William Thomson
(Lord Kelvin)
(18241907)

Az abszolút hõmérsékleti skála
Részletek

Philosophical Magazine, 1848. október
Philosophical Magazine, Vol. 4, 1852

(in: William Francis Magie: A Source Book in Physics, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1963)


A hõmérséklet meghatározása már régóta a fizika tudományának legfontosabb kérdései közé tartozik. Ennek megfelelõen nagy figyelem övezi, és különösen az utóbbi években igen gondos és minden részletre kiterjedõ kísérletek tárgya; így jelenleg a probléma olyan teljes gyakorlati megoldásának birtokában vagyunk, amilyen a legpontosabb vizsgálatok számára is megfelel. A hõmérséklet-mérés elmélete azonban távolról sincs még ilyen kedvezõ állapotban. A hõmérsékleti skála elõállításakor követendõ elv elsõ látásra nyilvánvalónak tûnhet, hiszen arra gondolhatnánk, hogy a tökéletes hõmérõ a hõ azonos növekményeit a hõmérséklet azonos emelkedéseivel jelzi, s az utóbbiak a hõmérsékleti skála számozott osztásaiból olvashatók le. Kísérletekkel alátámasztott tényként ismerik el azonban (a testek fajhõinek változásai miatt), hogy ilyen feltétel mellett a hõmérséklet-mérés lehetetlen, és semmilyen elgondolásunk sincs, amelyre abszolút hõmérsékleti skálát alapozhatnánk.

A minden anyagi tulajdonságtól független abszolút skála létrehozása után a legfontosabb feladat olyan önkényes hõmérséklet-mérési rendszer rögzítése, amely szerint a különbözõ kísérletekben, különbözõ helyeken és körülmények között végzett mérések eredményei pontosan összehasonlíthatók. Ez a cél elérhetõ azokkal a hõmérõkkel, amelyeket a jelenlegi legjobb hõmérõkészítõk pontosan meghatározott módszereivel állítanak elõ és látnak el beosztással, ha a leolvasások egymással összehasonlítható értelmezéséhez olyan szigorú kísérleti eljárásokat követnek, mint amilyeneket elsõsorban Regnault ír elõ. A bizonytalan változásokra az a hõmérõ hajlamos a legkevésbé, amely a levegõ tágulásán alapszik, és ezért általában ezt fogadják el az összes hõmérõ típus összehasonlításához standardként. Tehát jelenleg a hõmérséklet becslésére a légnyomás-hõmérõ skáláját használják; s a pontos vizsgálatok során mindig gondoskodnak róla, hogy az alkalmazott mérõeszközön leolvasott értékeket erre a skálára vonatkoztassák, bármilyen konstrukciójú és beosztású legyen is a hõmérõ.

A légnyomás-hõmérõt egyszerûen azon az elven osztják be, hogy állandó nyomás mellett a levegõ- vagy a gáztömeg egyenlõ mértékû abszolút tágulásai egyenlõ különbségeket mutatnak a skála értékei között; egy "fok" hosszát úgy határozzák meg, hogy a fagyás- és forráspontok között adott számú intervallumot engednek meg. Mármost Regnault azt tapasztalta, hogy a különbözõ nyomású levegõvel vagy különbözõ gázokkal készült hõmérõkön leolvasott értékek olyan jól egyeznek hacsak nem olyan gázokat használnak, mint például a kén-dioxid, amely megközelíti a telített gõz fizikai állapotát , hogy az eltérések nem észlelhetõk. Ez a figyelemre méltó körülmény jelentõsen megnöveli a léghõmérõ gyakorlati értékét, de a pontos standardban a hõmérséklet mérésére használt anyag csak adott nyomású, adott gáz lehet. Bár így pontos elvünk van a hõmérséklet becslésére szolgáló meghatározott rendszer elõállítására, a hõmérséklet méréséhez használt standard anyag még mindig egy bizonyos test, tehát nem mondhatjuk, hogy eljutottunk az abszolút skálához, ezért a most elfogadott skálát, szigorúan véve, csak a gyakorlati hõmérséklet-mérés igényeit elegendõen megközelítõ, számozott referenciapontok önkényes sorozatának tekinthetjük.

A fizika tudományának jelenlegi állása mellett ezért rendkívül érdekes kérdésként vetõdik fel, hogy van-e olyan elv, amelyre abszolút hõmérsékleti skála alapozható. Úgy vélem, hogy Carnot elmélete, amely a hõ mozgatóerejére vonatkozik, lehetõvé teszi számunkra az igenlõ választ.

Carnot megállapítása szerint a mozgatóerõ és a hõ közötti kapcsolat olyan, hogy a hõvel kiváltott mechanikai hatást leíró kifejezésben csak hõmennyiségek és hõmérsékleti intervallumok szerepelnek; s mivel a hõmennyiségek mérésére független, jól meghatározott rendszerünk van, az intervallumokhoz is olyan mértékkel rendelkezünk, amelynek alapján a hõmérséklet abszolút különbségei becsülhetõk. Ennek megértéséhez néhány szónyi magyarázatot kell fûzni Carnot elméletéhez; de ha az olvasó teljes egészében meg akarja ismerni ezt a munkát, amely rendkívül értékes módon gyarapítja a fizika tudományát, a fönt említett mûvek bármelyikéhez fordulhat.

...

A tudomány jelenlegi állása mellett nincs olyan mûvelet, amely hõt nyelne el anélkül, hogy az anyag hõmérséklete emelkedne, vagy látenssé válna és valamilyen változást idézne elõ az õt elnyelõ test fizikai állapotában; a hõ (vagy caloricum) mechanikai hatássá való átalakulása valószínûleg lehetetlen, s biztosan fel nem fedezett jelenség.* A valódi gépekben ahhoz, hogy a hõ mechanikai hatást váltson ki, következésképpen erõforrást kell keresnünk, de nem az elnyelés és az átalakulás, hanem pusztán a hõátadás során. Mármost Carnot általánosan elfogadott fizikai elvekbõl kiindulva bemutatja, hogy mechanikai hatáshoz úgy juthatunk, ha a meleg testbõl leengedjük a hõt a hidegbe a gép közegén át (például egy gõzgépben vagy egy levegõvel mûködõ gépben); s fordítva, bebizonyítja, hogy ugyanennyi hõ egyenlõ mennyiségû munkavégzõ erõ révén felvihetõ a hideg testbõl a melegbe (a gép ebben az esetben visszafelé mûködne), amint mechanikai hatás állítható elõ a vízi kerékkel elõidézett vízeséssel, és a munkavégzõ erõvel vagy egy mûködésbe hozott szivattyúval a kereket visszafelé forgatva a víz magasabb szintre emelhetõ. Az adott mennyiségû hõ átadásával kapott mechanikai hatás, ha a hõátadás tetszõleges típusú, tökéletes hatásfokú gép közegében zajlik, amint Carnot megmutatja, a gép hõátadásra használt anyagának jellegétõl független, és csak annak a két testnek a hõmérséklet-különbségétõl függ, amely között a hõátadás zajlik.

Carnot részletesen megvizsgálja az ideális, levegõvel mûködõ gépet és a gõzgépet, amelyekben a tökéletes hatásfok feltételének kielégítése mellett a gép konstrukciója olyan, hogy a mûködési ciklus végén az alkalmazott anyag (az egyik esetben a levegõ, a másikban a víz) pontosan ugyanolyan fizikai állapotba kerül, mint amilyenben kezdetben volt. Ily módon Carnot megmutatja, hogy  akár levegõre, akár folyadékra vagy gõzére vonatkoztatva mely kísérleti vizsgálatra alkalmas elemek alapján állapítható meg a mechanikai hatásnak az az abszolút értéke, amelyet a melegebbtõl a hidegebb testnek átadott egységnyi hõ idéz elõ a hõmérsékleti skála bármely adott intervallumán. Clapeyron dolgozatában sok bevallottan pontatlan kísérleti adat szerepel; a szerzõ Carnot kifejezése alapján számítja ki a légnyomás-hõmérõ skálájának különbözõ részein az egy fok csökkenésnek megfelelõ, egységnyi hõvel kiváltott mechanikai hatást. Az így kapott eredmények határozottan azt mutatják, hogy amit igen szabatosan a légnyomás-hõmérõ fok értékének nevezhetünk (az egységnyi hõcsökkenésbõl kapott mechanikai hatásból becsülve), attól függ, hogy a skálán hol tartunk, mert az érték magasabb hõmérsékleten kisebb, mint alacsony hõmérsékleten.

Azt a skálát, amelyet most javasolok, az jellemzi, hogy minden foknak ugyanaz az értéke; tehát ha a skála To hõmérsékletén lévõ A testrõl egységnyi hõ megy át a (T1)o hõmérsékleten lévõ B testre, ugyanaz a mechanikai hatás, bármekkora  legyen is a T szám. Ez joggal nevezhetõ abszolút skálának, mert jellemzõje minden anyagi tulajdonságtól független.

Ahhoz, hogy ezt a skálát összehasonlíthassuk a légnyomás-hõmérõével, ismernünk kell a légnyomás-hõmérõ fokainak értékét  (a fenti becslés szerint). Carnot ideális gõzgépre kapott kifejezése alapján kiszámíthatjuk ezeket az értékeket, ha tetszés szerinti hõmérsékleteken kísérletileg meghatározzuk a telített gõz nyomását és adott térfogatának látens hõjét.


A hõmérséklet definíciója és általános hõmérséklet-mérési feltevések
Ha két test egymással érintkezik, és egyik sem ad át hõt a másiknak, hõmérsékleteiket azonosnak mondjuk; ha azonban az egyik hõt ad át a másiknak, hõmérsékletét magasabbnak mondjuk.

Két test hõmérséklete arányos az olyan anyagi rendszer által felvett és leadott hõvel az egyik és a másik hõmérsékletû helyen, amely tökéletesen megfordítható termodinamikai körfolyamatnak van kitéve és semmilyen más hõmérsékleten nem adhat le vagy vehet fel hõt; vagy a két hõmérséklet abszolút értéke olyan arányban áll egymással, mint a felvett és a leadott hõ egy olyan tökéletes termodinamikai gépben, amely a magasabb hõmérsékleten hõforrással, az alacsonyabb hõmérsékleten hûtõvel mûködik.

Konvenció a hõmérséklet-mérés egységére, és a rögzített pontok abszolút hõmérsékleteinek meghatározása ennek alapján
Ha két rögzített hõmérsékleti pontot választunk Sir Isaac Newton javaslata szerint adott anyag vagy anyagok adott hatásai alapján, ezeknek a hõmérsékleteknek a különbségét egységnek vagy olyan számú egységnek vagy foknak nevezzük, amilyet kényelmesnek tartunk. Konvenció szerint a víz fagyás- és olvadáspontja közötti hõmérséklet-különbséget standard légköri nyomáson 100 foknak nevezzük. A rögzített pontok abszolút hõmérsékleteinek meghatározásához olyan kísérleti módszert kell használni, amely jelzi a tökéletes termodinamikai gép hatásfokát, s a magasabb és alacsonyabb hõmérséklet a gép hõforrásának és hûtõjének hõmérséklete. Erre a célra a Joule úrtól származó kísérlet felel meg a leginkább; az õ 1844-es munkája alapozta meg a teóriát és indította el a kísérleti vizsgálatot, melyet az utóbbi két évben együtt végeztünk a jelen sorozat IV. részében javasolt terv szerint. A módszer alapján, az általunk eddig elért legjobb eredmény szerint, a fagyásban lévõ víz hõmérséklete 273,7 az abszolút skálán; ennek megfelelõen a forrásponté 373,7. Az új hõmérséklet-mérési rendszerre vonatkozó további részleteteket közös közleményben nyújtjuk be Joule úrral a londoni Királyi Társasághoz a jelenlegi ülésszak befejezése elõtt.



* A cikk lábjegyzetében: Ezt a véleményt vallják lényegében egyöntetûen mindazok, akik eddig errõl a témáról írtak. Mindazonáltal van ellenkezõ vélemény is: ezt hirdeti Mr. Joule Manchesterbõl, aki kísérleteket végzett magnetoelektromos gépekkel, amelyek úgy tûnik olyasmire utalnak, hogy a mechanikai munka ténylegesen hõvé alakult át. (in: Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete)

Vissza http://www.kfki.hu/chemonet/ 
http://www.ch.bme.hu/chemonet/