Wikipedia

Ero sivun ”Lämpötila” versioiden välillä

Selaa historiaa interaktiivisesti
[arvioimaton versio][arvioimaton versio]
← Vanhempi muutosUudempi muutos →
Poistettu sisältö Lisätty sisältö
VisuaalinenWikiteksti
lisää teksti, lähteitä ja viitteitä
Rivi 1:
'''Lämpötila''' (tunnus '''T, t''' <ref name=SIeng23/><ref name=fotoni47/>) on [[suurefysiikka|fysiikassa]] ja [[kemia]]ssa käytettävä [[perussuure]], joka kuvaa,ilmaisee mitenkohteen kuuma[[termodynaaminen|termodynaamisen]] jokin[[lämpötila]]n esineeli tai'''absoluuttisen lämpötilan'''. Arkikielessä lämpötila kertoo, kuinka [[lämpö|lämmin]] ainekohde on. Lämpötila ilmoitetaan käyttäen [[lämpötila-asteikko]]ja, joista kolme yleisintä ovat [[celsius]], [[fahrenheit]] ja [[kelvin]]. Lämpötila on makroskooppinen fysikaalinen suure — se voidaan siis havaita vain suurella [[atomi|atomijoukolla]], muttei yksittäisillä atomeilla.<ref name=si_opas/><ref name=fotoni107/>
 
Aine on lämmin, jos se tuntuu käteen tai muualle ihoon lämpimältä. Ihmisen ihossa oleva [[lämpötila-aisti]] koostuu lämpöön reagoivista soluista, jotka havaitsevat kosketuksessa esineen lämpötilaeron kehon lämpötilaan nähden. Havaitsemme siten vain sen, onko esine kylmempi vai lämpimämpi kuin ihomme.<ref name=fotoni47/>
Lämpöliike on aineen perusosasten, atomien tai molekyylien, epäsäännöllistä värähdysliikettä. Mikroskooppisella tasolla [[terminen tasapaino|termisessä tasapainossa]] olevan aineen lämpötila voidaan määritellä hiukkasen (atomin tai molekyylin) keskimääräiseksi [[liike-energia]]ksi vapausastetta kohti kerrottuna tietyllä vakiolla, joka on [[Boltzmannin vakio]] jaettuna kahdella. Alin teoreettisesti mahdollinen lämpötila eli [[absoluuttinen nollapiste]] on tila, jossa tämä liike-energia on nolla. Makroskooppisella tasolla lämpötila osoittaa, kumpaan suuntaan lämpöenergia virtaa kappaleesta toiseen niiden ollessa kosketuksessa. Tällöin lämpö virtaa kuumemmasta kappaleesta eli siitä, jolla on korkeampi lämpötila, kylmempään kappaleeseen eli siihen, jolla on alempi lämpötila.
 
Fysiikassa aine on lämmintä, jos siihen on tullut atomitasolla [[liike-energia]]a, joka saa atomit liikkumaan. Aineen rakennehiukkasten liikkumista (tai kiinteässä aineessa värähtelyä) kutsutaan [[lämpöliike|lämpöliikkeeksi]]. Mitä nopeammin atomit liikkuvat tai värähtelevät, sen enemmän niihin on kertynyt liike-energiaa ja sen korkeampi on niiden keskimääräinen lämpötila. Kun kaksi esinettä koskettavat toisiaan, osuvat viileämmän esineen värähtelevät atomit lämpimämmän esineen värähteleviin atomeihin. Atomien väliset vuorovaikutukset siirtävät liike-energiaa törmääjien välillä ja liike-energiaa alkaa levitä kosketuspinnan yli toiseen esineeseen. Atomitasolla puhutaan liike-energiasta, mutta makrotasolla sitä kutsutaan [[lämpöenergia]]ksi. Lämpöenergian erot tasoittuvat, kun energia siirtyy lämpimästä viileään, jolloin lämpimämpi esine jäähtyy ja viileämpi esine lämpenee. Kun lämpöenergia ei mainittavasti enää siirry tai tasoitu, ovat esineet samassa lämpötilassa. Sanalla ''tila'' ei tarkoiteta mitään mitattavaa ominaisuutta vaan ainoastaan sitä, että lämpöenergia siirtyminen esineiden välillä on loppu.<ref name=fotoni47/><ref name=fotoni27/><ref name=fotoni105/>
Lämpötilan nousu aiheuttaa materiaaleissa [[lämpölaajeneminen|lämpölaajenemista]]. Lämpötilasta riippuvia ilmiöitä ovat myös aineen [[olomuoto|olomuodon]] muutokset. Kuumetessaan aineet [[sulaminen|sulavat]] ja [[höyrystyminen|höyrystyvät]] tietyssä lämpötilassa ja vastaavasti [[tiivistyminen|tiivistyvät]] ja [[jähmettyminen|jähmettyvät]] lämpötilan laskiessa. Myös metallien [[sähkönjohtavuus]] riippuu lämpötilasta. Metalleissa lämpötilan kasvattaminen pienentää sähkönjohtavuutta. Lämpötilan mittausvälineenä käytetään erilaisia [[lämpömittari|lämpömittareita]], jotka perustuvat esim. lämpölaajenemiseen, metallin sähkönjohtavuuden muutoksiin tai [[Lämpösähköinen ilmiö|lämpösähköiseen ilmiöön]].
 
== Lämpötilan mittaamisen periaatte ==
''Jäähdyttäminen'' tarkoittaa kappaleen lämpötilan alentamista siirtämällä siihen sitoutunutta lämpöenergiaa muualle, kuten veteen, ilmaan tai johonkin metalliin. Usein käytetään erilaisten jäähdytysmenetelmien yhdistelmiä.
Jos esineen lämpötilaa mitataan nestetoimisella [[lämpömittari|lämpölaajenemismittarilla]], on kyseessä kahden eri lämpötilaisen esineen kosketuksesta. Esineen ja lämpömittarin lämpöenergiat tasoittuvat kosketuksessa, jolloin lämpömittari viilenee tai lämpenee ja siten mittarin nestepatsas lyhenee tai pitenee. Muutos johtuu mittarin nesteen [[lämpölaajeneminen|lämpölaajenemisesta]], joka pidentää nestepatsasta lämpöliikkeen kasvaessa ja lyhentää sitä lämpöliikkeen vähentyessä. Kun lämpöliikkeen energiamäärä on tasoittunut lämpömittarissa ja esineessä, ovat niiden lämpötilat samat ja kyseinen lämpötila voidaan lukea mittarin asteikolta.<ref name=fotoni47/>
 
Lämpömittarin asteikosta ei voida päätellä mitattavan kohteen energian määrästä tai lämpöliikkeen suuruudesta, mutta lämpötilan avulla voidaan epäsuorasti päätellä edellä mainitut, ja monet muutkin, suureet. Mittarin lukemisen vaivattomuus on tehnyt lämpömittarista suositun mittausvälineen, jolla on vahva asema myös tieteessä.
 
== Termodynaaminen selitys ==
Lämpöliike on termodynamiikan termein ilmaistuna siis aineen rakennehiukkasen liike-energiaa. Kaasussa [[kaasu]]n hiukkaset liikkuvat eli lentävät nopeasti ja suoraviivaisesti eteenpäin, kunnes törmäävät toiseen hiukkaseen tai astian seinämään. Tällöin hiukkanen muuttaa lentosuuntaansa vaihtaen törmäyksessä liike-energiaa [[liikemäärä]]n säilyessä [[kimmoinen törmäys|kimmoisassa törmäyksessä]]. [[Neste]]essä hiukkaset ovat niin lähellä toisiaan, että [[Coulombin laki|sähköiset voimat]] sitovat hiukkaset toisiinsa kiinni, mutta ne pääsevät kuitenkin liukumaan toistensa lomitse. Törmäyksiä tapahtuu nesteessä paljon enemmän kuin kaasussa, sillä hiukkaset ovat koko ajan hyvin lähellä toisiaan. [[Kiinteä olomuoto|Kiinteässä olomuodossa]] aineen hiukkaset ovat sidottuja tiettyyn [[kiderakenne|kiderakenteeseen]], jonka piutteissa lämpöliike tapahtuu edestakaisena värähdysliikkeenä. Kiinteän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat toisiinsa sähköisellä vuorovaikutuksella ja joskus suorilla törmäyksillä.<ref name=fotoni105/>
 
Koska hiukkasia on suuria määriä ja liike-energia on jakautunut eri hiukkasille epätasaisesti. Lämpötila voidaan ilmaista käyttämällä mittana liike-energian keskiarvoa tilanteessa, jossa aineen eri osien lämpötilaerot ovat tasaantuneet. Tasaantuneeksi tilaksi kutsutaan sitä termodynaamista tilaa, jonka [[todennäköisyys|esiintymistodennäköisyys]] kyseisellä energiamäärällä on suurin. [[Termodynamiikan pääsäännöt|Termodynamiikan nollannessa perussäännössä]] esitetäänkin, että eristetyssä systeemissä muodostuu itsestään terminen tasapaino, jolloin lämpötilaerot tasoittuvat.<ref name=fotoni107/><ref name=fotoni105/>
 
[[Sisäenergia]]lla '''U''' tarkoitetaan aineen sisältämien kaikkien energiamuotojen summaa eli aineen kokonaisenergiaa. Siihen sisällytetään aineen rakenneosasten [[sidosenergia]]t sekä lämpöliikkeen etenemis-, pyörimis- ja värähdysenergiat. Sisäenergia muuttuu aina, kun aine luovuttaa tai vastaanottaa energiaa ympäristönsä kanssa. [[Termodynamiikan pääsäännöt|Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö]] toteaa, että aineen termodynaamisessa tasapainotilassa sisäenergialla on tietty arvo (joulea) eli sisäenergia on todellinen tilafunktio. Lämpötila ei ole tätä tilaa esittävä suure, mutta sitä käytetään apuna lämpöenergialaskuissa, koska sisäenergiaa ei voi mitata suoraan.<ref name=fotoni107/>
 
[[Entropia]]ksi '''E''' kutsutaan suuretta, joka ilmaisee aineen sisäisten lämpötilaerojen määrää. Mitä enemmän eroja on, sitä pienempi on entropia. Entropia kasvaa, kun lämpötilat tasoittuvat termodynaamisesti. [[Termodynamiikan pääsäännöt|Termodynamiikan toinen pääsääntö]] toteaa, että eristetyssä systeemissä aineen entropia kasvaa vääjäämättä, joten terminen tasapainotila syntyy ajan myötä itsestään. [[Termodynamiikan pääsäännöt|Termodynamiikan kolmas pääsääntö]] toteaa myös, ettei [[absoluuttinen nollapiste|absoluuttista nollapistettä]] voida saavuttaa. Jos lämpöenergiaa eksyy aineen sekaan, se leviää sinne ja sen poistaminen kokonaan ei enää onnistu.<ref name=fotoni107/>
 
Tilastollinen lähestymistapa johtaa liike-energian keskiarvoa sisältävään määritelmään. '''Absoluuttinen lämpötila''' '''T''' on [[suoraan verrannollisuus|suoraan verrannollinen]] atomijoukon liike-energian odotusarvoon <math>\langle E_k \rangle</math> nähden
:<math>\langle E_k \rangle = \frac{2}{3}kT,</math>
missä <math>k</math> on [[Bolzmannin vakio]]. Tämä selittää sen, miksi vain ''absoluuttinen lämpötilan'' [[kelvin]]-asteikko kelpaa fysiikassa lämpötilan suureeksi suoraan.<ref name=fotoni105/>
 
== Lämpötilan yksiköitä ==
Lämpötilaa ({{k-la|temperatura}}, tunnus '''''T''''' <ref name=SIeng23/>) mitataan [[SI-järjestelmä]]ssä [[kelvin]]eillä (K) tai [[celsiusaste]]illa (°C).<ref Celsiusasteikkoname=SIeng20/> määriteltiinCelsius-asteikko määritellään merkitsemällä puhtaan veden jäätymispistettä nollalla ja normaalia kiehumispistettä [[ilmanpaine|normaalipaineessa]] luvulla 100. Kelvin-asteikko sen sijaan on määritelty niin, että [[absoluuttinen nollapiste]] on nolla kelviniä, mutta lämpötilaerojaasteikkovälinä ilmaistaessakäytetään kelvin on yhtäsamansuuruista suuriasteväliä kuin celsiusasteCelsius-asteikossa. Celsius-lämpötila muunnetaan Kelvin-asteikkoonasteikkon lämpötilaksi lisäämällä siihen luku 273,15.<ref name=bipm_KSIeng20/>International<ref Bureau of Weights and Measures: [http:name=bipm_K//www.bipm.org/en/si/si_brochure/chapter2/2-1/kelvin.html SI-kelvin]</ref>
 
Etenkin [[Yhdysvallat|USA]]:ssa lämpötilan mittaukseen käytetään [[Fahrenheit-asteikko]]a. Fahrenheit-asteikon nollapisteeksi valittiin alin jäätymispiste, joka minkäänlaisellavoitiin suolan ja veden liuoksella tiedettiin olevanaikaansaada, ja ihmisen normaali ruumiinlämpö määriteltiin arvoksi 96. Celsius-lämpötila muutetaan Fahrenheit-asteikkoon kertomalla luvulla 1,8 ja lisäämällä luku 32.
 
=== Erityisiä lämpötiloja ===
Muita aikoinaan käytettyjä lämpötilan asteikkoja ovat [[Delisle-asteikko|Delisle]] (°De), [[Leiden-asteikko|Leiden]], [[Newton-asteikko|Newton]] (°N), [[Rankine-asteikko|Rankine]] (°R), [[Réaumur]] (°Ré) ja [[Rømer-asteikko|Rømer]] (°Rø).
[[Absoluuttinen nollapiste]] on se lämpötila, jossa aineessa ei ole yhtään lämpöliikettä. Kyseinen lämpötila on teoreettinen, sillä sellaisessa tilassa olevaan aineeseen johtuu tai siirtyy aina ympäristöstä lämpöenergiaa.
 
Lämpötilan maksimi nk. [[Planckin lämpötila]] on [[fyysikko]] [[Max Planck]]in keksimä{{lähde||6.esittelemä tammikuutateoreettinen 2009}} tilalämpötila, jossajoka saattoi esiintyä ensimmäisellä hetkellä [[maailmankaikkeus|maailmankaikkeuden]] oli [[alkuräjähdys|alkuräjähdyksenalkuräjähdyksessä]].<ref ensimmäisenä hetkenä.name=planck/> Sitä korkeammasta lämpötilasta ei ole mielekästä puhua, ainakaan tässä universumissa.▼
==Maksimi==
▲Lämpötilan maksimi nk. [[Planckin lämpötila]] on [[fyysikko]] [[Max Planck]]in keksimä{{lähde||6. tammikuuta 2009}} tila, jossa [[maailmankaikkeus]] oli [[alkuräjähdys|alkuräjähdyksen]] ensimmäisenä hetkenä. Sitä korkeammasta lämpötilasta ei ole mielekästä puhua.
 
{| class="wikitable" border="1" cellpadding="0" cellspacing="0"
|+'''Erilaisten lämpötilojen havainnollistuksia Kelvin- ja Celsius- asteikolla'''
|-
! K
Rivi 26 ⟶ 42:
| 0
| −273,15
| bgcolor="#8080FF" | [[Absoluuttinen nollapiste]], [[atomi]]en liike pysähtynyt, kylmempää ei voi olla.<ref name=s133/>
|-
| 90,19
Rivi 34 ⟶ 50:
| 184
| −89,2
| bgcolor="#D0D0FF" | Kylmin maapallolla luonnossa mitattu [[ilmanlämpötila]].<ref name="ENN">[http://www.fmi.fi/saa/tilastot_34.html Maapallon sääennätykset] -89,2 °C , tutkimusasema Vostok, Antarktika, 21.7.1983 ; 56,7 °C Death Valley, California, 10.7.1913 ; Ilmatieteen laitos</ref>
|-
| 273,15
| 0
| bgcolor="#E0E0FF" | [[Vesi]] jäätyy ([[NTP-olosuhteet]]).<ref name=s133/>
|-
| 273,16
| 0,01
| bgcolor="#E0E0FF" | Veden [[kolmoispiste]].
|-
| 293
| 20
| [[Huone]]en lämpötila.
|-
| 310
| 37
| [[Ihminen|Ihmisen]] normaali ruumiinlämpötila.
|-
| 330
| 56,7
| bgcolor="#FFF0F0" | Kuumin maapallolla luonnossa mitattu ilman lämpötila.<ref name="ENN"/>
|-
| 373,15
| 100
| bgcolor="#FFE0E0" | Vesi kiehuu (merenpinnan korkeudella).<ref name=s133/>
|-
| 1 808
| 1 535
| bgcolor="#FFC0C0" | [[Rauta]] sulaa.
|-
| 5 780
| 5 507
| bgcolor="#FF8080" |[[Aurinko|Auringon]] pintalämpötila.
|}
 
== Lämpötilakäsitteitä meteorologiassa ==
 
Kun [[ilmanlämpötila]] on Suomessa yli 25&nbsp;°C, on [[helle]]ttä. Kun maanpinnan lähellä on [[kasvukausi|kasvukaudella]] pakkasta, sitä sanotaan [[halla]]ksi.<ref>[http://ilmatieteenlaitos.fi/lampotila Sääennusteissa ja -tilastoissa käytettäviä sanontoja] Ilmatieteen laitos</ref>
Virallinen ilmanlämpötila mitataan kahden metrin korkeudelta maanpinnasta. Tähän vaikuttavia tekijöitä ovat tuulisuus, auringonpaiste ja korkeus merenpinnasta.
 
== LähteetKatso myös ==
* [[Termodynamiikan pääsäännöt]] selittää lämpöenergian tilastollista käyttäytymistä ja sen seuraukset.
* [[Ilmanlämpötila]]▼
 
== Lähteet ==
*{{Kirjaviite | Tekijä=Karttunen, Hannu & Koistinen, Jarmo & Saltikoff, Elena & Manner, Olli | Nimeke=Ilmakehä, sää ja ilmasto | Selite=Ursan julkaisuja 107 | Julkaisupaikka=Helsingissä | Julkaisija=Ursa | Vuosi=2008 | Tunniste=ISBN 978-952-5329-61-2}}
 
*{{Kirjaviite | Tekijä =Simons, Lennart | Nimeke =Fysiikka korkeakouluja varten | Vuosi =1963| Julkaisupaikka =Porvoo | Julkaisija =WSOY | Viitattu =19.2.2013 }}
 
* {{Kirjaviite | Nimeke =Fotoni - Lämpö | Julkaisija = Otava | Vuosi = 2005 | Tekijä = Eskola, Sisko Maria & Ketolainen, Pasi & Stenman, Folke | Selite = lukion fysiikan oppikirja | Julkaisupaikka = Helsinki | Isbn =951-1-20103-4 | Viitattu = 21.2.2013 }}
 
* {{Verkkoviite | Osoite = http://www.sfs.fi/files/70/si-opas.pdf | Nimeke = SI-opas (myös painettuna, ISBN 952-5420-93-0) | Tekijä = Suomen Standardoimisliitto | Tiedostomuoto = PDF | Julkaisu = SFS-oppaat | Ajankohta = 04.11.2002 | Julkaisupaikka = | Julkaisija = Suomen Standardoimisliitto | Viitattu = 18.2.2013 | Kieli = }}
 
* {{Verkkoviite | osoite = http://physics.nist.gov/Pubs/SP330/sp330.pdf | nimeke = The International System of Units (SI) | tekijä = Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.) | tiedostomuoto = pdf | selite = nro 330 | julkaisu = NIST Special Publication | ajankohta =2008 | julkaisupaikka =Washington D.C. | julkaisija = National Institue Of Standards And Technology | viitattu =15.2.2013 | kieli ={{en}} }}
 
=== Viitteet ===
{{Viitteet}}|viitteet=
* <ref name=s133>Simons, Lennart:Fysiikka korkeakouluja varten, s.133-138</ref>
 
* <ref name=fotoni27>Eskola & Ketolainen & Stenman: Fotoni - Lämpö, 2005, s.27-28</ref>
== Katso myös ==
* <ref name=fotoni47>Eskola & Ketolainen & Stenman: Fotoni - Lämpö, 2005, s.47-50</ref>
* <ref name=fotoni105>Eskola & Ketolainen & Stenman: Fotoni - Lämpö, 2005, s.105-106</ref>
* <ref name=fotoni107>Eskola & Ketolainen & Stenman: Fotoni - Lämpö, 2005, s.107-113</ref>
 
* <ref name=si_opas>SI-ohjeet suomeksi</ref>
▲* [[Ilmanlämpötila]]
 
* <ref name=SIeng20>Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.20</ref>
* <ref name=SIeng23>Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s.23</ref>
 
* <ref name=bipm_K>[http://www.bipm.org/en/si/si_brochure/chapter2/2-1/kelvin.html Bureau International des Poids et Mesures, ''Unit of thermodynamic temperature (kelvin)'']</ref>
 
* <ref name=planck>The Straight Dope: [http://www.straightdope.com/columns/read/807/what-is-the-opposite-of-absolute-zero What is the opposite of absolute zero?</ref>, 1990
 
* <ref name="ENN">[http://www.fmi.fi/saa/tilastot_34.html Maapallon sääennätykset] -89,2 °C , tutkimusasema Vostok, Antarktika, 21.7.1983 ; 56,7 °C Death Valley, California, 10.7.1913 ; Ilmatieteen laitos</ref>
}}
 
== Aiheesta muualla ==
Noudettu kohteesta ”https://fi.wikipedia.org/wiki/Lämpötila”