Vakuum teplotu nemá, ale…
Teplota z fyzikálního pohledu popisuje, jak moc se uvnitř látky pohybují její částice (atomy a molekuly) [1]. Čím rychleji se pohybují, tím je látka teplejší a naopak. Můžeme si to představit třeba na vodě: v ledu jsou molekuly vody „skoro na místě“, zatímco ve vodní páře se pohybují velmi rychle a neuspořádaně. Z toho plyne jednoduchý závěr: kdybychom uvažovali dokonalé vakuum, tedy prostor, kde není vůbec nic, nemáme nic, čemu bychom mohli teplotu přiřadit. Dokonalé vakuum tedy teplotu nemá.
To ale neznamená, že by ve vakuu nemohlo docházet k výměně tepla. Teplo se totiž nemusí šířit jen dotykem nebo prouděním vzduchu. Každé těleso s nenulovou teplotou vyzařuje tepelné (infračervené) záření. Díky tomu cítíme teplo ze Slunce, i když nás od něj dělí téměř prázdný vesmír. Běžné předměty sice vyzařují mnohem méně energie než Slunce, princip je však stejný. Na rozdíl od přenosu tepla dotykem (vedením) nebo prouděním částic (tzv. konvekcí) se tepelné záření šíří i prázdným prostorem, tedy i vakuem [2]. Takovému šíření tepla bez přímého dotyku či proudění říkáme sálání.
Co naměříme ve vakuu?
Co bychom tedy naměřili, kdybychom vložili teploměr do vakua? Teploměr totiž neměří vlastnosti prázdného prostoru, ale reaguje na výměnu energie se svým okolím. Ve vakuu je tato výměna zajištěna především tepelným zářením okolních těles, například stěn nádoby, ve které se vakuum nachází [2]. Teploměr vložený do vakuové komory by se tedy teoreticky ustálil na teplotě stěn nádoby, nikoli na „teplotě vakua“.
Dokonalé vakuum je však pouze ideální pojem. V praxi ho neumíme vytvořit v laboratoři a pravděpodobně se nevyskytuje ani nikde v přírodě. I prostředí, která považujeme za extrémně prázdná (například vesmír), obsahují malé množství částic. Skutečné vakuum je proto z fyzikálního hlediska spíše extrémně řídký plyn [3]. A když narazíme na někoho, kdo mluví o „teplotě vakua“, je pravděpodobné, že tím myslí spíše teplotu tělesa ve vakuu, případně teplotu onoho zbytkového řídkého plynu.
V reálném světě se materiály za tzv. „vysokého vakua“ (tedy extrémně nízkého tlaku) mohou chovat nezvykle. I když by se teploměr vložený do vakuové nádoby po určité době ustálil na teplotě stěn nádoby, nemusel by nutně ukazovat teplotu stěn této nádoby. Příčinou může být například to, že se povrch citlivé sondy teploměru pomalu začne měnit na plyn [4]. Proto se pro vakuové komory používají speciální teploměry, jejichž konstrukce omezuje tyto nežádoucí vlivy.
Pro Zeptej se vědce odpovídal Daniel
Zdroje:
[1] Atkins, P., De Paula, J., & Keeler, J. (2022). Atkins’ physical chemistry. In Oxford University Press eBooks. https://doi.org/10.1093/hesc/9780198847816.001.0001
[2] Howell, J. R., & Siegel, R. (1971). Thermal radiation heat transfer (NASA Special Publication NASA-SP-164-VOL-3). NASA. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19710021465/downloads/19710021465.pdf
[3] Baglin, V., & Kersevan, R. (2024). II.8 — Vacuum systems. CERN Document Server (European Organization for Nuclear Research). https://doi.org/10.23730/cyrsp-2024-003.1259
[4] Frankel, H. E. (1969). Effect of vacuum on materials. NASA Technical Reports Server (NASA). http://hdl.handle.net/2060/19690026573