Teplotné stupnice

Poďme sa teraz pozrieť na teplotu a hlavne na to, ako ju meriame. Dôležité sú dve stupnice, Celziova a termodynamická, ktorá sa nazýva aj Kelvinova.

Celziova stupnica vznikla v roku 1742 a navrhol ju švédsky astronóm Anders Celsius. Jej dva pevné body sú určené premenami skupenstva vody pri normálnom atmosférickom tlaku. Hodnota $0\ °C$ zodpovedá teplote, pri ktorej sa topí ľad, a hodnota $100 \ °C$ teplote, pri ktorej vrie voda. Táto stupnica je veľmi praktická pre bežný život aj meteorológiu, pretože teploty, v ktorých žijeme, sa v nej pohybujú od záporných pár desiatok do zhruba plus štyridsať stupňov a nula tvorí prirodzenú hranicu, pod ktorou začína mrznúť.

Pre fyzikálne výpočty je však Celziova stupnica nepraktická. Preto v 19. storočí britský fyzik lord Kelvin navrhol novú stupnicu, ktorá vychádza z absolútnej nuly, teda z najnižšej možnej teploty vo vesmíre. Hodnota $0 \ K$ zodpovedá teplote $– \ 273,15 \ °C$, čo je absolútna nula, pri ktorej by tepelný pohyb častíc úplne ustal. Hodnota $273,16 \ K$ zodpovedá $0,01 \ °C$ a nazýva sa trojný bod vody, teda jediná dvojica teploty a tlaku, pri ktorej voda existuje súčasne ako ľad, kvapalina aj para. Práve tento bod sa historicky používal na presnú definíciu jedného kelvina. Vzťah medzi obidvomi stupnicami je jednoduchý:

Na prvý pohľad pôsobí číslo mínus $273,15$ ako náhodné, no má úplne logický fyzikálny pôvod. V 18. a 19. storočí vedci skúmali, ako sa správa plyn pri ochladzovaní, a zistili, že keď plyn ochladíš o 1 °C, jeho tlak pri stálom objeme vždy klesne o rovnaký zlomok, konkrétne o jednu $273,15$- tinu pôvodnej hodnoty pri nula stupňov. Potom si položili logickú otázku:

o koľko stupňov treba plyn ochladiť, aby jeho tlak klesol na úplnú nulu?

Ak pri každom stupni ubudne $273,15$- tina tlaku, tak pri ochladení o $273,15$ stupňov by mal tlak klesnúť na nulu. Keďže tlak vzniká nárazmi pohybujúcich sa molekúl, nulový tlak znamená, že molekuly sa úplne prestali hýbať a dosiahli absolútnu nulu.

Možno sa pýtaš, načo si vlastne komplikovať život Kelvinmi, keď máme Celzia. Dôvody sú tri:

1. Nula na Celziovej stupnici je do istej miery „vymyslená", pretože je to len bod mrznutia vody, ktorý je dôležitý pre nás ľudí, no pre vesmír a atómy voda nič zvláštne neznamená. Absolútna nula je naproti tomu jediný skutočne univerzálny štartovací bod, ktorý by rovnako určila aj akákoľvek mimozemská civilizácia.

2. Záporné čísla kazia výpočty. Keby si do stavovej rovnice ideálneho plynu $p V = n R T$ dosadil za teplotu napríklad mínus desať stupňov Celzia, vyšiel by ti záporný tlak alebo záporný objem, čiže fyzikálny nezmysel, lebo v nádobe nemôžeš mať „mínus tri litre" vzduchu.

3. Kelvinova stupnica zachováva priamu úmernosť. Ak zdvojnásobíš teplotu v kelvinoch, napríklad z 300 K na 600 K, častice získajú dvojnásobnú kinetickú energiu, kým prechod z 10 °C na 20 °C dvojnásobné teplo neznamená.