Men vad betyder egentligen temperatur? Vilken är skillnaden mellan temperatur och värme? Har universum en absolut maxtemperatur, med tanke på att det finns en absolut nollpunkt? Och varför kan man inte släppa in kylan, utan bara släppa ut värmen?
Entropi – universums nedräkning
En av fysikens mest obönhörliga lagar är den som handlar om entropin, termodynamikens andra huvudsats. Den säger att ett isolerat systems entropi aldrig kan minska. Värmeenergi sprids ut och skillnader i temperatur utjämnas. En kopp kaffe svalnar, en isbit smälter – allting strävar mot maximal oordning.
Det här kallas också ”tidens pil”. För att citera Stephen Hawking: en tekopp kan falla till golvet och bli till skärvor, men en hög skärvor kan inte hoppa upp på bordet och samlas till en tekopp. Lika lite kan en kopp kallt te bli varm av sig själv där den står på bordet.
Forskarna räknar med att universums slutliga öde, i den obeskrivligt avlägsna framtiden, kommer att bli den så kallade ”värmedöden”. Då kommer all energi att vara så utspridd den kan bli (= entropin är maximal). Ingenting kan längre hända. För hela universum är i det skedet bara en mörk och kall, jämntjock gröt.
Temperatur och värme – vad är skillnaden?
Temperatur och värme är i princip två olika saker. Temperatur är ett mått på hur snabbt molekylerna rör sig i ett material. Vi talar alltså om den kinetiska energi som genereras av partiklarnas rörelse i ett material.
Värme i sin tur är den totala energin som förflyttas på grund av temperaturskillnader. En kopp kaffe och en stor gryta soppa kan ha samma temperatur, men grytan innehåller mer värmeenergi totalt sett
Hur sprids värme?
Värme kan spridas på tre huvudsakliga sätt, genom:
- Konduktion (ledning): Värme överförs via direkt kontakt, t.ex. en metallsked i en varm soppa.
- Konvektion: Värme sprids genom rörlig gas eller vätska, t.ex. varm luft som stiger.
- Strålning: Värme sprids som elektromagnetisk strålning, t.ex. solens strålar.
Konduktion är särskilt viktig i fasta ämnen, där molekylerna är tätt packade och lätt kan föra energin vidare. Metaller är utmärkta ledare, medan trä och plast är isolatorer. Konvektion ger upphov till väderfenomen som vindar och havsströmmar, vilket i sin tur påverkar klimatet. Strålning är det enda sättet för värme att transporteras genom vakuum, vilket gör att solens ljus kan värma jorden tvärs över rymdens mörker.
De kallaste och varmaste temperaturerna
Den absoluta nollpunkten är -273,15°C (0 Kelvin), där molekylernas rörelse helt stannar av. Den kallaste temperaturen uppmätt i ett laboratorium är 38 pikokelvin, extremt nära noll. Men inte ens i rymdens mörkaste djup blir det kallare än 2,7 Kelvin (-271°C ), tack vare den kosmiska bakgrundsstrålningen, efterglöden från big bang.
Det hetaste som uppmätts i laboratoriet gär på jorden är fyra biljoner grader Celsius, då partikelacceleratorn RHIC i New York kolliderade guldjoner med nära ljusets hastighet.
Men också det här är småpotatis jämfört med den teoretiskt hetaste temperaturen, den så kallade Plancktemperaturen: 1,4 biljarder biljarder Kelvin. Det är ett tal med 27 nollor. Det är en så extrem temperatur att fysikens lagar som vi känner till dem bryter samman – kvantmekaniken och den allmänna relativitetsteorin kan inte längre beskriva det hela.
Hur påverkar temperatur vardagen?
Temperaturen påverkar oss mer än vi kanske tänker på. Allt från hur våra kroppar fungerar till hur tekniska prylar presterar beror på temperatur. Människokroppen är optimerad för cirka 37°C. Om kroppstemperaturen sjunker för mycket, riskerar vi hypotermi, medan en för hög temperatur kan leda till värmeslag.
I industrin och teknologin är temperaturkontroll avgörande. Elektronik måste kylas för att fungera optimalt, och inom rymdforskning utvecklas material som tål extrema temperaturväxlingar.
I köket påverkar temperatur matlagningens kemi – från att karamellisera socker till att få kött att bli mört.
Varför envisas USA med Fahrenheit?
Celsiusskalan, skapad av Sveriges Anders Celsius 1742, bygger på vattnets fryspunkt (0°C) och kokpunkt (100°C). Den är logisk och används i de flesta länder. Men visste du att Celsius själv satte fryspunkten vid 100 och kokpunkten vid 0 grader – skalan var alltså inverterad, och kastades om efter hans död.
Den äldre Fahrenheitskalan utvecklades i sin tur av den tysk-polske Daniel Gabriel Fahrenheit i början av 1700-talet. Hans skala har vattnets fryspunkt vid 32°F, temperaturen då en blandning av vatten, is och ammoniumklorid (just det, salmiak) fryser. Kokpunkten ligger vid 212°F.
Fahrenheitskalan används fortfarande i USA, Belize och några små önationer. Välkomna till de civiliserade nationernas skara, närhelst ni känner för det.
Extrem temperatur – ett hot och en möjlighet
Med den globala uppvärmningen blir extrema temperaturer allt vanligare. Värmeböljor påverkar människors hälsa och ekosystem.
Å andra sidan används temperaturvariationer för att producera grön energi – från geotermisk energi till solkraft. Luftvärmepumpen du kanske har där hemma producerar inte värme, den bara flyttar värme utifrån in till ditt hus.
Forskare undersöker också hur fysiken kan använda ultralåga temperaturer till att skapa superledare och Bose-Einstein-kondensat som öppnar dörrar för framtidens teknik. Extremt höga temperaturer används i sin tur inom fusionsteknik, där forskare försöker skapa energi på samma sätt som solen gör.
Entropin vinner – men inte idag
Entropin arbetar obönhörligt på att sprida ut all energi (materia och energi är två sidor av samma mynt) och förvandla universum till en kall, död och mörk gröt. Men så länge hjärtat kan slå, så länge skutan kan gå, så länge kaffet är varmt och solen kan lysa, kan vi säga – inte idag, entropi!
