Време науке

Како настаје температура?

Не тако давно, температура као да није постојала, није се мерила, нити узимала у разматрање. Зашто је настала ова физичка величина?

Текст: Слободан Бубњевић, Марија Видић

Колико пута сте током протекле, изузетно снежне и хладне зиме ослушнули, погледали или потражили податке о температури? Ако размислите, испоставља се да је температура физичка величина о којој се чешће извештава него о свим оним медијски атрактивнијим, животнијим и „ненаучним“ величинама као што су број преминулих у несрећама или цена жита на светским берзама. Посебно кад је реч о температури ваздуха.

Информација о тренутној температури ваздуха је данас саставни део готово сваке информативне емисије, доступна је у сваком аутомобилу, на интернет сајту и на сваком иоле бољем телефону. Само су подаци о времену, о часовима и минутима, распрострањенији од података о температури. Притом, температура и подаци о њој снажно утичу на живот. У складу са њом се планирају свакодневне обавезе, политичке кампање, војни напади, број купљених киловат-сати и број возила на улицама завејаног града.

Но, шта је уопште температура? Пре свега, она није исто што и топлота, што се често погрешно изједначава. Наиме, ако питате физичаре, који о физичким величинама природно највише знају, рећи ће да је температура једна интензивна физичка величина. Односно да није екстензивна. И тешко да вам на први поглед то много значи. Но, о чему је реч?

ВЕЛИЧИНА СИСТЕМА

Екстензивне величине су, наиме, адитивне и пропорционалне величини физичког система који описују – такве су површина и запремина, густина, наелектрисање, енергија и импулс. Ако размислите, ову врсту величина некако доживљавамо природније и лакше поимамо – што је нека река већа, она има више енергије, или што је посуда већа, има већу запремину. У екстензивне величине спада и топлота, пошто је она увек заправо нека размењена енергија, док температура, као што је речено, спада у интензивне величине.

Интензивне величине, мада их редовно користимо као у случају температуре, измичу тој врсти промишљања. Често људи, мада су им сасвим блиске, уопште не мисле о оваквим величинама и заправо нису свесни шта оне физички представљају, па их углавном схватају условљено, односно везују за неке сасвим одређене феномене – што је нижа температура, има више снега. Поред температуре, овакве величине су брзина, вискозност, концентрација или специфично наелектрисање.

Интензивне величине увек карактеришу неки систем независно од његове величине. Оне су такве да морају бити исте у целом систему и свим његовим деловима. Тако се подразумева да се сваки део, сваки вагон воза креће брзином од 50 на сат, ако се каже да се воз креће том брзином.

Са друге стране, кад кажемо да је температура ваздуха десет степени Целзијуса, такође подразумевамо да је то температура која се односи и на ваздух у соби у којој читамо и на ваздух који се налази изван ње. Или не? Наравно да не, ако је соба загрејана. Можемо бар рећи да је десет степени свуда у улици. Или, такође не? Таксиста на свом мерачу температуре у аутомобилу на једном ћошку мери 12 степени, а улични сат са електронским термометром на принципу термопара на другом ћошку показује девет степени. Ко ту греши?

ТОПЛОТНА РАВНОТЕЖА

Да ли метеоролози лажу кад кажу да је температура у целом граду десет степени? Наравно, они говоре о просеку који се односи на услове који владају у метеоролошкој мерној станици. А шта ако останемо у добро загрејаној соби где брижљиво и поуздано тачно меримо температуру, али одемо даље и погледамо да ли је температура иста за сваки литар ваздуха?

Чињеница да температура не зависи од величине система заправо значи нешто друго и кад се о њој говори, заборавља се једна важна ствар – она подразумева да је систем у такозваној термодинамичкој равнотежи. Кад сипамо врелу воду у хладну шољу, оне немају исту температуру, но после не тако дуго времена њихова ће се температура изједначити па сматрамо да су у термодинамичкој равнотежи и да имају једнаку температуру која је иста за цео систем, што смо и рекли да је случај са интензивним величинама.

Ако се вратимо на пример са загрејаном собом, показује се да ће се у тој соби, ако је не реметимо превише отварајући и затварајући прозоре, палећи и гасећи грејање, после довољно дуго времена такође успоставити поменута термодинамичка равнотежа. О неизбежности тог сценарија говоре закони термодинамике. А кад се већ догоди да је цела соба у топлотној равнотежи, да су се сви молекули тог система условно уједначили по брзини, онда можемо да кажемо како постоји величина која карактерише цео систем, у целости и деловима. И то је – температура.

Да би је измерили, убацићемо у собу некакав мерач и сачекати да и он дође у термодинамичку равнотежу с остатком собе. Такве мерне инструменте сматрамо термометрима – из историјских и уопште људских разлога они не дају неки „интензиван“ број који је пре свега својствен брзини кретања свих молекула у соби, већ показују неку упоредну, сасвим индиректну дужинску величину – висину живиног стуба која је већа што је температура виша.

ТЕМПЕРАТУРНА СКАЛА

Такав врло сугестиван мерач из 18. века је и условио прављење свих досадашњих температурних скала. Све оне, било Фаренхајтова, Целзијусова или Келвинова скала, само су предмет људског договора, пошто је величина једног степена могла бити и другачије постављена. Као што, уосталом, пре само неколико векова, људи уопште нису ни мерили температуру, нити су знали за њу.

Температурне скале су заправо вештачки развијене у односу на две врло јасно видљиве природне топлотне појаве које се догађају са водом и то искључиво на нормалном атмосферском притиску – једнa је топљење леда, односно претварање воде из чврстог стања у течно, другa је кључање и претварање воде у гас. Простим избором да први догађај буде на нула, а други на 100 степени, добија се цела скала, као и величина сваког степена.

Овако је, у суштини, скалу температуре 1742. године поставио шведски астроном Андрес Целзијус, мада је он сам изабрао да нула буде кључање, а 100 степени мржњење воде. Но, на сугестију славног ботаничара Карла Линеа, скала је обрнута и постављена онаквом каква је данас, кад је реч о нормалном атмосферском притиску. Испоставља се да, прецизно измерени, почетак и крај скале, нису баш сасвим ни нула, ни 100 степени Целзијуса, али то не мења суштину.

Будући да је тако ипак остало питање најниже могуће температуре која влада у отвореном свемиру, 1900. године је уведена и апсолутна Келвинова скала, која припада званичном SI систему мера и чија је нула, 0°К, померена на -273,15 °C, што се сматра најнижом температуром у природи. Но, ширина степена је и даље арбитрарно људска и везана за воду под одређеним, нормалним притиском.

Заиста је тешко замислити како је пре само неколико векова изгледао свет у коме се температура није ни мерила, нити узимала у разматрање, али зар није запањујуће како је једна сасвим договорна, готово измишљена величина данас постала тако важна за свакодневни живот? Посебно кад само индиректно говори у каквој се врсти топлотне равнотеже нашао ваздух у соби, људско тело, дрво или електронски уређај.

Међутим, температура тиме ипак одаје пресудну ствар о понашању и стању целог тог система – да ли је прегрејан, болестан, расхлађен, покретљив. Знајући само температуру нечега, знамо бар пола истине о томе шта је са њим. Свеједно да ли говоримо о телесној температури човека који лаже или организацији једног друштва као што је пчелиње.

Извор: „Живот изнад нуле“, С. Бубњевић, „Време науке“ број 35.

 

  • Апсолутна нула: -273,15 °C
  • Најнижа температура коју је човек постигао: -273,149999999900 °C
  • Тројна тачка воде: (мржњење леда) 0,01 °C
  • Кључање воде: 99,9839 °C
  • Усијана сијалица: 2200 °C
  • Површина Сунца: 5505 °C
  • Унутрашњост Сунца: 16 милиона °C
  • Експлозија термонуклеарног оружја: 320 милиона °C

 

Температура и живи свет

Познато је због чега лишће жути: током пролећа и лета оно је пуно хлорофила чија је функција да упија сунчеву светлост и помаже трансформацију угљен-диоксида и воде у угљене хидрате као што су шећери и скроб. Хлорофил је зелене боје па је и лишће зелене боје. Осталих пигмената који дају црвену, жуту и љубичасту боју има много мање па не долазе до изражаја.

Онда у јесен, када су дани краћи и буде мање сунца, биљка производи све мање хлорофила и престаје да се храни на тај начин. Хлорофил се повлачи из лишћа па друге боје, као што су пурпурна, наранџаста, смеђа и жута, почну да долазе до изражаја, а уједно се и производња пигмената који дају ове боје повећава.

На боју лишћа, односно на хемијску реакцију која се у њима одвија, поред светлости утичу температура и количина воде која долази до биљке. На пример, температура изнад нуле погодује производњи црвених, антоцијаних пигмената, па ће и лишће тада углавном бити црвенкасто.

Али, ако у рану јесен температура нагло падне испод нуле, црвена боја ће мање доћи до изражаја. Уколико пада много кише, интензитет јесењих боја биће већи. Научници су закључили да се најспектакуларније јесење боје појављују током топлих сунчаних дана које прате хладне ноћи, али без смрзавања.

Истовремено са смањењем количине хлорофила у лишћу се дешава још нешто: на месту где се петељка листа спаја са граном развијају се нови слојеви ћелија и лист се постепено одваја од дрвета. То уједно успорава и на крају прекида циркулацију хранљивих материја кроз лист. Када дође време, и благи ветрић је довољан да потпуно откине лист и однесе га, а на месту где је била његова петељка остаје минијатурни ожиљак.

Листопадне биљке морају да „отресу“ сопствено лишће како би се заштитиле од смрзавања и припремиле за зиму. Уједно, опало лишће добија нову улогу: распада се и својим саставом богати земљу тако што се временом претвара у хранљиви хумус из кога биљка црпе енергију и влагу.

Но, шта се дешава са дрветом када температуре постану врло ниске?

Током зиме биљка је у стању мировања. Њен раст је заустављен у јесен са првим ниским температурама и мањком светла када почиње поступна аклиматизација на нове услове. Ако температура поступно пада, биљка не доживљава стрес, па чак и у ситуацијама када температура падне до -40 или -45 степени Целзијуса, она ће преживети.

Међутим, како су биљке, баш као и људско тело, већински сачињене од воде, температуре испод нуле у неким ситуацијама могу бити погубне.

Смрзавање дрвета спречава дехидрација ћелија када се вода повлачи у међућелијски простор где лед није смртоносан.

Осим тога, ткиво биљке поседује још један механизам који не дозвољава формирање леда, бар не у деловима који би могли да створе повреде. Ова способност биљака и риба које живе у врло хладним водама често се назива „дубоко суперхлађење“ – течности и гасови чак и на температурама нижим од њихове тачке смрзавања не прелазе у чврсто стање.

Биљке успевају да очувају своје ћелије несмрзнуте захваљујући синтези такозваних антифриз протеина који заустављају формирање леда. Ове протеине производе не само биљке и рибе већ и бактерије и друге врсте.

Појаву је описао педесетих година 20. века П.Ф. Сколандер, који је веровао да рибе из хладних мора имају некакав „антифриз“ у крви. Током шездесетих година Артур де Врис успео је да изолује поменути антифриз протеин који се производи у рибама, а тек неколико деценија касније потврђено је његово присуство и у другим врстама.

Извор: „Кад шума назебе“, М. Видић, „Време науке“ број 35.

 

Температура и рачунари

Компјутер ми се стално рестартује и гаси. Шта да радим?

Да су они који важе за познаваоце рачунара добијали динар сваки пут кад треба да одговоре на ово питање…

Прва ствар на коју се обично помисли у таквој ситуацији јесте да се компјутер прегрева. Његове компоненте се у раду греју, због чега је обезбеђено хлађење, али шта ако оно није довољно?

До прегревања најчешће долази из сасвим баналног разлога – превише прашине. Пошто се уређај за хлађење – кулер – састоји од малог или мало већег вентилатора, он не само да избацује ваздух из кућишта рачунара, већ у кућиште улази и нови ваздух. А пошто рачунари, бар десктоп рачунари, обично стоје на поду, у неком ћошку, у близини зида, прашине у кућишту не мањка.

Прашина полако почиње да облаже кулер и околне компоненте па хлађење све лошије ради и има све мање ефекта. У једном тренутку доћи ће до прегревања. Већина процесора толерише температуре чак до 80 степени Целзијуса, међутим, радна температура требало би да буде до 50 степени.

Температура може да се провери у БИОС-у или помоћу малих софтвера, такозваних монитора рада рачунара.

Осим проблема са прашином, често се дешава да је систем за хлађење неисправан или недовољно снажан да испрати рад рачунара.

Међутим, има ту још нешто занимљиво у вези са температуром и компјутером: термална паста. Ова паста, која се обично наноси између хладњака и процесора, важна је зато што повећава додирну површину преко које се преноси топлота повећавајући на тај начин ефикасност хлађења. Она заправо повећава проводност између површина тако што попуњава микроскопске празнине које чини ваздух због чега компоненте добро не належу, тј. немају потпуни спој. Ове мале несавршености обично нису видљиве голим оком и настају у току производног процеса.

Но, са годинама употребе, паста стари и из аморфног прелази у прашкасто стање. На тај начин се смањује додирна површина и пренос топлоте више није тако добар као што је био у старту. То се поготово догађа код процесора и графичких карти, пошто се оне и иначе највише загревају. Манифестација је иста као и код прегревања изазваног запушеним отворима за ваздух, али да би се отклонио проблем, није довољно само „продувати“ издувни систем. Потребно је скинути хладњак, уклонити остатке старе пасте и пажљиво нанети танак слој нове. На тај начин се радни век компјутера може продужити још неколико година.

Извор: „Мегабајт топлоте“, М. Видић, „Време науке“ број 35.

ВРЕМЕ НАУКЕ

Текст преузет из последњег броја „Времена науке“, специјалног издања за науку и технологију – једног од 88 пројеката промоције и популаризације науке, које у 2012, у оквиру јавног позива, финансијски подржава Центар за промоцију науке.

Истражите и друге теме из ВРЕМЕНА НАУКЕ.

Истражите друге текстове:


Grb Republike Srbije
ecsite nsta eusea astc

ЦПН
Улица краља Петра 46
11000 Београд
Република Србија
+381 11 24 00 260
centar@cpn.rs