Lämpötila

Lämpötila on suure, joka kuvaa sitä kuinka kylmä tai lämmin kohde on. Kun kaksi esinettä tuodaan kosketukseen toistensa kanssa, niiden välinen lämpötilaero määrittää sen mihin suuntaan lämpö virtaa kappaleiden välillä.

Lämpötila on makroskooppinen termodynaaminen suure — se voidaan määritellä vain suurelle atomijoukolle, muttei yksittäisille atomeille. Molekyylitasolla lämpötila vastaa aineen rakenneosasten keskimääräistä liike- ja värähtelyenergiaa, jota kutsutaan lämpöliikkeeksi. Mitä nopeammin atomit liikkuvat tai värähtelevät, sitä enemmän niillä on lämpöenergiaa ja sitä korkeampi niiden keskimääräinen lämpötila on. Kun kaksi esinettä koskettaa toisiaan, kuumemman esineen värähtelevät atomit vuorovaikuttavat kylmemmän esineen atomien kanssa ja liike- ja värähtelyenergiaa siirtyy kosketuspinnan yli toiseen esineeseen niin, että kuumempi esine jäähtyy ja kylmempi esine lämpenee. Kun energiaa ei enää siirry esineiden välillä, ne ovat samassa lämpötilassa.

Lämpötila mitataan lämpömittarin avulla. Yleinen lämpömittarityyppi on nestelämpömittari, joka perustuu mittarin sisällä olevan nesteen lämpölaajenemiseen. Ihminen puolestaan aistii lämpötilan iholla olevan lämpöaistin avulla. Tätä varten ihossa on kahdenlaisia hermopäätteitä; toiset aktivoituvat alle 37 °C lämpötilassa, toiset kun lämpötila on 37 °C tai enemmän. 

Arkielämän lämpötilat ilmoitetaan suomessa yleensä celsiusasteissa. Celsiusasteikon referenssipisteet ovat veden sulamis- ja kiehumispiste, joille on annettu arvot 0 °C ja . Tieteessä puolestaan käytetään kelvineissä mitattavaa termodynaamista lämpötilaa, joka on yksi SI-järjestelmän seitsemästä perussuureesta. Termodynaamisen lämpötila-asteikon nollakohta on absoluuttinen nollapiste, joka on alin mahdollinen lämpötila. Absoluuttisen nollapisteen lähellä lämpöliike lakkaa ja kvanttimekaaniset ilmiöt tulevat merkittäviksi. Kelvinasteikon asteväli on sama kuin celsiusasteikolla, eli lämpötilaeroja mitattaessa  = .

Lämpötilan mittaamisen periaate 
Jos esineen lämpötilaa mitataan nestetoimisella 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 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.

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 aineen rakennehiukkasen liike-energiaa. Kaasussa kaasun hiukkaset liikkuvat nopeasti ja suoraviivaisesti eteenpäin, kunnes törmäävät toiseen hiukkaseen tai astian seinämään. Tällöin hiukkanen muuttaa suuntaansa vaihtaen törmäyksessä liike-energiaa liikemäärän säilyessä kimmoisassa törmäyksessä. Nesteessä hiukkaset ovat niin lähellä toisiaan, että 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. Kiinteässä olomuodossa aineen hiukkaset ovat sidottuja tiettyyn kiderakenteeseen, jonka puitteissa lämpöliike tapahtuu edestakaisena värähdysliikkeenä. Kiinteän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat toisiinsa sähköisellä vuorovaikutuksella ja joskus suorilla törmäyksillä.

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. Tasapainotilaksi kutsutaan sitä termodynaamista tilaa, jonka esiintymistodennäköisyys kyseisellä energiamäärällä on suurin. Termodynamiikan nollannessa perussäännössä esitetäänkin, että eristetyssä systeemissä muodostuu itsestään terminen tasapaino, jolloin lämpötilaerot tasoittuvat.

Sisäenergialla tarkoitetaan aineen sisältämien kaikkien energiamuotojen summaa eli aineen kokonaisenergiaa. Siihen sisällytetään aineen rakenneosasten sidosenergiat sekä lämpöliikkeen etenemis-, pyörimis- ja värähdysenergiat. Sisäenergia muuttuu aina, kun aine luovuttaa tai vastaanottaa energiaa ympäristönsä kanssa. Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö toteaa, että aineen termodynaamisessa tasapainotilassa sisäenergialla on tietty arvo eli sisäenergia on tilanfunktio. Lämpötila ei ole tätä tilaa esittävä suure, mutta sitä käytetään apuna lämpöenergialaskuissa, koska sisäenergiaa ei voi mitata suoraan.

Entropiaksi kutsutaan suuretta, joka ilmaisee aineen sisäisten lämpötilaerojen määrää. Mitä enemmän eroja on, sitä pienempi on entropia. Entropia kasvaa, kun lämpötilat tasoittuvat termodynaamisesti. Termodynamiikan toinen pääsääntö toteaa, että eristetyssä systeemissä aineen entropia kasvaa vääjäämättä, joten terminen tasapainotila syntyy ajan myötä itsestään. Termodynamiikan kolmas pääsääntö toteaa myös, ettei absoluuttista nollapistettä voida saavuttaa. Jos lämpöenergiaa eksyy aineen sekaan, se leviää sinne ja sen poistaminen kokonaan ei enää onnistu.

Tilastollinen lähestymistapa johtaa liike-energian keskiarvoa sisältävään määritelmään. Ideaalikaasun termodynaaminen eli absoluuttinen lämpötila T on suoraan verrannollinen atomijoukon liike-energian odotusarvoon

missä  on Bolzmannin vakio. Tämä selittää sen, miksi kelvineissä mitattava absoluuttinen lämpötila on fysiikassa suhteellista celsiuslämpötilaa hyödyllisempi suure.

Lämpötilan yksiköitä 

Lämpötilaa (, tunnus T ) mitataan SI-järjestelmässä kelvineillä (K) tai celsiusasteilla (°C). Celsius-asteikko määritellään merkitsemällä puhtaan veden jäätymispistettä nollalla ja kiehumispistettä normaalipaineessa luvulla 100. Kelvin-asteikko sen sijaan on määritelty niin, että absoluuttinen nollapiste on nolla kelviniä, mutta asteikkovälinä käytetään samansuuruista asteväliä kuin Celsius-asteikossa. Celsius-lämpötila muunnetaan Kelvin-asteikon lämpötilaksi lisäämällä siihen luku 273,15.

Etenkin USA:ssa lämpötilan mittaukseen käytetään Fahrenheit-asteikkoa. Fahrenheit-asteikon nollapisteeksi valittiin alin jäätymispiste, joka voitiin suolan ja veden liuoksella aikaansaada, ja ihmisen normaali ruumiinlämpö määriteltiin arvoksi 96. Celsius-lämpötila muutetaan Fahrenheit-asteikkoon kertomalla luvulla 1,8 ja lisäämällä luku 32.

Erityisiä lämpötiloja 
Absoluuttinen nollapiste on se lämpötila, jossa lämpöliike on minimissään. Tässäkään lämpötilassa lämpöliike ei kokonaan lakkaa, vaan jäljellä on kvanttimekaaninen nollapiste-energia. Kyseinen lämpötila on teoreettinen, sillä sellaisessa tilassa olevaan aineeseen johtuu tai siirtyy aina ympäristöstä lämpöenergiaa.

Planckin lämpötila (1032 K) on fyysikko Max Planckin esittelemä teoreettinen lämpötila, joka saattoi esiintyä ensimmäisellä hetkellä maailmankaikkeuden alkuräjähdyksessä. 

Kun ilmanlämpötila on Suomessa yli 25 °C, on hellettä. Kun maanpinnan lähellä on kasvukaudella pakkasta, sitä sanotaan hallaksi.
Virallinen ilmanlämpötila mitataan kahden metrin korkeudelta maanpinnasta. Tähän vaikuttavia tekijöitä ovat tuulisuus, auringonpaiste ja korkeus merenpinnasta.

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 

 Definitions for temperature Australian ilmatieteen laitos 
 Ilman lämpötila Ilmatieteen laitos
 Lämpötilan mittaus, MIKES 2005

Seulonnan keskeiset artikkelit