Kako nastaje temperatura

Ne tako davno, temperatura kao da nije postojala, nije se merila, niti uzimala u razmatranje. Zašto je nastala ova fizička veličina?

Tekst: Slobodan Bubnjević, Marija Vidić

Koliko puta ste tokom protekle, izuzetno snežne i hladne zime oslušnuli, pogledali ili potražili podatke o temperaturi? Ako razmislite, ispostavlja se da je temperatura fizička veličina o kojoj se češće izveštava nego o svim onim medijski atraktivnijim, životnijim i „nenaučnim“ veličinama kao što su broj preminulih u nesrećama ili cena žita na svetskim berzama. Posebno kad je reč o temperaturi vazduha.

Informacija o trenutnoj temperaturi vazduha je danas sastavni deo gotovo svake informativne emisije, dostupna je u svakom automobilu, na internet sajtu i na svakom iole boljem telefonu. Samo su podaci o vremenu, o časovima i minutima, rasprostranjeniji od podataka o temperaturi. Pritom, temperatura i podaci o njoj snažno utiču na život. U skladu sa njom se planiraju svakodnevne obaveze, političke kampanje, vojni napadi, broj kupljenih kilovat-sati i broj vozila na ulicama zavejanog grada.

No, šta je uopšte temperatura? Pre svega, ona nije isto što i toplota, što se često pogrešno izjednačava. Naime, ako pitate fizičare, koji o fizičkim veličinama prirodno najviše znaju, reći će da je temperatura jedna intenzivna fizička veličina. Odnosno da nije ekstenzivna. I teško da vam na prvi pogled to mnogo znači. No, o čemu je reč?

VELIČINA SISTEMA

Ekstenzivne veličine su, naime, aditivne i proporcionalne veličini fizičkog sistema koji opisuju – takve su površina i zapremina, gustina, naelektrisanje, energija i impuls. Ako razmislite, ovu vrstu veličina nekako doživljavamo prirodnije i lakše poimamo – što je neka reka veća, ona ima više energije, ili što je posuda veća, ima veću zapreminu. U ekstenzivne veličine spada i toplota, pošto je ona uvek zapravo neka razmenjena energija, dok temperatura, kao što je rečeno, spada u intenzivne veličine.

Intenzivne veličine, mada ih redovno koristimo kao u slučaju temperature, izmiču toj vrsti promišljanja. Često ljudi, mada su im sasvim bliske, uopšte ne misle o ovakvim veličinama i zapravo nisu svesni šta one fizički predstavljaju, pa ih uglavnom shvataju uslovljeno, odnosno vezuju za neke sasvim određene fenomene – što je niža temperatura, ima više snega. Pored temperature, ovakve veličine su brzina, viskoznost, koncentracija ili specifično naelektrisanje.

Intenzivne veličine uvek karakterišu neki sistem nezavisno od njegove veličine. One su takve da moraju biti iste u celom sistemu i svim njegovim delovima. Tako se podrazumeva da se svaki deo, svaki vagon voza kreće brzinom od 50 na sat, ako se kaže da se voz kreće tom brzinom.

Sa druge strane, kad kažemo da je temperatura vazduha deset stepeni Celzijusa, takođe podrazumevamo da je to temperatura koja se odnosi i na vazduh u sobi u kojoj čitamo i na vazduh koji se nalazi izvan nje. Ili ne? Naravno da ne, ako je soba zagrejana. Možemo bar reći da je deset stepeni svuda u ulici. Ili, takođe ne? Taksista na svom meraču temperature u automobilu na jednom ćošku meri 12 stepeni, a ulični sat sa elektronskim termometrom na principu termopara na drugom ćošku pokazuje devet stepeni. Ko tu greši?

TOPLOTNA RAVNOTEŽA

Da li meteorolozi lažu kad kažu da je temperatura u celom gradu deset stepeni? Naravno, oni govore o proseku koji se odnosi na uslove koji vladaju u meteorološkoj mernoj stanici. A šta ako ostanemo u dobro zagrejanoj sobi gde brižljivo i pouzdano tačno merimo temperaturu, ali odemo dalje i pogledamo da li je temperatura ista za svaki litar vazduha?

Činjenica da temperatura ne zavisi od veličine sistema zapravo znači nešto drugo i kad se o njoj govori, zaboravlja se jedna važna stvar – ona podrazumeva da je sistem u takozvanoj termodinamičkoj ravnoteži. Kad sipamo vrelu vodu u hladnu šolju, one nemaju istu temperaturu, no posle ne tako dugo vremena njihova će se temperatura izjednačiti pa smatramo da su u termodinamičkoj ravnoteži i da imaju jednaku temperaturu koja je ista za ceo sistem, što smo i rekli da je slučaj sa intenzivnim veličinama.

Ako se vratimo na primer sa zagrejanom sobom, pokazuje se da će se u toj sobi, ako je ne remetimo previše otvarajući i zatvarajući prozore, paleći i gaseći grejanje, posle dovoljno dugo vremena takođe uspostaviti pomenuta termodinamička ravnoteža. O neizbežnosti tog scenarija govore zakoni termodinamike. A kad se već dogodi da je cela soba u toplotnoj ravnoteži, da su se svi molekuli tog sistema uslovno ujednačili po brzini, onda možemo da kažemo kako postoji veličina koja karakteriše ceo sistem, u celosti i delovima. I to je – temperatura.

Da bi je izmerili, ubacićemo u sobu nekakav merač i sačekati da i on dođe u termodinamičku ravnotežu s ostatkom sobe. Takve merne instrumente smatramo termometrima – iz istorijskih i uopšte ljudskih razloga oni ne daju neki „intenzivan“ broj koji je pre svega svojstven brzini kretanja svih molekula u sobi, već pokazuju neku uporednu, sasvim indirektnu dužinsku veličinu – visinu živinog stuba koja je veća što je temperatura viša.

TEMPERATURNA SKALA

Takav vrlo sugestivan merač iz 18. veka je i uslovio pravljenje svih dosadašnjih temperaturnih skala. Sve one, bilo Farenhajtova, Celzijusova ili Kelvinova skala, samo su predmet ljudskog dogovora, pošto je veličina jednog stepena mogla biti i drugačije postavljena. Kao što, uostalom, pre samo nekoliko vekova, ljudi uopšte nisu ni merili temperaturu, niti su znali za nju.

Temperaturne skale su zapravo veštački razvijene u odnosu na dve vrlo jasno vidljive prirodne toplotne pojave koje se događaju sa vodom i to isključivo na normalnom atmosferskom pritisku – jedna je topljenje leda, odnosno pretvaranje vode iz čvrstog stanja u tečno, druga je ključanje i pretvaranje vode u gas. Prostim izborom da prvi događaj bude na nula, a drugi na 100 stepeni, dobija se cela skala, kao i veličina svakog stepena.

Ovako je, u suštini, skalu temperature 1742. godine postavio švedski astronom Andres Celzijus, mada je on sam izabrao da nula bude ključanje, a 100 stepeni mržnjenje vode. No, na sugestiju slavnog botaničara Karla Linea, skala je obrnuta i postavljena onakvom kakva je danas, kad je reč o normalnom atmosferskom pritisku. Ispostavlja se da, precizno izmereni, početak i kraj skale, nisu baš sasvim ni nula, ni 100 stepeni Celzijusa, ali to ne menja suštinu.

Budući da je tako ipak ostalo pitanje najniže moguće temperature koja vlada u otvorenom svemiru, 1900. godine je uvedena i apsolutna Kelvinova skala, koja pripada zvaničnom SI sistemu mera i čija je nula, 0°K, pomerena na -273,15 °C, što se smatra najnižom temperaturom u prirodi. No, širina stepena je i dalje arbitrarno ljudska i vezana za vodu pod određenim, normalnim pritiskom.

Zaista je teško zamisliti kako je pre samo nekoliko vekova izgledao svet u kome se temperatura nije ni merila, niti uzimala u razmatranje, ali zar nije zapanjujuće kako je jedna sasvim dogovorna, gotovo izmišljena veličina danas postala tako važna za svakodnevni život? Posebno kad samo indirektno govori u kakvoj se vrsti toplotne ravnoteže našao vazduh u sobi, ljudsko telo, drvo ili elektronski uređaj.

Međutim, temperatura time ipak odaje presudnu stvar o ponašanju i stanju celog tog sistema – da li je pregrejan, bolestan, rashlađen, pokretljiv. Znajući samo temperaturu nečega, znamo bar pola istine o tome šta je sa njim. Svejedno da li govorimo o telesnoj temperaturi čoveka koji laže ili organizaciji jednog društva kao što je pčelinje.

Izvor: „Život iznad nule“, S. Bubnjević, „Vreme nauke“ broj 35.

  • Apsolutna nula: -273,15 °C
  • Najniža temperatura koju je čovek postigao: -273,149999999900 °C
  • Trojna tačka vode: (mržnjenje leda) 0,01 °C
  • Ključanje vode: 99,9839 °C
  • Usijana sijalica: 2200 °C
  • Površina Sunca: 5505 °C
  • Unutrašnjost Sunca: 16 miliona °C
  • Eksplozija termonuklearnog oružja: 320 miliona °C

Temperatura i živi svet

Poznato je zbog čega lišće žuti: tokom proleća i leta ono je puno hlorofila čija je funkcija da upija sunčevu svetlost i pomaže transformaciju ugljen-dioksida i vode u ugljene hidrate kao što su šećeri i skrob. Hlorofil je zelene boje pa je i lišće zelene boje. Ostalih pigmenata koji daju crvenu, žutu i ljubičastu boju ima mnogo manje pa ne dolaze do izražaja.

Onda u jesen, kada su dani kraći i bude manje sunca, biljka proizvodi sve manje hlorofila i prestaje da se hrani na taj način. Hlorofil se povlači iz lišća pa druge boje, kao što su purpurna, narandžasta, smeđa i žuta, počnu da dolaze do izražaja, a ujedno se i proizvodnja pigmenata koji daju ove boje povećava.

Na boju lišća, odnosno na hemijsku reakciju koja se u njima odvija, pored svetlosti utiču temperatura i količina vode koja dolazi do biljke. Na primer, temperatura iznad nule pogoduje proizvodnji crvenih, antocijanih pigmenata, pa će i lišće tada uglavnom biti crvenkasto.

Ali, ako u ranu jesen temperatura naglo padne ispod nule, crvena boja će manje doći do izražaja. Ukoliko pada mnogo kiše, intenzitet jesenjih boja biće veći. Naučnici su zaključili da se najspektakularnije jesenje boje pojavljuju tokom toplih sunčanih dana koje prate hladne noći, ali bez smrzavanja.

Istovremeno sa smanjenjem količine hlorofila u lišću se dešava još nešto: na mestu gde se peteljka lista spaja sa granom razvijaju se novi slojevi ćelija i list se postepeno odvaja od drveta. To ujedno usporava i na kraju prekida cirkulaciju hranljivih materija kroz list. Kada dođe vreme, i blagi vetrić je dovoljan da potpuno otkine list i odnese ga, a na mestu gde je bila njegova peteljka ostaje minijaturni ožiljak.

Listopadne biljke moraju da „otresu“ sopstveno lišće kako bi se zaštitile od smrzavanja i pripremile za zimu. Ujedno, opalo lišće dobija novu ulogu: raspada se i svojim sastavom bogati zemlju tako što se vremenom pretvara u hranljivi humus iz koga biljka crpe energiju i vlagu.

No, šta se dešava sa drvetom kada temperature postanu vrlo niske?

Tokom zime biljka je u stanju mirovanja. Njen rast je zaustavljen u jesen sa prvim niskim temperaturama i manjkom svetla kada počinje postupna aklimatizacija na nove uslove. Ako temperatura postupno pada, biljka ne doživljava stres, pa čak i u situacijama kada temperatura padne do -40 ili -45 stepeni Celzijusa, ona će preživeti.

Međutim, kako su biljke, baš kao i ljudsko telo, većinski sačinjene od vode, temperature ispod nule u nekim situacijama mogu biti pogubne.

Smrzavanje drveta sprečava dehidracija ćelija kada se voda povlači u međućelijski prostor gde led nije smrtonosan.

Osim toga, tkivo biljke poseduje još jedan mehanizam koji ne dozvoljava formiranje leda, bar ne u delovima koji bi mogli da stvore povrede. Ova sposobnost biljaka i riba koje žive u vrlo hladnim vodama često se naziva „duboko superhlađenje“ – tečnosti i gasovi čak i na temperaturama nižim od njihove tačke smrzavanja ne prelaze u čvrsto stanje.

Biljke uspevaju da očuvaju svoje ćelije nesmrznute zahvaljujući sintezi takozvanih antifriz proteina koji zaustavljaju formiranje leda. Ove proteine proizvode ne samo biljke i ribe već i bakterije i druge vrste.

Pojavu je opisao pedesetih godina 20. veka P.F. Skolander, koji je verovao da ribe iz hladnih mora imaju nekakav „antifriz“ u krvi. Tokom šezdesetih godina Artur de Vris uspeo je da izoluje pomenuti antifriz protein koji se proizvodi u ribama, a tek nekoliko decenija kasnije potvrđeno je njegovo prisustvo i u drugim vrstama.

Izvor: „Kad šuma nazebe“, M. Vidić, „Vreme nauke“ broj 35.

Temperatura i računari

Kompjuter mi se stalno restartuje i gasi. Šta da radim?

Da su oni koji važe za poznavaoce računara dobijali dinar svaki put kad treba da odgovore na ovo pitanje…

Prva stvar na koju se obično pomisli u takvoj situaciji jeste da se kompjuter pregreva. Njegove komponente se u radu greju, zbog čega je obezbeđeno hlađenje, ali šta ako ono nije dovoljno?

Do pregrevanja najčešće dolazi iz sasvim banalnog razloga – previše prašine. Pošto se uređaj za hlađenje – kuler – sastoji od malog ili malo većeg ventilatora, on ne samo da izbacuje vazduh iz kućišta računara, već u kućište ulazi i novi vazduh. A pošto računari, bar desktop računari, obično stoje na podu, u nekom ćošku, u blizini zida, prašine u kućištu ne manjka.

Prašina polako počinje da oblaže kuler i okolne komponente pa hlađenje sve lošije radi i ima sve manje efekta. U jednom trenutku doći će do pregrevanja. Većina procesora toleriše temperature čak do 80 stepeni Celzijusa, međutim, radna temperatura trebalo bi da bude do 50 stepeni.

Temperatura može da se proveri u BIOS-u ili pomoću malih softvera, takozvanih monitora rada računara.

Osim problema sa prašinom, često se dešava da je sistem za hlađenje neispravan ili nedovoljno snažan da isprati rad računara.

Međutim, ima tu još nešto zanimljivo u vezi sa temperaturom i kompjuterom: termalna pasta. Ova pasta, koja se obično nanosi između hladnjaka i procesora, važna je zato što povećava dodirnu površinu preko koje se prenosi toplota povećavajući na taj način efikasnost hlađenja. Ona zapravo povećava provodnost između površina tako što popunjava mikroskopske praznine koje čini vazduh zbog čega komponente dobro ne naležu, tj. nemaju potpuni spoj. Ove male nesavršenosti obično nisu vidljive golim okom i nastaju u toku proizvodnog procesa.

No, sa godinama upotrebe, pasta stari i iz amorfnog prelazi u praškasto stanje. Na taj način se smanjuje dodirna površina i prenos toplote više nije tako dobar kao što je bio u startu. To se pogotovo događa kod procesora i grafičkih karti, pošto se one i inače najviše zagrevaju. Manifestacija je ista kao i kod pregrevanja izazvanog zapušenim otvorima za vazduh, ali da bi se otklonio problem, nije dovoljno samo „produvati“ izduvni sistem. Potrebno je skinuti hladnjak, ukloniti ostatke stare paste i pažljivo naneti tanak sloj nove. Na taj način se radni vek kompjutera može produžiti još nekoliko godina.

Izvor: „Megabajt toplote“, M. Vidić, „Vreme nauke“ broj 35.

 

VREME NAUKE

Tekst preuzet iz poslednjeg broja „Vremena nauke“, specijalnog izdanja za nauku i tehnologiju – jednog od 88 projekata promocije i popularizacije nauke, koje u 2012, u okviru javnog poziva, finansijski podržava Centar za promociju nauke.

 

 

Ostavite odgovor

Popunite detalje ispod ili pritisnite na ikonicu da biste se prijavili:

WordPress.com logo

Komentarišet koristeći svoj WordPress.com nalog. Odjavite se / Promeni )

Slika na Tviteru

Komentarišet koristeći svoj Twitter nalog. Odjavite se / Promeni )

Fejsbukova fotografija

Komentarišet koristeći svoj Facebook nalog. Odjavite se / Promeni )

Google+ photo

Komentarišet koristeći svoj Google+ nalog. Odjavite se / Promeni )

Povezivanje sa %s