Temperatur

Temperatur er et mål på bevegelse av atomer og molekyler i stoff eller materie som forekommer i fasene fast form, væske eller gass (kinetisk energi).  Ved det absolutte nullpunkt 00 Kelvin (K) = -273.15oC er det ingen bevegelse av molekyler eller atomer. Objekter med temperatur over det absolutte nullpunkt sender ut elektromagnetisk stråling, hvor bølgelengden blir kortere med økende temperatur. Følt temperatur er forskjellig fra målt temperatur. Temperatur kan defineres upresist som kald eller varm. Det er utviklet mange forskjellige metoder for å måle temperatur, men en temperaturmåler må alltid være kalibrert mot en standard.

SI-enheten for termodynamisk temperatur er kelvin (K). Den er beregnet ut fra en fast bestemt verdi av Bolzmanns konstant k = 1.380649∙10-23 joule per kelvin (J K-1 eller J/K) som er lik kg m2 s-2 K-1.  hvor massen kg er definert ut fra Plancks konstant. Sekund er definert som den numeriske verdien av cesiumfrekvensen ΔvCs for en uforstyrret hyperfin transisjonsfrekvens for cesiumisotopen cesium-133, som er lik 9192631770 Hz (s-1).

Når to objekter er kontakt med hverandre tilstrekkelig lenge vil de få samme temperatur. Lav temperatur er karakterisert av lav kinetisk energi av molekylene sammenlignet med høy temperatur.

Ved avkjøling skjer det en forskyvning i likevektsreaksjoner i retning av energifrigivelse (Le Chateliers prinsipp). Prinsippet sier at når et system i likevekt utsettes for stress forskyves likevekten i den retning som motvirker stresset. Når vann avkjøles og danner is avgis varme.

Alle reaksjoner skjer raskere ved høy temperatur. Reaksjonshastigheten er proporsjonal med antall kollisjoner per sekund, samt hvordan molekylene er orientert under kollisjonen. Bare en liten del av kollisjonene leder til forandring

Kjemisk-, elektrisk-, potensiell- og kjemisk energi kan bli omdannet til termisk energi. Den tyske fysikeren Rudolf Clausius (1822-1888), som formulerte termodynamikkens, varmelærens første og andre lov, i en videreutvikling av Sadi Carnots prinsipp, viste at termisk energi beveger seg alltid fra varmt til kaldt, og representerer således tid. Clausius introduserte også begrepet entropi (S). Entropi S=k·log W, k er Boltlmanns konstant, og W er antall mikroskopiske og makroskopiske tilstander. Entropi er et mål på orden. Ved har en lav entropi med karbon-, hydrogen- og oksygen-atomer i en ordnet struktur. Vedfyring i en ovn er en irreversibel prosess drevet av økning i entropi, med tilhørende utsendelse av varmestråling. I alt biologisk liv skjer den samme prosessen ved lav temperatur katalysert av enzymer, med økning i entropi. Det er den lave entropien i Sola som driver alle prosessene på Jorden.  Bolzmann og Maxwell kunne med kinetisk gassteori forklare temperaturen i gassfase. (Maxwell-Bolzmann sannsynlighetsfordeling for hastigheten av en type gassmolekyler i en ideell gass.  Gjennomsnittlig energi per gassmolekyl (E) er gitt ved:

\(E=\frac{3}{2}kT\)

hvor k er Bolzmann konstant.

 Boltzmanns energifordelingsformel angir energifordelingen hos molekyler som funksjon av temperaturen. Minimum kinetisk energi for å inngå i en reaksjon kalles aktiveringsenergi. For at en kjemisk prosess skal kunne skje må reaktantene tilføres aktiveringsenergi før de kan omdannes til produkter. Enzymer senker aktiveringsenergien i forhold til ikkekatalyserte reaksjoner. Ved høy temperatur har en større andel av molekylene nok aktiveringsenergi til at det kan skje reaksjon og den naturlige frastøtningen mellom elektronskyer overvinnes. Det er et overgangsstadium (transisjonsstadium) mellom reaktanter og produkter. Er den potensielle energien til produktene lavere enn den potensielle energien til reaktantene er det en eksoterm reaksjon. Temperaturen øker i en eksoterm reaksjon fordi gjennomsnittlig kinetisk energi til systemet øker. Er den potensielle energien til produktene høyere enn den potensielle energien til reaktantene er den en endoterm reaksjon.  Økning i reaksjonshastighet ved økning av temperaturen med 10oC er angitt som Q10. Q10 viser forholdet mellom hastigheten til en prosess ved T + 10oC og ToC. Q10>2 indikerer at metabolisme er involvert i reaksjonen. Må ikke forveksles med ubikinon i respirasjonskjeden har blitt solgt under navnet Q10.

Temperaturen endrer reaksjonshastigheter og endrer verdien til hastighetskonstanten. Hastighetskonstanten har økende verdi med økende temperatur. Aktiveringsenergien er koblet til hastighetskonstanten via Arrheniusligningen.

 Arrheniusligningen viser en lineær sammenhengen mellom hastighetskonstanten (k) for en reaksjon og temperaturen (T), og kan brukes til å bestemme aktiveringsenergien (A) i en reaksjon med enheten kJ mol-1.

\(k= C\; e^{\frac{-A}{RT}}\)

Som på logaritmisk form blir en rett linje av typen y = ax + b

\(\ln k= -\frac{A}{R}\frac{1}{T} + \ln C\)

C er en konstant.

Man plotter 1/T på x-aksen versus lnk på y-aksen og får en linje med negativ stigningskoeffisient som er lik –A/R, hvor R er den universelle gasskonstanten.

En katalysator øker hastigheten på en kjemisk reaksjon uten selv å bli forbrukt. Katalysatoren endrer mekanismen på reaksjonen, senker aktiveringsenergien for reaksjonen og gjør at flere molekyler får nok energi til å reagere. En homogen katalysator har samme fase som reaktantene. En heterogen katalysator har atskilt fase fra reaktantene. Haber-Bosch er en heterogen katalyse hvor molekylene som reagerer adsorberes på overflaten til katalysatoren. Heterogen katalyse brukes i kjemisk cracking av oljeprodukter til mindre fragmenter. En katalysator i biler senker konsentrasjonen av forurensninger (CO, ubrente hydrokarboner og nitrogenoksider), hvor produktene blir karbondioksid, vann og dinitrogen. Enzymer er biologiske katalysatorer.

Termometer

Oppfinnelsen av termometeret i 1592 er kreditert Galileo Galilei. Galileo  laget en liten beholder med et trangt glassrør som ble satt ned i en åpen beholder med farget alkohol. Når luften i beholderen ble avkjølt trakk luften seg sammen og alkoholen steg i røret. Ved oppvarming ble luften utvidet og alkoholnivået sank. Tidlig på 1700-tallet laget den nederlandske instrumentmakeren Gabriel Fahrenheit et kvikksølvtermometer. Som det faste punktet på den laveste delen av skalaen brukte han en blanding av is og saltet ammoniumklorid (NH4Cl). Prinsippet var at en væske i en kule tilkoblet et tynt stigerør ville utvide seg og stige opp i røret når væsken ble varmet opp. Som det faste punktet på den laveste delen av skalaen OoF brukte han en kuldeblanding av is, vann, ammoniakk og salt (-17.78 oC). Den øverste enden av temperaturskalaen var blodtemperaturen hos mennesker som han kalte 96 oF, målt i armhulen. Tidligere skalaer var delt i 12 deler. Derav brukte Fahrenheit 96 som øverste faste punkt, som kunne gi en finere oppdeling av temperaturskalaen (Fahrenheitskalaen).

   I 1742 foreslo Anders Celsius at smeltepunktet for is og kokepunktet for vann skulle være de to faste punktene. Celsius valgte 0o som kokepunktet for vann og 100 o for smeltepunktet. Senere ble skalaen snudd og Celsiusskalen ble offisielt akseptert i 1948. Franskmannen Ferchault de Réamur utviklet et termometer basert på vann og alkohol, og baserte seg som Celsius på koke- og frysepunktet for vann ved atmosfæretrykk 0-80oR. Kvikksølv i kvikksølvtermometere er giftig, og er erstattet med andre stoffer.

Termodynamisk temperatur

Tidlig på 1800-tallet laget William Thomson, også kalt Lord Kelvin (adlet av dronning Victoria),  en temperaturskala basert på termodynamiske prinsipper bak koeffisientene for ekspansjon av ideelle gasser. Sammenhengen mellom trykk og temperatur i en gassmengde med konstant volum viste at ved økende avkjøling blir trykket stadig lavere og ved en temperatur må trykket være lik 0. Han skapte begrepet det absolutte nullpunkt (-273.16 oC. oC = (oC +273.16) Kelvin. Ved denne temperatur er ikke molekylene lenger er i bevegelse. Ved økende temperatur øker bevegelsesenergien til stoffets molekyler.  Vi kan si at varme er uordnet bevegelsesenergi, og det mekaniske aspektet ved varme ble bekreftet av den engelske fysikeren James Joule. Alt stoff over det absolutte nullpunkt sender ut varmestråling (temperaturstråling, langbølget infrarød stråling). Varmestrålingen kan registreres i et termokamera.  Ved høy nok temperatur blir denne så kortbølget at vi kan se den med vårt øye (rødglødende).

Termokobling

 Termokobling er en temperaturmåler (termocouple) hvor man måler spenningen som oppstår i loddstedet mellom to metaller (Seebeckspenning).  Når to tråder av forskjellige metaller kobles i begge ender og den ene enden varmes opp går det en kontinuerlig strøm, og vi har en termoelektrisk krets. Dette ble oppdaget av Thomas Seebeck i 1821. Ved små forandringer i temperaturen er Seebeckspenningen (V) lineært proporsjonalt med temperaturen (T):

\(V=\alpha T\)

hvor α er Seebeck koeffisienten.

Vi kan ikke måle Seebeck spenningen direkte. Vi må koble termolelementet til et voltmeter og da har vi laget en ny termoelektrisk krets. Metallene som brukes i termokoblinger kan settes opp i en termoelektrisk spenningsrekke

Kontaktspenningen for Cu/CuNi blir ca. -42.5 μV K-1 og er eksempel på en type T termokobling.

Fe/CuNi har en kontaktspenning på ca. 53.7 μV K-1 og er et termokobling type J.

 Fra termokobling-tabeller (National Bureau of Standards) kan vi konvertere fra spenning til temperatur. Et termokobling behøver altså en kompensering for referansekoblingen. Dette kan skje ved en egen referansekrets (elektronisk ispunkt referanse) eller via programvare som kompenserer for effektene av referansekoblingen. Spenningen vi måler er ikke lineær med temperaturen i termokoblingen.

Type E: Krom vs. kobber-nikkel-legering

Type J: Jern vs. kobber-nikkel-legering

Type K: Krom vs. aluminium

Type R: Platina vs. platina og 13 % rhodium

Type S: Platina vs. platina 10 % rhodium

Type T: Kobber vs. kobber-nikkel-legering

De to metallene kan tvinnes,  loddes eller sveises i sammen.

I en datamaskin kan det brukes n-te-grads polynomer som tilnærming av temperatur ut fra spenning for de forskjellige typer av termolelementer.

T = a0 + a1 x + a2 x2 + a3 x3 + ..... + an xn

hvor x er spenningen fra termokoblingen, a er polynomkoeffisienter som er unike for hver type termokobling. Det samme gjelder n-te graden av polynomet (n).

Ulempene ved termokobling er at de har ikke-lineær respons, de gir lav spenning, man trenger en referanse, de er lite stabile og lite følsomme. Fordelene er at det ikke trengs noen ekstern strømkilde. De er enkle, billige, robuste og har et bredt temperaturområde. Strømmen fra de fleste termokoblinger ved vanlig temperatur er mindre enn 20 mV. Resistansen for termokoblingen er satt til 100 ohm, men den vil variere med lengden på termokoblingsledningene, spesielt med tynne og meget små termokoblinger.

Resistansetermometer

Resistansetermometeret som baserer seg på at motstanden (resistansen) varierer med temperaturen. Et slikt er termistoren som har fått navnet fra engelsk (thermal resistor).

Sir Humphrey Davy oppdaget i 1821 at motstanden i metaller viser en temperaturavehengighet. I 1871 laget Sir William Siemens platina resistansetermometere. Dette var et gunstig valg. Resistansetermometere i platina brukes idag fra kokepunktet til oksygen (- 182.96 oC) til  frysepunktet for antimon (630.74 oC). Idag brukes også metall-film resistansetermometere. Ulempene ved resistansetermometere er selvoppvarming idet man trenger en ekstern strømkilde, de er dyre, og det er små endringer i motstanden som skal måles. Fordelen er at de er stabile, nøyaktige (platina) og har mer lineær respons enn termokoblingene.

Termistor

   Lik resistansetermometeret er er termistoren en temperaturfølsom motstand. Hvis termokoblingen kalles det mest allsidige og resistansetermometeret det mest stabile, så er termistoren den mest følsomme. Termistoren er laget av halvledermateriale. I de fleste termistorene minker resistansen med økende temperatur. Det vi tjener på økt følsomhet er tap av linearitet og begrenset temperaturområde som de kan brukes. De er selvoppvarmende idet det trengs en ekstern strømkilde.

ibutton

ibutton er en elektronisk temperaturmåler som ser ut som et lite batteri. Den lagrer temperaturdata, og som deretter kan bli overført til en datamaskin.

Termograf

En termograf er en kontinuerlig temperaturmåler hvor den registrerte temperaturen blir overført til en papirrull.

Tilbake til hovedside

Publisert 14. des. 2018 12:19 - Sist endret 22. nov. 2021 12:02