(1, natuurkunde) is de aanduiding van de graad van warmte, in tegenstelling tot de hoeveelheid warmte.
Het onderscheid tussen deze twee begrippen kan wellicht worden toegelicht met het volgende voorbeeld: Een hoeveelheid stoom zal veel meer warmte bevatten dan een even grote hoeveelheid gesmolten lood, hoewel de laatste een veel hogere warmtegraad heeft. Dit blijkt hieruit dat de eerste hoeveelheid een veel grotere hoeveelheid water van zijn smeltpunt tot het kookpunt kan verhitten dan de tweede hoeveelheid. De zintuiglijke waarneming, te weten de temperatuurszin, doet reeds een ruwe onderscheiding aan de hand tussen warm en koud.Tot temperatuursmeting voert het feit, dat de meeste stoffen, indien zij warmer worden, een groter volume verkrijgen, een grotere electrische weerstand, e.d. Beperkt men zich tot de uitzetting, dan kan men zeggen: Twee lichamen, die, bij elkaar gebracht, geen verandering van volume vertonen, hebben dezelfde temperatuur; indien het ene uitzet, het andere inkrimpt, had Réaumur het eerste de laagste temperatuur. Dus twee lichamen van ongelijke temperatuur, bij elkaar gebracht, zullen dezelfde temperatuur verkrijgen, er is temperatuurevenwicht bereikt. Op deze stellingen berust de temperatuursmeting.
Als een van de twee genoemde lichamen kan men nu de kwikthermometer kiezen, een lange buis, die gedeeltelijk met kwik is gevuld, en verder luchtledig is. Op deze buis kan men twee vaste punten aanbrengen, nl. de stand, die in smeltend ijs wordt aangenomen, het punt 0, en de stand, die in de damp van kokend water wordt aangenomen, indien de barometerstand 1 atm. bedraagt. Hierbij schrijft men 100. Als voorlopige opzet verdeelt men de buis tussen de twee punten in 100 gelijke delen en zet deze delen ook buiten de genoemde punten af. Dit is de graadverdeling van Celsius (z graad). Komt dus een thermometer in een stof tot rust op het punt 30, dan is de temperatuur 30 gr. C.
A. Precisering van het temperatuurbegrip
De kwikthermometer is slechts bruikbaar tussen — 40 gr. C. en 550 gr. G. Daarbuiten moet men dus andere stoffen of andere eigenschappen van de stof gebruiken. Maar nu treedt het bezwaar op, dat andere stoffen, vergeleken met kwik, niet regelmatig uitzetten. Zo blijkt de uitzetting van alkohol per graad, gemeten met de kwikthermometer, van 10 gr. tot 11 gr. C. geringer te zijn dan van 80 gr. tot 81 gr. C. Daarom kiest men als standaardstof een zeer verdund gas, immers alle verdunde gassen zetten op dezelfde wijze uit. Wij wijzen alleen op de moeilijkheid, dat men alleen met matig verdunde gassen kan experimenteren, en dus daarvoor correcties moet aanbrengen. Het principe is, dat men het volumen van het gas constant houdt, en de temperatuur bepaalt door de afspraak, dat het drukverschil met de druk bij o gr. C. evenredig is met de temperatuur. De evenredigheidsconstante bepaalt men door ook de druk bij 100 gr. C. te meten. In formule t = 100 (Pt—P0) / (P100 — P0), waarin / de temperatuur, P de druk voorstelt. Het toestel heet gasthermometer. Ter vergelijking met de uitzetting van andere stoffen kunnen de volgende opgaven dienen: Bij 50 gr. C., met de gasthermometer bepaald, zou een kwikthermometer, met niet uitzetbaar glas, 0,13 gr. C. lager aan wijzen, een werkelijke kwikthermometer, waarbij ook de onregelmatige uitzetting van het glas een rol speelt, ca 0,1 gr. C. hoger of lager, en een alkoholthermometer (een extreem geval) 6 gr. C. lager (z temperatuurcoëfficiënt). De met de gasthermometer vastgelegde temperatuur heet de Avogadroschaal. Daar met de gasthermometer moeilijk te werken is, worden enige andere thermometers als standaard thermometers gebruikt. De temperatuur, hierdoor vastgelegd, en die zich zo nauw mogelijk aan de Avogadroschaal aansluit, heet de internationale temperatuurschaal. Deze is vastgelegd van — 190 gr. G. tot 630,5 gr. C. (het smeltpunt van antimoon) door een nauwkeurig omschreven platinaweerstandsthermometer, verder tot 1063,0 gr. G. (het smeltpunt van goud) door een thermo-element van platina en een legering van platina en 10 pet rhodium (z thermometer). Voor hoge temperaturen moet men de straling gebruiken (z ook pyrometer), die een warm lichaam uitzendt.
B. Absolute temperatuur
Men telt dikwijls bij de temperatuur van een stof 273,15 gr. op, anders gezegd, men legt het nulpunt een bedrag van 273,15 gr. lager. Men spreekt dan van absolute temperatuur of graden Kelvin. Het nieuwe nulpunt heet het absolute nulpunt. Het invoeren heeft dit voordeel, dat allerlei betrekkingen een veel eenvoudiger vorm aannemen. Zo is voor een verdund gas het product van spanning en volume recht evenredig met de absolute temperatuur, de straling van een warm, zwart lichaam evenredig met de vierde macht van de absolute temperatuur. Ook de wetten van de thermodynamica moeten met behulp van deze temperatuur worden uitgedrukt. Een diepere grond voor het invoeren is, dat het absolute nulpunt onbereikbaar is, al kan men het zeer dicht benaderen. Het is dus de laagste temperatuur, die denkbaar is. Voor het bepalen van het getal 273,15 zijn zeer nauwkeurige metingen aan verdunde gassen nodig. Ook zou men het getal met behulp van het toetsen van thermodynamische betrekkingen kunnen vinden (z thermodynamica).
C. Kinetische verklaring van de temperatuur
Deze kan worden duidelijk gemaakt aan het voorbeeld van een een-atomig gas (z kinetische theorie). Zo’n gas bestaat uit moleculenj die zich in alle richtingen en met allerlei snelheden bewegen. Wentelingen voeren deze een-atomige moleculen niet uit. Het blijkt nu, dat verhoging van de temperatuur gepaard gaat met verhoging van de gemiddelde snelheid, preciezer gezegd: de gemiddelde kinetische energie, 3/2kT, van de moleculen is gelijk aan waarin k de constante van Boltzmann (z natuurconstanten) en T de absolute temperatuur is. Hier moet evenwel een belangrijke restrictie worden gemaakt. Het gas kan nl. als geheel een gerichte snelheid hebben, en wel indien het stroomt. De energie, hiertoe behorend, mag men niet meetellen. Beziet men dus een gas, waarvan alle moleculen dezelfde snelheid hebben, dan moet men om de temperatuur te bepalen, eerst die snelheid aftrekken; er blijft dan voor alle moleculen een snelheid o over, en de temperatuur is die van het absolute nulpunt (o gr. K). Volgens de moderne statistische mechanica is deze toestand niet altijd mogelijk, ook bij het absolute nulpunt moet meestal nog een zekere beweging en dus energie van de moleculen bestaan (nulpuntsenergie). De temperatuur heeft alleen met de ongeordende beweging van de moleculen te maken. Bij gassen en vloeistoffen komen daar nog bij wentelingen en inwendige trillingen van de moleculen, ook deze energieën zijn ongeordend verdeeld. Bij vaste lichamen zijn het de golven, die door het lichaam lopen, die door hun ongeordende verdeling van energie-inhoud over de verschillende richtingen en golflengten de temperatuur bepalen. Ook in een ruimte, waarin zich straling bevindt, kan men van een temperatuur spreken, indien de ongeordende verdeling over de golven der straling optreedt. Verder blijkt, dat het begrip temperatuur alleen zin heeft, indien er een groot aantal deeltjes of golven worden beschouwd. Men kan dus niet goed van de temperatuur van één atoom of molecuul spreken. Deze hebben slechts een beperkt aantal gelijke deeltjes (electronen). De temperatuur is in zover een maat voor de ongeordendheid, dat deze bij hogere temperatuur groter is dan bij lagere (z Maxwell, verdelingswet van).
DR J. BOUMAN.
