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

Príklad 1 — o koľko sa oteplilo: Ráno bolo 4 °C, poobede 15 °C. O koľko stupňov sa oteplilo?
rozdiel = 15 °C − 4 °C = 11 °C

Príklad 2 — teplota pod nulou: Večer bolo +3 °C, v noci −5 °C. O koľko sa ochladilo?
Od +3 °C po 0 °C → 3 °C
Od 0 °C po −5 °C → 5 °C
Spolu: 3 °C + 5 °C = 8 °C

Príklad 3 — odčítanie teplomera: Medzi 20 °C a 30 °C je na teplomere 10 dielikov a stĺpec končí na 4. dieliku nad dvadsiatkou. Akú teplotu ukazuje?
Jeden dielik: (30 − 20) : 10 = 1 °C
t = 20 °C + 4 · 1 °C = 24 °C

Príklad 4 — teplotná rozťažnosť (prax): Prečo sa koľajnice kladú s malými medzerami?
V lete sa oceľ zohreje, častice sa pohybujú rýchlejšie a vzďaľujú sa od seba.
Koľajnica sa predĺži; bez medzery by sa skrútila.
→ medzera dáva koľajnici miesto na rozťahovanie

Príklad 5 — postup merania: Ako správne zmeriaš teplotu vody v pohári?
Teplomer ponoríš do vody tak, aby sa nedotýkal dna ani stien.
Počkáš, kým sa stĺpec ustáli.
Odčítaš hodnotu na úrovni očí, teplomer pritom z vody nevyberáš.
→ zapíšeš výsledok s jednotkou, napríklad t = 22 °C

Príklad 6 — čo sa rozťahuje najviac: Kovovú guľu, vodu vo fľaške a vzduch v balóniku zohrejeme o rovnako veľa. Zoraď ich podľa rozťažnosti od najmenšej.
Pevné látky sa rozťahujú najmenej, kvapaliny viac, plyny najviac.
→ poradie: kovová guľa, voda, vzduch

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.

Precvič si

1. Ráno bolo 6 °C, na obed 19 °C. O koľko stupňov teplota stúpla?
2. Teplota klesla z 2 °C na −6 °C. O koľko stupňov sa ochladilo?
3. Teplota bola −3 °C a stúpla o 8 °C. Aká je teraz?
4. Medzi 30 °C a 40 °C je na teplomere 5 dielikov. Akú hodnotu má jeden dielik?
5. Prečo sú elektrické drôty v lete viac prevesené ako v zime?
6. Kovové viečko na sklenenom pohári nejde otvoriť. Ako pomôže, keď ho oblejeme teplou vodou?