Διδακτικά Βιβλία του Παιδαγωγικού Ινστιτούτου

Αναζήτηση

Βρες
Εμφάνιση

1.2. Θερμοκρασία - Θερμόμετρα

Στην καθημερινή ζωή η θερμοκρασία μάς βοηθά να εκφράσουμε το πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα. Ένα αναμμένο κάρβουνο λέμε ότι έχει υψηλή θερμοκρασία, ενώ ένα κομμάτι πάγος λέμε ότι έχει χαμηλή θερμοκρασία.

Πολλές ιδιότητες των υλικών σωμάτων μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία. Το μήκος μιας σιδερένιας ράβδου αυξάνεται, όταν αυτή θερμανθεί. Η ηλεκτρική αντίσταση των διάφορων υλικών αλλάζει με τη θερμοκρασία. Το φως που εκπέμπεται από τα πυρακτωμένα σώματα αλλάζει χρώμα από το βαθύ κόκκινο προς το ανοικτό κίτρινο, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία τους.

Το λευκό φως από μια συνηθισμένη λάμπα πυράκτωσης οφείλεται στο εξαιρετικά θερμό νήμα από βολφράμιο. Η επιφανειακή θερμοκρασία του ήλιου και των άλλων αστεριών μπορεί να μετρηθεί από το χρώμα που επικρατεί στο φως τους.

Τα όργανα που είναι σχεδιασμένα για να μετρούν τη θερμοκρασία ονομάζονται θερμόμετρα. Υπάρχουν πολλά είδη θερμομέτρων. Όλων όμως η λειτουργία στηρίζεται σε κάποια ιδιότητα(*) των σωμάτων η οποία αλλάζει με τη θερμοκρασία και την οποία ονομάζουμε θερμομετρική ιδιότητα. Τα πιο συνηθισμένα θερμόμετρα βασίζονται στη διαστολή των υλικών με την αύξηση της θερμοκρασίας.

Εικ. 1.6 Γέφυρα με πρόβλεψη της διαστολής και συστολής της λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας.

Εικ. 1.7 α) Υδραργυρικό ή οινοπνευματικό θερμόμετρο, β) διμεταλλικό έλασμα, γ) φωτογραφία διμεταλλικού θερμομέτρου

Μπορούμε να πούμε ότι η θερμοκρασία είναι ένα «μέτρο», μια ένδειξη του πόσο ζεστό ή ψυχρό είναι ένα σώμα, και ότι δε συνδέεται άμεσα με τη θερμότητα που αυτό μπορεί να πάρει ή να δώσει.

* Μήκος, αντίσταση, τάση.

Εικ. 1.11 Η θερμότητα και η θερμοκρασία είναι διαφορετικές φυσικές έννοιες: (α) Ένα κερί έχει υψηλή θερμοκρασία, αλλά θερμαίνει λίγο, (β) ένα καλοριφέρ έχει χαμηλή θερμοκρασία, αλλά θερμαίνει πολύ.

Για να μετρήσουμε τη θερμοκρασία, πρέπει να καθορίσουμε ένα είδος κλίμακας. Ένας τρόπος για να ορίσουμε μια κλίμακα θερμοκρασιών, εκμεταλλευόμενοι τη μεταβολή του όγκου (θερμομετρική ιδιότητα), είναι να δώσουμε αυθαίρετες τιμές σε δύο σταθερές θερμοκρασίες, τις οποίες μπορούμε εύκολα να αναπαράγουμε.

Οι πιο συνηθισμένες σήμερα κλίμακες είναι του Κελσίου (Celsius) και του Φαρενάιτ (Fahrenheit). Για τις δύο αυτές κλίμακες (Εικ. 1.12), ως σταθερές θερμοκρασίες, που εύκολα αναπαράγονται, έχουν επιλεγεί οι θερμοκρασίες πήξης και βρασμού, του καθαρού νερού σε πίεση μιας ατμόσφαιρας.

Εκτός από τις δύο προηγούμενες κλίμακες υπάρχει και η απόλυτη κλίμακα ή κλίμακα Κέλβιν (Kelvin), που θα τη συναντήσουμε αργότερα. Η κλίμακα αυτή διαφέρει από την κλίμακα Κελσίου κατά μία μόνο σταθερά: T(κ) = T(*C) + 273,15 oC

Συνεπώς, κάθε διαφορά θερμοκρασίας ΔΤ ή Τ2 – Τ1, είναι η ίδια και στις δύο κλίμακες (Εικ. 1.14).

Εικ. 1.12 Οι θερμομετρικές κλίμακες Κελσίου και Φαρενάιτ σε αντιπαράθεση

Εικ. 1.13 Η έκταση των παρατηρουμένων στη φύση θερμοκρασιών και οι αντίστοιχες φυσικές καταστάσεις στις οποίες αυτές παρατηρούνται.

Εικ. 1.14 Σύγκριση των θερμομετρικών κλιμάκων Κελσίου, Φαρενάιτ και Κέλβιν.

Εικ. 1.15 Ένα ειδικό θερμόμετρο (πυρόμετρο υπερύθρου), που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του λιωμένου χάλυβα.

Ένα άλλο είδος θερμομέτρου είναι το θερμοζεύγος, που βασίζεται στο γεγονός ότι όταν οι επαφές δύο διαφορετικών μετάλλων βρίσκονται σε διαφορετική θερμοκρασία, μεταξύ τους αναπτύσσεται μια τάση, που λέγεται θερμοηλεκτρική τάση. Στην εικόνα 1.16 φαίνεται ο τρόπος που χρησιμοποιούμε ένα θερμοζεύγος, για να μετρήσουμε τη θερμοκρασία σε σημεία όπου είναι δύσκολο να χρησιμοποιήσουμε άλλο θερμόμετρο.

Εικ. 1.16 Σχηματική αναπαράσταση της διάταξης που χρησιμοποιεί θερμοζεύγος για τη μέτρηση θερμοκρασίας σε σημείο όπου η πρόσβαση είναι δύσκολη.(α) Φωτογραφία ενός θερμοζεύγους (β)