Co je to - teplo?

Jak teplý je můj čaj? Senzory v naší kůži nám poměrně spolehlivě hlásí, když cítíme teplo. Ne každý sice vnímá teplo stejně, ale všichni umíme jistě odlišit teplý objekt od studeného....

Tím ale naše možnosti končí. Jen málokdo je schopen odlišit, jestli má jeho hrnek s čajem 64 nebo 67 stupňů Celsia. 

Daleko přesnější měření dovolují různé teploměry. Ty nejznámější využívají schopnost látek se rozpínat při vyšší teplotě a naopak zmenšovat svůj objem při teplotách nižších. To napovídá, co se děje při zvyšování teploty - a jaký fyzikální jev se za pojmem “teplota” skrývá. 

Jak rychlá je moje mrkev?

Tahle zvláštní otázka se stala v naší rodině okřídlenou. Odstartovala obědovou přednášku o tom, co je to teplota, jak se měří a proč je mrkev nečekaně rychlá, i když se nehýbe. Výsledkem bylo, že chytré dítě raději rychle mrkev snědlo, aby se vyhnulo dalšímu poučování. 

To, co cítíme jako teplotu, je něco, co by člověk nejspíš nečekal. Je to pohybová energie jednotlivých molekul v dané látce. Čím teplejší je objekt, tím rychleji jeho molekuly kmitají nebo se vůči sobě navzájem pohybují. Přitom se nepohybují všechny částice stejně rychle. Naopak. Některé jsou poměrně pomalé, většina z nich disponuje typickou rychlostí, která odpovídá určité teplotě - a malé množství molekul je pro změnu daleko rychlejší. I u běžných, nám známých, teplot může taková rychlost dosahovat několika kilometrů za vteřinu. 

Existuje záporná nebo nulová teplota?

Experimentátoři si toho poprvé všimli u plynů. Čím víc je plyn zahřátý, tím větší objem zaujímá. Napadlo je, že při ochlazování to bude právě naopak - a dlouho se zdálo, že bude existovat také nulová teplota, při které má plyn objem nulový. Pak je jen logické, že tak, jako neexistuje záporný objem, neměla by existovat ani záporná absolutní teplota. 

Dnes víme, že se skutečně nedá dosáhnout ani záporné ale dokonce ani nulové teploty a tím zároveň i objemu plynu.  

Částečně proto, že se látka skládá z molekul a ty prostě nikdy do jednoho jediného bodu nestlačíme. Brání v tom například elektromagnetické síly elektronových obalů samotného atomu. Jednotlivé elektrony se vzájemně odpuzují a dokud nevyvineme opravdu velkou sílu (jaká je dostupná například neutronových hvězdách), ponechá si atom původní strukturu. Ale ani ve chvíli, kdy donutíme elektrony z obalu jádra, aby se do jádra zhroutily, nepřestane mít výsledná neutronová hmota kladný objem. A už vůbec nebude mít teplotu, která by se dotkla nuly. 

Další výmluvu pro nestlačitelnost plynu do nulového nebo jen velice malého prostoru poskytla kvantová fyzika. Atomy a molekuly se nedají odsoudit k absolutní nehybnosti. Jinými slovy atomy nebo molekuly se nemohou nacházet bez pohybu (na jednom určitém místě). Přitom se nejedná o následek nedokonalého měření, ale o fyzikální zákonitost. 

Poprvé ji formuloval v roce 1927 Werner Heisenberg a dnes ji známe jako Heisenbergův princip neurčitosti. 

Maximální možná teplota

Ještě zajímavější je situace na druhém konci stupnice - v oblasti extrémně vysokých teplot. Teoreticky si můžeme představit obrovské teploty, odpovídající miliardám stupňů. Má to ale hned několik háčků.

Už u poměrně (na Zemi) běžných vysokých teplot nastává problém s jejich měřením. Běžný teploměr by se během experimentu poničil nebo rovnou vypařil. A tak se na celou věc musí jít trochu důmyslněji. Poměrně vysoké teploty (od 600 °C výše) se dají například měřit na základě … barvy horkého předmětu. Ten totiž začíná žhnout - vyzařovat elektromagnetické vlny ve viditelné oblasti spektra. 

600 stupňů Celsia se dá zaregistrovat nejlépe potmě - jako nepatrný načervenalý efekt. Záření, které vydávají ještě teplejší předměty se jeví intenzivněji - jsou naoranžovělé. O hodně teplejší pak “svítí” žlutě a jejich barva postupně přechází do bílé. Takto se daří měřit teplotu až do přibližně 1400 °C, kdy začínáme vnímat světlo jako oslňující. Bělejší než bílé pak už světlo nebude - tady naše lidské senzorické schopnosti končí. Pro vyšší teploty existují samozřejmě různé pyrometrické teploměry. Ale i ony mohou měřit teplotu jen do několika tisíc stupňů. 

Vrchní hranice

Nezávisle na tom, jestli takovou teplotu umíme změřit, musí ovšem vedle nejnižší teploty existovat také nejvyšší fyzikálně možná teplota. Při těchto úvahách se samozřejmě dávno pohybujeme v oblasti, kdy teplotu už nelze nijak definovat na základě našich zkušeností, natož měřit a nejspíš ani odhadnout nebo rozlišit dvě různé teplotní hodnoty. 

Nejspíš vás napadne, co definuje vrchní hranici, u které se dá ještě mluvit o teplotě látky. Je to nejvyšší možná rychlost teplé molekuly nebo atomu: rychlost světla. 

Teoreticky by se mělo jednat o 1,4 x 1032 ° C, tedy teplotu, která mohla teoreticky existovat ve vesmíru jen jednou. Mohlo to být bezprostředně po Velkém třesku.