3.2 Varme og temperatur

Er varme og temperatur det samme?

Du sitter foran et bål på en kald vinterkveld. Du merker varmen fra flammene mot ansiktet, men ryggen din er fortsatt kald. Du holder en kopp med varm kakao mellom hendene, og varmen fra koppen gjør at fingrene dine langsomt tiner. Pust ut, og du ser en sky av varm luft stige opp i den kalde natteluften.

I hverdagen bruker vi ordene «varme» og «temperatur» om hverandre, nesten som om de betyr det samme. Men i naturfag er det en viktig forskjell. Temperatur er et mål på hvor fort molekylene i et stoff beveger seg i gjennomsnitt. Varme er overføring av energi fra noe varmt til noe kaldere.

Tenk på det slik: Et badekar fullt av lunkent vann (37 °C) har lavere temperatur enn en kopp kokende vann (100 °C). Men badekaret inneholder mye mer varmeenergi totalt, fordi det er så mye mer vann. Temperatur handler om intensitet, varmeenergi handler om mengde.

I dette kapittelet skal du lære om forskjellen mellom varme og temperatur, og du skal oppdage de tre måtene varme kan flytte seg på: ledning, konveksjon og stråling. Denne kunnskapen forklarer alt fra hvorfor du bruker grytekluter, til hvorfor det er varmere nær gulvet enn ved taket, til hvordan sola varmer opp jorda gjennom det tomme verdensrommet.

Varmeledning: Energi gjennom direkte kontakt

Den første måten varme kan flytte seg på kalles varmeledning (eller bare ledning). Det skjer når varme overføres gjennom direkte kontakt mellom partikler, uten at selve stoffet flytter seg.

Tenk deg at du holder en metallskje i en kopp med varmt vann. Etter en stund merker du at håndtaket også blir varmt. Hva skjedd? Vannmolekylene som vibrer raskt (høy temperatur) treffer metallatomene i skjeen og setter dem i kraftigere bevegelse. Disse atomene dytter igjen på nabatomene, som dytter på sine naboer, og slik sprer varmen seg oppover skjeen. Det er som en dominoeffekt av vibrasjoner.

Noen materialer leder varme mye bedre enn andre. Metaller som kobber, aluminium og jern er gode varmeledere. Det er derfor stekepanner lages av metall: varmen fra koketoppen sprer seg raskt og jevnt gjennom hele pannen. Tre, plast, luft og ull er derimot dårlige varmeledere, altså gode isolatorer. Det er derfor grytekluter lages av stoff og ikke av metall, og det er derfor håndtaket på en stekepanne ofte er av plast eller tre.

Luft er faktisk en utmerket isolator. Det er grunnen til at doble vinduer (med luft mellom glassene) isolerer så godt. Og det er grunnen til at dunjakker holder deg varm: de små dunkammerne fanger luft, og det er luften som isolerer, ikke selve dunen. Jo mer luft som er fanget mellom fibrene, desto bedre isolerer klærne.

Konveksjon: Varme i bevegelse

Den andre måten varme kan flytte seg på kalles konveksjon. Dette skjer i væsker og gasser, der varm materie faktisk flytter seg og tar med seg varmen.

Så la oss se hvordan det fungerer. Tenk deg en kjele med vann på komfyren. Vannet nederst i kjelen varmes opp av den varme platen (det er varmeledning). Når vannet blir varmt, utvider det seg og blir lettere per volum (lavere tetthet). Det varme, lette vannet stiger opp. Samtidig synker det kaldere, tyngre vannet ned for å ta plassen. Nede blir det kalde vannet varmet opp, stiger opp, og slik fortsetter det i en sirkulær bevegelse vi kaller en konveksjonsstrøm.

Konveksjon forklarer mange hverdagsfenomener. Vind er egentlig konveksjon i atmosfæren: sola varmer opp bakken, som varmer opp luften over seg. Varm luft stiger, kald luft strømmer inn fra sidene, og vips har vi vind. Havstrømmer er konveksjon i havet: varmt vann fra ekvator strømmer mot polene, mens kaldt vann synker ned og strømmer tilbake.

Konveksjon er også grunnen til at det er varmere under taket enn ved gulvet i et rom. Varm luft fra radiatoren stiger opp og samler seg øverst, mens kald luft synker ned. Det er derfor vifteovner kan være nyttige: de blåser den varme luften rundt i rommet i stedet for å la den samle seg under taket.

Konveksjon kan bare skje i fluider (væsker og gasser), aldri i faste stoffer, fordi partiklene i faste stoffer ikke kan flytte seg fritt.

Stråling: Varme uten kontakt

Den tredje og siste måten varme kan overføres på er varmestråling (også kalt termisk stråling). Dette er den eneste formen for varmeoverføring som ikke trenger noe stoff å reise gjennom. Stråling kan reise gjennom vakuum, altså tomt rom.

Det er nettopp slik sola varmer opp jorda. Mellom sola og jorda er det nesten perfekt vakuum, så verken ledning eller konveksjon kan fungere. Men stråleenergien reiser som elektromagnetiske bølger og trenger ingen materie. Når disse bølgene treffer jorda, absorberes de og omdannes til varme.

Alle gjenstander sender ut stråling, ikke bare sola. Du selv sender ut infrarød stråling hele tiden! Det er slik varmekameraer fungerer: de fanger opp den infrarøde strålingen fra kroppen din og lager et bilde der varme områder er lyse og kalde områder er mørke.

Fargen og overflaten til en gjenstand påvirker hvor mye stråling den absorberer og sender ut. Mørke, matte overflater absorberer og sender ut stråling godt. Lyse, blanke overflater reflekterer stråling. Det er grunnen til at vi bruker mørke klær om vinteren (for å absorbere solvarme) og lyse klær om sommeren (for å reflektere den). Det er også grunnen til at termosflasker har speilblanke vegger på innsiden: de reflekterer strålingen tilbake og hindrer varmetap.

Bålet du sitter foran på en kald kveld varmer deg hovedsakelig gjennom stråling. Flammene sender ut infrarød stråling som treffer huden din og varmer den opp. Det er derfor du er varm mot bålet men kald på ryggen: stråling reiser i rette linjer og «bøyer ikke rundt hjørner».

Isolasjon: Å holde varmen inne (eller ute)

Nå som du kjenner de tre måtene varme overføres på, kan du forstå hvorfor isolasjon fungerer. Isolasjon handler om å hindre varme i å flytte seg, enten det er å holde varmen inne (hus om vinteren) eller ute (kjøleskap).

Et velbygget hus bruker isolasjon mot alle tre overføringsformene. Mineralull i veggene inneholder mye luft fanget mellom fibrene, som hindrer ledning og konveksjon. Doble vinduer har et lag med luft eller gass mellom glassene som hindrer ledning. Reflekterende folier på innsiden av vegger kan reflektere varmestråling tilbake inn i huset.

En termos er et mesterverk av isolasjon. Den har doble vegger med vakuum mellom seg (hindrer ledning og konveksjon fordi det ikke er noe stoff å overføre varme gjennom). Innsiden av veggene er speilblanke (hindrer stråling ved å reflektere den tilbake). Korken på toppen er laget av isolerende materiale (hindrer ledning og konveksjon gjennom åpningen). Resultatet er at kaffen holder seg varm i mange timer.

Dyr har også utviklet fantastiske isolasjonsløsninger gjennom evolusjonen. Isbjørnen har tykk pels med hule hår som fanger luft (isolering mot ledning). Hvaler har et tykt lag med spekk under huden (isolering mot det kalde sjøvannet). Fugler plusser opp fjærene sine i kulda for å fange mer luft mellom dem. Og mennesker? Vi fryser og kler på oss et ekstra lag, som også handler om å fange et isolerende lag med luft mellom kropp og omgivelser.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi lært forskjellen mellom varme og temperatur, og utforsket de tre måtene varme kan overføres på.

Temperatur er et mål på gjennomsnittlig molekylbevegelse (intensitet). Varme er overføring av energi fra varmere til kaldere gjenstander (mengde). Et badekar med lunkent vann har mer varmeenergi totalt enn en kopp kokende vann.

Varmeledning er overføring gjennom direkte kontakt mellom partikler. Metaller er gode ledere, mens luft, tre og plast er gode isolatorer.

Konveksjon er overføring der varm materie fysisk flytter seg. Varm luft og vann stiger opp, kaldt synker ned, og det dannes konveksjonsstrømmer. Konveksjon forklarer vind, havstrømmer og hvorfor det er varmere under taket.

Stråling er overføring gjennom elektromagnetiske bølger og den eneste formen som fungerer i vakuum. Mørke, matte overflater absorberer godt, lyse og blanke reflekterer. Sola varmer jorda gjennom stråling.

Isolasjon handler om å hindre varmeoverføring. Termosen er et mesterverk: vakuum hindrer ledning og konveksjon, speilblanke vegger hindrer stråling. Dyr bruker pels, spekk og fjær som naturlig isolasjon.