Meranie teploty a teplotná rozťažnosť Nezačaté

0. Kľúčové fakty

1. Teplota — Teplota je fyzikálna veličina, ktorá vyjadruje, ako veľmi je teleso teplé alebo studené. Súvisí s pohybom najmenších častíc látky (atómov a molekúl): čím rýchlejšie sa častice pohybujú, tým je teplota vyššia. Teplota je jednou zo základných veličín, ktoré v prírode neustále meriame a porovnávame.

2. Teplomer — Teplomer je prístroj na meranie teploty. Najznámejší je kvapalinový teplomer, v ktorom je tenká rúrka naplnená kvapalinou (liehom alebo dnes už zriedka ortuťou). Keď sa kvapalina zohreje, rozťahuje sa a stúpa v rúrke, takže výšku stĺpca odčítame na stupnici. Okrem kvapalinových poznáme aj digitálne, lekárske, izbové a bimetalové teplomery.

3. Stupeň Celzia (°C) — Základná jednotka teploty, ktorú používame v bežnom živote, je stupeň Celzia, značíme ju °C. Túto stupnicu zaviedol švédsky vedec Anders Celsius. Pri jej tvorbe použil dva pevné body: teplotu topenia ľadu a teplotu varu vody za normálneho tlaku.

4. Pevné body teplotnej stupnice — Celziova stupnica má dva dôležité body, podľa ktorých je rozdelená. Teplote topenia ľadu (mrznutia vody) priradil hodnotu 0 °C a teplote varu vody hodnotu 100 °C. Vzdialenosť medzi nimi je rozdelená na 100 rovnakých dielikov — preto sa táto stupnica nazýva aj stostupňová.

5. Kelvin a absolútna nula — V prírodných vedách sa používa aj teplotná stupnica s jednotkou kelvin (K), ktorú zaviedol lord Kelvin. Jej začiatok, takzvaná absolútna nula, je najnižšia možná teplota a má hodnotu −273 °C. Pri absolútnej nule by sa častice látky prestali pohybovať; v praxi sa k nej dá len priblížiť, ale nikdy ju úplne nedosiahneme.

6. Správne meranie teplomerom — Pri meraní musí byť teplomer v dobrom kontakte s telesom alebo ponorený v kvapaline a musíme počkať, kým sa hladina ustáli. Stupnicu odčítavame v rovine očí, aby sme sa nepomýlili. Telesnú teplotu meriame lekárskym teplomerom; zdravý človek má približne 36,5 °C.

7. Teplotná rozťažnosť — Teplotná rozťažnosť je jav, pri ktorom telesá pri zohrievaní zväčšujú svoj objem (rozťahujú sa) a pri ochladzovaní svoj objem zmenšujú (zmršťujú sa). Príčinou je pohyb častíc: keď sa zohrejú, pohybujú sa rýchlejšie a potrebujú okolo seba viac miesta. Tento jav sa týka pevných látok, kvapalín aj plynov.

8. Rozťažnosť pevných látok — Aj pevné telesá ako kov či sklo menia pri zmene teploty svoje rozmery, hoci len nepatrne. Práve preto sa medzi koľajnicami nechávali medzery a mosty majú dilatačné škáry — aby mali kam sa v lete roztiahnuť a nezdeformovali sa. Vodiče elektrického vedenia v lete previsajú viac ako v zime práve kvôli rozťažnosti.

9. Rozdielna rozťažnosť rôznych látok — Rôzne látky sa pri rovnakej zmene teploty rozťahujú rôzne veľmi. Tejto vlastnosti využíva bimetalový pásik — dva spojené kovy, ktoré sa rozťahujú nerovnako, takže sa pri zohriatí prehne. Bimetal sa používa napríklad v termostatoch a starších blikačoch áut.

10. Rozťažnosť kvapalín a plynov — Kvapaliny sa rozťahujú viac ako pevné látky a plyny zo všetkých najviac. Práve na rozťažnosti kvapaliny je založený kvapalinový teplomer. Pri plynoch si rozťažnosť všimneme napríklad na nafúknutej fľaši alebo balóne, ktorý sa v teple zväčší a v chlade scvrkne.

11. Anomália vody — Voda sa správa nezvyčajne: pri ochladzovaní sa síce zmršťuje, ale pri teplote pod 4 °C sa naopak začne opäť rozťahovať, a keď zamrzne na ľad, jej objem sa zväčší. Preto ľad pláva na hladine a jazerá zamŕzajú zhora. Vďaka tomu môžu ryby prežiť zimu pod ľadom v nezamrznutej vode na dne.

12. Praktické využitie a riziká rozťažnosti — Teplotnú rozťažnosť musíme zohľadňovať v technike aj v bežnom živote. Vrchnák zaváraninového pohára uvoľníme, keď ho zohrejeme pod teplou vodou, lebo sa kov roztiahne. Plné fľaše s nápojom nedávame do mrazničky, lebo voda pri zamrznutí zväčší objem a fľaša môže prasknúť.

1. Poučka

Teplota je fyzikálna veličina, ktorá vyjadruje, aký teplý alebo studený je predmet. Značíme ju t, meriame teplomerom a základná školská jednotka je stupeň Celzia (°C). V sústave SI je hlavná jednotka teploty kelvin (K).

Teplotná rozťažnosť je vlastnosť látok zväčšovať svoj objem (rozťahovať sa) pri zahrievaní a zmenšovať objem (zmršťovať sa) pri ochladzovaní. Roztiahnu sa pevné látky, kvapaliny aj plyny.

2. Vysvetlenie

• Každá látka je zložená z malých častíc, ktoré sa neustále pohybujú.
• Keď látku zahrievame, častice sa pohybujú rýchlejšie a od seba vzďaľujú → látka zväčší svoj objem (rozťahuje sa).
• Keď látku ochladzujeme, častice sa pohybujú pomalšie a priblížia sa k sebe → látka zmenší svoj objem (zmršťuje sa).
• Teplomer túto vlastnosť priamo využíva: kvapalina v sklenenej rúrke (napr. lieh alebo ortuť) sa pri zahriatí roztiahne a vystúpi vyššie po stupnici.
• Ako merať teplomerom: teplomer vlož do prostredia (vzduch, voda, podpazušie), počkaj, kým sa stĺpec ustáli, a odčítaj hodnotu na úrovni očí pri konci kvapalinového stĺpca.
• Najviac sa pri rovnakom zahriatí rozťahujú plyny, menej kvapaliny a najmenej pevné látky.

3. Príklady a prečo je to dôležité

1. Teplomer – lekársky, izbový alebo vonkajší teplomer funguje vďaka rozťažnosti kvapaliny v rúrke.
2. Medzery na koľajniciach a mostoch – v lete sa oceľ roztiahne; keby tam medzery neboli, koľajnice by sa skrútili.
3. Elektrické vedenie (drôty) – v lete sú drôty medzi stĺpmi viac prevesené (roztiahnuté), v zime sa napnú.
4. Naplnená fľaša v mrazničke – voda pri zamrznutí zväčší objem a fľaša môže prasknúť (voda je výnimka – pri zamŕzaní sa rozťahuje).
5. Otvorenie zaseknutého kovového viečka – pohárik s kovovým viečkom polejeme teplou vodou; kov sa roztiahne viac ako sklo a viečko sa uvoľní.
6. Ortuťový/liehový teplomer v ambulancii a horúčka pacienta – meranie teploty tela.

Prečo je to dôležité: Bez merania teploty by sme nevedeli zistiť horúčku, počasie ani teplotu v rúre. Bez počítania s rozťažnosťou by sa praskali mosty, koľajnice, potrubia a sklo. Inžinieri preto vždy nechávajú dilatačné medzery, aby mali látky kam sa roztiahnuť.