Logo Universiteit Utrecht

De Natuurkunde Top 10

Niets is kouder dan -273 graden celsius

Wat is temperatuur?

Temperatuur is, net als zwaartekracht, iets waar we altijd mee te maken hebben en alomtegenwoordig is. Als je diep inzoomt op hele kleine deeltjes dat die deeltjes zelf geen temperatuur hebben, maar wel snelheid: ze botsen de hele tijd tegen elkaar aan. Als je een bak met bijvoorbeeld lauw water hebt en je inzoomt op de water moleculen dan zie je dat die moleculen druk rond bewegen en tegen elkaar botsen. Als je je vinger in het water steekt om te voelen hoe warm het is, botsen de watermoleculen ook tegen jouw vinger. Wij voelen niet hoe hard iedere afzonderlijke botsing is, maar we voelen wel hoe hard alle botsingen gemiddeld ongeveer zijn en dat noemen we temperatuur. Als we het water heter maken, krijgen de water moleculen meer energie en dat betekent dat ze sneller gaan bewegen. Als ze dan met onze vinger botsen, gaat dat een stuk harder. Dus ook het gemiddelde en daarmee onze waarneming van temperatuur gaat omhoog. Wist je trouwens dat er per seconde minstens 10 miljoen keer 1 miljard keer 1 miljard moleculen op je hand botsen? Dat is een 1 met minstens 25 nullen!

Als je iets wil laten afkoelen in een koelkast gebruik je ook botsingen om de moleculen af te remmen. Je moet ervoor zorgen dat de wand waarmee de moleculen botsen zelf wel goed genoeg stil staat, zodat de moleculen na een botsing een deel van hun snelheid zijn kwijt geraakt aan de wand. Stel dat het je heel goed lukt om die moleculen steeds langzamer te laten bewegen. Dan staan ze op een gegeven moment gewoon stil. Je kan ze niet nog langzamer laten bewegen, wat dus betekent dat je de temperatuur niet verder kan laten dalen. De temperatuur van iets waarvan de moleculen helemaal stil staan noemen we het absolute nulpunt. Die temperatuur blijkt gelijk te zijn aan -273 graden celcius. Best koud!

Wetenschappers die kleine deeltjes bestuderen doen graag experimenten bij hele lage temperaturen omdat de deeltjes dan dus minder heen en weer bewegen. Je systeem gedraagt zich dan wat netter en geordend. Die ordening kan je gebruiken om hele sterke magneten te maken of supergeleiders.

Thermodynamica

Een merkwaardigheid van temperatuur is dat het zich altijd probeert te verspreiden: als je een ijsklontje in een glas met water doet, warmt het ijsklontje op en smelt en koelt het water af totdat de temperatuur van het water en het (gesmolten) ijsklontje hetzelfde worden. Je ziet het nooit gebeuren dat in een glas water opeens een koud ijsklontje ontstaat, terwijl het water juist opwarmt. Deze wetmatigheid is vastgelegd in de tweede wet van de thermodynamica: temperatuur verspreidt en mixt zo gelijkmatig mogelijk. Dit principe zagen we ook al in de informatie theorie waar een systeem zijn verborgen toestand zoveel mogelijk mixt over alle mogelijke toestanden. De vrijheid van een systeem om zich te kunnen mixen over verschillende configuraties noemen we entropie. En eigenlijk is temperatuur de manier van een systeem om energie te vertalen naar entropie: de bewegingsenergie geeft het systeem meer vrijheid. En de tweede wet van de thermodynamica zegt eigenlijk dat systemen altijd hun vrijheid, entropie dus, willen maximaliseren.

Er zijn uitzonderingen op deze wet. Sommige quantum (lees: zombie kat) systemen kunnen juist minder vrijheid krijgen als je ze meer energie geeft. Om de tweede wet te redden, zeggen we dat de temperatuur van die systemen lager is dan het absolute nulpunt! Maar dat voelt niet zo, want als je zo’n systeem in een bad gooit dat een temperatuur boven het absolute nulpunt heeft, koelt dat systeem verder af en warmt het bad juist op!

Meer info?

Leuke filmpjes:

En een website waar je kunt spelen met atomen en zien hoe de temperatuur samenhangt met de bewegingssnelheid.