Lämpötila

Lämpötila (tunnus T, t ) on fysiikassa ja kemiassa käytettävä perussuure, joka ilmaisee kohteen termodynaamisen lämpötilan eli absoluuttisen lämpötilan. Arkikielessä lämpötila kertoo, kuinka lämmin kohde on. Lämpötila ilmoitetaan käyttäen lämpötila-asteikkoja, joista kolme yleisintä ovat celsius, fahrenheit ja kelvin. Lämpötila on makroskooppinen fysikaalinen suure — se voidaan siis havaita vain suurella atomijoukolla, muttei yksittäisillä atomeilla.

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.

Fysiikassa aine on lämmintä, jos siihen on tullut atomitasolla liike-energiaa, joka saa atomit liikkumaan. Aineen rakennehiukkasten liikkumista (tai kiinteässä aineessa värähtelyä) kutsutaan 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 lämpöenergiaksi. 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.

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 termodynamiikan termein ilmaistuna siis aineen rakennehiukkasen liike-energiaa. Kaasussa kaasun hiukkaset liikkuvat eli lentävät nopeasti ja suoraviivaisesti eteenpäin, kunnes törmäävät toiseen hiukkaseen tai astian seinämään. Tällöin hiukkanen muuttaa lentosuuntaansa 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. Tasaantuneeksi tilaksi 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 U 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 (joulea) eli sisäenergia on todellinen tilafunktio. Lämpötila ei ole tätä tilaa esittävä suure, mutta sitä käytetään apuna lämpöenergialaskuissa, koska sisäenergiaa ei voi mitata suoraan.

Entropiaksi E 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. Absoluuttinen lämpötila T on suoraan verrannollinen atomijoukon liike-energian odotusarvoon $\langle E_{k}\rangle$ nähden

$\langle E_{k}\rangle ={\frac {2}{3}}kT,$

missä $k$ on Bolzmannin vakio. Tämä selittää sen, miksi vain absoluuttinen lämpötilan Kelvin-asteikko kelpaa fysiikassa lämpötilan suureeksi suoraan.

Lämpötilan yksiköitä

Pääartikkeli: Lämpötila-asteikko

Lämpötilaa (lat. temperatura, 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 aineessa ei ole yhtään lämpöliikettä. Kyseinen lämpötila on teoreettinen, sillä sellaisessa tilassa olevaan aineeseen johtuu tai siirtyy aina ympäristöstä lämpöenergiaa.

Planckin lämpötila on fyysikko Max Planckin esittelemä teoreettinen lämpötila, joka saattoi esiintyä ensimmäisellä hetkellä maailmankaikkeuden alkuräjähdyksessä. Sitä korkeammasta lämpötilasta ei ole mielekästä puhua, ainakaan tässä universumissa.

Erilaisten lämpötilojen havainnollistuksia Kelvin- ja Celsius- asteikolla

K	°C	Olosuhteet, tapahtumat
0	−273,15	Absoluuttinen nollapiste, atomien liike pysähtynyt, kylmempää ei voi olla.
90,19	−182,96	Happi muuttuu nestemäiseksi
186,8	−92	Kylmin maapallolla luonnossa mitattu ilmanlämpötila.
273,15	0	Vesi jäätyy (NTP-olosuhteet).
273,16	0,01	Veden kolmoispiste.
293	20	Huoneen lämpötila.
310	37	Ihmisen normaali kehonlämpötila.
330	56,7	Kuumin maapallolla luonnossa mitattu ilman lämpötila.
373,15	100	Vesi kiehuu (merenpinnan korkeudella).
1 808	1 535	Rauta sulaa.
5 780	5 507	Auringon pintalämpötila.

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

• Karttunen, Hannu & Koistinen, Jarmo & Saltikoff, Elena & Manner, Olli: Ilmakehä, sää ja ilmasto. Ursan julkaisuja 107. Helsingissä: Ursa, 2008. ISBN 978-952-5329-61-2.
• Simons, Lennart: Fysiikka korkeakouluja varten. Porvoo: WSOY, 1963.
• Eskola, Sisko Maria & Ketolainen, Pasi & Stenman, Folke: Fotoni – Lämpö. lukion fysiikan oppikirja. Helsinki: Otava, 2005. ISBN 951-1-20103-4.
• Suomen Standardoimisliitto: SI-opas (myös painettuna, ISBN 952-5420-93-0) (PDF) SFS-oppaat. 04.11.2002. Suomen Standardoimisliitto. Viitattu 18.2.2013.
• Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI) (pdf) (nro 330) NIST Special Publication. 2008. Washington D.C.: National Institue Of Standards And Technology. Viitattu 15.2.2013. (englanniksi)

Aiheesta muualla

• Definitions for temperature Australian ilmatieteen laitos (englanniksi)
• Ilman lämpötila Ilmatieteen laitos
• Lämpötilan mittaus, MIKES 2005

 lol

Meteorologinen data ja muuttujat

• Auringon säteily
• CAPE
• helteen tukaluus
• CIN
• epävakaisuus
• kastepiste
• konvektio
• kosteus
• lämpötila
• lifted-indeksi
• näkyvyys
• pakkasen purevuus
• pilvi
• salama
• sade
• tuuli
• vesihöyry