Det luktar gott när du kommer ner i köket. En gryta står och kokar på spisen. På något sätt har partiklar från grytan rört sig genom rummet för att komma fram till din näsa. Innan det började koka luktade det inte lika mycket i köket. Vad är det som händer när en vätska börjar koka?

Om du lägger din hand på grytan bränner du dig. Energi från den varma grytan överförs till din hand och du kan skada dig.

När vi tillför energi till olika material kommer atomerna att röra sig fortare och materialet blir varmare. När du lägger din hand på den varma grytan överförs energi från grytan till handen. För att kyla ner din hand kan du lägga på en påse med krossad is. Energi från din varma hand kommer nu att smälta isen och handen kyls ner.

Vatten kan alltså var fast som en isbit, flytande som i grytan eller gas när grytan kokar. Vattenmolekylerna rör sig fortare och fortare när vi tillför energi (när vi värmer dem). Det ändrar hur mycket plats de tar. Även partiklarna i luften rör sig fortare när de blir varmare. En varmluftsballong som långsamt flyger fram över fälten kan göra det eftersom varm luft tar mer plats än kall.

Värme och temperatur är inte samma sak. I filmen nedan placeras två lika kalla isbitar på vars ett underlag. Korkplattan och metallbiten har samma temperatur. Ändå smälter isbiten som ligger på metallen mycket fortare. Varför är det så?

All materia består av atomer och molekyler som rör sig. I en gas kan partiklarna röra sig fritt åt olika håll. I en vätska rör de sig runt varandra. I ett fast ämne sitter de mer bundna till bestämda platser, men de är ändå inte stilla. De vibrerar, alltså rör sig fram och tillbaka kring sina platser. Ju mer partiklarna rör sig, desto större rörelseenergi har de.

När vi värmer ett ämne tillför vi energi. Ofta gör det att partiklarna rör sig mer och temperaturen stiger. Den energi som finns lagrad i ett ämnes rörelser och i hur partiklarna påverkar varandra brukar vi i det här kapitlet tala om som ämnets värmeenergi.

Men värme har en mer bestämd betydelse i fysiken. Värme är energi som överförs från något med högre temperatur till något med lägre temperatur. När du lägger handen på den heta grytan överförs alltså energi från grytan till handen. Det är denna energiöverföring som är värme.

Värme går från varmt till kallt

Ställ en kall läskburk på ett bord i ett varmt rum. Efter en stund har burken blivit varmare. Det är inte kylan som har lämnat burken. Istället har energi överförts från den varmare omgivningen till den kallare burken. På samma sätt svalnar en kopp varm choklad eftersom energi överförs från chokladen till den kallare omgivningen. Så länge två föremål har olika temperatur sker en värmeöverföring från det varmare till det kallare. Till slut kan de få samma temperatur. Då säger vi att de har nått temperaturjämvikt, eller termisk jämvikt. När temperaturen är samma finns det inte längre någon nettotransport av värme mellan dem.

Värmeledning

Om du lämnar en metallsked i en kastrull med varm soppa blir även handtaget så småningom varmt. Partiklarna i den del av skeden som är nära soppan börjar röra sig mer. Genom kollisioner och rörelser överförs energi vidare till partiklarna bredvid. På så sätt sprider sig energin genom materialet. Det kallas värmeledning.

Olika material leder värme olika bra. Metaller är bra värmeledare. Därför kan en kastrull av metall snabbt föra värme från spisplattan till maten. Trä, plast, luft och många andra material leder värme betydligt sämre. Därför kan ett kastrullhandtag vara gjort av plast eller trä. Material som leder värme dåligt kan användas som isoleringsmaterial. Isoleringen i hus innehåller mycket stillastående luft, eftersom luft leder värme dåligt. En tjock vinterjacka fungerar på liknande sätt: den håller kvar lager av luft nära kroppen och minskar värmeöverföringen till omgivningen.

Samma temperatur – men olika känsla

Olika material har inte bara olika densitet, de påverkas också på olika sätt när man värmer dem. När du kliver ur duschen känns klinkergolvet kallt mot dina bara fötter. Om du flyttar dig till badrumsmattan känns den mindre kall. Men golvet och mattan kan faktiskt ha samma temperatur. Att klinkergolvet känns kallare beror på att det leder bort energi från din fot snabbare än mattan gör. Vår känsla av varmt och kallt berättar alltså inte alltid vilken temperatur ett föremål har. Den påverkas också av hur snabbt värme överförs.

Strömning

Vätskor och gaser kan dessutom transportera energi genom att själva röra sig. Det kallas strömning eller konvektion. Tänk på vattnet i en kastrull. Vattnet närmast botten värms först. När det blir varmt utvidgas det lite och får lägre densitet. Det varma vattnet stiger samtidigt som kallare vatten sjunker ner mot botten. Där värms det i sin tur. På så sätt bildas strömmar i vattnet som transporterar energi genom kastrullen. Samma sak kan hända i luft. Luft som värms upp stiger och kallare luft sjunker. Den principen kommer att bli viktig när vi senare tittar på väder och vindar.

Strålning

Solen kan värma ditt ansikte trots att det nästan inte finns någon materia mellan solen och jorden. Värmen kan alltså inte ha kommit hit genom värmeledning eller strömning. Energin kommer istället som elektromagnetisk strålning. Alla föremål sänder ut elektromagnetisk strålning. Vid de temperaturer vi möter omkring oss är en stor del av denna strålning infrarött ljus. Våra ögon kan inte se infrarött ljus, men energin i strålningen kan tas upp av andra föremål och göra dem varmare. Det är därför du kan känna värmen från en brasa även när du inte rör vid elden. Ju högre temperatur ett föremål har, desto mer energi strålar det vanligtvis ut.

Värmeutvidgning

När ett material värms upp rör sig dess partiklar mer. I många ämnen leder det till att avståndet mellan partiklarna i genomsnitt ökar lite. Föremålet blir då något större. Detta kallas värmeutvidgning. Förändringen är ofta liten, men i stora konstruktioner kan den bli viktig. Broar och järnvägsräls måste till exempel kunna ändra längd när temperaturen växlar mellan kalla vinterdagar och varma sommardagar. Gaser utvidgar sig särskilt mycket när de värms om de får möjlighet. Det är en del av förklaringen till varför varm luft får lägre densitet och kan stiga.

Värme kan utföra arbete

Värme kan också användas för att få saker att röra sig. Om en gas värms upp i ett slutet utrymme ökar ofta trycket. Om gasen får trycka på en kolv kan kolven börja röra sig. Då utför gasen ett arbete. Det är denna idé som används i många värmemaskiner. I en förbränningsmotor gör förbränningen gasen mycket varm. Trycket ökar och gasen pressar på kolven. Energi som från början fanns lagrad i bränslet kan på så sätt omvandlas till rörelse.

Vi använder temperatur varje dag. Vi tittar på utomhustemperaturen för att bestämma vilka kläder vi ska ta på oss och mäter kroppstemperaturen när vi misstänker att vi har feber. Men vad är temperatur egentligen?

Tänk dig två glas vatten. Det ena innehåller vatten som är 5 °C och det andra vatten som är 95 °C. Vattenmolekylerna är likadana i båda glasen. Skillnaden är hur de rör sig. I det varmare vattnet har molekylerna i genomsnitt större rörelseenergi än i det kalla vattnet.

Temperaturen beskriver hur energisk partiklarnas oordnade rörelse är.

Högre temperatur innebär alltså i allmänhet större rörelseenergi hos partiklarna.

Temperaturskillnad

För att värme ska överföras måste det finnas en temperaturskillnad. Ju större temperaturskillnaden är, desto snabbare kan energi ofta överföras. Om du häller te som är 90 °C i ett rum där temperaturen är 20 °C är temperaturskillnaden stor och teet svalnar snabbt i början. När teets temperatur närmar sig rumstemperaturen blir temperaturskillnaden mindre och avkylningen går långsammare.

Att mäta temperatur

Temperatur mäts med en termometer. Det finns många sorters termometrar. Äldre termometrar kan innehålla en vätska som utvidgas när temperaturen stiger. I digitala termometrar mäts istället någon elektrisk egenskap som förändras med temperaturen. Oavsett hur termometern fungerar måste den själv komma nära samma temperatur som det vi vill mäta. Det är därför man måste vänta en stund innan en termometer visar rätt temperatur.

Celsiusskalan

I Sverige använder vi oftast Celsiusskalan. Temperaturen skrivs i grader Celsius, °C. På skalan ligger vattnets fryspunkt ungefär vid 0 °C och dess kokpunkt ungefär vid 100 °C vid normalt lufttryck. Vattnets kokpunkt är inte alltid exakt 100 °C. Som vi såg i avsnittet om tryck påverkas kokpunkten av lufttrycket.

Fahrenheitskalan

I bland annat USA används ofta Fahrenheitskalan. Där fryser vatten vid 32 °F och kokar vid 212 °F vid normalt lufttryck. En temperatur på 20 °C, som känns ganska behaglig inomhus, motsvarar ungefär 68 °F. För de flesta beräkningar i den här boken använder vi Celsius eller Kelvin.

Kelvinskalan

Inom fysiken används ofta Kelvinskalan. Temperaturen anges då i kelvin, med beteckningen K. Kelvinskalan har lika stora steg som Celsiusskalan. En förändring med 1 K är alltså lika stor som en förändring med 1 °C. Skillnaden är var skalorna börjar.

0 K = −273,15 °C

Detta är den absoluta nollpunkten, den lägsta möjliga temperaturen. Nära den absoluta nollpunkten är partiklarnas värmerörelse så liten som den kan bli. För att gå från Celsius till Kelvin kan man på den här nivån använda:

temperatur i K ≈ temperatur i °C + 273

Till exempel:

20 °C ≈ 293 K.

Kelvinskalan är användbar eftersom den börjar vid den absoluta nollpunkten och därför passar bra i fysikaliska beräkningar.

Det krävs olika mycket energi för att värma olika ämnen. Det märker du till exempel om du står barfota på en solig strand. Sanden kan bli mycket varm medan vattnet fortfarande känns svalt. Hur mycket energi som krävs för att värma ett föremål beror på tre saker:

• hur stor massa föremålet har

• vilket material det består av

• hur mycket temperaturen ska höjas.

Det kan skrivas med formeln

Q=mcΔT

där

Q = tillförd värmeenergi m = massan c = materialets specifika värmekapacitet ΔT = temperaturförändringen.

Tecknet Δ, den grekiska bokstaven delta, betyder här förändring. Om temperaturen ökar från 20 °C till 30 °C är alltså ΔT=30-20=10 °C.

Specifik värmekapacitet

Storheten c talar om hur mycket energi som behövs för att värma ett visst material. Vatten har hög specifik värmekapacitet. Det betyder att det krävs mycket energi för att höja vattnets temperatur. Vatten kan samtidigt lagra mycket energi och lämna ifrån sig den långsamt när det kyls. Det här kommer att bli viktigt i delen om väder och klimat. Hav värms upp och kyls ner långsammare än land och påverkar därför temperaturen i områden nära kusten.

Ett ämne kan finnas i olika faser. De tre vanligaste är

• fast

• flytande

• gas.

Vatten är ett tydligt exempel. Is är vatten i fast form, det vi vanligtvis kallar vatten är den flytande formen och vattenånga är gasformen. Skillnaden mellan faserna handlar mycket om hur partiklarna rör sig och hur starkt de binds till varandra.

Fast form

I ett fast ämne hålls atomerna eller molekylerna nära bestämda platser. De är inte stilla utan vibrerar.

När ämnet värms tillförs energi och vibrationerna blir kraftigare.

Om tillräckligt mycket energi tillförs kan partiklarna lämna sina fasta platser. Ämnet börjar då smälta och övergår från fast till flytande.

Flytande form

I en vätska ligger partiklarna fortfarande ganska nära varandra, men de kan röra sig och glida förbi varandra.

När mer energi tillförs ökar partiklarnas rörelse. Till slut kan de lämna vätskan helt och övergå till gas.

Det kan ske på två sätt: avdunstning eller förångning.

Avdunstning

En vattenpöl kan försvinna trots att vattnet aldrig har kokat. Det beror på avdunstning. Partiklarna i en vätska har inte exakt samma rörelseenergi. Några av molekylerna vid ytan kan ha tillräckligt stor energi för att lämna vätskan och bli gas. Avdunstning kan därför ske vid många olika temperaturer. Det är också därför du blir kall när du är våt. De vattenmolekyler som lämnar huden tar med sig energi. Huden förlorar energi och kyls.

Kokning och förångning

Om en vätska värms till sin kokpunkt börjar gasbubblor bildas även inne i vätskan. Vätskan kokar. Övergången från vätska till gas kallas förångning. Både avdunstning och kokning är alltså sätt för en vätska att övergå till gas, men vid kokning sker förångningen i hela vätskan. För vatten är kokpunkten ungefär 100 °C vid normalt lufttryck. Som vi såg tidigare påverkas kokpunkten av trycket. På ett högt berg, där lufttrycket är lägre, kokar vattnet vid en lägre temperatur.

Kondensering

När en gas kyls rör sig partiklarna mindre. Till slut kan krafterna mellan dem få dem att hålla ihop så att gasen blir vätska. Det kallas kondensering. När vattenångan i luften träffar en kall spegel efter en dusch kan den kondensera till små vattendroppar. Det är alltså inte vatten som har läckt genom spegeln. Vattnet fanns redan i luften som vattenånga.

Stelning

Om en vätska kyls ännu mer rör sig partiklarna mindre och kan ordna sig i en fast struktur. Vätskan stelnar. När vatten stelnar säger vi oftast att det fryser och bildar is. Temperaturen där ett ämne övergår mellan fast och flytande kallas dess smältpunkt. För vatten är smältpunkten ungefär 0 °C vid normalt lufttryck.

Sublimering

Ibland kan ett ämne gå direkt från fast form till gas utan att först bli vätska. Det kallas sublimering. Ett exempel är torr-is, som består av fast koldioxid. Vid normalt lufttryck smälter den inte till flytande koldioxid utan övergår direkt till gas. Den omvända processen, när en gas går direkt till fast form, kan till exempel ske när rimfrost bildas.

Temperaturen stiger inte alltid när vi värmer

Det är lätt att tänka att temperaturen alltid stiger så fort vi tillför energi. Men under en fasövergång händer något speciellt. Tänk dig en bit is som har temperaturen −10 °C. När vi tillför energi börjar isens temperatur stiga. När den når ungefär 0 °C börjar isen smälta. Om vi fortsätter tillföra energi medan isen smälter kan temperaturen ändå ligga kvar nära 0 °C.

Var tar energin vägen?

Den används till att förändra bindningarna mellan vattenmolekylerna och omvandla isen till flytande vatten. Först när all is har smält börjar temperaturen hos det flytande vattnet stiga igen. Samma sak händer vid kokning. Vatten som kokar vid normalt lufttryck ligger kvar nära 100 °C medan det omvandlas till vattenånga, trots att spisen hela tiden tillför energi.

Det är alltså viktigt att skilja på två saker:

När temperaturen stiger ökar partiklarnas rörelseenergi.

Under en fasövergång används en stor del av den tillförda energin istället till att förändra hur partiklarna är bundna till varandra.

Det förklarar också varför vattenånga kan ge svåra brännskador. När vattenångan kondenserar på huden frigörs energi som tidigare behövdes för att förånga vattnet.

Temperatur beskriver partiklarnas termiska rörelse. När temperaturen ökar har partiklarna i allmänhet större rörelseenergi. Värme är energi som överförs på grund av en temperaturskillnad. Energin går från det varmare området till det kallare tills temperaturerna närmar sig varandra.

Värme kan överföras genom ledning, strömning och strålning. Olika material leder värme olika bra och vissa material används därför som isolering. När material värms utvidgas de ofta. Värme kan också användas för att utföra arbete, till exempel genom att en uppvärmd gas expanderar och driver en kolv.

Temperatur anges vanligen i grader Celsius, men inom fysiken används också kelvin. Den absoluta nollpunkten är 0 K, vilket motsvarar −273,15 °C.

Hur mycket energi som krävs för en temperaturförändring beror på massan, materialets specifika värmekapacitet och temperaturförändringen:

Ämnen kan övergå mellan fast form, vätska och gas. När ett ämne byter fas används energi till att förändra hur partiklarna är bundna till varandra. Därför kan temperaturen vara oförändrad under exempelvis smältning och kokning, trots att energi fortsätter att tillföras.