Lämpö (fysiikka)

Lämpö on lämpötilaerosta johtuvaa energian siirtymistä lämpimästä kappaleesta viileämpään kappaleeseen. Lämmön eli lämpömäärän tunnus on Q ja sen SI-yksikkö on energian yksikkö joule (J).

Kappaleen vastaanottama tai luovuttama lämpö nostaa tai laskee yleensä sen lämpötilaa. Se, minkä verran tietty lämpömäärä nostaa kappaleen lämpötilaa, riippuu kappaleen massasta ja sen koostumuksesta, sillä eri aineilla on eri suuret ominaislämpökapasiteetit. Aineen sulamis- tai kiehumispisteessä siihen tuotu lämpö ei kuitenkaan nosta sen lämpötilaa, ennen kuin se on kokonaan sulanut tai höyrystynyt. Olomuodonmuutoksessa aineeseen sitoutuvaa tai siitä vapautuvaa lämpöä kutsutaan latentiksi eli piileväksi lämmöksi.

Kappaleen lämmetessä sen vastaanottama lämpömäärä sitoutuu aineen molekyylien lämpöliikkeeksi. Toisin kuin fysiikassa, yleiskielessä lämmöllä tarkoitetaan usein joko lämpötilaa tai kappaleen ominaisuutta, jota aiheuttaa lämpimän aistimuksen kappaletta koskettaessa.

Energian siirtyminen lämpönä 

Lämpö siirtyy aina kuumemmasta kappaleesta kylmempään lämpöopin sääntöjä noudattaen, eli lämpötilaeroja tasoittavasti.  Siirtyminen voi tapahtua johtumalla, säteilemällä tai konvektiolla (kuljettumalla). Konvektiossa eli kuljetuksessa energiaa siirtyy virtaavan kaasun tai nesteen mukana. Johtuessa energia siirtyy suoraan kahden tai useamman aineen kosketuspinnan kautta. Lämpösäteilyssä energia siirtyy materiaalin emittoimana sähkömagneettisena säteilynä. Lämpösäteily ei tarvitse väliainetta, joten se voi läpäistä jopa tyhjiön. Näissä kaikissa esimerkeissä siirtynyt energia on siis lämpöä.

Lämpö ja työ 
Kappaleen lämpötilan muutokseen, eli sisäenergian muutokseen , vaaditaan joko työtä W tai lämpöä Q (riippuen siitä miten systeemin tekemä ja systeemiin tehty työ määritellään on työn etumerkki joko positiivinen tai negatiivinen). 

.

Lämpötila on intensiivisuure, lämpö eli lämpömäärä sen sijaan ekstensiivisuure. Se, minkä verran tietty lämpömäärä nostaa kappaleen lämpötilaa, riippuu luonnollisesti kappaleen koosta, mutta myös aineesta, sillä eri aineilla on eri suuret ominaislämpökapasiteetit.  Kappaleen lämpötilan nostamiseen arvosta  arvoon , tarvittava lämpömäärä on

,

missä m on kappaleen massa ja c ominaislämpökapasiteetti massayksikköä kohti. Toisaalta systeemiin on saatettu tehdä työtä W, mikä muuttaa systeemin lämpötilaa. Tehty työ saattaa olla  esim. kitkan tekemää työtä tai sähkövastuksen läpi kulkevan virran tekemää työtä, joka nostaa hehkulangan lämpötilaa. Kemiallisissa reaktioissa voi systeemi joko vapauttaa tai sitoa tietyn lämpömäärän, tällöin puhutaan joko ekso- tai endotermisestä reaktiosta. Samoin aineen olomuodon muutokset ovat joko endo- tai eksotermisiä, sulaminen, höyrystyminen ja sublimoituminen ovat endotermisiä tapahtumia ja vastaavasti tiivistyminen, jähmettyminen ja härmistyminen ovat eksotermisiä.

Kun kappaleen lämpötila on sen sulamis- tai kiehumispisteessä, siihen tuotu lämpö ei nosta sen lämpötilaa, ennen kuin se on kokonaan sulanut tai höyrystynyt. Tähän kuluva lämpömäärä massayksikköä kohti on aineen sulamis- tai höyrystymislämpö. Reaktiolämpö taas on tietyssä kemiallisessa reaktiossa sitoutuva tai vapautuva lämpömäärä moolia kohti.

Lämpömäärän yksiköt 

Koska lämpömäärä on energian mitta, se mitataan nykyään samoina yksikköinä kuin muutkin energian muodot eli jouleina kerrannaisineen. Tieteenhistorian varhaisemmissa vaiheissa lämpömäärä on kuitenkin ollut paljon helpompi mitata sen mukaan, minkä verran se lämmittää tiettyä ainemäärää kuin määrittää, mitä määrää mekaanista energiaa se vastaa. Tämän vuoksi ennen SI-järjestelmän käyttöönottoa lämpömäärälle käytettiin eri mittayksikköä, kaloria. Yksi kalori määriteltiin alun perin lämpömääräksi, joka lämmitti yhden gramman vettä +14,5 celsiusasteesta +15,5 celsiusasteeseen.  Myöhemmin voitiin mittauksilla osoittaa, että yksi kalori oli noin 4,1868 joulea, ja vuonna 1956 kalori määriteltiinkin uudestaan niin, että se oli tasan 4,1868 joulea. Tätä suhdelukua on nimitetty lämmön mekaaniseksi ekvivalentiksi.

Tieteenhistoriaa 
Aikaisemmin lämpöä pidettiin yleensä erityisenä aineena, josta esimerkiksi Antoine Laurent Lavoisier käytti nimitystä kalorikki. Sen oletettiin olevan massatonta tai ainakin äärimmäisen harvaa, näkymätöntä ja nestemäistä ainetta, jota kaikki kappaleet sisälsivät sitä enemmän, mitä korkeampi niiden lämpötila oli. Lämmön johtumisen oletettiin johtuvan kalorikin siirtymisestä kappaleesta toiseen. 

Kalorikkiteorian avulla voitiin selittää monia ilmiöitä kuten lämpölaajeneminen ja lämpötilaerojen tasoittuminen. Vaikeasti selitettäväksi osoittautui kuitenkin kappaleiden lämpötilan nousu kitkan vaikutuksesta niitä hangatessa.

Jo 1100-luvulla esitettiin hypoteesi, että havaittava lämpö on jonkinlaista aineen pienimpien osien liikettä. Myöhemmin saman teorian esittivät muun muassa Francis Bacon ja Robert Hooke sekä 1700-luvun lopulla Rumfordin kreivi Benjamin Thompson. Yleisesti hyväksytyksi tämä käsitys tuli kuitenkin vasta vähän ennen 1800-luvun puoliväliä, kun energian säilymislaki tuli tunnetuksi ja voitiin määrittää myös lämmön mekaaninen ekvivalentti, jonka esitteli James Joule.

Lämpö-sanan käyttö yleiskielessä 

Lämpö-sanaa käytetään arkikielessä usealla eri tavalla kuin sen tieteellinen merkitys on. Lämpö voidaan kuvata ominaisuutena, mikä aiheuttaa lämpimän aistimuksen. Lämpö on myös yleiskielen määritelmän mukaan aineen pienimpien osasten liikettä ja lämpöliikkeeseen liittyvä energialaji . Lämpö-termillä tarkoitetaan välillä fysiikassa myös varastoitunutta energiaa, lämpöenergiaa eli termistä energiaa, joka on sitoutunut kappaleisiin . Vanhoissa tietosanakirjoissa lämpö on myös määritelty lämpöliikkeeksi, mutta IUPAC:n määritelmä käsittelee termiä "heat" vain siirtyvän energian merkityksessä. Lämpö yhdyssanassa kuvaa lämpötilaan liittyvää ominaisuutta kuten kainalolämpö tai ruumiinlämpö.

Absoluuttinen nollapiste 
   

    
Absoluuttinen nollapiste on lämpötila, jossa tasapainossa olevat atomit ovat alimmalla energiatilallaan. Se on siten myös matalin mahdollinen lämpötila ja siten Kelvin-asteikon alkuarvo. Fysikaalisesti sen saavuttaminen on kuitenkin mahdotonta.

Katso myös
Entalpia
Kylmätutkimus
Termodynamiikka
Lämpömäärä
Musta kappale

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 

 Opetus.tv: Fysiikan etäopiskeluympäristö, Lämpö
 Lämpeneminen  Opetushallitus

Energia
Termodynamiikka
Seulonnan keskeiset artikkelit