Temperatuur

We weten het allemaal wanneer het koud of warm is. Schijnt de zon, dan is het warm, vriest het, dan is het koud. We kijken op de buitenthermometer of ons gevoel klopt, trekken een dikke jas aan of zetten de kachel laag. Over temperatuur dit keer. 

Toestanden of Fasen

Temperatuur heeft met beweeglijkheid van spul te maken. En spul bestaat uit moleculen en atomen, die weer uit kernen bestaan waar omheen elektronen bewegen, die de boel als een soort lijm bij elkaar houden. Het is de beweeglijkheid van het spul die de temperatuur bepaalt. Hoe groter de beweeglijkheid van al die deeltjes des te warmer het is. Het eenvoudigst is dit te zien aan gasmoleculen. Zou je met een camera een enkele gasmolecule in de gaten kunnen houden, dan zie je dat het in een voortdurende beweging is, net zoals als al die andere gasmoleculen. Een gas is een kluwen van beweeglijke wanordelijkheid.

Wordt het kouder dan gaan gasmoleculen langzamer bewegen, ze komen dichter bij elkaar  en schuiven alleen nog langs elkaar heen. Het gas wordt een vloeistof, waarbij de moleculen of atomen vrij kunnen bewegen, maar wel bij elkaar in de buurt blijven. Een vloeistof kun je daarom uitgieten. Water is voor de mens de bekendste vloeistof. In feite zijn we het voor meer dan 60% zelf. Als de moleculen nog verder afkoelen, wordt de vloeistof nog minder beweeglijk en krimpt de onderlinge afstand nog verder. De beweeglijkheid van de moleculen wordt zo klein dat ze onderling een vaste positie van elkaar gaan innemen, terwijl ze toch nog een beetje trillen. Atomen gaan zich in een kristalstructuur nestelen en er ontstaat naast gas en vloeistof een derde, zogenaamde fase of aggregatietoestand, de vaste stof.

Figuur: Een ijskristal

We kennen allemaal het gekristalliseerde water dat we ijs of sneeuw noemen. In de tabel staan voor een aantal stoffen de temperaturen die bij hun fasen of aggregatietoestanden horen. We spreken van smelten, bevriezen, stollen, koken, verdampen, condenseren afhankelijk van over welke fase-overgang we het hebben: de vaste, de vloeibare of de vaste stof.

Tabel van smelt- en kookpunten van diverse stoffen in ^oC

Het interessante is, dat bij faseovergangen van een stof de temperatuur constant blijft. We kennen allemaal het fenomeen van het water, dat net zo lang op 100^oC blijft koken tot al het water is verdampt. 

Energie

Bijna alle materialen ondergaan het proces van smelten en koken, waarbij hun beweeglijkheid van groot naar klein, of van klein naar groot gaat. Als bij een molecule alle atomen met hun elektronen nagenoeg tot stilstand zijn gekomen, dan is het absolute nulpunt van de temperatuur bereikt. Dat gebeurt bij een temperatuur van -273,15^oC. 

Beweeglijkheid van materialen kan eenvoudig aan elkaar worden doorgegeven. We spreken van warmtetransport. Een chemische reactie zoals verbranding geeft bijvoorbeeld veel beweeglijkheid aan nieuwe stoffen die op hun beurt de cv-installatie aan de praat houden of een motor laten lopen. Alles hangt samen met de warmte-energie die een stof heeft of doorgeeft. Behalve verbranding zijn er meer processen die de beweeglijkheid vergroten, zoals mechanische wrijving of een elektrische kortsluiting, maar het kan ook subtieler met lichtstralen door een brandglas of de ruimte. Bedenk hierbij dat bijna alle energie van de zon afkomt (daar is het zo’n 550^oC aan de buitenkant en 13,5Miljoen^oC in de kern). Door middel van zonnestraling wordt alles hier opgewarmd. De zonne-energie zorgt ervoor dat alles op aarde in beweging blijft: het weer, het leven en dat gaat al miljarden jaren zo. De dampkring (10km dun) zorgt ervoor dat de temperatuur op aarde niet te hoog oploopt en zo’n 10^oC per etmaal varieert. En dat evenwicht is behoorlijk kritisch, zoals we inmiddels allemaal weten.

Meten van temperatuur

Voor huis- tuin- en keuken gebruik is het meten van de temperatuur eenvoudig. Door te kijken naar het krimpen en uitzetten van een vloeistofkolom (vroeger kwik en nu een gekleurde alcohol of digitaal) is een thermometer gauw gemaakt. Het ijken ervan is betrekkelijk eenvoudig: Zuiver water kookt en smelt bij twee vaste temperaturen. Zet er twee streepjes bij, het ene streepje noem je nul en het ander honderd. De Celsius is geboren. Als de moleculen langzamer gaan bewegen, krimpt de vloeistofkolom onder de nul: Het vriest. Kouder dan twintig graden Celsius zal het hier niet worden, maar als de moleculen stil staan, geeft die thermometer -273,15^oC aan (daar zijn overigens hele speciale apparaten en thermometers voor) en die waarde noemen we in de natuurkunde het absolute nulpunt. Het is ook bij deze temperatuur dat de natuurkundigen beginnen te tellen in graden Kelvin (zie tekening van Joop). Nul graden Kelvin is de temperatuur waarbij alle beweeglijkheid uit de atomen is verdwenen. De wereld staat daar ter plekke stil.

Figuur: Een Celsius/Kelvin thermometer

Temperatuurverschillen

Dat we vaak op een thermometer kijken heeft er mee te maken dat ons lichaam “brandt” bij een temperatuur tussen de 35,5^oC (’s nachts) en 37,8^oC (tegen de avond). We leven daarom het liefst bij een temperatuur van een graad of 24 en zoeken bij andere temperaturen verkoeling of verwarming door te zweten, te rillen, extra hard te rennen, in de zee te duiken of dikkere kleding te dragen, kortom we passen ons voortdurend aan die kleine verschillen aan. Verder barst ons lichaam van zenuwcellen die reflexen oproepen als we een hete pan aanraken, onze billen branden, of een kop hete thee over ons heen krijgen, want boven de 50^oC beschadigen we onze huid al door verbranding. Betrouwbare absolute temperatuurwaarden geeft ons lichaam niet af, maar al die sensoren beschermen ons heel erg goed tegen al die kleine temperatuurverschillen. We kunnen in Hees ons hoofd koel houden.

Tekening: Joop van Eck 

Literatuur: Wikipedia (Eng/Ned): Temperatuur, Celsius, Kelvin, heat, zon, koorts

Figuur: https://pxhere.com/en/photo/772976

https://en.wikipedia.org/wiki/Melting_point