Mitä tiedät lämpötiloista?

MIKÄ onkaan rentouttavampaa kuin mennä koleana päivänä lämpimään suihkuun tai kylpyyn? Mutta jos vesi on liian kuumaa tai liian kylmää, saatat tuntea olosi epämukavaksi ja käyttää mahdollisimman vähän aikaa kylpemiseen. Mikä tekee suihkussa tai kylvyssä käymisestä joko miellyttävän tai järkyttävän kokemuksen? Siihen vaikuttaa tietenkin veden lämpötila.

Päivittäin ollaan kiinnostuneita myös ulkoilman lämpötilasta. Lämpötilan tietäminen auttaa meitä ratkaisemaan sen, mitä puemme yllemme ja miten suunnittelemme päivämme. Koska tämä on niin hyödyllinen tieto, niin julkisten rakennusten valomainoksissa ilmoitetaan usein kellonajan lisäksi myös ulkoilman lämpötila.

Numeroina ilmoitetun lämpötilan suuruus saattaa kuitenkin heijastaa aivan erilaisia olosuhteita sen mukaan, missä asut. Miksi esimerkiksi 40 asteen lukema Yhdysvalloissa vaatisi pukeutumista päällystakkiin, kun Euroopassa tarvitaan samalla lukemalla keveintä mahdollista vaatetusta?

Lämpötila-asteikot

Vastaus on hyvin yksinkertainen. Siellä missä käytetään Fahrenheitin lämpötila-asteikkoa, kuten Yhdysvalloissa, 40 astetta on kylmä, vain vähän yli veden jäätymispisteen. Euroopassa taas, jossa käytetään yleisesti Celsiuksen asteikkoa, 40 astetta merkitsee läkähdyttävän kuumaa lämpötilaa. Tässä kirjoituksessa käsitellään vain näitä kahta yleisesti käytössä olevaa asteikkoa. Mistä Fahrenheitin ja Celsiuksen lämpötila-asteikot ovat peräisin?

Vuonna 1714 Gabriel Daniel Fahrenheit, saksalainen fyysikko, suunnitteli elohopeamittarin avulla lämpötila-asteikon. Hän valitsi kolme kiintopistettä. Hän halusi asteikkonsa nollapisteen olevan mahdollisimman alhaalla. Niinpä hän sekoitti jäätä, vettä ja eräänlaista suolaa, ja seoksen lämpötila putosi alhaisimpaan pisteeseen, jonka hän pystyi silloin saamaan aikaan. Tuo lämpötila sai hänen asteikossaan lukeman 0 astetta. Sen jälkeen Fahrenheit valitsi terveen ihmisen ruumiinlämmön asteikkonsa ylemmäksi pisteeksi. Hän asetti tämän lämpötilan 96 asteeksi. (Sen jälkeen terveen ihmisen ruumiinlämmön on havaittu olevan samaisen asteikon mukaan 2 1/2 astetta korkeampi kuin minkä hän mielivaltaisesti valitsi.) Saadakseen kolmannen kiintopisteen hän mittasi veden jäätymispisteen ja sai sen lukemaksi 32 astetta. Myöhemmin asteikolla mitattiin veden kiehumispiste. Merenpinnan tasolla lukema osoittautui 212 asteeksi, jota Fahrenheit myöhemmin esitti uuden asteikkonsa ylemmäksi pisteeksi.

Gabriel Fahrenheitin aikalainen oli Anders Celsius, ruotsalainen tähtitieteilijä, joka eli vuosina 1701–44. Vuonna 1742 Celsius suunnitteli lämpötila-asteikon, joka myös kantaa keksijänsä nimeä. Asteikko perustuu kahteen kiintopisteeseen: 0 astetta on veden jäätymispiste ja 100 astetta on veden kiehumispiste merenpinnan tasolla.a Celsiuksen asteikkoa käytetään kaikkialla, missä noudatetaan metrijärjestelmää.

Koska sekä Fahrenheitin että Celsiuksen asteikot ovat nykyään yleisesti käytössä, on lukemat usein tarpeen muuttaa asteikolta toiselle. Miten se tapahtuu? Pane merkille, että Fahrenheitin asteikolla veden kiehumis- ja jäätymispisteen välinen ero on 180 astetta (212 astetta miinus 32 astetta). Celsiuksen asteikolla ero on 100 astetta. Näiden kahden asteikon välinen suhde on siis 180/100 eli 9/5.

Kun siis muutat fahrenheitasteet celsiusasteiksi, vähennä ensin 32 astetta. Kerro sitten erotus luvulla 5/9. Sanokaamme esimerkiksi, että ilman lämpötila on läkähdyttävät 104 fahrenheitastetta. Muuttaaksesi sen celsiusasteiksi vähennä 104:stä 32, jolloin saat tulokseksi 72. Kerro sitten 72 luvulla 5/9. Tulos on 40, joka on celsiusasteina. 40 celsiusta on tosiaan läkähdyttävän kuuma lämpötila.

Muuttaessasi toisaalta celsiusasteet fahrenheitasteiksi täytyy ne ensiksi kertoa luvulla 9/5 ja sen jälkeen lisätä tulokseen 32. Sanokaamme esimerkiksi, että lämpötila on 20 celsiusastetta. Mitä se on Fahrenheitin asteikolla? Kertomalla 20 luvulla 9/5 saat 36. Lisäämällä 36:een 32 saat fahrenheitasteiksi 68.

Mikä on lämpötila?

Lämpötila on lämpöilmiöihin liittyvä suure. Mutta mikä tekee aineesta kuuman tai kylmän? Jos pystyisit tarkastelemaan aineiden molekyylien ja atomien rakenteita niiden lämmetessä, näkisit monia muutoksia. Ajattelehan esimerkiksi liedellä olevassa pannussa lämpiävää vettä.

Vesimolekyylit värähtelevät yhä nopeammin. Pian vesi kiehuu. Tämä tapahtuu silloin kun vesimolekyylit värähtelevät niin nopeasti, että ne ponnahtavat irti toisistaan eivätkä enää pysy toisissaan kiinni nestemäisessä muodossa. Vesi alkaa itse asiassa muuttua kaasuksi, jonka me näemme höyrynä.

Kaasukuplat muodostuvat aluksi pannun pohjalle, koska siellä lämpötila on korkein. Vaikka lämpöä lisätään koko ajan, kun vesi muuttuu höyryksi, lämpötila ei muutu. Näin tapahtuu, koska molekyylien vapautuminen nestemäisestä olomuodosta ja niiden muuttuminen kaasumaiseen olomuotoon vaatii energiaa. Lämmitys antaa tuon energian. Näin ollen sen sijaan, että lämmitys saisi veden kuumenemaan, se saa yksinkertaisesti useammat vesimolekyylit muuttumaan kaasuksi.

Lämpötilan noustessa vesimolekyylit, jotka ovat kaasumaisessa olomuodossa, värähtelevät ja liikkuvat yhä nopeammin. Jos höyryn lämpötila nostettaisiin äärimmäisen korkealle, kymmeniin tai satoihin miljooniin asteisiin, atomeista irtoaisivat jopa elektronit. Sellaisissa lämpötiloissa atomien ytimet törmäisivät toisiinsa niin voimakkaasti, että tapahtuisi ydinreaktioita. Ajatus ydinenergian tuottamisesta fuusion avulla perustuu itse asiassa tähän.

Lämpötilojen vaihteluväli

Nykyisen tiedon mukaan lämpötiloilla ei ole ylärajaa. Toisaalta alaraja niillä näyttää olevan. Absoluuttinen nollapiste on –273,15 celsiusastetta eli –459,67 fahrenheitastetta. Tässä pisteessä aineen molekyyleillä ja atomeilla on pienin mahdollinen energia.

Planeetta Pluton pinnalla on lämpötilan arvioitu olevan noin –210 celsiusastetta eli –350 fahrenheitastetta. Vuonna 1965 tähtitieteilijät saivat selville, että ulkoavaruuden lämpötila on noin –270 celsiusastetta eli –455 fahrenheitastetta, Celsiuksen asteikon mukaan vain kolme astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Toiseen äärimmäisyyteen mentäessä auringon keskuksessa lämpötilan uskotaan olevan noin 15 miljoonaa celsiusastetta. Mutta aurinkoa suuremmissa tähdissä – ja on olemassa tuhansia kertoja aurinkoa suurempia tähtiä – on todennäköisesti paljon korkeampi lämpötila.

Entäpä lämpötilojen vaihteluväli täällä maan päällä? Se on suhteellisen pieni. Etelämantereella mitattiin 21. heinäkuuta 1983 lämpötilaksi –89,2 celsiusastetta eli –128,6 fahrenheitastetta. Ja 58 celsiusasteen eli 136 fahrenheitasteen ennätyskorkea lämpötila mitattiin 13. syyskuuta 1922 El Aziziassa Tripolitaniassa Pohjois-Afrikassa. Suurin osa ihmisistä ei ole kuitenkaan kokenut lähelläkään noita ääripisteitä olevia lämpötiloja. Voimme olla kiitollisia Luojallemme, Jehova Jumalalle, että lämpötilojen vaihteluväli maan päällä on suhteellisen kapea. Sen ansiosta voidaan nauttia elämästä maan päällä.

[Alaviitteet]

[Kaavio s. 13]

(Ks. painettu julkaisu)

Fahrenheit Celsius

98,6 37 Normaali ruumiinlämpö

32 0 Vesi jäätyy

–460 –273 Absoluuttinen nollapiste