U prva dva pokusa potrebno je mjeriti temperaturu pomoću termočlanka, pa ćemo najprije opisati načelo njegova rada.

Termočlanak

Termočlanak čine tri žice, pri čemu su dvije od istog materijala. U opisanim pokusima upotrebljavan je termočlanak koji ima dvije žice od željeza i treću od konstantana. Po jedan kraj jednakih žica (od željeza) spoji se na krajeve treće žice (od konstantana), a preostala dva kraja (željeznih žica) priključe se na digitalni voltmetar, koji je na mjernom području 200 mV. Ako spojevi žica imaju različite temperature, između njih postoji napon. Napon je to veći što je veća temperaturna razlika.

Vezu između temperature i napona možemo dobiti ako jedan spoj žica (tzv. hladni kraj) držimo na temperaturi 0 °C (u stucanom ledu), a drugi kraj (vrući) zavežemo za termometar i uronimo u vodu kojoj polako povećavamo temperaturu držeći je u posudi na kuhalu. Kuhalo povremeno isključujemo kada temperatura počne brže rasti. Podatke o temperaturama i pripadnim naponima unesemo u tablicu i prema njima napravimo graf u koordinatnom sustavu s naponom U na ordinati i temperaturom t na apscisi (slika 1).

t / °C	18,0	36,5	56,0	73,0	92,0
U / mV	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0

Slika 1

Vidimo da je napon razmjeran temperaturnoj razlici i da se napon poveća za 1 mV kada temperatura poraste za oko 18 °C, što dobijemo dijeljem određene promjene temperature (na primjer 90 °C) s pripadnim povećanjem napona (5 mV). Milivoltmetar pokazuje i desetinke milivota, pri čemu svakoj desetinki milivolta odgovara povećanju temperature za oko 1,8 °C.

Pomoću ovako baždarenog milivoltmetra možemo izmjeriti nepoznatu temperaturu držeći hladni kraj termočlanka u stucanom ledu a vrući na mjestu gdje želimo izmjeriti temperaturu.

Pokus 1: U medicinsku sisaljku (pogodna je ona od 60 cm³) uvučemo kroz uski dio jedan od zajedničkih krajeva termočlanka (vrući kraj) i otvor sisaljke dobro začepimo gumenim čepom (slika 2).

   Slika 2

U ovom ćemo pokusu termočlankom mjeriti samo temperaturnu razliku, pa njegov hladni kraj ne mora biti u stucanom ledu. Možemo ga ostaviti zraku. Utisnemo li naglo klip, voltmetar pokazuje porast temperature zraka u sisaljci za nekoliko stupnjeva (slika 3).

   Slika 3

Zadržimo li klip neko vrijeme u tom položaju, temperatura zraka u sisaljci će se zbog izmjene topline s okolinom smanjiti na početnu vrijednost (slika 4).

   
Slika 4

Pustimo li tada klip, zrak u sisaljci će se širiti i istiskivati klip uz snižavanje temperature (slika 5).

   
Slika 5

Negativna vrijednost napona što je pokazuje voltmetar znači da je temperatura zraka u sisaljci niža od temperature okolnog zraka, ali ne mora biti ispod 0 °C.

Prema Molekularno-kinetičkoj teoriji plinova, s promjenom temperature plina mijenja se i njegova unutarnja energija, a kako za idealni plin vrijedi:

pokus nam pokazuje da se mehaničkim radom na plinu njegova unutarnja energija povećava, a smanjuje se kada se plin širi i obavlja rad.

Žice termočlanka moraju biti što tanje da se za njihovo zagrijavanje ne troši previše topline i da brže reagiraju na promjenu temperature. Osim toga, ako su žice predebele teško je začepiti sisaljku da ne propušta zrak. U ovom su pokusu upotrebljavane žice debele oko 0,2 mm. Čitav snop ovako tankih žica možemo naći u termočlancima koji se upotrebljava za mjerenje temperature u industrijskim pećima i sl. Da se žice termočlanka ne bi nekontrolirano savijale i otežavale izvođenje pokusa namotamo ih na malo deblje izolirane žice i na nekoliko mjesta zalijepimo.

Svima koji bi htjeli izvoditi pokuse a nemaju termočlanak, autor će na zahtjev besplatno poslati žice. e-mail: jakov.labor@si.htnet.hr

Pokus 2: U dodiru dvaju sustava različitih temperatura toplina sama od sebe prelazi sa sustava više temperature na sustav niže temperature sve dok se temperature sustava ne izjednače. Posredstvom trećeg tijela toplina se može prenositi i sa sustava niže temperature na sustav više temperature. To možemo pokazati pokusom u kojemu je sustav niže temperature voda u posudi, sustav više temperature okolni zrak, a tijelo koje prenosi toplinu zrak u medicinskoj sisaljci (slika 6).

   
Slika 6

Stlačimo zrak u medinskoj sisaljci koja se nalazi u zraku i držimo ga stlačenim. Temperatura zraka neposredno nakon stlačivanja poraste (slika 7),

   
Slika 7

a potom se snižava jer zrak u sisaljci predaje toplinu okolini. Kada zrak u sisaljci poprimi temperaturu okoline (slika 8),

   
Slika 8

pustimo klip da zrak može naglo ekspandirati. Tada će se njegova temperatura sniziti ispod temperature vode u posudi (slika 9).

   
Slika 9

Uronimo li brzo sisaljku u vodu, toplina će s vode prelaziti na zrak u sisaljci dok se temperature zraka i vode ne izjednače (slika 10).

   
Slika 10

Želimo li da toplina i dalje prelazi s vode na zrak u sisaljci, temperaturu zraka u sisaljci moramo ponovno sniziti ispod temperature vode. To postižemo ponavljanjem opisanog procesa. Dakle, sisaljku izvadimo iz vode, stlačimo zrak u njoj i čekamo da on poprimi temperaturu okoline. Kada se to dogodi, omogućimo zraku da naglo ekspandira, pri čemu će njegova temperatura pasti ispod temperature vode. Unesemo li sada sisaljku sa zrakom u vodu, zrak će ponovno uzimati toplinu od vode.

Primijetimo da je prijenos topline s hladnijeg sustava na topliji moguć samo uz rad kojega u ovom pokusu obavljamo stlačujući zrak u sisaljci dok je ona u dodiru s okolnim zrakom. Na tom načelu radi rashladni stroj (hladnjak). U hladnjaku sustavom cijevi cirkulira plin, koji u unutrašnjosti hladnjaka ekspandira i uzima toplinu, a izvan hladnjaka se stlačuje i predaje toplinu okolini.

Pokus 3: Uski dio medicinske sisaljke usadimo u gumeni čep i njime začepimo tikvicu. Tikvicu uronimo u čašu s vodom kojoj je temperatura viša od temperature zraka u sisaljci (slika 11).

   
Slika 11

Opažamo da se zrak širi istiskujući klip. Zrak je primio toplinu od vode, povećao unutarnju energiju i tako postao sposobnim se za obavljanje rada. Zrak koji se nalazi u tikvici i sisaljci je sredstvo koje pretvara toplinu u mehanički rad.

Uronimo li tikvicu u hladnu vodu, opažamo da se klip uvlači u cilindar sisaljke. Srednja sila koja vraća klip u početno stanje manja je od srednje sile kojom je zrak istiskivao klip, pa je i rad obavljen pri vraćanju zraka u početno stanje manji od rada što ga je zrak obavio pri širenju. Zato opisani (kružni) proces omogućuje dobivanje mehaničkog rada iz topline.

Zrak u sisaljci mogli smo nakon obavljena rada u početno stanje vratiti i ne hladeći ga. Međutim, rad koji bismo pritom obavili ne bi bio manji od rada što ga je obavio zrak šireći se. Zato uređaji koji pretvaraju toplinu u mehanički rad (toplinski strojevi) moraju imati osim spremnika iz kojega će plin uzimati toplinu (u našem pokusu topla voda) i hladniji spremnik (u našem pokusu hladna voda) kojemu će plin predati dio topline što ju je uzeo iz toplijeg spremnika.