 0 K irányába az tetszőlegesen megközelíthető, de el nem érhető. Léteznek azonban olyan elszigetelt, mikroszkopikus - tehát klasszikus termodinamikai értelemben nem vizsgálható - rendszerek, melyekben a részecskék eloszlásából, mikroszkopikus tulajdonságaiból visszakövetkeztethetünk a rendszer hőmérsékletére, ami az általánostól eltérő, fordított eloszlás esetén lehet negatív kelvin hőmérsékletű.

Kelvini szemléletben, negatív hőmérsékletű az a zártabb eseményhorizontú – kifele–befele ható – egyensúlyi rendszer, amely elvonja az energiát a kevésbé zárt eseményhorizontú rendszertől, amely ez esetben a pozitív értékű és egy nála is nyitottabb rendszer szempontjából negatív értékű. Ilyen a Nap negatív értéke a Föld viszonylatában, ami pozitív értékű a hidrogén atom szempontjából, amelyet nem képes megtartani a gravitációs légkörében a Föld.

Kapcsolódó szócikkek

• Hőveszteség
• Elektromos hőmérsékletmérés

Megjegyzések

1. Az egyenletekben a ferde törtvonal nem az osztás jele, hanem a számértékegyenlet szabályos írásának jelzése, eszerint a számértéket a fizikai mennyiség jelének a mértékegység jelével való osztásával jelöljük
2. A forrás fogalmáról lásd:^[2] Hidraulikai példával, 7.2 ábra